實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜在農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用

季佳華，張 瑛，王繼芬*，張文芳，楊士云，喬 靜

(1.中國人民公安大學(xué) 偵查學(xué)院，北京 100038；2.北京市公安司法鑒定中心 法庭毒物分析公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用，除蟲、除草、殺菌等農(nóng)藥的使用，使農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提升。然而，由于農(nóng)藥的易獲得性，常會(huì)被用來自殺、投毒等，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅。

在法庭科學(xué)領(lǐng)域，農(nóng)藥檢測(cè)的方法種類繁多，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)等檢測(cè)技術(shù)是農(nóng)藥最常用的檢測(cè)方法。為了更加快速、高效地對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，原位電離技術(shù)逐漸被學(xué)者們關(guān)注。實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜(Direct analysis in real time mass spectrometry,DART-MS)是一種將敞開式離子源與質(zhì)譜聯(lián)用的分析技術(shù)，因不需要樣品前處理或只需進(jìn)行簡(jiǎn)單處理的特點(diǎn)在爆炸物[1-4]、食品安全[5-7]、毒品[8- 9]、油墨油漆[10-11]和中西藥品[12]檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

筆者曾對(duì)實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜在毒物毒品分析領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述[13]，并在實(shí)踐中取得一定成果，建立了人血中JWH-018、JWH-250和AM-2201 3種合成大麻素的快速檢測(cè)方法[14]，以及人血與尿中嗎啡、O6-單乙酰嗎啡、海洛因、可待因、可卡因、甲基苯丙胺、氯胺酮、美沙酮和杜冷丁的實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜快速檢測(cè)方法[15]。為便于進(jìn)一步開展DART-MS在法庭科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，以下對(duì)DART離子源技術(shù)及其在農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 DART離子源技術(shù)介紹

1.1 DART離子源工作原理

根據(jù)待測(cè)物介質(zhì)的理化性質(zhì)不同，DART離子源可以形成正離子與負(fù)離子兩種離子模式，這兩種模式一般由氣相酸堿度、電離能、電子親和能和形成加和離子的能力等因素決定[16-18]。

He*+M→M+·+e-+He

(1)

M+[(H2O)n+ H]+→[M+H]++nH2O

(2)

(3)

彭寧離子化和質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中分別產(chǎn)生的M+·和[M+H]+同時(shí)出現(xiàn)在質(zhì)譜上時(shí)會(huì)對(duì)元素的同位素峰產(chǎn)生干擾，此時(shí)可以采用Ar代替He作為離子化試劑。電子激發(fā)態(tài)的Ar的內(nèi)能為11.55 eV(3P2)和11.72 eV(3P0)，H2O的電離能為12.6 eV[21]，不會(huì)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移。因此，與He相比，使用Ar會(huì)降低大部分待測(cè)物的靈敏度。

在負(fù)離子模式下，離子化試劑首先與空氣中的氮?dú)獍l(fā)生彭寧離子化產(chǎn)生電子，空氣中的O2捕獲電子并與待測(cè)物M形成加合物負(fù)離子，同時(shí)該負(fù)離子可解離產(chǎn)生待測(cè)物負(fù)離子。根據(jù)待測(cè)物的性質(zhì)，可分為直接捕獲電子(公式4)、捕獲電子后解離(公式5)、直接解離或與堿反應(yīng)產(chǎn)生待測(cè)物負(fù)離子(公式6和7)[19,22]等形式：

M+e-→M-·

(4)

MX+e-→M-+X·

(5)

(6)

(7)

圖1 DART離子源的基本結(jié)構(gòu)圖[24]Fig.1 Basic structure diagram of DART ion source[24]

1.2 DART離子源工作過程

如圖1所示，離子化試劑(He或者N2)通過高壓氣瓶輸入放電室，并在輝光放電作用下呈激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的He原子或N2分子隨后進(jìn)入加熱室，并經(jīng)格柵電極作用提純。提純后的離子化試劑與環(huán)境中的待測(cè)物介質(zhì)產(chǎn)生作用，使該物質(zhì)被解吸附離子化。因此，在DART離子源與質(zhì)譜儀連接時(shí)，需將離子源對(duì)準(zhǔn)質(zhì)譜進(jìn)樣口，或?qū)⒋郎y(cè)物置于進(jìn)樣口斜下方，通過離子化試劑的作用將待測(cè)物離子帶入質(zhì)譜進(jìn)樣口[13]。

1.3 DART-MS檢測(cè)條件的優(yōu)化

由于化合物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多樣性，即使在相同參數(shù)條件下不同待測(cè)物的檢測(cè)靈敏度也會(huì)有所差異[20]，因此需針對(duì)不同待測(cè)物的化學(xué)性質(zhì)對(duì)DART-MS的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最低的檢出限和最好的檢出效果。

1.3.1 DART離子源參數(shù)的優(yōu)化影響DART離子源檢出結(jié)果的參數(shù)主要是工作氣體的溫度(50～500 ℃)及流速。隨著工作氣體溫度升高，DART離子源能檢出的離子的質(zhì)荷比也隨之增高，但同時(shí)需要考慮溫度對(duì)待測(cè)物穩(wěn)定性的影響。通常情況下，待測(cè)物分子的檢出有一個(gè)最低溫度，只有高于這個(gè)溫度，才能獲得較好的質(zhì)譜信號(hào)；而溫度過高時(shí)，待測(cè)物分子的熱穩(wěn)定性則會(huì)影響質(zhì)譜信號(hào)。針對(duì)不同待測(cè)物，需要選擇不同的DART離子源溫度，一般對(duì)具有揮發(fā)性的有機(jī)化合物采用低溫檢測(cè)，高沸點(diǎn)的化合物采用高溫檢測(cè)。工作氣體的流速過低會(huì)減少待測(cè)物離子的生成，流速過高則會(huì)增加樣品的損失。同時(shí)，待測(cè)物的濃度對(duì)信號(hào)影響也很大，通常按照高濃度低速度這一原則進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1.3.2 DART離子源操作環(huán)境的優(yōu)化DART離子源作為一種原位電離技術(shù)，其環(huán)境條件對(duì)待測(cè)物的質(zhì)譜信號(hào)也有影響。通過改變環(huán)境條件可獲得較低的檢測(cè)下限，提高離子化效率，即提升待測(cè)物分子離子化(與環(huán)境中化學(xué)成分形成加合離子)的效率，其過程詳見“1.1”部分。例如，含有羰基或羥基等官能團(tuán)的化合物較易形成[M+NH4]+，在進(jìn)行此類物質(zhì)檢測(cè)時(shí)于DART離子源反應(yīng)區(qū)放置一瓶氨水，可將質(zhì)譜信號(hào)提升100倍[25-26]。需要注意的是，優(yōu)化質(zhì)譜信號(hào)時(shí)在操作環(huán)境中引入的物質(zhì)通常也會(huì)摻雜其他雜質(zhì)成分，并對(duì)離子化結(jié)果帶來負(fù)面影響。

在實(shí)際操作中，DART-MS參數(shù)的優(yōu)化還包括軌道速度、氣流、進(jìn)樣口距離等參數(shù)的優(yōu)化。

2 農(nóng)藥檢測(cè)

2.1 北京地區(qū)農(nóng)藥自殺及投毒案件的發(fā)生情況

北京地區(qū)2015年～2019年間發(fā)生農(nóng)藥自殺死亡案件468起，農(nóng)藥投毒案件207起。其中自殺類案件中涉及有機(jī)磷類農(nóng)藥434起，除草劑16起，氨基甲酸酯類14起，擬除蟲菊酯類10起，殺鼠劑5起；投毒類案件中涉及使用殺鼠劑類114 起，有機(jī)磷類32起，除草劑23起，氨基甲酸酯類15 起，擬除蟲菊酯類7起，有機(jī)氯類3起，硝氯酚10起，其它3起。因此，快速對(duì)檢材中的農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)對(duì)于案件的偵破定性十分必要。

2.2 農(nóng)藥常規(guī)檢測(cè)方法

農(nóng)藥殘留的精準(zhǔn)檢測(cè)對(duì)于保護(hù)人類身體健康有重要意義。農(nóng)藥通常由不同的化學(xué)成分組成[27-30]，無固定檢測(cè)方法。在色譜領(lǐng)域，學(xué)者們就如何快速有效地對(duì)農(nóng)藥成分進(jìn)行檢測(cè)開展了各種嘗試，氣相色譜法具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)藥檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。郗艷麗等[31]采用氣相色譜法對(duì)蔬菜中的7種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)，取得了非常好的檢測(cè)效果。氣相色譜對(duì)易揮發(fā)且高溫不易分解物質(zhì)的檢測(cè)效果較佳，而液相色譜法對(duì)高沸點(diǎn)、受熱易分解化合物的檢測(cè)效果較好。郭新穎等[32]采用高效液相色譜法對(duì)中藥材中的氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)，平均回收率為83.3%～108%，重復(fù)性較好。但液相色譜法存在溶劑消耗大的問題。

質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可以準(zhǔn)確測(cè)定化合物的結(jié)構(gòu)，具有回收率高、檢出效果好等特點(diǎn)。陳秀萍等[33]建立了氣相色譜與四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS/MS)同時(shí)分析煙葉中多種農(nóng)藥殘留的方法，從市場(chǎng)上采集的煙葉樣品中檢出紋枯利、三唑醇和氟節(jié)胺等農(nóng)藥成分。Samad 等[34]采用GC-MS/MS對(duì)鮮桃中30種農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)分析，有73%的樣品檢出農(nóng)藥殘留。Del Castillo等[35]建立了固相微萃取結(jié)合多維度氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析果汁中農(nóng)藥的檢測(cè)方法，該方法可以有效避免一維技術(shù)由于分析物和基體成分干擾導(dǎo)致的假陽性問題。方慶奎等[36]建立了超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)檢測(cè)大蒜芽中咪鮮胺殘留量的方法，為咪鮮胺的合理使用和提高食用蒜芽的安全性提供了科學(xué)依據(jù)。Sivaperumal 等[37]采用固相萃取結(jié)合超高效液相色譜與飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF MS)聯(lián)用對(duì)蔬菜和水果樣品中的60種農(nóng)藥進(jìn)行分析，方法運(yùn)行時(shí)間短，流動(dòng)相消耗少，分析結(jié)果理想。劉家曾等[38]采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)茶葉中8種農(nóng)藥殘留進(jìn)行測(cè)定，平均回收率達(dá)90.2%～102%。呂磊等[39]采用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法對(duì)稻漁綜合種養(yǎng)環(huán)境中的芐嘧磺隆、雙草醚、吡蚜酮和氯蟲苯甲酰胺進(jìn)行檢測(cè)，回收率良好。Bernardi等[40]采用GC-MS/MS和UHPLC-MS/MS檢測(cè)并驗(yàn)證了煙草中55種農(nóng)藥殘留，方法成功應(yīng)用于13個(gè)煙草樣品的分析。相比于單純色譜，色譜與質(zhì)譜聯(lián)用對(duì)農(nóng)藥殘留檢測(cè)的選擇性和靈敏度得到了明顯提高，GC-MS主要適用于非極性農(nóng)藥，對(duì)于極性較強(qiáng)的農(nóng)藥需要使用LC-MS進(jìn)行檢測(cè)，或者衍生化后再檢測(cè)。

目前色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢驗(yàn)領(lǐng)域已經(jīng)很成熟并形成標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)有GB 23200.8-2016《水果和蔬菜中500種農(nóng)藥及相關(guān)化學(xué)品殘留量的測(cè)定氣相色譜-質(zhì)譜法》[41]、GB 23200.9-2016《糧谷中475種農(nóng)藥及相關(guān)化學(xué)品殘留量的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》[42]、GB/T 19650-2006《動(dòng)物肌肉中478種農(nóng)藥及相關(guān)化學(xué)品殘留量的測(cè)定 氣相色譜-質(zhì)譜法》[43]和GB/T 20772-2008《動(dòng)物肌肉中461種農(nóng)藥及相關(guān)化學(xué)品殘留量的測(cè)定 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法》[44]。歐盟于1998年對(duì)農(nóng)藥殘留的最大限量給出標(biāo)準(zhǔn)[45]，但是并未指定分析方法。

2.3 DART-MS技術(shù)在農(nóng)藥檢測(cè)方面的應(yīng)用

實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜作為一種原位電離技術(shù)，因具有檢測(cè)時(shí)不需真空環(huán)境，無需對(duì)樣品進(jìn)行前處理或者只需簡(jiǎn)單處理，可進(jìn)行無損檢測(cè)等特點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。關(guān)于DART-MS技術(shù)在農(nóng)藥檢測(cè)中的相關(guān)應(yīng)用在國內(nèi)外均有文獻(xiàn)報(bào)道。

國外，Schurek 等[46]采用DART離子源與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀聯(lián)用技術(shù)(DART-TOF MS)對(duì)小麥中的殺菌劑嘧菌酯和唑菌胺酯等成分進(jìn)行測(cè)定，首次將該技術(shù)應(yīng)于植物基質(zhì)中的農(nóng)殘分析。在正離子模式下，以He氣作為電離介質(zhì)，咪鮮胺為內(nèi)標(biāo)物，分析物在6～1 200 μg/kg范圍內(nèi)的線性系數(shù)均不低于0.99，檢測(cè)結(jié)果與LC-MS結(jié)果一致。Edison等[47]采用高靜電場(chǎng)軌道阱高分辨質(zhì)譜儀結(jié)合DART離子源對(duì)蘋果、獼猴桃等果蔬表面的聚氨酯泡沫提取成分進(jìn)行了檢測(cè)分析;作者同時(shí)對(duì)正負(fù)電離模式下不同化學(xué)類型殺蟲劑的檢出率進(jìn)行了考察，同樣獲得了較好的效果。Aregahegn等[48]利用實(shí)時(shí)直接分析質(zhì)譜結(jié)合傅里葉變換紅外光譜對(duì)吡蟲啉(IMD)在環(huán)境中的光解現(xiàn)象進(jìn)行考察，吡蟲啉光解后得到吡蟲啉尿素衍生物(IMD-UR)、去硝基吡蟲啉(DN-IMD)和氣態(tài)N2O。研究發(fā)現(xiàn)，隨著光解時(shí)間的延長，環(huán)境中IMD的毒性也會(huì)變強(qiáng)，并計(jì)算出其光解壽命為16 h。Cajka等[49]研究了原位電離與質(zhì)譜串聯(lián)快速檢測(cè)水果中二硫代氨基甲酸酯類(DTCs)殺菌劑的效果，分別考察了DART離子源和解吸附電噴霧(DESI)離子源結(jié)合質(zhì)譜法對(duì)待測(cè)物中3種DTCs的檢出效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DESI離子源只能提取到福美雙，檢出限為0.1 mg/L，無法檢出其他DTCs；而采用DART-MS可以同時(shí)檢出福美雙和福美鋅。Crawford等[50]采用拭子擦拭的方式對(duì)果蔬表面的農(nóng)藥進(jìn)行DART-MS分析，從桃子、胡蘿卜表面檢出馬拉硫磷；櫻桃和西紅柿表面檢出甲胺磷；非有機(jī)臍橙表面檢出噻菌靈、抑霉唑和樂果，檢出限低于美國環(huán)保局要求的10～100倍。Lara 等[51]將DART離子源與高分辨質(zhì)譜(HRMS)聯(lián)用對(duì)芹菜和生菜中的高極性農(nóng)藥進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)DART-HRMS對(duì)待測(cè)物中7種極性農(nóng)藥的檢測(cè)快速有效，檢出限為20～60 μg/kg，回收率為71.0%～115%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于18%。Kiguchi 等[52]采用薄層色譜結(jié)合DART-TOF MS對(duì)極性有機(jī)磷殺蟲劑和非極性有機(jī)磷殺蟲劑進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，二嗪磷和苯硫磷在較低濃度范圍(0.05～5 g)內(nèi)線性關(guān)系良好，甲胺磷、乙酰甲胺磷和殺螨硫磷在較高濃度范圍(2.5～25 g)內(nèi)線性關(guān)系良好。

國內(nèi)，黃文氫等[53]采用DART-MS對(duì)臍橙表面的不明殺菌劑進(jìn)行測(cè)定，采用氦氣作為離子化試劑，在正離子模式,350 ℃的條件下，對(duì)臍橙果皮的表面物質(zhì)進(jìn)行離子化，僅用不到1 s的時(shí)間即得到質(zhì)譜信號(hào)，并通過譜圖解析和文獻(xiàn)特征離子比對(duì)，推測(cè)化合物為抑霉唑，隨后結(jié)合GC-MS進(jìn)行驗(yàn)證，為果蔬產(chǎn)品表面的農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)提供了新的思路。郭天洋等[54]利用DART技術(shù)對(duì)食品中的唑類和有機(jī)磷類農(nóng)藥進(jìn)行篩查識(shí)別，該研究首先建立了唑類農(nóng)藥和有機(jī)磷類農(nóng)藥的共性特征子離子和中性丟失庫以及輔助定性子離子和中性丟失庫。采用DART-MS技術(shù)快速得到待測(cè)物的母離子、子離子信號(hào)，并將得到的母離子和子離子相應(yīng)作差得到中性丟失，再將得到的數(shù)據(jù)與丟失庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，精確識(shí)別出腈菌唑和9種有機(jī)磷農(nóng)藥。王磊等[55]對(duì)4種高危農(nóng)藥(氟蟲腈、甲拌磷、敵敵畏和呋喃丹)進(jìn)行了DART-MS快速鑒定，優(yōu)化的DART離子源溫度為200 ℃，柵極電壓為250 V，質(zhì)譜碎片器電壓為200 V，氟蟲腈采用負(fù)離子模式，其他3種農(nóng)藥采用正離子模式檢測(cè)，以同位素模式定性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=5)為2.3%～15%，為DART-MS應(yīng)用于偽劣農(nóng)藥中摻雜高危害農(nóng)藥的快速鑒定提供了參考。郭天洋等[56]將DART離子源與三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)合對(duì)紅酒中的農(nóng)藥成分進(jìn)行快速檢測(cè)和定量分析，在12 min內(nèi)完成了含有50種殺蟲劑和12種防腐劑、抗氧化劑、甜味劑和偶氮染料摻假劑的葡萄酒的檢測(cè)，農(nóng)藥和摻雜物的檢出限分別為0.5～50 ng/mL和5～50 ng/mL，定量限分別為1～100 ng/mL和10～250 ng/mL，回收率為75.0%～120%，為打擊紅酒摻假提供了快速檢測(cè)方法。魏勇等[57]將DART與三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用對(duì)紅酒和白酒中的31種農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，所有化合物在3 min內(nèi)檢出，比TOF MS的檢測(cè)速度提高了2倍。孟憲雙等[58]建立了軌道離子阱高分辨質(zhì)譜與DART離子源聯(lián)用快速測(cè)定木質(zhì)食品接觸材料中4種擬除蟲菊酯防腐劑的方法，4種分析物的線性關(guān)系良好(R2≥0.99)，檢出限為0.04～0.20 mg/kg，定量限為0.10～0.50 mg/kg，平均回收率為72.1%～82.7%，RSD為5.2%～12%。

3 結(jié)論與展望

本文介紹了DART離子源的基本工作原理、參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)DART-MS在農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。DART-MS可以快速、高效地對(duì)果蔬表面、酒水和食品中的農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)，并獲得較高響應(yīng)；該技術(shù)不需要對(duì)待測(cè)物進(jìn)行前處理或者只需要簡(jiǎn)單地處理，符合當(dāng)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展理念。通過對(duì)國內(nèi)外DART-MS在農(nóng)藥殘留檢測(cè)上的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的報(bào)道側(cè)重農(nóng)藥殘留的種類研究，國外的報(bào)道更側(cè)重農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法的考察。

目前，國內(nèi)關(guān)于DART-MS在農(nóng)藥檢測(cè)方面的應(yīng)用尚處于初步階段，對(duì)食品安全領(lǐng)域常見的農(nóng)藥殘留尚未建立完善的數(shù)據(jù)庫。利用DART-MS的檢測(cè)特點(diǎn)，逐步建立法庭科學(xué)領(lǐng)域毒物毒品的檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)庫，可在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)縮短檢測(cè)時(shí)限，為案件的快偵快破提供強(qiáng)有力的支撐和依據(jù)。