麥?zhǔn)现嘏旁谫|(zhì)譜法檢測(cè)有機(jī)磷類 農(nóng)藥殘留中的運(yùn)用

◎ 肖傳勇

（德州市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心，山東 德州 253015）

農(nóng)產(chǎn)品安全包括數(shù)量、質(zhì)量及數(shù)據(jù)安全，特別是農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全備受社會(huì)關(guān)注。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的意義，是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料；隨著有機(jī)農(nóng)藥的使用，農(nóng)藥殘留研究也隨之開展起來(lái)[1]。農(nóng)藥殘留是指由于使用農(nóng)藥而在食品、農(nóng)產(chǎn)品和動(dòng)物飼料中出現(xiàn)的任何特定物質(zhì)，包括被認(rèn)為具有毒理學(xué)意義的農(nóng)藥衍生物，如農(nóng)藥轉(zhuǎn)化物、代謝物、反應(yīng)產(chǎn)物及雜質(zhì)等[2]。隨著農(nóng)藥進(jìn)入有機(jī)合成時(shí)代，有機(jī)磷類農(nóng)藥具有藥效高、品種多、應(yīng)用廣以及低生物積累性等特點(diǎn)，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的農(nóng)藥之一[3]。然而，有機(jī)磷類農(nóng)藥為神經(jīng)毒物，隨著新農(nóng)藥研發(fā)及替代、抗性、農(nóng)產(chǎn)品安全與環(huán)境安全關(guān)注等因素，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部梳理了禁用和限用農(nóng)藥名錄，其中包括久效磷、磷胺、內(nèi)吸磷、滅線磷等25種有機(jī)磷類農(nóng)藥。

根據(jù)有機(jī)磷類農(nóng)藥的毒理和化學(xué)性質(zhì)，我國(guó)出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定性定量檢測(cè)植物源性食品中有機(jī)磷類農(nóng)藥殘留量，如酶抑制率法[4]、氣相色譜法[5-6]、氣相色譜-質(zhì)譜法[7]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[8]和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[9-10]。特別是隨著質(zhì)譜儀的發(fā)展，質(zhì)譜法被廣泛應(yīng)用于植物源性食品中有機(jī)磷類農(nóng)藥殘留量的檢測(cè)。在特定情況下，有機(jī)磷類農(nóng)藥經(jīng)EI源或ESI源電離后，按照一定的質(zhì)譜裂解歷程形成特定的、能反映化合物結(jié)構(gòu)的碎片離子；該碎片離子通過(guò)四極桿質(zhì)量分析器被電子倍增檢測(cè)器收集，用于檢測(cè)待測(cè)組分的定性定量因子[11]。

利用質(zhì)譜法進(jìn)行多組分檢測(cè)時(shí)，一般采用m/z值大、豐度高、干擾少且同時(shí)表征待測(cè)組分“指紋”信息的特征離子作為定性或定量因子[12]。在有機(jī)質(zhì)譜理論中，麥?zhǔn)现嘏牛∕clafferty rearrangement）是對(duì)質(zhì)譜分析中離子的重排反應(yīng)提出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則；可以解釋有機(jī)化合物質(zhì)譜中系列碎片離子的裂解方式與過(guò)程，從而有效確認(rèn)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)，即不飽和基團(tuán)、可離去的氫、六元環(huán)[13]。多數(shù)有機(jī)磷類農(nóng)藥屬于磷酸酯類或硫代磷酸酯類化合物[14]；當(dāng)滿足上述三要素時(shí)，麥?zhǔn)现嘏磐鶅?yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)生的特征離子豐度高；在質(zhì)譜法中將麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生的特征離子作為定性定量因子更能表征待測(cè)組分的結(jié)構(gòu)信息，加重識(shí)別點(diǎn)的權(quán)數(shù)。本文主要闡述利用麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則解析有機(jī)磷類農(nóng)藥的質(zhì)譜圖以及其特征離子在質(zhì)譜法中的運(yùn)用。

1 麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則

麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)通式為：

式中：X為R′，OR′；Y為雜原子。

麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)特點(diǎn)：不飽和中心；γ-H（六元環(huán)、足夠大的空間）轉(zhuǎn)移；β鍵斷裂；電荷保留占主導(dǎo)地位（有例外）。麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)動(dòng)力：氫重排的驅(qū)動(dòng)是自由基對(duì)氫原子的吸引。

γ-H通過(guò)六元環(huán)轉(zhuǎn)移到不飽和基團(tuán)后，接著發(fā)生β鍵斷裂，這種通過(guò)六元環(huán)的重排稱為麥?zhǔn)现嘏?。要求通過(guò)六元環(huán)是因?yàn)殡s原子上有雙鍵，鍵角較大，因此必須有足夠大的環(huán)，才能使氫原子在空間上能夠接近雜原子而轉(zhuǎn)移到雜原子上。γ-H重排后，有兩個(gè)反應(yīng)通道可以導(dǎo)致β鍵的斷裂，一個(gè)反應(yīng)通道是在游離基中心誘導(dǎo)下的α斷裂（式1），另一個(gè)反應(yīng)通道是在電荷中心誘導(dǎo)下的i斷裂（式2）[15]。能夠發(fā)生麥?zhǔn)现嘏诺挠袡C(jī)物種類有很多，如醛、酮、酯、酸、酰胺、碳酸酯、磷酸酯、亞硫酸酯、亞胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯，這類化合物都具有共同特點(diǎn)——含有不飽和基團(tuán)[16]。

2 在質(zhì)譜法檢測(cè)有機(jī)磷類農(nóng)藥殘留中麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則的運(yùn)用

有機(jī)磷類農(nóng)藥屬于磷酸酯類化合物，酯相比于其他官能團(tuán)（酮、醚、酸、醛和醇）的質(zhì)子親和力強(qiáng)；化合物中存在可離去氫時(shí)，相比于其他斷裂反應(yīng)，麥?zhǔn)现嘏欧磻?yīng)往往具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

有機(jī)磷類農(nóng)藥包含殺蟲劑、殺菌劑和除草劑[17]，含有酯、（硫）醚、酮、胺、酰胺、烯、苯環(huán)、氮雜環(huán)、硝基、唑及鹵代烴等一個(gè)或多個(gè)官能團(tuán)；由于各自含有的官能團(tuán)不同，電荷和游離基中心定域于官能團(tuán)的概率不同，發(fā)生α斷裂、i斷裂、σ斷裂、氫重排及re（消除）趨勢(shì)不同，發(fā)生麥?zhǔn)现嘏臶式（1）和式（2）]的趨勢(shì)也不同。氫重排不能產(chǎn)生碎片離子，氫重排后隨即發(fā)生α斷裂或i斷裂才能產(chǎn)生碎片離子。碎片離子的豐度并不完全取決于氫的接受能力和離去能力，而是與初始電荷和游離基定域于不同官能團(tuán)的概率有關(guān)，而且與隨后的α斷裂或i斷裂的競(jìng)爭(zhēng)力有關(guān)，還與該產(chǎn)物離子的二級(jí)反應(yīng)能力及穩(wěn)定電荷和游離基的能力有關(guān)。

本文將探討在解析有機(jī)磷類農(nóng)藥質(zhì)譜圖的過(guò)程中麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則的運(yùn)用，為質(zhì)譜法準(zhǔn)確定性定量該類農(nóng)藥所采納的碎片離子提供理論依據(jù)。

2.1 在定量檢測(cè)有機(jī)磷類農(nóng)藥殘留中電荷保留占主要的麥?zhǔn)现嘏诺倪\(yùn)用

如圖1[18]所示，在滅線磷的質(zhì)譜圖中，除滅線磷的分子離子峰m/z242為偶數(shù)外，還有碎片離子m/z158 和m/z200為偶數(shù)，均具有很強(qiáng)的豐度，m/z158為基峰。在滅線磷的分子中不含N元素，根據(jù)N規(guī)則：不含氮或含偶數(shù)氮的奇電子離子為偶數(shù)；不含氮或含偶數(shù)氮的偶電子離子為奇數(shù)[19]。因此，滅線磷經(jīng)EI源電子轟擊后，發(fā)生了氫重排反應(yīng)，產(chǎn)生奇電子離子m/z158和m/z200。

圖1 滅線磷的質(zhì)譜圖

如式（3）所示，滅線磷經(jīng)EI源轟擊失去電子后，在P=O上形成了電荷和游離基中心，在游離基的誘導(dǎo)下，發(fā)生了γ-H重排，隨即發(fā)生α斷裂，失去中性分子CH3CH=CH2，產(chǎn)生奇電子離子m/z200，豐度為38.3%。在碎片離子中，雜原子上n電子可與電荷共享、共振為電荷和游離基提供有利位置，從而起到穩(wěn)定離子的作用。奇電子離子m/z200通過(guò)n電子與電荷共享，再次發(fā)生麥?zhǔn)现嘏牛玫狡骐娮与x子m/z158，為基峰。碎片離子的豐度不僅取決于該反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)力，還取決于該碎片離子的二級(jí)反應(yīng)能力，當(dāng)生成的子離子更加穩(wěn)定時(shí)，就會(huì)降低母離子的豐度。

在滅線磷的質(zhì)譜圖中，奇電子離子m/z242、m/z200和m/z158具有較高豐度，其分別表征了滅線磷的分子離子峰和特征離子；同時(shí)還包括了母離子和子離子。因此，在食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 23200.8—2016中，將上述碎片離子作為定性定量滅線磷的特征離子，即158（100）、200（40）、242（23）、168（15）[括號(hào)內(nèi)為相對(duì)豐度]。奇電子離子m/z168是由分子離子峰m/z242發(fā)生類似與式（5）的消除反應(yīng)（re）產(chǎn)生的，這里不作詳細(xì)贅述。

在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法中，一般在待測(cè)物的質(zhì)譜圖中選擇m/z值大、豐度高、可發(fā)生二次裂解反應(yīng)的特征離子作為待測(cè)組分的母離子，同時(shí)其子離子亦具有更好的豐度，更有利于定性定量待測(cè)組分。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 23200.113—2018中，將m/z158作為定性定量滅線磷的母離子，即157.9/97.0（15 eV）、157.9/114.0（5 eV）[括號(hào)內(nèi)為碰撞電壓]。

在式（4）中，奇電子離子m/z158在游離基的誘導(dǎo)下，發(fā)生α斷裂失去硫羥基，得到偶電子離子m/z125， 豐度為25.4%；偶電子離子m/z125在電荷的誘導(dǎo)下，發(fā)生γ-H重排，隨即發(fā)生i斷裂失去中性分子CH2=CH2，生成偶電子離子m/z97，豐度為72.7%。在m/z125→m/z97的裂解過(guò)程中，符合質(zhì)譜解析規(guī)則，偶電子離子生成偶電子離子+中性分子是有利的；同時(shí)電荷亦可以誘導(dǎo)氫重排（非一定是六元環(huán)）。在有機(jī)磷類農(nóng)藥（含有硫代磷酸二乙酯基團(tuán)）的質(zhì)譜圖中，偶電子離子m/z125和m/z97很常見，一般具有較高豐度。

麥?zhǔn)现嘏乓话阕裱瓋蓚€(gè)鍵斷裂和兩個(gè)鍵生成，其中β鍵斷裂為麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則的特征。在式（5）中，奇電子離子m/z158在游離基的誘導(dǎo)下，γ-H通過(guò)六元環(huán)重排到不飽和S原子上的同時(shí)，游離基轉(zhuǎn)移到烷基鏈上，隨即在游離基的誘導(dǎo)下發(fā)生α鍵斷裂，而非β鍵斷裂，這類反應(yīng)為消除反應(yīng)（re），失去中性分子環(huán)氧乙烷，生成奇電子離子m/z114，豐度為14.1%。雖然re反應(yīng)在有機(jī)磷類農(nóng)藥的二次裂解反應(yīng)中比較常見，但其反應(yīng)趨勢(shì)較弱，產(chǎn)生的碎片離子豐度不高；在滅線磷的質(zhì)譜圖中，滅線磷的分子離子峰亦可以發(fā)生re反應(yīng)，得到一對(duì)互補(bǔ)離子m/z168與m/z74，豐度分別為18.7%和41.0%。

根據(jù)式（4）和（5）的反應(yīng)趨勢(shì)不同，母離子m/z158發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生子離子的豐度不同，因此在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定滅線磷殘留量中，將母-子離子對(duì)m/z158和m/z97作為定量離子對(duì)，母-子離子對(duì)m/z158和m/z114作為定性離子對(duì)。

2.2 在定量有機(jī)磷類農(nóng)藥殘留中電荷不保留占主要的麥?zhǔn)现嘏诺倪\(yùn)用

在運(yùn)用有機(jī)質(zhì)譜理論來(lái)解析已知結(jié)構(gòu)化合物的質(zhì)譜圖時(shí)，可以把一類具有相似結(jié)構(gòu)化合物的質(zhì)譜圖進(jìn)行比對(duì)，有助于學(xué)習(xí)有機(jī)質(zhì)譜理論以及了解化合物的裂解歷程。在有機(jī)磷類農(nóng)藥中，具有很多相似結(jié)構(gòu)的化合物，可發(fā)生相同的質(zhì)譜行為，產(chǎn)生具有這一類化合物特有的“指紋”信息。例如，當(dāng)電荷和游離基定域于有機(jī)磷類農(nóng)藥的磷酸酯不飽和雜原子上時(shí)，由游離基誘導(dǎo)α斷裂產(chǎn)生的碎片離子及二次裂解產(chǎn)生的碎片離子，即m/z137、m/z109和m/z81；m/z153、m/z125 和m/z97，這些碎片離子在有機(jī)磷類農(nóng)藥的質(zhì)譜圖中很常見，各自表征了具有相同結(jié)構(gòu)的“指紋”信息。

在有機(jī)磷類農(nóng)藥中，甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷這4種有機(jī)磷類農(nóng)藥具有相似的結(jié)構(gòu)，可發(fā)生麥?zhǔn)现嘏?，產(chǎn)生相同的碎片離子。如圖2所示，這4種化合物具有相同的基團(tuán)——S-乙硫基乙基；區(qū)別在于P=O（S）、甲氧基與乙氧基的不同。如圖3所示，在它們各自的質(zhì)譜圖中，均含有奇電子離子m/z88，為基峰，說(shuō)明這4種化合物（不含氮）均發(fā)生氫重排反應(yīng)。

甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷均可發(fā)生麥?zhǔn)现嘏诺膬煞N裂解反應(yīng)，即電荷保留和非電荷保留。從產(chǎn)物離子的豐度上看，電荷不保留的反應(yīng)趨勢(shì)強(qiáng)，為主要裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的奇電子離子m/z88為基峰；在各自的質(zhì)譜圖中，可以找到與m/z88相對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)離子m/z142、m/z170、m/z158和m/z186（豐度均在10%左右），產(chǎn)生互補(bǔ)離子（保留電荷）的麥?zhǔn)现嘏沤禐榇我呀夥磻?yīng)[如式（6）至（13）所示]。

圖2 甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的化學(xué)結(jié)構(gòu)式圖

圖3 甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質(zhì)譜圖

在甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質(zhì)譜圖中，奇電子離子m/z88和其對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)離子共同表征了各自化合物的重要“指紋”信息。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 23200.8—2016中，甲基內(nèi)吸磷：109（100）、142（43）、230（5）；甲基乙拌磷：88（100）、125（55）、246（9）；乙拌磷：88（100）、274（15）、186（18）。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 23200.15—2016中，內(nèi)吸磷：88（100）、170（15）、143（11）[20]。在上述標(biāo)準(zhǔn)中，均采用了麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生的互補(bǔ)離子（1個(gè)或2個(gè)）作為特征離子來(lái)定性定量各自化合物。雖然甲基乙拌磷、乙拌磷和內(nèi)吸磷均采用相同的碎片離子m/z88作為定量離子，可利用3種化合物與石英毛細(xì)管色譜柱（14%氰丙基苯基/86%甲基硅氧烷，色譜柱中等極性）的相互作用力-范德華力（色散力、誘導(dǎo)力、取向 力）[21]，來(lái)達(dá)到良好的分離度[22]，可以滿足氣相色譜-質(zhì)譜法的SIM功能進(jìn)行分段采集，防止柱效下降形成共流出物時(shí)，因采用相同的m/z值而相互干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)磷類農(nóng)藥是一類含有（硫代）磷酸酯基團(tuán)的化合物；酯相比于其他官能團(tuán)（酮、醚、酸、醛和醇）的質(zhì)子親和力強(qiáng)；化合物中存在可離去氫，同時(shí)可離去的氫與不飽和基團(tuán)呈六元環(huán)；當(dāng)有機(jī)磷類農(nóng)藥滿足上述條件時(shí)，相比于其他斷裂反應(yīng)，麥?zhǔn)现嘏磐哂泻軓?qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。本文詳細(xì)介紹的滅線磷、內(nèi)吸磷和乙拌磷等有機(jī)磷類農(nóng)藥，在質(zhì)譜圖中，相比于其他裂解反應(yīng)，麥?zhǔn)现嘏艃?yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)生的碎片離子或二級(jí)碎片離子為基峰。

氫重排不能產(chǎn)生碎片離子，氫重排后隨即發(fā)生由游離基或電荷誘導(dǎo)的α斷裂或i斷裂產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)離子?；パa(bǔ)離子的豐度不僅取決于α斷裂或i斷裂的競(jìng)爭(zhēng)力，還取決于各自穩(wěn)定電荷或游離基的能力以及二次裂解反應(yīng)的能力，如甲基內(nèi)吸磷、內(nèi)吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質(zhì)譜圖所示。

麥?zhǔn)现嘏乓?guī)則不僅可以有效確認(rèn)未知有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)，而且可以在已知化合物結(jié)構(gòu)的情況下，為質(zhì)譜法檢測(cè)該化合物所運(yùn)用的特征離子提供理論依據(jù)，從而保證定性定量準(zhǔn)確。利用質(zhì)譜法檢測(cè)待測(cè)組分時(shí)，一般采用2～4個(gè)母-子離子對(duì)或碎片離子作為識(shí)別點(diǎn)；麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生的碎片離子表征了化合物的不飽和基團(tuán)、可離去的氫及位置，更直接地表征了化合物結(jié)構(gòu)重要的“指紋”信息，從而確保定性定量準(zhǔn)確。

農(nóng)藥是一類含有醛、酮、酯、酸、酰胺、磷酸酯、亞硫酸酯、亞胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯等一個(gè)或多個(gè)不飽和基團(tuán)的化合物。當(dāng)農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)式滿足含有不飽和鍵官能團(tuán)、存在可離去的氫及足夠的空間3個(gè)條件時(shí)，在其質(zhì)譜圖中，可以發(fā)現(xiàn)由麥?zhǔn)现嘏女a(chǎn)生的碎片離子，且多數(shù)被質(zhì)譜法引用為待測(cè)組分的識(shí)別點(diǎn)?，F(xiàn)將發(fā)生麥?zhǔn)现嘏诺霓r(nóng)藥名稱、碎片離子、相對(duì)豐度及運(yùn)用歸納如表1所示。

表1 發(fā)生麥?zhǔn)现嘏诺霓r(nóng)藥名稱、碎片離子、相對(duì)豐度及運(yùn)用表