熱解吸低溫等離子體質(zhì)譜技術(shù)直接快速篩查蔬菜中的有機(jī)磷農(nóng)藥

周 鵬，洪 義，張 祺，黃 保，朱 輝，莫 婷，黃正旭*

(1.廣州禾信儀器股份有限公司，廣東 廣州 510530；2.廣州安諾科技股份有限公司，廣東 廣州 510530)

民以食為天，食以安為先，安以質(zhì)為本。食品安全問(wèn)題是關(guān)乎每個(gè)人的重要話題。近年來(lái)，“地溝油”、“毒大米”、“瘦肉精”、“毒豆芽”、“毒西瓜”等食品問(wèn)題事件頻發(fā)[1]，給人們生活帶來(lái)極大威脅的同時(shí)，也促使食品監(jiān)管部門(mén)加大管控力度，及時(shí)、準(zhǔn)確地提供市場(chǎng)上食品的安全信息。蔬菜是人們生活中不可或缺的一類(lèi)食品，其質(zhì)量問(wèn)題與人體健康息息相關(guān)。眾所周知，蔬菜在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)施用一定劑量的農(nóng)藥以防止疾病、蟲(chóng)害、腐爛等，但農(nóng)藥的大量使用，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生殘留問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)生了多起因食用了農(nóng)藥殘留量高的蔬菜[2]而導(dǎo)致的食物中毒事件。此外，一些農(nóng)藥還會(huì)在人體內(nèi)蓄積[3]，可能引發(fā)慢性中毒、“三致”等一系列健康風(fēng)險(xiǎn)[4]，因此在蔬菜進(jìn)入市場(chǎng)前對(duì)其農(nóng)殘種類(lèi)和含量把控顯得尤為必要。

構(gòu)建直接快速、全面、非靶向的檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)是管控食品質(zhì)量安全的有效手段之一[7]。有機(jī)磷農(nóng)藥是所有種類(lèi)農(nóng)藥中適用范圍最廣、數(shù)量最多的一類(lèi)農(nóng)藥[5]。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥數(shù)量超過(guò)100種，此類(lèi)農(nóng)藥對(duì)生物體而言是一種不可逆的膽堿酯酶抑制劑[6]。已報(bào)道用于蔬菜中有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥的檢測(cè)方法主要有化學(xué)顯色法[8]、紅外光譜法[9]、太赫茲時(shí)域光譜法[10]、拉曼光譜法[11]、免疫法[12]、氣相色譜法[13]、液相色譜法[14]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[15]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[16]等，這些方法雖然具有較好的檢出限、靈敏度、穩(wěn)定性等，且市場(chǎng)上也有大量基于這些技術(shù)的商用產(chǎn)品(如農(nóng)殘快速檢測(cè)卡、農(nóng)殘快速檢測(cè)儀、便攜拉曼設(shè)備、小型質(zhì)譜儀等)，但仍存在基質(zhì)效應(yīng)影響大、檢測(cè)目標(biāo)單一、前處理過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)[17]，不能滿足市場(chǎng)對(duì)農(nóng)殘快速篩查的需求，因此構(gòu)建直接快速、全面、非靶向的檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)不僅能夠滿足市場(chǎng)要求，而且可在一定程度上使食品安全問(wèn)題得到控制。

質(zhì)譜技術(shù)是農(nóng)殘檢測(cè)的重要手段之一。由Cooks教授最早提出的直接電離質(zhì)譜技術(shù)(Ambient ionization mass spectrometry，AIMS)[18]具有分析速度快，無(wú)需復(fù)雜樣品前處理，實(shí)時(shí)直接分析等特點(diǎn)，為直接質(zhì)譜分析拉開(kāi)了序幕。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展了30多種直接質(zhì)譜技術(shù)[19]，開(kāi)啟了質(zhì)譜分析的新熱潮。低溫等離子體技術(shù)(Low temperature plasma，LTP)[20]是AIMS的典型技術(shù)之一，由張新榮教授首次提出，在藥物分析[21]、環(huán)境分析[22]、爆炸物檢測(cè)[23]、食品分析[24]、監(jiān)測(cè)反應(yīng)[25]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于低溫等離子體射流通過(guò)與樣品間的直接相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的電離，所以不利于一些不易揮發(fā)物質(zhì)的電離。通過(guò)提高樣品表面的溫度從而增大不易揮發(fā)樣品的飽和蒸氣壓是有效提升其電離效率的手段之一[20]，如實(shí)時(shí)直接分析(Direct analysis in real time,DART)[26]、解吸電暈束放電(Desorption corona beam,DCB)[27]等通過(guò)將熱解吸裝置包含在離子源內(nèi)部對(duì)輔氣加熱，或在外部使用解吸池[28]、熱解吸進(jìn)樣器[29]、電阻絲[30]對(duì)樣品直接加熱，有效提高了等離子體的電離效率。本方法基于傳統(tǒng)LTP，采用外部解吸樣品，將傳統(tǒng)等離子體與樣品之間的氣-固或氣-液相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)闅?氣相互作用，使電離更充分[29]。同時(shí)采用可更換進(jìn)樣板，解決了樣品的殘留問(wèn)題。由于樣品熱解吸(Thermol desorption,TD)后可直接被等離子體電離，消除了使用載氣導(dǎo)致的樣品稀釋問(wèn)題，靈敏度更高。本研究將熱解吸引入樣品離子化過(guò)程，有望直接、快速、高效地解吸蔬菜樣品溶液中的有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥，提升檢測(cè)靈敏度，應(yīng)用大氣壓飛行時(shí)間質(zhì)譜儀[31]對(duì)其檢測(cè)，為蔬菜中有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥的直接快速篩查研究提供一項(xiàng)新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

API-TOF MS垂直引入式大氣壓飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(廣州禾信儀器股份有限公司)；TD6B低速離心機(jī)(上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司)；PB-100均質(zhì)器(德國(guó)PRIMA公司)；BSA124S-CW電子天平(Max 120 g，d=0.1 mg，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；乙腈(色譜純，美國(guó)Aladdin公司)；氧樂(lè)果(Omethoate)、甲基異柳磷(Isofenphos-methyl)、樂(lè)果(Dimethoate)、三唑磷(Triazophos)、殺撲磷(Methidathion)、馬拉硫磷(Malathion)、敵百蟲(chóng)(Trichlorfon)、毒死蜱(Chlorpyrifos)純度均不低于97%，購(gòu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(二次過(guò)濾，電導(dǎo)率為18.2 MΩ·cm)。

1.2 溶液配制

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制準(zhǔn)確稱(chēng)取甲基異柳磷、氧樂(lè)果、樂(lè)果、三唑磷、殺撲磷、馬拉硫磷、敵百蟲(chóng)、毒死蜱，分別配成1 000 mg/L的單標(biāo)儲(chǔ)備液。采用逐級(jí)稀釋法，得到0.001～10 mg/L 的單標(biāo)及混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 樣品溶液的制備準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g蔬菜(白菜)勻漿，設(shè)置0.01、0.1、1.0 mg/L 3個(gè)加標(biāo)水平，分別加入對(duì)應(yīng)量的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液及乙腈，漩渦振蕩2 min，以2 500 r/min離心1 min，取上清液置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置質(zhì)譜為正離子檢測(cè)模式，LTP電源供電電壓：5.0 V；低溫等離子體射流出口與質(zhì)譜口的水平距離：12 mm；低溫等離子體射流與質(zhì)譜口水平角度：30°。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，待離子傳輸管的溫度、載物臺(tái)的加熱溫度以及低溫等離子體射流穩(wěn)定以后，用移液槍取5 μL處理后的上清液于干凈的載玻片上，將載玻片置于載物臺(tái)，保證每次樣品所處的位置相同，整個(gè)樣品檢測(cè)過(guò)程時(shí)間少于5 s。

1.4 熱解吸-低溫等離子體技術(shù)原理

熱解吸-低溫等離子體技術(shù)(Thermol desorption-low temperature plasma，TD-LTP)進(jìn)行樣品檢測(cè)的原理圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖1。進(jìn)行樣品檢測(cè)時(shí)，可通過(guò)提高樣品的解吸溫度來(lái)增大樣品分子的蒸氣壓，有利于樣品分子的解吸。因此，引入熱解吸裝置可使更多的樣品發(fā)生解吸，提升等離子體射流區(qū)域單位空間內(nèi)的樣品的濃度。在質(zhì)譜口前端熱解吸出來(lái)的氣態(tài)樣品分子與LTP射流接觸從而被離子化，進(jìn)入質(zhì)譜被檢測(cè)。

圖1 TD-LTP-MS原理示意圖(A)和實(shí)物圖(B)Fig.1 Schematic diagram(A) and real device diagram(B) of TD-LTP-MS

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

研究以0.1 mg/L三唑磷(準(zhǔn)分子離子m/z314.05)為例，考察了氦氣流速、熱解吸溫度、離子傳輸管溫度對(duì)質(zhì)譜信號(hào)的影響。

2.1.1 氦氣流速氦氣流速會(huì)直接影響形成低溫等離子體射流的穩(wěn)定性和電離效果。氦氣流速太低時(shí)，形成的低溫等離子體射流長(zhǎng)度較短，且易受空氣波動(dòng)的影響，電離效果較差。增大氦氣流速會(huì)在一定范圍內(nèi)使等離子體射流長(zhǎng)度變長(zhǎng)、強(qiáng)度增強(qiáng)，但過(guò)大的流速會(huì)導(dǎo)致在離子化樣品時(shí)直接將樣品吹走，無(wú)法檢測(cè)到目標(biāo)物。實(shí)驗(yàn)考察了氦氣流速在0.4～1.2 L/min范圍內(nèi)對(duì)樣品信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氦氣流速為0.8～0.9 L/min時(shí)，等離子體射流較穩(wěn)定，樣品信號(hào)響應(yīng)最佳。

2.1.2 熱解吸溫度化合物熱裂解需很高的溫度，在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍(80～200 ℃)內(nèi)樣品分子受熱發(fā)生解吸附，形成氣態(tài)分子，隨后被低溫等離子體射流電離形成離子。在氦氣流速一定的情況下，于一定范圍內(nèi)升高溫度可提高待測(cè)樣品的解吸速率和解吸量，從而增強(qiáng)樣品的檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，降低檢出限。但溫度太高可能會(huì)使分子內(nèi)能太大，熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子擴(kuò)散快，等離子體射流區(qū)域單位空間內(nèi)的樣品濃度下降，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)降低。此外，高速運(yùn)動(dòng)的樣品離子與離子傳輸管壁發(fā)生碰撞也會(huì)損失部分離子，從而降低檢測(cè)信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品熱解吸溫度進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)在150 ℃時(shí)，樣品的信號(hào)強(qiáng)度最高。

2.1.3 離子傳輸管溫度離子傳輸管的溫度也是影響檢測(cè)信號(hào)的重要因素。當(dāng)離子傳輸管的溫度較低時(shí)(d/λ>100，式中d為離子傳輸管的管道直徑，λ為離子的平均自由程)，氣態(tài)離子在離子傳輸管中主要形成粘滯流，流線的方向?yàn)橹本€，管壁附近的氣態(tài)離子幾乎不流動(dòng)，而管道中心的離子流速最大。由于離子的內(nèi)能與溫度成正比，在一定范圍內(nèi)隨著溫度的升高，進(jìn)入離子傳輸管的離子數(shù)量增加。但當(dāng)離子傳輸管的溫度升高到一定程度時(shí)(d/λ<1)，樣品離子的運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿恿?，此時(shí)離子之間的碰撞減少，主要與管壁發(fā)生碰撞，使離子猝滅。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離子傳輸管的溫度為90 ℃時(shí)，可得到最高的信號(hào)響應(yīng)。

2.2 定性/定量離子的選擇

以0.1 mg/L的有機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)溶液為樣品，在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行TD-LTP-TOF MS檢測(cè)，得到有機(jī)磷樣品的標(biāo)準(zhǔn)品譜圖(圖2)。通過(guò)增大API-TOF MS大氣壓接口中分子離子反應(yīng)裝置的桿上軸向電壓差，可使樣品的準(zhǔn)分子離子發(fā)生碎裂，得到類(lèi)似碰撞誘導(dǎo)解離(CID)的效果[32]。由于不同有機(jī)磷分子在傳輸裂解過(guò)程中可能產(chǎn)生相同質(zhì)荷比的碎片離子，因此通過(guò)比較有機(jī)磷單標(biāo)的特征離子之間的差異，分別選取譜圖中豐度最大的離子作為對(duì)應(yīng)有機(jī)磷的定性和定量離子。

2.3 線性范圍、檢出限與定量下限

以空白大白菜為基質(zhì)樣品，配制8種有機(jī)磷農(nóng)藥的質(zhì)量濃度為0.001、0.005、0.010、0.020、0.050、0.100、0.200、0.500、1.000 mg/L的溶液，在優(yōu)化條件下測(cè)定，每個(gè)濃度平行實(shí)驗(yàn)6次。以有機(jī)磷農(nóng)藥特征離子的峰高對(duì)其質(zhì)量濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，8種有機(jī)磷農(nóng)藥在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)均不小于0.990 1，結(jié)果見(jiàn)表1。以3倍信噪比(S/N=3)計(jì)算得8種有機(jī)磷農(nóng)藥的檢出限(LOD)為0.001～0.010 mg/L，以S/N=10計(jì)算得LOQ為0.004～0.035 mg/L，均小于國(guó)標(biāo)《GB2763-2016 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》檢測(cè)要求。8種有機(jī)磷農(nóng)藥在空白大白菜樣品中于0.01、0.10、1.00 mg/L 3個(gè)水平下的加標(biāo)回收率為90.5%～119%，RSD為12%～17%，符合《GB/T27404-2008 實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測(cè)》分析要求。將本方法用于黃瓜、韭菜、包菜、油麥菜和茄子5種蔬菜中8種有機(jī)磷的測(cè)定，回收率良好。

表1 8種有機(jī)磷農(nóng)藥的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限與定量下限Table 1 Linear ranges,correlation coefficients,recoveries,RSDs(n=6),LODs and LOQs of 8 organophosphorus pesticides

2.4 與無(wú)熱解吸相比

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了熱解吸和無(wú)熱解吸狀態(tài)下LTP電離源的靈敏度，分別將2種電離源與API-TOF MS耦合，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)1 mg/L的混標(biāo)溶液進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)樣量均為5 μL，8種有機(jī)磷混標(biāo)溶液在加熱和不加熱條件下的質(zhì)譜圖見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示，與不加熱的LTP技術(shù)相比，TD-LTP對(duì)8種農(nóng)藥的檢測(cè)靈敏度提高了9.3～41.7倍，表明熱解吸裝置的引入顯著提高了方法的靈敏度。

圖3 8種有機(jī)磷混標(biāo)溶液(1 mg/L)在加熱(虛線)和不加熱(實(shí)線)條件下質(zhì)譜圖的對(duì)應(yīng)局部放大圖Fig.3 Corresponding partial enlargement of mass spectrum of 8 kinds of organic phosphorus mixed solution(1 mg/L) under heating(dotted line) and no heating(solid line) conditions

3 結(jié) 論

本研究在傳統(tǒng)低溫等離子體離子源的基礎(chǔ)上，引入熱解吸裝置，使待測(cè)物離子直接快速?gòu)臉悠啡芤褐薪馕鰜?lái)，極大增加了等離子體與目標(biāo)物之間的碰撞概率，從而大大提升了待測(cè)物的電離效率，提高了檢測(cè)靈敏度。使用TD-LTP 技術(shù)對(duì)大白菜中8種有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，在國(guó)標(biāo)規(guī)定的最大殘留量范圍內(nèi)均有較好的線性關(guān)系，且檢出限低于國(guó)標(biāo)最大殘留量，同時(shí)其加標(biāo)回收率和精密度也能滿足檢測(cè)需要。此外，在實(shí)際樣品檢測(cè)時(shí)，僅對(duì)樣品進(jìn)行了乙腈萃取，無(wú)需復(fù)雜的樣品預(yù)處理過(guò)程即實(shí)現(xiàn)了樣品中農(nóng)藥的分析，表明該方法在直接快速篩查大批量農(nóng)殘樣品方面具有較大的應(yīng)用潛力。