陸杜鵑,黃翠萍,羅茂果,周 蓮,代 倩,鐘婷婷,陳櫟穎,李 鑫,黎杉珊
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院 四川雅安 625014)
單氰胺(Cyanamide)又名氨基氰,是一種良好的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑[1],可以促使蔬菜和水果提前萌芽、開(kāi)花、結(jié)果、成熟、上市[2],在番茄、葡萄、櫻桃等經(jīng)濟(jì)效益較高的蔬菜和水果產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用[3-4]。然而,單氰胺在水中易溶解[5],易通過(guò)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放到自然環(huán)境中,從而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡[6]。此外,單氰胺有劇毒,能夠腐蝕人體皮膚組織,刺激呼吸道[7],能引起接觸性皮炎[8]、頭暈頭痛和惡心、嘔吐、腹瀉等癥狀[9-12],食品中的單氰胺殘留對(duì)人類(lèi)健康有著潛在的危險(xiǎn)。一方面,GB 2763-2019 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》中規(guī)定0.05 mg/kg(臨時(shí)限量)為葡萄的單氰胺最大殘留限量[13];另一方面,缺乏相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)單氰胺檢測(cè)的方法也不多[14]?,F(xiàn)有食品中單氰胺的分析方法主要有:比色法[15]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[16]、紅外光譜法[17]、脈沖電化學(xué)檢測(cè)法[18]、電位滴定法[19]等。這些方法雖準(zhǔn)確、可靠,但靈敏度尚有不足。建立高靈敏食品中單氰胺殘留量的檢測(cè)方法,對(duì)于促進(jìn)食品安全和保障人類(lèi)健康具有著非常重要的意義。
單氰胺結(jié)構(gòu)中含有活潑基團(tuán)氨基,可通過(guò)柱前衍生化反應(yīng)后用高效液相色譜-質(zhì)譜法(HPLCMS)間接測(cè)定。衍生化反應(yīng)可在其分子上增加發(fā)色基團(tuán),改變其色譜行為,提高其質(zhì)譜霧化及離子化效率,大大提高其HPLC-MS 檢測(cè)靈敏度[4]。測(cè)定單氰胺常用的衍生化試劑有鄰苯二甲醛[20]、6-氨基喹啉基-N-羥基琥珀酰亞胺基氨基甲酸酯[21]、丹磺酰氯[22]、1,2-萘醌-4-磺酸鉀[23]等。由于這些衍生試劑具有衍生產(chǎn)物不穩(wěn)定、對(duì)光敏感、專(zhuān)一性不強(qiáng)、操作復(fù)雜等問(wèn)題,因此合成一種新的衍生化試劑就顯得非常必要。本研究合成了一種以羅丹明B 為母體結(jié)構(gòu),琥珀酰亞胺基為活性基團(tuán),對(duì)單氰胺高效、專(zhuān)一的新型化學(xué)衍生試劑——羅丹明BN-琥珀酰亞胺酯(RBS),對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行表征,并基于RBS 柱前衍生和HPLC-MS 技術(shù)建立一種高靈敏、高準(zhǔn)確、高效率的單氰胺檢測(cè)方法,用于檢測(cè)葡萄和番茄中的單氰胺殘留量。
葡萄和番茄,購(gòu)于雅安市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。
羅丹明B (96%)(RB)、N-羥基琥珀酰亞胺(98%)、二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)(98%)、單氰胺(98%),北京百靈威科技有限公司;乙腈(HPLC級(jí))、甲醇(HPLC 級(jí)),成都市凌微科技有限公司;乙酸乙酯(HPLC 級(jí))、無(wú)水乙醇(HPLC 級(jí)),成都市科隆化學(xué)品有限公司;甲酸(LC-MS Ultra 級(jí)),西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
Bruker AVIII 600 MHz 型核磁共振波譜儀,布魯克科技有限公司;Agilent 6120 型質(zhì)譜儀、Agilent 1260 型高效液相色譜儀,安捷倫科技有限公司;Thermo Scientific NicoletIS10 型傅里葉變換紅外光譜儀,賽默飛世爾科技有限公司。
1.2.1 RBS 合成 RBS 合成路線(xiàn)如圖1所示。羅丹明B 2.4 g 溶于100 mL 乙腈中,加熱至約45 ℃加入N-羥基琥珀酰亞胺(HOSu)0.6 g 邊攪拌邊由恒壓滴液漏斗滴加入含二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)1.2 g 的乙腈溶液50 mL,維持45 ℃反應(yīng)1 h 再室溫?cái)嚢璺磻?yīng)20 h[24]。過(guò)濾除去反應(yīng)生成的粉末,濾液蒸除乙腈,所得黏稠狀固體用干燥乙醚洗滌多次,所得粗產(chǎn)品用乙腈/乙醚重結(jié)晶,得亮綠色晶體。
圖1 RBS 的合成路線(xiàn)Fig.1 Synthesis route of RBS
1.2.2 核磁共振氫譜表征 以CD3CN 為溶劑測(cè)定RBS 的核磁共振氫譜,600.13 MHz 為質(zhì)子共振頻率,四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo),298 K 為試驗(yàn)溫度[25]。
1.2.3 傅里葉紅外光譜表征 在用溴化鉀為背景、儀器分辨率為4 cm-1、壓力為15 kPa 的條件下,掃描次數(shù)32 次[26],使用壓片法測(cè)定。
1.2.4 高效液相色譜-質(zhì)譜鑒定 將羅丹明B 和合成的RBS 稱(chēng)取適量,用無(wú)水乙醇配置成一定濃度,過(guò)0.22 μm 有機(jī)相濾膜,用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行上機(jī)測(cè)定。
樣品前處理參考蘭豐等[2]和Cheng 等[22]的方法并做了改進(jìn)。分別準(zhǔn)確稱(chēng)取5 g 葡萄樣品和番茄樣品于100 mL 燒杯中,加入25 mL 乙酸乙酯,超聲15 min,加入30 g 無(wú)水硫酸鈉,持續(xù)渦旋3 min,在4 ℃下以4 000 r/min 離心15 min,快速定性濾紙過(guò)濾,用15 mL 乙酸乙酯沖洗3 次,收集所有濾液至100 mL 燒杯中,用0.22 μm 有機(jī)相濾膜過(guò)濾于50 mL 具塞玻璃試管中,于40 ℃氮吹儀上吹干,用1 mL 無(wú)水乙醇復(fù)溶,再用0.22 μm 有機(jī)相濾膜過(guò)濾至進(jìn)樣品瓶中,備用。
準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的單氰胺標(biāo)準(zhǔn)品于10 mL 容量瓶中,使用色譜級(jí)的無(wú)水乙醇定容,配制成0.1 mol/L 的儲(chǔ)備液,再根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行稀釋?zhuān)詈矛F(xiàn)配現(xiàn)用[25]。
準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的RBS 使用色譜級(jí)的無(wú)水乙醇定容,配制成一定濃度的衍生試劑,將制得的衍生化試劑加入至一定量的單氰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液中,60 ℃下水浴避光反應(yīng)1 h[27],采用0.22 μm 有機(jī)濾膜過(guò)濾至進(jìn)樣瓶,上機(jī)測(cè)定。
1.6.1 色譜條件 色譜柱:Agilent Zorbax SB-C18反相色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);流動(dòng)相A:水+0.1%甲酸;流動(dòng)相B:甲醇+0.1%甲酸;梯度洗脫:0~6 min,76%~95%B;進(jìn)樣量:10 μL;流速:1 mL/min;柱溫:35 ℃;DAD 檢測(cè)波長(zhǎng):260 nm。
1.6.2 質(zhì)譜條件 霧化氣體:氮?dú)?;干燥氣的溫度?50 ℃;駐留時(shí)間:290 ms;掃描的方式:電噴霧離子源(ESI)正離子掃描;干燥氣的流速:12.0 L/min;相對(duì)駐留時(shí)間:100.0%;檢測(cè)的模式:Scan 掃描、SIM 掃描;霧化器的壓力:275.8 kPa;碰撞誘導(dǎo)解離能量:70 V;質(zhì)荷比掃描范圍:100~1 000 u。采用碎片離子和分子離子的質(zhì)荷比進(jìn)行定性分析,采用外標(biāo)法質(zhì)譜峰面積進(jìn)行定量分析。
作圖分析使用Origin 9.0 軟件,結(jié)構(gòu)式畫(huà)圖分析采用Chem Office 2016 軟件,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)使用Excel 2010 軟件。
與RB 進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)核磁共振氫譜對(duì)合成的RBS 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,RBS 和RB 在氘代乙腈中的質(zhì)子化學(xué)位移(δH)和位置歸屬在表1中列出。從表1可得,熒光探針RBS 在0.00268‰處出現(xiàn)了含4 個(gè)氫原子的峰,此為兩個(gè)CH2,即琥珀酰亞胺基中的兩個(gè)亞甲基[24],由這一特征值可表明RB分子上成功接枝了琥珀酰亞胺基基團(tuán),RBS 已合成。并且產(chǎn)物RBS 苯環(huán)中的氫原子與RB 中相應(yīng)氫原子相比,向低場(chǎng)方向發(fā)生了較大化學(xué)位移變化,說(shuō)明下部苯環(huán)上琥珀酰亞胺酯取代基對(duì)整個(gè)大共軛結(jié)構(gòu)的電子云分布影響顯著,使氫核外電子云密度降低。此外,從RBS 芳環(huán)區(qū)質(zhì)子的化學(xué)位移還可以看到,RBS 與RB 一樣,4 號(hào)質(zhì)子的化學(xué)位移在2 號(hào)質(zhì)子的高場(chǎng)區(qū)。這說(shuō)明RBS 與RB一樣為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。由于苯環(huán)上琥珀酰亞胺酯結(jié)構(gòu)的存在,使RBS 無(wú)法形成內(nèi)酯型結(jié)構(gòu)。據(jù)此推斷,RBS 可能會(huì)較少受環(huán)境影響,在較寬的溶劑選擇及pH 值范圍內(nèi)都具備紫外吸收及熒光發(fā)射特性。
表1 RBS、RB 的核磁共振氫譜Table 1 Nuclear magnetic resonance spectroscopy of RBS and RB
對(duì)RBS 還進(jìn)行了FTIR 表征。如圖2所示,波數(shù)為2 979.50,2 931.90 cm-1的峰被指認(rèn)為甲基CH3、亞甲基CH2的伸縮振動(dòng)峰,在1 771.57 cm-1處的峰被指認(rèn)為酯基C=O 的伸縮振動(dòng)峰,1 738.84 cm-1處的峰被指認(rèn)為琥珀酰亞胺C=O 的伸縮振動(dòng)峰,在1 646.61,1 590.08 cm-1處的峰被指認(rèn)為芳環(huán)C=C 的伸縮振動(dòng)峰,在1 468.10 cm-1處的峰被指認(rèn)為甲基CH3、亞甲基CH2的彎曲振動(dòng)峰,在1 182.48 cm-1處的峰指認(rèn)為C-O 的伸縮振動(dòng)峰,在998.02,923.64,682.64 cm-1處的峰指認(rèn)為芳環(huán)=C-H 的伸縮振動(dòng)峰。分析結(jié)果表明,衍生產(chǎn)物中出現(xiàn)琥珀酰亞胺的信號(hào),說(shuō)明羅丹明B-N-琥珀酰亞胺衍生成功[24],以上數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了RBS的成功合成。
圖2 RBS 的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of RBS
圖3是RBS 的色譜圖(圖3a)、總離子流圖(圖3b)及質(zhì)譜圖(圖3b 內(nèi)插圖)。如圖3a所示,1.63 min 出峰的物質(zhì)是合成的RBS,由于RBS 上的琥珀酰亞胺酯基團(tuán)極易水解,1.86 min 出峰物質(zhì)為RBS 在流動(dòng)相中部分水解生成的RB,通過(guò)與RB 標(biāo)準(zhǔn)品的色譜圖對(duì)照得以驗(yàn)證。色譜圖基線(xiàn)平穩(wěn),無(wú)其它雜質(zhì),初步證明RBS 合成成功。如圖3b所示,RBS 的質(zhì)譜峰形良好,由內(nèi)插圖可見(jiàn)其質(zhì)荷比為540.3,可歸屬為RBS 的準(zhǔn)分子離子峰[M+](RBS 分子式:C32H34N3O5,M+計(jì)算值:540.25),以上結(jié)果可證明目標(biāo)化合物RBS 成功合成。
圖3 RBS 的色譜圖(a)、提取離子流色譜圖(b)及質(zhì)譜圖(b 內(nèi)插圖)Fig.3 Chromatogram (a),extracted ion current chromatogram (b) and mass spectrum(b-inset) of RBS
RBS 衍生化單氰胺的反應(yīng)方程式如圖4所示。單氰胺化學(xué)分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分子質(zhì)量小,極性大,沒(méi)有生色基團(tuán)和熒光基團(tuán),無(wú)法直接進(jìn)行色譜分析[27]。然而單氰胺結(jié)構(gòu)中含有氨基,經(jīng)衍生化反應(yīng)后可以增加發(fā)色基團(tuán),改變其色譜行為。RBS 中的琥珀酰亞胺基團(tuán)(NHS)與氨基基團(tuán)(-NH2)交聯(lián)反應(yīng)后生成的酰胺類(lèi)物質(zhì),該物質(zhì)結(jié)構(gòu)本身就含有共軛結(jié)構(gòu),發(fā)生衍生化反應(yīng)后,衍生產(chǎn)物會(huì)更穩(wěn)定[28-29]。此反應(yīng)靈敏且迅速,具有高選擇性、高特異性、高專(zhuān)一性、反應(yīng)效率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于氨基化合物的衍生[30]。
圖4 RBS 衍生單氰胺的反應(yīng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of RBS-derived cyanamide reaction
對(duì)RBS 與單氰胺的物質(zhì)的量比為2∶1 反應(yīng)后的溶液進(jìn)行HPLC-MS 分析。如圖5a所示,HPLC 譜中1.67 min 和1.84 min 的色譜峰可分別歸屬為RBS 及其水解產(chǎn)物RB,保留時(shí)間5.42 min 的色譜峰歸屬為衍生產(chǎn)物RBS-Cya,該峰形尖銳、對(duì)稱(chēng),可以初步判斷RBS 對(duì)單氰胺的衍生化反應(yīng)是成功的。所有物質(zhì)在6 min 內(nèi)可以完全分離,分析時(shí)間較短[31],能夠滿(mǎn)足定量分析的要求。圖5b 是在正離子模式下,采用SIM 掃描模式得到RBS 衍生化單氰胺的提取離子流色譜圖,由內(nèi)插圖可見(jiàn),m/z=467.2 的質(zhì)譜峰,可歸屬為RBSCya 的[M+H]+峰(RBS-Cya 分子式:C29H30N4O2,M+計(jì)算值:466.24),由此可判斷RBS 對(duì)單氰胺的衍生化反應(yīng)成功進(jìn)行。
圖5 RBS-Cya 的色譜圖(a)、提取離子流色譜圖(b)及質(zhì)譜圖(b 內(nèi)插圖)Fig.5 Chromatogram(a),extracted ion chromatogram (b) and mass spectrum (b-inset) of RBS-Cya
試驗(yàn)優(yōu)化的條件有衍生溶劑、衍生劑濃度、衍生溫度、衍生時(shí)間??疾炝瞬煌磻?yīng)溶劑對(duì)衍生化效率的影響,分別選用色譜級(jí)的乙腈、色譜級(jí)的無(wú)水乙醇、色譜級(jí)的甲醇作為反應(yīng)溶劑進(jìn)行優(yōu)化[27],當(dāng)以無(wú)水乙醇為反應(yīng)溶劑時(shí)(圖6a),峰面積達(dá)到最大,反應(yīng)最為完全,反應(yīng)效率最高,且無(wú)水乙醇毒性較低,價(jià)格低廉。此外,研究了衍生試劑RBS濃度為1,2,3,4,5,6,7,8 mmol/L 時(shí)的衍生效果,圖6b 顯示當(dāng)RBS 濃度為4 mmol/L 時(shí),衍生產(chǎn)物峰面積最大,信號(hào)最強(qiáng),衍生化效果最好。對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行研究,分別在30,40,50,60,70,80,90 ℃密封避光水浴加熱條件下使RBS 和單氰胺避光反應(yīng),圖6c 表明在60 ℃水浴加熱條件下,其反應(yīng)時(shí)間短,轉(zhuǎn)化率高,這與趙華鋒等[27]研究的結(jié)果一致。60 ℃后反應(yīng)效率隨著溫度的升高逐漸變低,這可能是因?yàn)樵诟邷厮l件下,部分水蒸氣滲透入反應(yīng)體系,使得RBS 易水解成RB,同時(shí)單氰胺在加熱的情況下,很容易水解生成尿素,在較高溫度時(shí)尿素直接生成二氧化碳和氨[32],使衍生化效率降低。最后,在2 h 內(nèi)(0,30,60,90,120 min)研究了反應(yīng)時(shí)間對(duì)衍生效率的影響(圖6d),結(jié)果表明反應(yīng)60 min 時(shí)反應(yīng)效率最大且穩(wěn)定,這與王旭群等[33]研究的結(jié)果一致,60 min 后反應(yīng)效率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變低,可能是在長(zhǎng)時(shí)間的水浴加熱條件下,衍生化試劑RBS 的性質(zhì)有所變化,導(dǎo)致副反應(yīng)發(fā)生。綜上,RBS 衍生化單氰胺的優(yōu)化條件為:溶劑:無(wú)水乙醇;衍生試劑濃度:4 mmol/L;溫度:60 ℃;時(shí)間:60 min。
圖6 衍生條件的優(yōu)化Fig.6 Optimization of derivative conditions
將RBS 與一定濃度的單氰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液發(fā)生衍生化反應(yīng),通過(guò)質(zhì)譜測(cè)定來(lái)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[25]。因?yàn)檠苌a(chǎn)物含有雜環(huán)原子,在電噴霧離子源(ESI)正離子模式下掃描可以得到H+形成準(zhǔn)分子離子峰[M+H]+[25],所以選擇電噴霧離子源(ESI)正離子模式進(jìn)行測(cè)定。先采用全掃描模式進(jìn)行掃描,選擇母離子,再采用SIM 掃描模式,尋找出響應(yīng)最高的兩個(gè)碎片離子峰,最后選擇定性離子(234.10 m/z和467.20 m/z)和定量離子(466.20 m/z)作為RBS衍生化單氰胺的質(zhì)譜采集參數(shù)。
本試驗(yàn)采用線(xiàn)性回歸分析方法,橫坐標(biāo)為濃度、縱坐標(biāo)為定量離子峰面積進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)加標(biāo)回收法以最低測(cè)定濃度的信噪比S/N=3 來(lái)確定檢出限,以最低測(cè)定濃度的信噪比S/N=10 來(lái)確定定量限。通過(guò)測(cè)定日內(nèi)和日間精密度(n=3)來(lái)考察該方法的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品添加兩個(gè)的不同濃度,加標(biāo)濃度為0.1 mmol/L 和0.4 mmol/L,每種添加濃度平行測(cè)定3 次,以3 次平行結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行評(píng)估分析。如表2所示,本方法在0.005~5 mmol/L 濃度范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.9969,該方法的檢出限為0.001 mmol/L,定量限為0.0025 mmol/L,日內(nèi)精密度為1.97%~3.63%,日間精密度為2.21%~4.18%,本方法在靈敏度、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此,RBS 柱前衍生結(jié)合HPLC-MS 法不僅能用于單氰胺高靈敏的定量檢測(cè),還可作為其它氨基化合物的一種分析檢測(cè)方法,從理論及實(shí)踐來(lái)說(shuō),高靈敏分析方法都具有很高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。
表2 方法線(xiàn)性范圍、LOD、相關(guān)系數(shù)、LOQ、日內(nèi)和日間精密度(n=3)[34]Table 2 Linear range,LOD,correlation coefficient,LOQ,intra-day and inter-day precision of the method (n=3)[34]
本試驗(yàn)采用加標(biāo)回收對(duì)空白樣品添加3 個(gè)不同的濃度,加標(biāo)濃度為0.5,1,2 mmol/L,3 個(gè)加標(biāo)濃度都平行測(cè)定3 次。該方法的精密度是通過(guò)3次平行結(jié)果的RSD 來(lái)分析的。由表3可知,82.10%~105.21%為葡萄樣品的回收率,RSD 為1.63%~3.35%;測(cè)得番茄樣品的回收率為77.56%~102.17%,RSD 為1.88%~4.04%。說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度和精密度都較好。
表3 葡萄樣品和番茄樣品3 個(gè)加標(biāo)濃度下單氰胺的平均回收率和RSD(n=3)Table 3 Average recovery rate and RSD of cyanamide at 3 spiked concentrations for grape samples and tomato samples (n=3)
按所研究的方法對(duì)雅安市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的葡萄、番茄中單氰胺殘留量進(jìn)行了測(cè)定,葡萄樣品中的單氰胺的含量為0.016 mmol/L,番茄樣品中的單氰胺含量為0.009 mmol/L。而GB 2763-2019《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》中規(guī)定0.05 mg/kg(臨時(shí)限量)為葡萄的單氰胺最大殘留限量[13],與之相比,本試驗(yàn)測(cè)定的葡萄樣品單氰胺含量超標(biāo)。
表4 實(shí)際樣品中的單氰胺含量Table 4 The content of cyanamide in actual samples
本研究設(shè)計(jì)合成了新型琥珀酰亞胺酯類(lèi)化學(xué)衍生試劑RBS,RBS 衍生化單氰胺選擇性好,副產(chǎn)物少,衍生化反應(yīng)較為快速及靈敏。高效液相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛,檢測(cè)范圍也較廣,還可改善樣品的分離度,靈敏度和準(zhǔn)確度也得到提高,由此建立了RBS 柱前衍生高效液相色譜-質(zhì)譜法,用于檢測(cè)葡萄和番茄中的單氰胺殘留量。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法具有選擇性好、靈敏度高、衍生化時(shí)間短、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn),可對(duì)番茄和葡萄中的單氰胺殘留量進(jìn)行批量檢測(cè)。建立食品中單氰胺殘留量的檢測(cè)方法,具有不可或缺的意義,同時(shí)有著較為廣闊的應(yīng)用前景。