農藥殘留分析實時分析新技術研究進展

潘興魯 董豐收 吳小虎 劉新剛 徐軍 鄭永權

摘要

敞開式離子化質譜（ambient mass spectrometry， AMS）技術由于實時、原位分析、不需要復雜樣品處理過程等特點，已經(jīng)成為質譜研究領域的一個研究熱點。實時直接分析（direct analysis in real time， DART）作為一種典型的敞開式離子化質譜技術，自2005年報道以來，已經(jīng)被廣泛應用到各個領域不同樣品的分析過程中。本文主要從DART發(fā)展歷程、構造及原理以及在農藥殘留分析領域應用進展進行綜述，并對其發(fā)展進行了展望。

關鍵詞

實時直接分析; 質譜; 農藥殘留

中圖分類號：

S 481.8

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2018302

Research advances in direct analysis in real time of pesticide residues

PAN Xinglu， DONG Fengshou， WU Xiaohu， LIU Xingang， XU Jun， ZHENG Yongquan

（Institute of Plant Protection， Chinese Academy of Agricultural Sciences，Laboratory of Quality &

Safety Risk Assessment for Agri-products Biohazards （Beijing）， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs，Key Laboratory of Control of Biological Hazard Factors （Plant Origin） for Agri-products

Quality and Safety， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100193， China）

Abstract

Ambient ionization mass spectrometry （AMS） has become a hot area in the field of mass spectrometry due to the advantages of real-time and in situ analysis， and simple sample preparation. Direct analysis in real time （DART） as a typical AMS has been widely applied in the analysis procedure in every field since the first report in 2005. In this paper， the development course， structure and mechanism of the DART， the application of DART-MS in the field of pesticide residue analysis were briefly summarized. Finally， the development tendency of DART-MS was prospected.

Key words

direct analysis in real time; MS; pesticide residue

質譜技術由于其高靈敏度、高準確度以及高通量等特點，已被廣泛應用到各個分析領域。作為質譜重要組件之一，離子源正朝著通用性更強、靈敏度更高、耐用性更好的方向不斷發(fā)展[1]。從最初的電子轟擊到現(xiàn)在的噴霧電離，質譜實現(xiàn)了從有機小分子到生物大分子分析的飛躍[2]。但是，復雜的樣品前處理過程（提取、濃縮、凈化）往往會消耗大量的時間，嚴重制約著質譜在實時、高通量分析中的應用。

敞開式離子化質譜的出現(xiàn)為實時、原位分析提供了可能。敞開式離子化質譜是一種在大氣壓環(huán)境下，無需樣品前處理直接完成樣品的離子化的新型質譜技術[3]。目前已經(jīng)報道了30多種敞開式離子化質譜技術，其中最為廣泛應用的就是實時直接分析技術（direct analysis in real time， DART）[4-5]和解吸電噴霧電離技術（desorption electrospray ionization， DESI）。本文主要綜述了DART發(fā)展歷程、構造及原理以及在農藥殘留分析領域的應用。

1 DART發(fā)展歷程

2001年初，為了拓展可調諧能量電子單色儀（tunable energy electron monochromator， TEEM）的使用范圍[6]，Laramee和Cody在美國JEOL公司實驗室研究了與TEEM具有類似功能的常壓熱電子源的潛在應用價值，試圖開發(fā)出一種安全的放射性材料替代品，用于化學試劑監(jiān)測和有毒工業(yè)化學傳感器制造，如：鎳-63或镅-241。

幾種相應的方案設計和離子光學模型應運而生，在大氣壓下利用氮氣和氦氣放電提供電子是最早提出的概念之一?；谶@一理念，在2013年實現(xiàn)了常壓熱電子源與飛行時間質譜的聯(lián)用。對所產生的離子檢驗結果顯示，電子激發(fā)態(tài)的氦或振動激發(fā)態(tài)的氮是產生樣品離子化的主要原因。試驗發(fā)現(xiàn)，這種電子源對遠離實驗室的痕量級蒸汽具有非常高的靈敏度，例如施工工地打開的膠水產生的氣體;對化學試劑如丙酮、乙酸、乙腈、吡啶和硝酸同樣具有高靈敏度，例如在一個房間打開化學試劑瓶蓋，幾百毫秒內就能在另一個房間檢測到。由于具有多種樣品采集功能，這種大氣壓電子源能夠與質譜或離子遷移光譜聯(lián)用。隨后該成果受到美國軍方的重視，主要在佛羅里達州埃奇伍德化學生物中心用于化學戰(zhàn)劑的現(xiàn)場測試[7]。

在得到初步的試驗結果之后，發(fā)明者決定推遲發(fā)表結果，并在分別位于馬薩諸塞州的JEOL公司實驗室和佛羅里達州埃奇伍德化學生物中心兩個實驗室同時獨立開展重復性驗證試驗。DART成功地對數(shù)百種化學物質進行了樣品采集測定，包括化學戰(zhàn)劑、藥物制劑、代謝物、氨基酸、多肽、低聚糖、合成有機物、有機金屬化合物、毒品、爆炸物、工業(yè)有毒材料。這些化合物來源于不同的物質表面，包括多孔混凝土、瀝青、人體皮膚、貨幣、航空公司登機證、名片、水果、蔬菜、香料、飲料、體液、園藝植物葉片、雞尾酒杯、普通實驗室設備和服裝。2005年DART離子化技術文章在Analytical Chemistry雜志發(fā)表，同年JEOL公司的DART商品化設備問世。JEOL公司的AccuTOF DART問世以來，被用于各種小分子樣品的分析檢測，具有分辨率高、分析速度快、樣品損耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可以輕松實現(xiàn)高通量檢測和樣品篩選[7]。

自2005年DART離子化技術發(fā)表以來，每年關于DART-MS的出版文章數(shù)量快速增加（圖1）。在Web of Science上以DART-MS為關鍵詞檢索，從2005年到2017年共發(fā)表了623篇文章，到2018年7月共發(fā)表了660篇文章。

圖1 2005-2018年發(fā)表的DART-MS研究論文數(shù)量

Fig.1 Number of publications per year about

DART-MS from 2005 to 2018

2 DART構造及原理

2.1 DART構造

DART源主要包括一個封閉的離子源（初級離子源）和一個開放的反應區(qū)[8]。圖2是DART離子源的剖面圖。

圖2 DART離子源剖面示意圖[7]

Fig.2 Cutaway view of the DART ionization source

首先，氣體由進氣口進入放電室，放電室由一個針電極和一個多孔圓盤電極組成，針電極能夠提供1～5 kV的高壓，高壓激發(fā)輝光放電，分別使氦氣原子和氮氣分子變?yōu)殡娮蛹ぐl(fā)態(tài)和振動激發(fā)態(tài)，由此在腔室內形成50～60℃的離子、電子和激發(fā)態(tài)氣體組成的等離子流體，多孔圓盤電極能夠除去等離子流體中的電子。低溫等離子流體進入第二個氣體加熱腔室，可以將等離子流體加熱到50～100℃[9]。加熱后的等離子流體經(jīng)過格柵電極過濾掉極性相反的離子，防止離子重組造成信號丟失。位于離子源出口的陶瓷絕緣帽能夠避免格柵電極對樣品和實驗人員產生傷害。DART離子源與質譜進樣口通過絕緣陶瓷轉接口相連，轉接口連有一個真空泵，用于抽去大量的中性粒子避免中性物質污染質譜，同時可以減小DART氣流對質譜真空度的影響。DART離子源與質譜主要有兩種連接模式：一是無角度模式，是指氣流朝向質譜接口;二是反射模式，是指通過樣品表面反射，將產生的離子進入質譜檢測。

2.2 DART工作原理

從DART離子源出來的等離子流體進一步與環(huán)境中的介質作用或者與分析物作用，將分析物從基質表面進行解吸附離子化[10]。DART離子源能形成正離子和負離子，形成離子的形式主要取決于分析物的理化性質，包括氣相堿度（GB）或氣相酸度（GA）、電離能（IE）、電子親和能（EA）以及與其他化合物形成加和離子的能力[11]。

2.2.1 正離子電離模式

正離子模式下，最有可能發(fā)生的反應包括彭寧離子化、質子轉移和電荷轉移。彭寧離子化是指當一種氣體的亞穩(wěn)態(tài)原子同另一種氣體的原子和分子碰撞時，只要前者的激發(fā)能大于后者的電離能，后者就能被電離，前者返回基態(tài)。惰性氣體的亞穩(wěn)態(tài)原子具有較大的激發(fā)能，且惰性氣體的激發(fā)能順序為He*>Ne*>Ar*>Kr*[12]。相對于其他惰性氣體，處于電子激發(fā)態(tài)的氦原子（23S）具有最高的內能（19.8 eV），所以DART離子源一般采用氦氣作為離子化氣體。絕大多數(shù)有機物的離子化能約為10 eV，稍小于激發(fā)態(tài)的氦原子內能（19.8 eV），所以能夠使有機物分子電離而不產生很多碎片離子[13-15]。

He+能量→He*（1）

He*+M→M+·+e-+He（2）

環(huán)境中的少量水分子導致了離子化過程中的另一個反應——質子轉移。水分子的離子化能約為12.6 eV，所以激發(fā)態(tài)的氦原子能夠高效地將水分子電離，生成水分子陽離子，水分子陽離子進一步與其他水分子作用，形成水分子簇陽離子[（H2O）nH]+。當分析物（M）的質子親合能大于水分子質子親合能時，就會發(fā)生質子轉移，產生[M+H+][12-16]。

He*+H2O→H2O+·+e-+He（3）

H2O+·+H2O→H3O++OH·（4）

H3O++nH2O→[（H2O）n+H]+（5）

M+[（H2O）n+H]+→[M+H]++nH2O（6）

電荷交換是形成分子離子峰的另一種途徑。氧分子的電離能約為12.07 eV，所以激發(fā)態(tài)的氦氣使空氣中的氧分子電離生成氧正離子自由基，氧正離子自由基奪取分析物的電子，形成分析物陽離子[10， 14]。

He*+O2→O+·2+e-+He（7）

O+·2+M→M+·+O2（8）

正離子模式下，彭寧離子化和電荷交換能生成M+·，而質子轉移能夠形成[M+H]+，在DART離子源中M+·和[M+H]+可能會同時存在，其比例并非取決于空氣中水分含量或He*與樣品之間的距離，而主要受化合物的氣相酸堿度和電離能影響，較低的電離能容易產生M+·，而高氣相堿度容易生成[M+H]+[8]。但是，當這兩種離子同時出現(xiàn)在質譜上時，就會對元素的同位素峰產生干擾。針對這一問題，部分研究采用氬氣替代氦氣作為離子化氣體，氬氣的激發(fā)態(tài)內能為11.55 eV（3P2）和11.72 eV（3P0），不能使水分子（IE = 12.65 eV）電離，所以能夠避免產生[M+H]+離子干擾，但其靈敏度也隨之下降[17-18]。

在中等極性分析物的DART質譜圖中，經(jīng)常能觀察到銨離子[M+NH4]+產生。銨離子可能是源于樣品中普遍存在的雜質，或者是實驗室微量的氨氣。試驗過程中在電離區(qū)準備一瓶10%～25%的氨水能夠增加[M+NH4]+的產生。

M+[NH4]+→[M+NH4]+（9）

2.2.2 負離子電離模式

負離子模式下，激發(fā)態(tài)的氦氣能夠與大氣中氮氣發(fā)生彭寧離子化，產生熱電子。大氣中的氧氣捕獲熱電子形成氧負離子，氧負離子與分析物反應生成分析物與氧氣的加合負離子;或者形成的加合負離子解離形成分析物負離子。

He*+N2→N+·2+e-+He（10）

O2+e-→O-·2（11）

O-·2+M→[M+O2]-·（12）

[M+O2]-·→M-·+O2（13）

根據(jù)分析物的性質，分析物可以直接捕獲電子，或者解離后捕獲電子形成分析物負離子。同時，也可以通過脫質子作用或者與負離子加合形成分析物負離子[16，19]。

M+e-→M-·（14）

MX+e-→M-+X·（15）

MH→[M-H]-+H+（16）

M+X-→[M+X]-（17）

另外，環(huán)境大氣中產生的離子包括O-·2、NO-·2、CO-·3以及痕量有機溶劑產生的CN-、Cl-、OH-都有可能與分析物結合形成加合物負離子[20]。

2.3 影響DART離子化的因素

2.3.1 摻雜劑影響DART離子化

試驗過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)分析物DART質譜信號會隨著環(huán)境變化產生明顯的改變。例如樣品表面殘留物產生的蒸汽或實驗室化學試劑蒸汽都會顯著影響DART質譜信號[21]。DART負離子對檢測硝酸甘油等爆炸物具有高靈敏度，即使對于蒸氣壓極低的化合物也有較高的靈敏度[16]。試驗發(fā)現(xiàn)，當在DART旁邊放一瓶敞口的濃度為0.1%的三氟乙酸（H-TFA），就可以檢測到爆炸物與三氟乙酸的加合離子[M+TFA]-。同樣，二氯甲烷也能使分析物產生[M+Cl]-，以此提高DART對爆炸物檢測的靈敏度[22]。另外，氨水能夠促進分析物形成加合離子[M+NH4]+。例如含羰基或羥基化合物、羰基酯和有機過氧化物等較容易形成[M+NH4]+，所以在DART離子源旁放置一瓶氨水，能夠使信號提高100倍[23-24]。通常，人們會在反應區(qū)引入合適的摻雜劑來降低分析物的檢測限。但是，殘留的溶劑蒸汽和一些無關的氣體可能對DART質譜產生信號干擾。

2.3.2 分析物分子量和氣體影響離子化

由于DART需要將分析物從樣品表面解吸電離，所以DART通常用來檢測質荷比在50到1 200范圍內的小分子和中型分子?，F(xiàn)在商品化的DART工作氣體溫度可以從50℃升至500℃，要解吸電離高分子量的分析物必須較高的溫度，可用于DART檢測的分析物分子量上限主要取決于分析物的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性。對于揮發(fā)性強的化合物，DART可以檢測到m/z高達3 500的氣體離子。工作氣體溫度對分析物質譜信號具有決定作用，對于大多數(shù)分析物，都有一個起始溫度，當小于這個起始溫度時，就不會觀察到質譜信號;但是，溫度過高分析物容易揮發(fā)和損失。較低的溫度適合檢測揮發(fā)性有機化合物，較高的溫度適合檢測高沸點化合物和長鏈糖類。另外，工作氣體流速也影響DART離子化，流速過低會造成激發(fā)態(tài)的氣體數(shù)量少，分析物離子化效率低;流速過高會造成樣品損失，進入質譜的分析物數(shù)量減少。

因此，在實際試驗過程中，需要對影響DART離子化效率的參數(shù)進行詳細的優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)的質譜響應信號。

3 DART在農藥殘留分析中的研究進展

農藥是目前最有效的病蟲害防控物質，由于農藥長期使用，其在環(huán)境介質中釋放和擴散勢必會造成環(huán)境污染和農藥殘留問題。同時，隨著食品安全問題不斷曝光，食品和環(huán)境中的農藥殘留已經(jīng)成為社會關注的焦點。質譜技術由于其高靈敏度、高準確度以及高通量等特點，已經(jīng)被廣泛應用到農藥殘留分析中。其中液相色譜質譜聯(lián)用（LC-MS）和氣相色譜質譜聯(lián)用（GC-MS）是該領域最主要的技術手段[25-26]。然而LC-MS和GC-MS均需要專業(yè)的儀器操作與儀器維護技術;同時，由于各種復雜的化學試劑以及繁瑣的前處理過程，其缺點是耗時長、溶劑消耗大，不適合快速實時高通量檢測分析;另外GC-MS分析技術還要求分析物具有良好的揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性。DART-MS作為一種高性能的敞開式直接離子化質譜技術，能夠滿足對樣品無損、快速、環(huán)保、原位分析的高通量需求，DART-MS既可以對原始或者經(jīng)簡單處理的樣品直接檢測分析，也可以與復雜的前處理過程相結合。目前，DART-MS已經(jīng)逐漸成為農藥殘留分析的熱點研究技術。

3.1 DART-MS結合無前處理或者簡單的樣品處理

由于DART能夠直接檢測樣品而幾乎不要任何前處理，所以DART-MS被認為是一種理想的高通量檢測方法。一些低黏度的液體（如水和飲料）和固體樣品（糧食、水果）可以用于直接分析檢測。Yong等利用DART-QqQ法建立了紅葡萄酒和白葡萄酒中31種農藥的快速直接檢測方法，無需樣品制備和色譜分離，在多反應檢測模式下，分析物在10～1 000 ng/mL范圍內線性良好;與傳統(tǒng)的QuEChERS方法相比，分析效率提高一倍;同時作者還證明了DART-QqQ比DART-Tof具有更高的靈敏度[27]。Marinella等采用直接實時分析-高分辨質譜（DART-Orbitrap）建立柑橘和蘋果果皮上的農藥實時檢測方法，利用鑷子夾住1 cm×3 cm果皮直線低速通過DART離子源對果皮上的農藥進行直接分析，其精密度良好（RSD<14%）;通過此方法測的農藥濃度與將樣品通過溶劑萃取然后進行UHPLC-Orbitap檢測結果一致，該方法在農藥快速實時檢測和保證食品安全方面具有重要意義[28]。Elizabeth等采用棉簽擦拭果蔬表面后引入DART電離源中，建立農藥在具有不同表面特征的果蔬（櫻桃番茄、橙子、桃、胡蘿卜）上的快速殘留檢測方法，并評估了兩種不同材質的棉簽對擦拭效果和離子化的影響。結果發(fā)現(xiàn)，棉花棒只適合用于擦拭光滑的果實表面，而α-聚酯只能在溫度較低的離子源下使用，當溫度過高時，α-聚酯離子化產生的質譜信號會對分析物產生強烈的干擾[29]。Sara等同樣利用擦拭的方法建立了果蔬上的農藥殘留分析方法。作者認為由于DART-MS缺乏色譜保留時間信息和碎片離子信息，容易產生假陽性的結果。所以作者建立了一套防止假陽性結果的數(shù)據(jù)標準，首先必須檢測到分子離子，除此之外還必須檢測到至少兩個碎片離子或兩個同位素離子或一個碎片離子和一個同位素離子，并基于此標準建立了一套精確分子離子、碎片離子和同位素離子數(shù)據(jù)庫[30]。其他的簡單樣品處理方法主要包括簡單的溶劑萃取、調整酸性飲料pH值[31]、啤酒脫氣[32]、混合物過濾[33]、樣品稀釋等[23]。

3.2 DART-MS結合常規(guī)前處理方法

DART通常被認為是一種不需要樣品前處理的電離技術，但是復雜樣品干擾、樣品濃度過低等因素會對DART的質譜信號造成一定的影響。而樣品前處理技術往往能夠改善DART的信號強度。目前，極性農藥的分析檢測存在較多的困難，一個是從極性溶劑中提取極性農藥容易產生共流出雜質從而抑制質譜信號;另一個是極性化合物在反相色譜中的保留效果不好。Francisco團隊針對這一問題采用快速極性農藥提取法（QuPPe）結合DART建立了7種極性農藥在萵苣和芹菜中的殘留分析方法，方法回收率在71%～115%之間，符合殘留分析檢測的要求[34]。Tomas等比較了水果中福美雙和福美鋅直接檢測和經(jīng)QuEChERS前處理后DART-MS檢測的信號差異。結果發(fā)現(xiàn)基質對DART-MS直接檢測信號有明顯的抑制作用，而經(jīng)QuEChERS前處理后DART-MS的信號提高了15倍[35]。通常水體和飲料中的農藥殘留水平較低，不適合直接檢測，Wang等將固相微萃取技術與DART-MS串聯(lián)，建立了6種三嗪類除草劑在湖水和果汁中的殘留分析方法，回收率在85%～106%之間，重現(xiàn)性良好（RSD=3.1%～10.9%）。與常規(guī)的DART-MS相比，該方法靈敏度和重現(xiàn)性更好[36]。

DART-MS技術既能用于原始樣品原位檢測，又能準確定量經(jīng)復雜處理后的樣品。試驗過程中需要根據(jù)樣品的特點和分析物的性質選擇合適的檢測方法。

4 結論與展望

綜上所述，DART-MS在農藥殘留檢測方面發(fā)展迅速，已經(jīng)在直接分析方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢，是一種高效的實時無損分析方法。隨著DART-MS的逐步發(fā)展，它將在農藥殘留分析領域發(fā)揮更重要的作用。盡管DART-MS比傳統(tǒng)的LC-MS具有快速、直接、原位等優(yōu)勢，但該分析方法在某些方面還需要進一步提高，例如目前只能實現(xiàn)樣品表面的農藥殘留定量分析，如何實現(xiàn)樣品內部化學成分的直接、快速準確定量分析將是未來發(fā)展的重要方向。

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（責任編輯： 田 喆）