實(shí)時直接分析-串聯(lián)質(zhì)譜法快速測定環(huán)境水體中涕滅威及其代謝物

解迎雙，張 歡，王 娟，王 波

(蘭州海關(guān)技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730010)

涕滅威是一種氨基甲酸酯類殺蟲、殺螨劑，廣泛用于多種農(nóng)作物。涕滅威在噴灑后會迅速氧化生成性質(zhì)較穩(wěn)定的涕滅威亞砜，進(jìn)而氧化生成性質(zhì)更穩(wěn)定的涕滅威砜。涕滅威亞砜和涕滅威砜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被用作殺蟲、殺螨劑[1]。隨著人們對健康飲食的需求越來越高，關(guān)于食品中涕滅威及其代謝物研究的報道層出不窮，但更多的是關(guān)注食品中涕滅威及其代謝物殘留所帶來的危害，而對于其在環(huán)境中造成的危害關(guān)注度不夠[2-3]。涕滅威及其代謝物在噴灑過程中落入土壤，再通過淋溶作用進(jìn)入水體，造成對水體環(huán)境的污染，對人體的健康存在致癌、致畸、致突變的潛在威脅。世衛(wèi)組織(WHO)《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》規(guī)定：飲用水中涕滅威(包括涕滅威砜和涕滅威亞砜)的限量為10 μg/L；美國國家環(huán)境保護(hù)局《飲用水標(biāo)準(zhǔn)和健康指導(dǎo)》規(guī)定：飲用水中涕滅威、涕滅威砜、涕滅威亞砜的限值標(biāo)準(zhǔn)分別為3、2和4 μg/L，三者之和不能超過7 μg/L[4]。我國對不同級別地下水中涕滅威的含量進(jìn)行了限量要求[5]。

目前，涕滅威及其代謝物的檢測方法主要有氣相色譜法[6]、高效液相色譜法[7]和高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[8-9]。采用氣相色譜法檢測涕滅威及其代謝物時，因涕滅威熱不穩(wěn)定，造成定量結(jié)果不準(zhǔn)確，且只能測定涕滅威及其代謝物的總量，不能對單一化合物進(jìn)行檢測。采用高效液相色譜法需要進(jìn)行柱后衍生，并且需要特殊的衍生裝置；柱后衍生會由于衍生不充分而影響方法的靈敏度和重現(xiàn)性，且該方法對涕滅威及其代謝物檢測的特異性不強(qiáng)，易產(chǎn)生假陽性。采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行復(fù)雜的色譜分離等過程，步驟繁瑣、耗時較長、成本較高[9]。

實(shí)時直接分析離子源已廣泛用于醫(yī)療、環(huán)境、食品等領(lǐng)域，但對環(huán)境水體中涕滅威及其代謝物的檢測鮮有報道[10]。這主要存在2個技術(shù)難題：1) 實(shí)時直接分析離子源是一種開放性離子源，目標(biāo)化合物在敞開環(huán)境下被離子化后進(jìn)入質(zhì)譜儀的量、在TIP頭點(diǎn)樣位置的不同引起的樣品離子化效率的差異，造成了樣品間平行性較差。2) 水體樣品點(diǎn)樣后，若水體樣品的溶劑不能完全揮發(fā)，在離子化過程中則會消耗過多能量，使目標(biāo)物質(zhì)無法得到足夠的能量，不能實(shí)現(xiàn)充分的離子化，影響檢測靈敏度。

基于此，本研究擬通過優(yōu)化TIP頭的點(diǎn)樣位置和外置真空泵的真空度，保證準(zhǔn)確取樣和樣品間的平行性；通過優(yōu)化點(diǎn)樣后的溶劑蒸干時間來提高目標(biāo)物質(zhì)的離子化效率，從而提高檢測靈敏度[11-12]。希望為不同水體環(huán)境中相關(guān)農(nóng)藥殘留的檢測提供方法參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與裝置

DART實(shí)時直接分析離子源：美國Ion Sense公司產(chǎn)品；三重四極桿質(zhì)譜儀：美國Waters公司產(chǎn)品；移液器(0.5～10 μL)：德國Eppendorf公司產(chǎn)品。

1.2 樣品與試劑

涕滅威(100 mg/L)、涕滅威亞砜(100 mg/L)、涕滅威砜(100 mg/L)、乙腈：色譜純，德國Merck公司產(chǎn)品。

按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 水樣的采集和保存》[13]標(biāo)準(zhǔn)的采樣規(guī)程，隨機(jī)采取各10批次蘭州市及其周邊區(qū)縣的地下水、二次供水、礦泉水以及城市污水，共計40批次。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)儲備液與標(biāo)準(zhǔn)工作液的制備

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)中間液 分別吸取100 μL 100 mg/L涕滅威、涕滅威亞砜、涕滅威砜于10 mL容量瓶中，用乙腈定容，配制成1 mg/L的3種化合物的單標(biāo)中間液。

1.3.2標(biāo)準(zhǔn)混合工作液 分別吸取200、100、100 μL 1 mg/L涕滅威、涕滅威亞砜、涕滅威砜于10 mL容量瓶中，用乙腈定容，配制成50、10、10 μg/L標(biāo)準(zhǔn)混合工作液。

1.4 樣品處理

地下水、二次供水、礦泉水：直接吸取1 mL樣品，過0.22 μm濾膜，準(zhǔn)確吸取10 μL樣液點(diǎn)至距TIP頭1～5 mm處，于35 ℃電熱板上氮?dú)獯蹈珊?，供?shí)時直接分析-串聯(lián)質(zhì)譜儀分析。

城市生活污水：準(zhǔn)確吸取5 mL樣品于15 mL離心管，以13 000 r/min離心5 min后，取上清液，過0.22 μm濾膜，準(zhǔn)確吸取10 μL樣液點(diǎn)至距TIP頭1～5 mm處，于35 ℃電熱板上氮?dú)獯蹈珊螅?shí)時直接分析-串聯(lián)質(zhì)譜儀分析。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件

1.5.1實(shí)時直接分析離子源條件 離子化氣為氦氣，流速2 mL/min；正離子模式檢測；12Dip-it Samplers進(jìn)樣模式；點(diǎn)樣量10 μL；進(jìn)樣速率0.6 mm/s；離子化溫度300 ℃；柵極電壓200 V；離子源出口距質(zhì)譜進(jìn)樣口2～4 cm；外置泵真空度-70 kPa。

1.5.2MS/MS條件 毛細(xì)管電壓3.2 kV；離子源溫度120 ℃；脫溶劑氣流速0 L/h；錐孔氣流速0 L/h；多反應(yīng)監(jiān)測采集模式。優(yōu)化后的質(zhì)譜參數(shù)列于表1。

表1 涕滅威及其代謝物的質(zhì)譜參數(shù)Table 1 Mass spectrometric parameters of aldicarb and its metabolites

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜條件的優(yōu)化

2.1.1離子化氣體溫度的選擇 離子化氣體溫度會影響離子化程度，本實(shí)驗(yàn)在250～400 ℃范圍內(nèi)對離子化氣體溫度進(jìn)行優(yōu)化，涕滅威及其代謝物的定量離子峰面積曲線示于圖1a?？梢姡粷舛鹊?種目標(biāo)化合物的峰面積隨著離子化氣體溫度的升高先增加后減小，當(dāng)達(dá)到300 ℃時，目標(biāo)化合物的峰面積最高。這主要是因?yàn)檩^高的電離溫度可以加速樣品的熱解吸，增加單位時間內(nèi)進(jìn)入質(zhì)譜儀的帶電離子數(shù)量，從而增強(qiáng)分析物的響應(yīng)。但是，溫度過高會使化合物過早脫附，降低了靈敏度，當(dāng)離子化氣體溫度達(dá)到350 ℃時，3種目標(biāo)化合物的峰面積急劇下降。因此，本研究選擇300 ℃為最佳的離子化氣體溫度。

圖1 不同氣體溫度(a)、進(jìn)樣速度(b)、真空度(c)下，涕滅威及其代謝物的定量離子峰強(qiáng)度響應(yīng)圖Fig.1 Quantitative ion peak intensity of aldicarb and its metabolites with different gas temperatures (a), injection rates (b), vacuum degrees (c)

2.1.2進(jìn)樣速度的選擇 本研究采樣方式為將點(diǎn)有樣品的TIP頭置于自動采樣器的采樣架上，當(dāng)自動采樣器勻速經(jīng)過實(shí)時直接分析離子源的離子化區(qū)域時，樣品被離子化，然后通過陶瓷管取樣口進(jìn)入三重四極桿質(zhì)譜儀分析。在此過程中，樣品的進(jìn)樣速度與樣品在離子化區(qū)域的通過時間呈反比[12-14]，從而對樣品的離子化效率產(chǎn)生影響。當(dāng)進(jìn)樣速度較慢時，樣品離子化時間增加，容易造成峰展寬，影響定量準(zhǔn)確性。反之，當(dāng)進(jìn)樣速度過快時，樣品在離子化區(qū)域停留時間過短，使樣品不能完全解吸附，從而降低靈敏度。以3種目標(biāo)化合物定量離子的峰面積為指標(biāo)，在0.2～0.8 mm/s范圍內(nèi)對進(jìn)樣速度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果示于圖1b?？梢钥闯?，當(dāng)進(jìn)樣速度為0.6 mm/s時，涕滅威及其代謝物的定量離子峰面積最大。

2.1.3外置真空泵真空度的選擇 實(shí)時直接分析離子源與三重四極桿的接口為敞開式，并且以3.0 L/min向質(zhì)譜儀取樣口吹氦氣或氮?dú)?，因此，三重四極桿的真空度會受到影響，而實(shí)時直接分析離子源搭配的外置真空泵可以穩(wěn)定三重四極桿質(zhì)譜儀的真空度[15]。樣品在穩(wěn)定的真空度作用下被帶入取樣口，保證了實(shí)驗(yàn)的靈敏度和平行性，但真空度過高會使樣品在進(jìn)入質(zhì)譜儀的過程中被抽離質(zhì)譜，降低了檢測靈敏度。以3種目標(biāo)化合物定量離子的峰面積為指標(biāo)，在-40～-80 kPa范圍內(nèi)對外置真空泵的真空度進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果示于圖1c，當(dāng)真空度為-70 kPa時，涕滅威及其代謝物的響應(yīng)值最佳。

2.1.4點(diǎn)樣量及點(diǎn)樣方式的選擇 分別采用同一濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在其他參數(shù)不變的情況下對點(diǎn)樣量進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)對比了5、10、15、20 μL點(diǎn)樣量的離子峰面積，示于圖2a?？梢?，點(diǎn)樣量為10 μL較5 μL的目標(biāo)物響應(yīng)明顯增加；當(dāng)點(diǎn)樣量為15 μL和20 μL時，其結(jié)果與10 μL時差別不大，可能是由于點(diǎn)樣量大于10 μL時，超出了TIP頭正面的承載能力，點(diǎn)樣后的溶劑會隨TIP頭擴(kuò)散至TIP頭背面，影響了離子化效率。點(diǎn)樣量在10～20 μL范圍內(nèi)均可滿足檢測要求，但以點(diǎn)樣量為10 μL時響應(yīng)最佳。

以10 μL水體樣品點(diǎn)樣后，樣液晾干時間較長，晾干后樣品損失較大，影響檢測靈敏度。本實(shí)驗(yàn)選擇乙腈和水作為溶劑，分別配制100 μL涕滅威及其代謝物的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，結(jié)果表明，以乙腈為溶劑的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液點(diǎn)樣后的晾干速度更快，目標(biāo)物響應(yīng)更好。為進(jìn)一步提高晾干速度，經(jīng)優(yōu)化后，本實(shí)驗(yàn)選擇將水體樣品點(diǎn)樣后，于45 ℃加熱板加熱，再以氮?dú)饬鞔祾哌M(jìn)行樣品晾干，晾干時間控制在5 min內(nèi)。結(jié)果表明，目標(biāo)物響應(yīng)明顯增加，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測靈敏度。

2.1.5點(diǎn)樣位置的選擇 當(dāng)加載有樣品的TIP頭勻速經(jīng)過離子化區(qū)域時，只有當(dāng)點(diǎn)樣位置在離子源和三重四極桿質(zhì)譜儀同一水平時，樣品才可以實(shí)現(xiàn)最大程度離子化，且點(diǎn)樣位置的不同會影響樣品間的平行性。當(dāng)點(diǎn)樣位置出現(xiàn)以下2種情況時，樣品不能被有效離子化，會影響檢測靈敏度和樣品間的平行性：1) 在TIP頭最下端點(diǎn)樣時，樣液易擴(kuò)散至TIP頭末端及背部；2) 當(dāng)在5 mm以上位置點(diǎn)樣時，超出了離子化區(qū)域的高度。點(diǎn)樣位置在距離TIP頭下端1～5 mm之間時，離子化效果最佳，且樣品間的平行性最好，示于圖2b。

圖2 不同點(diǎn)樣量(a)和不同點(diǎn)樣位置(b)下，涕滅威及其代謝物的定量離子峰強(qiáng)度Fig.2 Quantitative ion peak intensity of aldicarb and its metabolites with different sample sizes (a) and sites (b)

2.1.6TIP頭抗污染能力實(shí)驗(yàn) 本方法未進(jìn)行樣品前處理，為防止基質(zhì)復(fù)雜的樣品對儀器的靈敏度和穩(wěn)定性造成影響，進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)：1) 通過對TIP頭1次點(diǎn)樣后多次進(jìn)樣，考察TIP頭上的樣品殘留所造成的污染，實(shí)驗(yàn)表明，重復(fù)4次進(jìn)樣后依然有樣品殘留，將TIP頭經(jīng)乙腈浸泡、超聲后再次進(jìn)樣后未發(fā)現(xiàn)樣品殘留，因此，本研究所用的TIP頭經(jīng)1次點(diǎn)樣后，采用乙腈浸泡30 min，再超聲10 min后可重復(fù)利用；2) 通過每隔5個標(biāo)準(zhǔn)溶液穿插2個空白TIP頭進(jìn)樣，不會對儀器造成殘留影響。

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1方法檢出限、線性范圍和精密度 本實(shí)驗(yàn)將配制的不同濃度的目標(biāo)物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液添加到4種類型的水體樣品中，同一樣品平行測定10次，將平均值作為最終數(shù)據(jù)，以3倍信噪比計算檢出限，10倍信噪比計算定量限，其結(jié)果列于表2，示于圖3。在優(yōu)化的儀器條件下測定配制的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，以目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度(x,μg/L)對其峰面積(y)進(jìn)行線性回歸，各化合物的線性范圍、相關(guān)系數(shù)及線性回歸方程列于表2。3種目標(biāo)物的相關(guān)系數(shù)均大于0.98。在10 μg/L加標(biāo)水平下進(jìn)行6次平行實(shí)驗(yàn)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差<10%，能夠滿足檢測要求。

表2 涕滅威及其代謝物的線性范圍、檢出限、定量限、精密度Table 2 Linear range, detection limit, quantification limit and precision of aldicarb and its metabolites

圖3 礦泉水(a)、城市污水(b)中涕滅威及其代謝物檢出限混合標(biāo)準(zhǔn)溶液平行2針譜圖Fig.3 Chromatograms of aldicarb and its metabolites in mineral water (a) and municipal wastewater (b) by two-needle parallel

2.2.2加標(biāo)回收率 鑒于DART原位電離的特點(diǎn)，本方法對回收率的影響因素僅體現(xiàn)在離子化效率。為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，本研究選取了3個不同的樣品濃度值，按照1.3～1.5節(jié)方法對同一樣品平行測試6次后，計算得到的回收率，列于表2。

2.2.3抗干擾能力實(shí)驗(yàn)和儀器穩(wěn)定性分析

本方法在檢測過程中未對樣品進(jìn)行色譜分離，容易產(chǎn)生假陽性。選擇三重四極桿質(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式，采用1個母離子對應(yīng)2個子離子的方式對所測化合物進(jìn)行二次分離。以本研究的陰性水體樣品為溶劑配制的檢出限基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液、10 μg/L基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液、100 μg/L基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液分別重復(fù)進(jìn)樣12次后，計算涕滅威及其代謝物的2個定性離子豐度比的平均值。以離子豐度值結(jié)合國際對離子豐度比最大偏差允許值的范圍作為該化合物的抗干擾指標(biāo)，列于表3。結(jié)果表明，涕滅威、涕滅威亞砜、涕滅威砜的定性離子對豐度比平均值分別為2.06、3.23、2.57，離子對豐度比K<10，允許最大偏差為±50。

表3 定性確證時，相對離子豐度的最大偏差Table 3 Maximum deviation of relative ion abundance for qualitative confirmation

2.3 基于實(shí)時直接分析離子源下涕滅威及其代謝物的裂解規(guī)律分析

涕滅威、涕滅威砜、涕滅威亞砜均屬于氨基甲酸酯類化合物，含有R—COO—R結(jié)構(gòu)，當(dāng)樣品基質(zhì)為水體時，采用實(shí)時直接分析離子源進(jìn)行檢測易發(fā)生加合反應(yīng)，形成[M+NH4]+[15]?，F(xiàn)對3個化合物的碎裂機(jī)理進(jìn)行推測。

2.3.1涕滅威的裂解規(guī)律 涕滅威的分子式是C7H14N2O2S，相對分子質(zhì)量為190.29。將準(zhǔn)分子離子m/z208.5 [M+NH4]+裂解后，得到的主要碎片離子為m/z143.48、116.46、74.56和86.75，示于圖4a。其中，m/z86.75可能為含硫巫類氨基甲酸酯類農(nóng)藥的特征峰[CHN2HCOO]+；m/z74.56和m/z116.46可能為涕滅威經(jīng)過C-N鍵斷裂后生成的[CH3NHCOO]+和[CH3SC-CH3CH3CNH]+；m/z143.48可能為涕滅威結(jié)構(gòu)中C—S鍵斷裂后丟掉[CH3-S]+形成的。

圖4 涕滅威(a)、涕滅威砜(b)、涕滅威亞砜(c)的二級質(zhì)譜圖Fig.4 MS/MS spectra of aldicarb (a), aldicarb sulfone (b), aldicarb sulfoxide (c)

2.3.2涕滅威砜的裂解規(guī)律 涕滅威砜的分子式是C7H14N2O4S，相對分子質(zhì)量為222.26。將準(zhǔn)分子離子m/z240.24 [M+NH4]+裂解后，得到主要碎片離子m/z166.41、148.62、86.71、81.64、76.70，示于圖4b。其中，m/z166.41可能為涕滅威砜結(jié)構(gòu)中C—S鍵發(fā)生斷裂后形成的碎片加合Na+離子峰[CH3NHCOONCHCCH3CH2Na]+；m/z148.62可能為涕滅威砜結(jié)構(gòu)中丟掉[CH3NHCOO]+后形成的碎片；m/z81.64可能為涕滅威砜結(jié)構(gòu)中C—S鍵發(fā)生斷裂后形成的碎片加合2個H+離子峰[CH3OOSH]+；m/z76.70可能為涕滅威砜結(jié)構(gòu)中[CH3NHCOO]+加合2個H+離子之后形成的碎片。

2.3.3涕滅威亞砜的裂解規(guī)律 涕滅威亞砜的分子式是C7H14N2O3S，相對分子質(zhì)量為206.26。將準(zhǔn)分子離子峰m/z224.34 [M+NH4]+裂解后，得到的主要碎片離子為m/z207.49、132.59、89.59，示于圖4c。m/z207.49可能是[M+H]+峰；m/z132.59可能為該化合物丟掉[CH3NHCOO]+后形成的碎片；m/z89.59可能是碎片m/z132.5產(chǎn)生中性丟失后，丟掉1個CO2形成的碎片。

綜上所述，在實(shí)時直接分析離子源條件下，涕滅威、涕滅威砜、涕滅威亞砜的常見裂解規(guī)律為：一級質(zhì)譜條件下易加合NH4+離子形成[M+NH4]+峰；在斷裂過程中易發(fā)生C—S鍵斷裂、易丟失[CH3NHCOO]+、易形成硫巫類化合物的特征峰m/z86.50。在未來工作中，將結(jié)合MassworksTM等軟件對涕滅威、涕滅威砜、涕滅威亞砜在實(shí)時直接分析離子源條件下的斷裂規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4 對比DART-MS/MS和LC-MS/MS方法檢測實(shí)際樣品

2.4.1方法對比結(jié)果 從表4可以看出，國標(biāo)GB/T 23214方法中水體樣品預(yù)處理繁瑣[16]，需要11種試劑，單個樣品的試劑總消耗量為71 mL，且分析耗時較長[17]。本方法簡化了檢測流程、縮短了檢測時間、實(shí)現(xiàn)了樣品的高通量檢測，同時節(jié)約試劑，降低成本，減少對環(huán)境的二次污染，極少產(chǎn)生加和離子，極少形成源外電離，可以不進(jìn)行色譜分離即可根據(jù)分子質(zhì)量對混標(biāo)樣品中的不同化合物進(jìn)行定性。將實(shí)時直接分析離子源與MS/MS串聯(lián)后，可發(fā)揮多反應(yīng)監(jiān)測功能，通過碎片離子的不同，實(shí)現(xiàn)化合物的二次分離和準(zhǔn)確定性，極大地提高了該技術(shù)的檢測靈敏度[18-22]。單個樣品的分析時間只有幾秒鐘，實(shí)現(xiàn)了水體樣品的原位高通量檢測，且本方法的檢出限可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 國標(biāo)方法與實(shí)時直接分析離子源-串聯(lián)質(zhì)譜法的對比Table 4 Comparison of national standard method and real-time direct ion source tandem mass spectrometry

2.4.2實(shí)際樣品測定結(jié)果 為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確性，隨機(jī)抽取了蘭州市部分地下水樣品，采用國標(biāo)方法和本方法進(jìn)行檢測，3種目標(biāo)物質(zhì)均未檢出。

3 結(jié)論

本研究采用實(shí)時直接分析法快速檢測環(huán)境水體中涕滅威及其代謝物。通過優(yōu)化點(diǎn)樣位置、點(diǎn)樣方法和離子化效率等參數(shù)，克服了DART離子源取樣不均、平行性較差的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)定量分析。本方法基本無需樣品前處理，不消耗有機(jī)溶劑，操作簡單、省時，能同時檢測環(huán)境水體中涕滅威及其代謝物，并可實(shí)現(xiàn)高通量檢測，為快速準(zhǔn)確檢測環(huán)境水體中的農(nóng)藥殘留提供了手段和思路。在未來工作中，將結(jié)合MassworksTM等軟件對涕滅威、涕滅威砜、涕滅威亞砜在實(shí)時直接分析離子源條件下的斷裂規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。