常壓電離源-飛行時間質(zhì)譜儀在快速檢測農(nóng)藥殘留方面的應(yīng)用

范榮榮，汪開銀，朱 輝，黃 曉，黃正旭，湯 梅

(1.昆山禾信質(zhì)譜技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215311；2.國家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測南京站，江蘇 南京 211800；3.暨南大學 質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632；4.廣州禾信儀器股份有限公司，廣東 廣州 510530)

隨著農(nóng)藥在農(nóng)作物、蔬菜、水果種植過程中的廣泛應(yīng)用，農(nóng)藥殘留所帶來的環(huán)境污染、食品安全等問題日益嚴重[1-2]，這也使得對農(nóng)藥殘留的檢測和監(jiān)督工作變得至關(guān)重要。目前，用于食品中多組分農(nóng)藥殘留篩查的國家標準方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)法[3]、氣相色譜法(GC)[4]等。但不管GC-MS、LC-MS還是GC技術(shù)，都需要結(jié)合較復雜的前處理技術(shù)，分析周期長，不適合食品中農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場實時、快速、非定向篩查。

直接電離質(zhì)譜技術(shù)(ambient ionization mass spectrometry,AIMS)的發(fā)展和推廣使得復雜基質(zhì)條件下的樣品快檢成為可能[5]。目前已有40多種直接解析電離離子源被相繼發(fā)現(xiàn)，直接電離質(zhì)譜技術(shù)具有無需復雜樣品前處理、分析速度快、高通量、實時直接分析的特點，并保持了傳統(tǒng)MS的高分析速度、高準確度、高靈敏度等特點[6-7]。其中，基于低能量等離子體的大氣壓電離質(zhì)譜技術(shù)正迅速發(fā)展為樣品直接分析的前沿技術(shù)[7]，如介質(zhì)阻擋放電(DBDI)[8]、實時直接分析(DART)[9]、表面解吸常壓化學電離源(DAPCI)[10]等。低溫等離子體電離(LTP)技術(shù)由Harper等[11]首次提出，因其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于爆炸物檢測、環(huán)境分析、食品檢測、毒品檢測等領(lǐng)域[12-13]。

本研究中，筆者基于等離子體原理開發(fā)了幅值、頻率、工作占空比均可調(diào)的常壓離子源，引入加熱解析模塊，與大氣壓飛行時間質(zhì)譜儀聯(lián)用，在正離子模式下對120多種蔬菜中的農(nóng)藥殘留進行測試，并對農(nóng)藥在蔬菜復雜基質(zhì)條件下的檢出效果進行評估，以期為常壓離子源-飛行時間質(zhì)譜技術(shù)在農(nóng)殘快速、準確、廣譜篩查的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

API-TOF MS垂直引入式大氣壓飛行時間質(zhì)譜儀(分辨率10 000@m/z609)，廣州禾信儀器股份有限公司；TDL-40B型離心機，上海安譜實驗科技股份有限公司；PB-100型均質(zhì)器，德國PRIMA公司；甲醇(色譜純)，美國TEDIA公司；標準樣品純度不低于97%，中檢院國家標準物質(zhì)中心；BSA224S型電子天平，德國賽多利斯科學儀器有限公司；移液槍(Finnpipette F3 5～50 μL，F(xiàn)3 100～1 000 μL)，Thermo Scientific公司。

根據(jù)文獻[11]搭建了低溫等離子體LTP離子源(圖1)，如圖1所示：離子源選用外徑為3 mm、內(nèi)徑為2 mm的石英玻璃管作為放電介質(zhì)；內(nèi)電極為1 mm的不銹鋼針，與地連接；0.1 mm厚的銅皮包裹在玻璃管外壁，作外電極且與射頻高壓相連。射頻驅(qū)動電路首先產(chǎn)生頻率和有效工作時間可調(diào)的控制信號，經(jīng)自舉升壓后產(chǎn)生幅值為25 V正弦波，之后通過放大器放大30倍，輸出峰峰值為7.5 kV左右的射頻高壓。

圖1 低溫等離子體結(jié)構(gòu)示意

該電源模塊頻率、幅值、有效工作時間均可調(diào)，可根據(jù)放電氣體、玻璃管壁厚、電極距離等條件進行調(diào)節(jié)，優(yōu)化實驗參數(shù)。LTP離子源的放電電流測試如圖2所示。放電電流峰值高達100 mA，可滿足離子化需求。載物平臺可通過加熱實現(xiàn)樣品的熱解析，被等離子體電離，在氣流和電場作用下引入到質(zhì)譜儀進行質(zhì)量分析。

黃色，He，0.3 L/min

1.2 溶液配制

1.2.1 標準溶液配制

使用移液槍準確提取100 μL 10 mg/kg農(nóng)藥標準品，加入900 μL甲醇溶液進行充分混合，依次得到121種1 mg/kg的標準品；從可檢出的物質(zhì)中選擇50種農(nóng)藥標準品，配制成各物質(zhì)質(zhì)量濃度為0.2 mg/L的混合標準溶液，放置在冰箱待用。

1.2.2 樣品溶液的制備

打碎后準確稱取2份5.00 g蔬菜勻漿，一份按照0.1 mg/kg的加標水平加入農(nóng)藥殘留混合標準溶液，另一份加入甲醇作為空白樣本。4 000 r/min離心3 min，提取空白樣本上清液和加標上清液。蔬菜樣品打碎、稱質(zhì)量、離心并取上清液的簡單前處理過程可在5 min以內(nèi)完成，樣品分析過程小于20 s，流程示意圖如3所示。

圖3 快檢方法的樣品處理及質(zhì)譜分析流程示意

1.3 實驗方法

質(zhì)譜儀參數(shù)：正離子模式，毛細管溫度為130 ℃；譜圖速度1張/s，對于每組樣品進樣4～5次，取平均值。

離子源參數(shù)：輸出電壓Vp-p為7 kV，頻率25 kHz；放電氣體為He，流速為300 mL/min；LTP與質(zhì)譜口水平距離為10 mm，傾角為20°；載物平臺溫度為100 ℃，載玻片位于質(zhì)譜口下方，垂直距離為3 mm。

實驗過程中，對質(zhì)譜毛細管和載物平臺進行加熱，打開低溫等離子體離子源，待溫度及離子源準備就緒后，使用移液槍取10 μL樣品滴于干凈的載玻片上，每次進樣位置保持一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 標準樣品測試結(jié)果

優(yōu)化實驗條件后，利用熱解析常壓電離源-飛行時間質(zhì)譜儀分別對121種1 mg/kg的農(nóng)藥標準品進行檢測，檢出效果及檢測數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表2 正離子模式下不同物質(zhì)種類農(nóng)藥在常壓電離源-飛行時間質(zhì)譜儀下的檢出數(shù)據(jù)

表1 正離子模式下常壓電離源-飛行時間質(zhì)譜儀對農(nóng)藥標準品的檢測結(jié)果

儀器分辨率為10 000@m/z609，可分辨大部分農(nóng)藥樣品；對質(zhì)量數(shù)相近的物質(zhì)進行分析時，可根據(jù)不同物質(zhì)在源內(nèi)CID產(chǎn)生的碎片進行解析，并與自建數(shù)據(jù)庫進行對比，從而實現(xiàn)物質(zhì)的定性分析，保障定性的準確性。

由表1可知，在正離子模式下，常壓電離源-飛行時間質(zhì)譜儀可對103種農(nóng)藥標準品檢出，檢出率約為85%；大部分樣品離子以[M+H]+為主峰，少數(shù)樣品如三氟氯氰菊酯、氟氯氰菊酯和氟蟲腈以[M+NH4]+為特征離子，部分結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定的物質(zhì)如水胺硫磷、乙草胺樣品多為碎片離子。

已分類的未檢出物質(zhì)種類主要集中在有機氯農(nóng)藥，樣品未被檢出的原因主要是多氯農(nóng)藥不易與H+結(jié)合形成離子，有機氯農(nóng)藥標準品多采用電子轟擊源(EI)或化學電離源(CI)實現(xiàn)離子化過程[15-16]。

3.2 蔬菜加標測試結(jié)果

在相同實驗條件下，依次取10 μL的蔬菜空白樣本上清液和加標上清液進行分析，每次進樣測試完成后更換載玻片，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4、表3所示。

圖4 空白樣本上清液的譜圖(a)和加標混合農(nóng)藥的蔬菜上清液(b)的譜圖

表3 加標量0.1 mg/kg農(nóng)藥混合樣品的蔬菜樣品上清液檢測效果

由圖4(a)可知，通過對空白樣本上清液的質(zhì)譜檢測可得到上百種離子的譜峰，主要是由于蔬菜樣品僅經(jīng)過打碎、離心前處理過程后基質(zhì)內(nèi)含有大量色素、維生素、糖類等化合物。結(jié)合圖4(b)顯示的對加標50種農(nóng)藥混合樣品的蔬菜上清液的質(zhì)譜數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，以空白樣本上清液在特征峰m/z處的強度為本底噪音，大部分0.1 mg/kg的農(nóng)藥檢出的信噪比(S/N)<30∶ 1。

由表3可知，50種0.1 mg/kg的農(nóng)藥樣品加標在蔬菜中，打碎、離心后提取的上清液經(jīng)LTP-TOFMS檢出種類為46種，檢出率為92%。其中，殺蟲脒(m/z197.085)、氟蟲腈(m/z436.947)、殺蟲環(huán)(m/z182.013)和乙草胺(m/z224.168)這4種物質(zhì)未檢出。

3 結(jié)論

在自制常壓離子源基礎(chǔ)上，與大氣壓飛行時間質(zhì)譜儀聯(lián)用，建立快速檢測農(nóng)藥殘留新方法。在正離子檢測模式下，對121種1 mg/kg農(nóng)藥標準樣品進行檢測，檢出率約為84%；此外，將0.1 mg/kg的50種農(nóng)殘混合標準品加標在青菜中，青菜樣品經(jīng)過甲醇提取、離心后進行質(zhì)譜檢測，混合標準樣品檢出種類為46種。前處理過程可控制在5 min以內(nèi)，分析過程<20 s。實驗證明該方法可廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留快速、直接、廣譜篩查。