高分辨質(zhì)譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留分析中的應用研究進展

楊細蒙，黃 茜，鄭慧欣，金慧羚，黃欣陽，孟信剛

（1.景德鎮(zhèn)學院 生物與環(huán)境工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.景德鎮(zhèn)市衛(wèi)生學校，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

農(nóng)藥可以定義為任何直接用于控制害蟲數(shù)量或防止或減少害蟲損害的化學物質(zhì)，這類化學物質(zhì)還包括植物生長調(diào)節(jié)劑、落葉劑和干燥劑[1]。農(nóng)藥除了用于農(nóng)業(yè)防治，還被應用于衛(wèi)生、建筑等領(lǐng)域，人類可以通過各種途徑去接觸農(nóng)藥，如食物的膳食攝入、農(nóng)藥生產(chǎn)和應用過程中的職業(yè)暴露以及在施用農(nóng)藥后沉積或漂移到環(huán)境中的殘留農(nóng)藥接觸。由于不同的化學類別在復雜的基質(zhì)中以低濃度存在，所以有必要繼續(xù)開發(fā)回收率更高、檢測限更低的多殘留分析方法。

近年來，高分辨質(zhì)譜是一種發(fā)展較快的檢測技術(shù)，能夠在單次分析中鑒別和確認復雜混合物中更多痕量級的化合物組成[2-3]，在不影響質(zhì)量分辨率、定量重現(xiàn)性或質(zhì)譜靈敏度的情況下，還能夠獲得可靠的分析結(jié)果。高分辨質(zhì)譜技術(shù)（HRMS）不僅可以高選擇性、高通量和高靈敏度分析目標物，同時也可進行可疑物篩查和未知物鑒定，能有效解決前人研究中遇到的難點。此外，單四極桿、三重四極桿（QqQ）、三維離子阱質(zhì)譜（3DIT）、四極桿串聯(lián)線性離子阱（QqLIT）都可以作為質(zhì)譜檢測器進行農(nóng)藥殘留分析[4]。色譜串聯(lián)質(zhì)譜在多反應離子掃描（MRM）模式下進行農(nóng)藥多殘留檢測是目前應用最廣泛也是最有效的方法，如液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)將液相色譜的高效分離特點與質(zhì)譜強大的定性能力完美結(jié)合[5]。

隨著科技的發(fā)展和不斷更新進步的技術(shù)，高分辨質(zhì)譜技術(shù)可以顯著提高待測物質(zhì)定性和定量檢測的準確性，并且具有質(zhì)量分辨率高和精確分子量的特性。筆者對高分辨質(zhì)譜技術(shù)與色譜的聯(lián)用及其在農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域的應用進行了綜述，最后進行展望，以期為高分辨質(zhì)譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留領(lǐng)域的進一步開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 高分辨質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展及特點

高分辨質(zhì)譜是一種分辨率≥104半峰寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM）、質(zhì)量準確度＜5×10-6的精確質(zhì)量分析器?；衔锼槠x子進入質(zhì)量分析器，在外加電磁場的作用下做特征運動，依靠各自強大的信號采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析軟件，獲得高質(zhì)量分辨率和高精度的全掃描數(shù)據(jù)，具備非靶向高通量篩查和定量分析未知化合物的能力[6-7]。高分辨質(zhì)譜按照質(zhì)量分析器種類可分為：靜電場軌道阱質(zhì)譜（Orbitrap MS）、飛行時間質(zhì)譜（TOF MS）、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FTICR MS）、磁質(zhì)譜（Magnetic MS），4種質(zhì)譜儀的技術(shù)特點及其應用見表 1。Magnetic MS技術(shù)成熟、經(jīng)典及定量能力卓越，但成本高昂、操作復雜等劣勢限制了其廣泛應用，多用于二噁英、多氯聯(lián)苯等多鹵代平面芳烴類化合物的檢測[8-9]。與表1中另外3種類型質(zhì)譜儀相比，F(xiàn)TICR MS是分辨率最高、定性能力最好的軌道離子阱質(zhì)量分析器，但龐大的體積和高昂的維護成本限制其進一步廣泛使用，常用于石油化工[10-11]、蛋白質(zhì)組學[12-13]、代謝組學[14-15]及中藥成分分析[16-17]等領(lǐng)域。TOF MS分析儀的特點是少數(shù)樣品離子以相同的能量加速并通過長度相同的疏散飛行管，向探測器移動，主要優(yōu)點是具有高靈敏度和幾乎能同時檢測所有質(zhì)量的離子，離子通常有103～104eV的動能，大約能在20 ms內(nèi)通過分析儀；由于離子具有相同的能量，但質(zhì)荷比不同，因此，它們會彼此分離，并在不同的時間到達探測器。Orbitrap MS是1998年俄羅斯科學家Makarov根據(jù)靜電場軌道阱裝置研究出來的一種新型質(zhì)量分析器，在沒有使用磁場或任何射頻電壓（RF）的條件下來捕獲離子；離子在一個中心電極和一個金屬圓筒構(gòu)成的外電極共同組成的靜電場作用下，在Orbitrap的內(nèi)部繞中心電極的軌道做螺旋狀運動，離子再沿著中心電極連續(xù)做水平和垂直方向的振蕩，該振蕩被外部電極檢測出再放大，然后通過快速傅里葉變換的方式獲取不同質(zhì)量的離子頻譜，轉(zhuǎn)換為一個準確的質(zhì)荷比，從而得到精確分子量質(zhì)譜圖[18]。飛行時間質(zhì)譜和靜電場軌道阱質(zhì)譜是現(xiàn)在普及率更高的質(zhì)量分析器，已被廣泛應用于農(nóng)藥殘留領(lǐng)域。

表1 高分辨質(zhì)譜儀的技術(shù)特點及其應用Table 1 Technical features and applications of high-resolution mass spectrometry

2 氣相、液相色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

2.1 氣質(zhì)聯(lián)用

2.1.1 氣相色譜與靜電場軌道阱質(zhì)譜的聯(lián)用

隨著科技的發(fā)展，氣相色譜-靜電場軌道阱質(zhì)譜（GC-Orbitrap MS）在不同的研究群體中引起了更廣泛的興趣，該技術(shù)在農(nóng)藥殘留分析方面有較高的分辨率、靈敏度和精確度，因此GC-Orbitrap MS技術(shù)在農(nóng)藥殘留領(lǐng)域有廣泛應用。氣相色譜-高分辨質(zhì)譜（GC-HRMS）有望為暴露學研究提供解決方案，因為它能夠覆蓋多種化學支架，并有助于解釋碎片光譜的高質(zhì)量精度。有一種GC-Orbitrap傅里葉變換質(zhì)譜（FTMS）技術(shù)適用于持久性有機污染物（POPs）的定量分析，因為它能提高離子信號檢測的靈活性，實現(xiàn)超高質(zhì)量分辨率。此外，有研究表明該技術(shù)可在全掃描模式下分析蔬菜和水果中的多種農(nóng)藥殘留[23]，并在全掃描模式（質(zhì)荷比50～500）下得出了最佳采集條件，在分辨率為60 000和在最佳動態(tài)范圍內(nèi)可以提供2 mg/kg的質(zhì)量精度。

2.1.2 氣相色譜與飛行時間質(zhì)譜的聯(lián)用

2021年，朱正偉等[24]建立的GC-MS/MS和GC-Q-TOF/MS對蔬菜中11類224個樣品進行了農(nóng)藥殘留篩查確證，結(jié)果表明，農(nóng)藥檢出率高達55.3%，超范圍使用農(nóng)藥問題嚴重。2022年，郝琳瑤等[25]建立的基于氣相色譜-四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-QTOF/MS）測定積雪中28種多氯聯(lián)苯，研究通過優(yōu)化儀器方法，在較少樣品量（1～2 L）情況下，實現(xiàn)了積雪中多氯聯(lián)苯（PCBs）的定量分析，并為較少樣品中PCBs的分析提供了方法及依據(jù)；秦亞東等[26]通過GC-TOF-MS非靶向代謝組學技術(shù)，篩選結(jié)香花不同花期差異性代謝產(chǎn)物及其代謝通路，基于多元統(tǒng)計分析和代謝組學技術(shù)篩選出12個顯著性差異代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物可作為化學標記物區(qū)分花蕾期和盛開期。

2.2 液質(zhì)聯(lián)用

2.2.1 液相色譜與靜電場軌道阱質(zhì)譜的聯(lián)用

超高效液相色譜-四級桿軌道阱質(zhì)譜（UHPLCQ-Orbitrap MS）擁有百萬級的識別分辨率，在一次分析中便能完成樣品正負源的高精度一級和二級掃描。高分辨質(zhì)譜技術(shù)除了在定性方面的性能和可操作性有獨特優(yōu)勢外，在未知物的篩選、鑒定及定量方面也有其獨特的優(yōu)勢。由于UHPLC和二維線性離子阱靜電軌道阱組合式高分辨質(zhì)譜（LTQ-Orbitrap）都具有較高的分辨率，已有學者將LTQ-Orbitrap質(zhì)譜儀成功應用于54種農(nóng)藥殘留的定性和定量分析，并研究了許多其他食品和環(huán)境污染物。這些研究表明高分辨率質(zhì)譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留鑒定和定量方面的應用前景廣闊[27]。LC-Q-Orbitrap MS質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)應用在果蔬產(chǎn)品等基質(zhì)中進行農(nóng)藥殘留分析，并對其前處理方法和質(zhì)譜條件進行優(yōu)化，這項研究的目的是評估LC-Q-Orbitrap MS技術(shù)篩選和定量分析食品基質(zhì)中的農(nóng)藥殘留的優(yōu)勢[28]；吳紅濤等[29]建立的四極桿-軌道阱液質(zhì)聯(lián)用法同時檢測玉米中4種真菌毒素，確定了一種經(jīng)濟、高效的液質(zhì)聯(lián)用多種毒素分析方法，可同步檢測到玉米中的 AFB1、ZEA、OTA和FB1含量，對4種真菌毒素的回收率為90%～105%，定量限為 0.42～314.00 μg/kg。2022年黃科等[30]研究的QuEChERS-液質(zhì)聯(lián)用法測定柑橘中浸果保鮮劑殘留，通過對深圳市場采購的30批次柑橘進行批次檢測，可以檢出柑橘中咪鮮胺、抑霉唑、噻菌靈、甲基硫菌靈和多菌靈等多種保鮮劑殘留。

2.2.2 液相色譜與飛行時間質(zhì)譜的聯(lián)用

PANG等[31]將液相色譜-四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜（LC-Q-TOF MS）和氣相色譜-四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜（GC-Q-TOF MS）技術(shù)相結(jié)合用于測定水果和蔬菜中733種農(nóng)藥的殘留，結(jié)果表明，該組合技術(shù)具有高通量、高分辨率和非靶向篩選的優(yōu)點，單獨使用LC-Q-TOF MS技術(shù)還能夠建立525種農(nóng)藥的準確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。SAITO-SHIDA等[32]采用LC-TOF MS（30 000 FWHM，556 m/z）對茶葉中的農(nóng)藥殘留進行定量分析，結(jié)果表明，該技術(shù)對大量農(nóng)藥殘留的檢測方法優(yōu)于選擇反應監(jiān)測（SRM）模式下的LC-MS/MS。LC-TOF MS不僅有高通量和良好的定性能力，而且具有高質(zhì)量精度和高分辨率的特性，因此，在食品和環(huán)境中農(nóng)藥及其代謝物檢測方面具有很大的應用潛能。2022年，麥琬婷等[33]基于超高效液相色譜-四極桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜（UHPLC-Q-TOF-MS/MS）鑒定白背葉葉提取物中的化學成分，經(jīng)過與數(shù)據(jù)庫的比對，結(jié)合相關(guān)軟件，鑒定出63種化學成分，成分的準確質(zhì)量測量結(jié)果均為±5 mg/kg誤差，為白背葉藥材化學成分分析提供了理論基礎(chǔ)。

2021年，賀光云等[34]采用超高效液相色譜－四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜（UPLC-QTOF-MS）技術(shù)，對不同產(chǎn)區(qū)綠茶建立分類模型，探究其茶葉的化學成分是否存在顯著性差異，再對模型的預測能力進行評價；結(jié)合多元統(tǒng)計分析（VIP分析和 t檢驗），初步篩選出 50個存在統(tǒng)計學差異的化合物（VIP＞1，P<0.01），該研究建立的分類模型為茶葉的產(chǎn)地溯源和質(zhì)量評價提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

3 高分辨質(zhì)譜技術(shù)在食品農(nóng)藥殘留檢測中的應用

隨著人們對食品選擇關(guān)注的日益增加，消費者對食品安全的要求更高。從水、食物、蔬菜和其他復雜基質(zhì)中提取和分離農(nóng)藥的方法有成千上萬種，由于不同農(nóng)藥的極性、熱穩(wěn)定性以及檢測限存在差異，因此需要研發(fā)更精確、靈敏和優(yōu)良的質(zhì)譜技術(shù)去分離和提取食品中的農(nóng)藥殘留。在環(huán)境和食品安全領(lǐng)域，色譜-高分辨質(zhì)譜聯(lián)用是測定農(nóng)藥殘留的一種優(yōu)良的分析技術(shù)，也是目前常用的分析方法之一。LC-Q-TOF MS是常用于農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物檢測的分析方法，可用于靶向和非靶向分析，便于更好地了解水和食品的質(zhì)量。近年來，隨著農(nóng)藥使用量的增加，許多國家和地區(qū)對包括茶在內(nèi)的各種食品和飲料制定了農(nóng)藥的最大殘留限量（MRLs）。例如，歐盟為480多種農(nóng)藥及其茶葉產(chǎn)品中的代謝物設(shè)定了農(nóng)藥MRLs。根據(jù)歐盟標準，飲用水中的單個農(nóng)藥含量必須檢測到0.1 mg/L[35]。因此，需要有可靠、靈敏的分析方法來測定茶葉中的農(nóng)藥殘留。氣相或液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS/MS和LC-MS/MS）是同時分析茶葉中多種農(nóng)藥殘留的最常用方法，具有低檢測限（LOD）、低定量限（LOQ）和較好準確性的特點[36]。

4 高分辨質(zhì)譜技術(shù)在環(huán)境農(nóng)藥殘留檢測中的應用

由于農(nóng)藥的大量生產(chǎn)和廣泛使用，農(nóng)藥殘留問題已成為環(huán)境安全保障工作中的重要內(nèi)容，農(nóng)藥殘留量過多會對人類身體健康與生命安全造成很大的危害，因此國家和政府對環(huán)境中的農(nóng)藥殘留工作高度重視，制定了多項標準性、規(guī)范性的文件，在環(huán)境保護方面具有重要作用。人們在噴灑農(nóng)藥過程中，僅有少量農(nóng)藥作用于植物表面，用于治病殺蟲，大量農(nóng)藥都進入到環(huán)境中，污染大氣、水及土壤[37]。因此，利用高分辨質(zhì)譜技術(shù)對大氣污染物、水污染物和土壤等進行檢測具有重大意義。

4.1 高分辨質(zhì)譜技術(shù)在大氣污染物檢測方面的應用

生活中，農(nóng)藥在噴灑過程中會有20%～40%會擴散到空氣中，少量通過呼吸作用進入人體或動物體內(nèi)；在氣流的作用下，農(nóng)藥微?？梢云频竭h處，進一步擴大了農(nóng)藥污染的范圍。LóPEZ等[38]開發(fā)了一種新的采樣方法，通過超高效液相色譜結(jié)合高分辨質(zhì)譜（UHPLC-HRMS），使用低體積采樣器，比較了3種吸附劑（夾層 PUF-XAD2-PUF、XAD-2和XAD-4）檢測大氣中33種農(nóng)藥的捕集效率，結(jié)果表明，夾層PUF-XAD2-PUF吸附劑的吸附效果最好。2018年MAZUR等[39]在9個不同地點采集的莫斯科雪樣本進行分析，結(jié)果表明，雪樣品中含有酚類、鄰苯二酸鹽、亞硝胺和鹵代物等物質(zhì)；并根據(jù)ECNI數(shù)據(jù)，確定了幾十種持久性優(yōu)先污染物，從而擴大了未來莫斯科雪分析的目標化合物。通過對莫斯科雪樣本的分析來間接代表大氣中污染物的情況，從而對俄羅斯莫斯科市區(qū)的污染情況有了更深入的了解。

4.2 高分辨質(zhì)譜技術(shù)在水污染物檢測方面的應用

水溶性大、吸附性能弱的農(nóng)藥會隨水滲入地下，從而對水體和地下水體造成污染[40]。農(nóng)藥在環(huán)境中降解后會產(chǎn)生毒性更大的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，采用色譜結(jié)合高分辨質(zhì)譜技術(shù)檢測水中污染物，研究其在環(huán)境中的影響以及高分辨質(zhì)譜技術(shù)在水污染檢測方面中的處理效果，因此對于高分辨質(zhì)譜技術(shù)未來在農(nóng)藥殘留分析應用中具有重要意義。RIBEIRO等[41]采用超高效液相色譜結(jié)合高分辨質(zhì)譜（UHPLC-HRMS）檢測來自不同國家的6種不同品牌礦泉水以及來自巴西南部的自來水，并結(jié)合主成分分析法（PCA），將質(zhì)譜結(jié)果與代謝組學和脂質(zhì)組學進行比較，診斷出CHO、CHON、CHONS、CHFNO、CHN 和 CHNS 結(jié)構(gòu)的15個有機化合物的分子式，雖然自來水中的有機物質(zhì)含量明顯較高，礦泉水和自來水兩種水也呈現(xiàn)出相似的離子，但強度不同。SCHOLLEE等[42]通過在某個污水處理廠取樣，研究其在4種臭氧劑量下的臭氧轉(zhuǎn)化產(chǎn)物（OTPs），并采用在線固相萃取結(jié)合液相色譜-高分辨率質(zhì)譜（SPE-LC-HRMS/MS）測量樣品，檢測到4種臭氧劑量下潛在臭氧轉(zhuǎn)化產(chǎn)物（OTP）的形成，以及比較5種后處理中13種OTP的去除情況，結(jié)果表明，使用特定的臭氧劑量可形成最高數(shù)量的可觀察OTP，并且在5種后處理技術(shù)的流出物中，表現(xiàn)出有潛在OTP的強度沒有完全去除，需要進一步的研究來量化。HUANG等[43]基于LC-TOF/MS技術(shù)研究水溶液中鄰苯二甲酸二（2-乙基己苯）酯（DEHP）的去除和轉(zhuǎn)化機制，根據(jù)質(zhì)譜圖和碎片離子峰信號強度的不同，檢測出7種氧化產(chǎn)物，提出了DEHP的降解途徑可能是由于DEHP側(cè)鏈的解離、酯鍵斷裂和苯環(huán)的羥基化。

4.3 高分辨質(zhì)譜技術(shù)在土壤檢測方面的應用

LóPEZ-RUIZ等[44]基于超高效液相色譜-靜電場軌道阱質(zhì)譜（UHPLC-Orbitrap MS）研究二甲草胺在土壤和水中降解為代謝物的過程，監(jiān)測環(huán)境樣品（水和土壤）中二甲草胺及其代謝物，這項研究首次評估了二甲草胺在環(huán)境基質(zhì)中的存在狀況，這些信息可用于進一步環(huán)境風險評估研究。ZHOU等[45]通過GC-HRMS分析方法定量測定土壤和沉積物中的超痕量多鹵代咔唑（PHCZ），本研究利用甲苯進行索氏提取、色譜凈化、GC-HRMS與同位素稀釋相結(jié)合等分析方法，結(jié)果表明，5 g florisil（固相萃取柱）和4 g硅膠在回收率和重復性方面表現(xiàn)出良好的性能。WANG等[46]采用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜（HRGC/HRMS）對江蘇省溧陽市土壤樣品中的滅蟻靈進行分析，并建立了一個三級維度模型，在我國各省研究土壤中滅蟻靈的污染情況，結(jié)果表明，在區(qū)域范圍內(nèi)，計算出的滅蟻靈在環(huán)境中的濃度通常很低，表明滅蟻靈對人類和生物沒有危害，且大部分存在于土壤中。

5 總結(jié)與展望

筆者綜述了高分辨質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展歷程及特點、不同類型的氣相、液相色譜-高分辨質(zhì)譜技術(shù)和高分辨質(zhì)譜結(jié)合色譜技術(shù)對食品和環(huán)境中農(nóng)藥殘留分析的應用。目前，高分辨質(zhì)譜技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為在農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域的一種重要手段，主要體現(xiàn)在樣品前處理的高效化、簡單化和通用化以及儀器檢測的高通量化。在食品安全和環(huán)境保護方面，農(nóng)藥殘留問題不斷引起重視，因此有必要繼續(xù)開發(fā)回收率較高、檢出下限較低的多殘留分析方法，并對其進行開發(fā)創(chuàng)新。在未來的發(fā)展中，高分辨全掃描結(jié)合子離子掃描將進一步提高高分辨質(zhì)譜技術(shù)的篩查和定性能力，同時高分辨質(zhì)譜的二級譜庫的建立和標準化也是發(fā)展的重要方向，隨著科技的不斷發(fā)展，在未來高分辨質(zhì)譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留領(lǐng)域的應用前景會更加廣闊。