新煙堿類殺蟲劑的研究進(jìn)展與檢測分析概述

何 圓，孫貝麗

廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045

1 新煙堿類殺蟲劑（NEOs）概況

新煙堿類殺蟲劑（neonicotinoid insecticides，NEOs）最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)90年代，是繼有機(jī)磷殺蟲劑和擬除蟲菊酯類殺蟲劑之后最重要的化學(xué)農(nóng)藥[1]。由于對昆蟲控制具有高效性和易用性，NEOs 已成為目前世界上應(yīng)用最廣泛的一類殺蟲劑，年產(chǎn)量約10 萬t，約占全球殺蟲劑市場份額的25%，且呈現(xiàn)逐年上升趨勢[2]。NEOs 因?qū)οx具有較強(qiáng)的殺滅性且不與其他殺蟲劑產(chǎn)生交互抗性而被廣泛應(yīng)用于種子預(yù)處理、谷物和蔬菜水果等農(nóng)作物的蟲害防護(hù)中。殘留在環(huán)境中的NEOs 可通過環(huán)境過程和植物自身吸收而大量殘留在人們的食物等暴露途徑中。NEOs 的人群外暴露途徑包括攝入暴露和吸入暴露。因NEOs 常被施用于各類經(jīng)濟(jì)作物，所以非職業(yè)人群暴露于NEOs 的途徑為膳食攝入（食品和飲用水）和接觸灰塵/土壤攝入。美國哈佛大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，NEOs 在所有被調(diào)查的8 類水果和10 類蔬菜中均被檢出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)101 ng/g，并且在90%的蜂蜜樣品中都檢測出了0.1～0.8 ng/mL 的NEOs，其中IMI 最常被檢出。我國研究者發(fā)現(xiàn)，NEOs 廣泛存在于茶葉中，單個NEO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍是13～126 ng/g。人類對于NEOs 的吸入暴露主要來自花粉。因NEOs 的系統(tǒng)特性，其可殘留在花粉中，然后通過分散在空氣中進(jìn)而暴露于人們的生活和工作環(huán)境中。一項研究測定了美國馬薩諸塞州的5 份花粉樣品，其中IMI 均被檢出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：0.4～2.3 ng/g。由此可見，人們已廣泛暴露于含有NEOs的環(huán)境中。

目前，我國已注冊了2 000 多種商業(yè)產(chǎn)品，常用的新煙堿類殺蟲劑原物（parent NEOs，p-NEOs）主要包括吡蟲啉（imidacloprid，IMI）、 啶蟲脒（acetamiprid，ACE）、噻蟲嗪（thiamethoxam，THM）、噻蟲胺（clothianidin，CLO）、噻蟲啉（thiacloprid，THD）和呋蟲胺（dinotefuran，DIN）。其中，IMI、CLO、ACE 和THM 占使用總量的90%以上。p-NEOs 在環(huán)境中會發(fā)生降解反應(yīng)并生成各種代謝產(chǎn)物，常見的有：IMI 的代謝產(chǎn)物烯式吡蟲啉（olefin-Imidacloprid，olefin-IMI），ACE 的代謝產(chǎn)物N-去甲基啶蟲脒（NDemethyl-acetamiprid，N-dm-ACE），DIN 的代謝產(chǎn)物1-甲基-3（四氫化-3-呋喃甲基）尿素（1-methyl-3-(tetrahydro-3-furylmethyl) urea，DIN-U）（分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示）。

1.1 NEOs 的作用機(jī)制

NEOs 之所以能在全球得到廣泛應(yīng)用，主要是因為其對哺乳動物的急性毒性低于傳統(tǒng)殺蟲劑，而對大多數(shù)害蟲卻具有極高的毒性，可以用作系統(tǒng)種子或溝渠處理，以保護(hù)苗期作物免受刺吸式和咀嚼式昆蟲的侵害。NEOs 的化學(xué)性質(zhì)與尼古丁農(nóng)藥相似，對無脊椎動物和脊椎動物的作用不一致，對無脊椎動物具有高度特異性，但對脊椎動物的風(fēng)險卻很低。NEOs 與無脊椎動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸后與煙堿乙酰膽堿受體（nAChR）結(jié)合，從而與天然神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿競爭，作用后的昆蟲通常表現(xiàn)為活動變緩、顫抖、低體溫、痙攣等，一定劑量下會死亡。NEOs 不易通過脊椎動物的血腦屏障，對其煙堿受體具有低親和力，因此其對脊椎動物的風(fēng)險較低，這也是其在如今的市場中廣受喜愛的原因。

圖16 種p-NEOs 和3 種m-NEOs 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.2 NEOs 的危害

在美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）首次批準(zhǔn)NEOs 用于商業(yè)用途時，由于NEOs 對昆蟲的化學(xué)親和力更高且無法穿過哺乳動物的血腦屏障，因此其被認(rèn)為對哺乳動物的毒性較小。在對NEOs 進(jìn)行登記時的實驗研究表明，NEOs 對哺乳動物比對昆蟲的毒性更小。但也有許多研究者注意到了其毒性作用[3]，如增加小鼠肝細(xì)胞癌變的幾率，并支持美國環(huán)境保護(hù)署為IMI、CLO、ACE 確定最大殘留限量（MRLs）。自那以后，研究人員發(fā)現(xiàn)NEOs 對脊椎動物和無脊椎動物均有不良影響，NEOs 可能對哺乳動物產(chǎn)生的不利影響中包括亞致死效應(yīng)。目前已發(fā)現(xiàn)某些NEOs代謝物的毒性與母體化合物相同或更大。例如，IMI的代謝產(chǎn)物之一——去硝基吡蟲啉對哺乳動物的nAChRs 有很高的親和力、對小鼠的毒性較高且可以在哺乳動物體內(nèi)或環(huán)境中形成。已有研究表明，NEOs 以類似尼古丁的作用方式影響著哺乳動物的nAChRs。這些受體對人腦功能至關(guān)重要，尤其是對記憶、認(rèn)知和行為的發(fā)育過程非常重要。NEOs 的毒性的一個獨特方面是能夠結(jié)合哺乳動物的nAChRs亞型a4β2，這種亞型在丘腦中密度最高。在處于發(fā)育階段的大腦中，這種亞型參與神經(jīng)增殖、凋亡、遷移、分化、突觸形成和神經(jīng)回路形成。而這種神經(jīng)受體亞型密度的改變是引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)鍵因素，可能引發(fā)阿爾茨海默病、帕金森病、精神分裂癥和抑郁癥。哺乳動物的生殖和發(fā)育也會受到NEOs 的不利影響，包括精子的生成和功能降低、懷孕率降低、胚胎死亡率升高、死產(chǎn)和早產(chǎn)及后代體重下降。

NEOs 引起人類急性中毒的相關(guān)報道較少。然而，有兩名患者自行攝入ACE 后出現(xiàn)了嚴(yán)重的惡心嘔吐、肌無力、體溫過低、抽搐、心跳過速、低血壓和缺氧癥狀[4]，這些癥狀與急性有機(jī)磷中毒相似。在攝入兩天后，兩人均治愈出院且沒有任何并發(fā)癥。斯里蘭卡的一項研究報告了68 例IMI 中毒患者，包括61 例自食和7 例皮膚接觸，中毒者中無人死亡。其中一名患者服用IMI 后出現(xiàn)嗜睡、頭暈和定向障礙等癥狀，但在4 d 后痊愈，且無任何并發(fā)癥。152 例患者急性暴露于NEOs 后，最常見的癥狀是呼吸困難或呼吸暫停、昏迷、心動過速、低血壓、惡心或嘔吐、發(fā)汗、瞳孔散大、心動過緩、發(fā)熱、頭暈、口腔潰瘍、吞咽困難、癲癇和腹痛。以上案例表明，NEOs 會危害人體健康，并可能導(dǎo)致疾病發(fā)生。

2 NEOs 的檢測分析現(xiàn)狀

2.1 NEOs 的前處理方法

NEOs 普遍存在于環(huán)境中，因此根據(jù)不同的樣品開發(fā)了不同的前處理方法。對于固體樣品通常使用的前處理方法是QuEChERS（快速、簡單、廉價、有效、堅固和安全），其次是固液萃取（SLE）。而固相萃?。⊿PE）、液-液萃?。↙LE）和分散液-液微萃?。―LLME）則是液體樣品常用的前處理方法。

最初的QuEChERS 方法中包括用乙腈進(jìn)行SLE，然后用凈化劑乙二胺-N-丙基硅烷（PSA）進(jìn)行分散固相萃取（d-SPE）。這種方法操作簡單、回收率高且樣品處理量大。因此，它已成為農(nóng)業(yè)食品部門中大多數(shù)質(zhì)量控制實驗室進(jìn)行農(nóng)藥分析的基石。QuEChERS 被用于分析各類樣品，如魚肉、雞蛋、蔬菜和橄欖油。雖然原有的QuEChERS 方法仍然被廣泛使用，但是隨著時間的推移，根據(jù)被分析樣品和目標(biāo)農(nóng)藥，此方法得到了改進(jìn)，目前這種樣品處理方法適用于特定的需要。主要的改進(jìn)包括在d-SPE 步驟中使用C18或石墨化炭黑（GCB）吸附劑以及緩沖溶液。例如，在PSA 之外使用GCB 對QuEChERS 檸檬酸鹽進(jìn)行緩沖就是一種常見的改進(jìn)方法，其目的是為了提高回收率和樣品純度[5]。

SLE 中最常用的溶劑是乙腈和甲醇，也會使用水或一些溶劑混合物。SLE 是最簡單的樣品前處理方法，其主要缺陷在于需要額外的凈化步驟。常見的凈化步驟包括帶有特定吸附劑的d-SPE 清除蜂蠟中的脂質(zhì)或帶有商業(yè)套筒的SPE，如Oasis 親水親脂平衡（HLB）。雖然在回收率方面可以獲得與使用QuEChERS 類似的結(jié)果，但使用QuEChERS 避免了凈化步驟，簡化了樣品的前處理過程。

在水樣中最常見的樣品前處理方法是固相萃取（SPE）。不同吸附劑的墨盒常被使用，例如C18、Oasis HLB 和Strata-X。一些研究比較了不同的吸附劑，得到了相似的回收率。UiO-66 晶體（金屬-有機(jī)框架-鋯基建筑磚）的使用也在d-SPE 中進(jìn)行了測試。選擇這種吸附劑是因為其表面積大，至少可以重復(fù)使用10 次。最近一項研究在超臨界二氧化碳中合成了雜化磁性碳納米管，用于在水和果汁中對NEOs 進(jìn)行磁性固相萃取，可重復(fù)使用至少10 次。有研究報道使用磁性納米顆粒（基于石墨烯）分析水樣中的4種NEOs，也有報道使用固相萃取和含有硅藻土物質(zhì)的化學(xué)洗脫分析牛奶樣品中的NEOs。

DLLME 通過在水樣中加入萃取溶劑（與水不混溶）和分散溶劑（與水和萃取溶劑混溶）的混合物萃取分析物形成的分散液有利于分析物的提取。離心后，回收含有分析物的萃取溶劑。這種樣品前處理方法具有操作簡單、成本低、富集因子高、溶劑體積小等優(yōu)點。雖然它沒有被常規(guī)應(yīng)用于NEOs 的分析，但一些研究已經(jīng)將它應(yīng)用于水、蜂蜜和蜂蜜利口酒的分析。最近報道了一種新的DLLME 方法，用于分析果汁和蔬菜樣品。在這些工作中，室溫離子液體（低毒性和揮發(fā)性）被建議作為傳統(tǒng)DLLME 中使用的有機(jī)溶劑的替代品。其他研究使用DLLME 作為固液萃取后的凈化和預(yù)濃縮步驟。

2.2 NEOs 的檢測方法

由于NEOs 具有極性、非揮發(fā)性的特點，所以在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域發(fā)展起來的分析方法大多涉及色譜，主要是HPLC-MS 或HPLC-UV 檢測。眾所周知，質(zhì)譜法是進(jìn)行農(nóng)藥多殘留分析的常用方法。首先，在化合物分離方面，許多方法使用HPLC 分析柱。然而，盡管傳統(tǒng)的色譜柱可以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆蛛x，但超高效液相色譜（UHPLC）的使用在近年來取得了不錯的進(jìn)展。對于NEOs 的測定，液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用通常采用大氣壓電離技術(shù)，主要是以正離子模式工作的電噴霧電離（ESI）。許多研究報道了加熱ESI（HESI）探頭的使用，這種探頭是許多儀器的標(biāo)準(zhǔn)探頭，其主要優(yōu)點是靈敏度較高。一些研究報道了大氣壓化學(xué)電離（APCI）的使用，但主要存在于一些關(guān)于NEOs 的早期文章中。然而，Yamamoto 等比較了常規(guī)ESI、APCI 和大氣壓光電離（APPI）的靈敏度。據(jù)報道，APPI 對基質(zhì)效應(yīng)的敏感性較低。

在質(zhì)譜檢測器中，大多數(shù)研究者選擇在選定的反應(yīng)監(jiān)測（SRM）或多反應(yīng)監(jiān)測（MRM）模式下使用三重四極桿。在分析食品樣品環(huán)境中的痕量濃度時，為每種農(nóng)藥選擇最佳的儀器參數(shù)對于結(jié)果測定的準(zhǔn)確性和靈敏度來說至關(guān)重要。近年來，許多研究人員利用高分辨率質(zhì)譜儀增強(qiáng)了農(nóng)藥分析的潛力。然而，這些儀器的高成本對于許多實驗室來說仍然是一個阻礙。雖然HPLC-UV 存在一些缺陷，如缺乏特異性和靈敏度較低，但也被報道用于NEOs 的分析。雖然這些方法可能適用于分析非復(fù)雜基質(zhì)中的少量分析物，但HPLC-MS 是避免分析真實樣品時出現(xiàn)假陽性結(jié)果的最佳選擇。

3 結(jié)論與展望

NEOs 已成為世界上應(yīng)用最廣泛的一類殺蟲劑，但研究表明，人類已廣泛暴露于含有NEOs 的環(huán)境中，其潛在的健康風(fēng)險應(yīng)引起關(guān)注。NEOs 的環(huán)境暴露和保證人體健康以及建立高靈敏度的檢測分析方法是未來需要不斷攻克的方向。