有机质谱在食品农残分析研究中的应用

1 概述

随着全球农业和食品生产能力的日益发达，消费者对食品的安全性提出了越来越高的要求。中国作为全球粮食、蔬菜、水产品主产国之一，为农产品的出口提供了可持续发展资源。在国际贸易中，食品安全问题已经成为影响中国农业和食品产业国际竞争力的关键因素。重视食品安全，不仅事关人民生命健康而且还是维系社会经济稳定发展的重要因素。世界卫生组织制定了《WHO全球食品安全战略草案》，将食品安全列为公共卫生的优先领域，以保障健康为基准制定适合世界贸易流通领域的国际食品标准；日本于2006年5月29日起实施食品中农业化学品残留的“肯定列表制度”，并执行新的残留限量标准；欧盟已于2006年1月1日开始实施《欧盟食品及饲料安全管理办法》，强化了食品安全的检查手段并大大提高了食品市场的准入的标准，食品安全已成为全球化的大问题。食品安全问题对分析仪器提出了更高的挑战，既需要精细的微量操作手段，又需要高灵敏度的痕量检测技术。面对食品分析高信息量、灵敏高效的发展趋势，质谱技术以其高灵敏度，同时又能给出未知成分的结构信息，在食品安全领域得到越来越广泛的应用。

有机质谱学是对有机化合物的分子式、分子量和化学结构进行灵敏、准确和快速测试的近代有机分析方法.目前，有机质谱学已经广泛应用于医学药学、生命科学、环境科学等众多研究领域并形成了一系列交叉学科，为相关研究领域的突破和发展起到了至关重要的作用。与液相色谱（Liquid Chromatography，LC）、气相色谱（Gas Chromatography，GC）以及毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）等技术的联用，不仅实现了样品的高效分离、高灵敏度检测，还给出了组分的结构信息，推动食品安全分析进入一个崭新的时期。

2 有机质谱技术

有机质谱仪根据离子源和质量分析器的不同，大致分为以下几个类型。根据离子源的不同：1.电子轰击电离源（EI），是利用直热式阴极发射的电子去轰击气体状态的分子或原子，使其电离。要求被分析样品具有一定的挥发性，产生的碎片离子多，可提供丰富的结构信息，有利于结构分析。缺点是有些化合物的分子离子在这种电离方式不出现或很弱。EI源适用于气体和易挥发的固体试样，对非挥发和难挥发的试样分析困难；2.化学电离(CI)，化学电离是通过质子交换反应来进行的，利用少量的样品分子与过量的气体分子之间相互作用产生分子离子，需要反应气体。得到的离子多是准分子离子，可测定某些化合物的分子质量。但这种“软”化学电离方式不适合分析难电离的样品，而且分子碎片少，不利于化合物的结构解析；3.快原子轰击源（FAB），利用快速高能原子轰击加在底物（常用甘油）中的样品分子使其电离。得到的是准分子离子峰（M+H）+，当有金属盐存在时可以生成（M+Na）+，(M+K) +等，同时可得到一些碎片离子，帮助解析结构。FAB源适合于分析热不稳定、难挥发和强极性的化合物；4.大气压化学电离(APCI)，离子化全过程是在大气压、高电场状态下完成的。主要是分析中等极性以上的化合物，可用于分析药物及代谢产物的分析等。可以得到准确的分子量，扩大了检测的分子量范围，同时灵敏度提高。5.电喷雾离子源（ESI），是一种新发展起来的“软电离”质谱技术，能快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量。从去除溶剂后的带电液滴形成离子的过程，适用于容易在溶液中形成离子的样品或极性化合物，因其具有多电荷能力，所以可以分析的分子量范围很大。

质谱仪的质量分析器功能就是将离子源产生的离子按其质荷比进行分离，根据其分辨能力的不同应用于不同的分析领域，用于记录各种离子的质量数和丰度，质量分析器的两个主要技术参数是所能测定的质荷比范围（质量范围）和分辨率。质量分析器包括以下几种：1.四极杆分析器，因其由四根平行的棒状电极组成而得名。离子束在与棒状电极平行得轴上聚焦，一个直流固定电压（DC）和一个射频电压（RF）作用在棒状电极上，两对电极之间的电位相反，对于给定的直流和射频电压，特定质荷比的离子在轴向稳定运动，其他质荷比的离子则与电极碰撞湮灭，将DC和RF以固定的斜率变化，可以实现质谱扫描功能。四极杆分析器对选择离子分析具有较高的灵敏度。2.离子阱分析器由两个端盖电极和位于它们之间的类似四极杆的环电极构成。端盖电极施加直流电压或接地，环电极施加射频电压，通过施加适当电压就可以形成一个势能阱（离子阱）。根据RF电压的大小，离子阱就可以捕获某一质量范围的离子。离子阱可以储存离子，待离子累计到一定数量后，升高环电极上的RF电压，离子按质量从高到低的次序离开离子阱，被电子倍增监测器检测。目前离子阱分析器已经发展到可以分析质荷比高达数千的离子。离子阱在全扫描模式下仍具有较高灵敏度，而且单个离子阱通过时间序列的设定就可以实现多级质谱的功能。3.飞行时间分析器，飞行时间分析器具有相同功能，不同质量的离子，因其飞行速度不同而分离。如果固定离子飞行距离，则不同质量离子的飞行时间不同，质量小的离子飞行时间短而首先到达检测器。各种离子的飞行时间与质荷比的平方根成正比。离子以离散包的形式引入质谱仪，这样可以统一飞行的起点，依次测量分析时间。离子包通过一个脉冲或者一个栅系统连续产生，但是只在一特定的时间引入飞行管。新发展的飞行时间分析器具有大的质量分析范围和较高的质量分辨率，尤其适合蛋白等生物大分子分析。4.傅立叶变换分析器，在一定强度的磁场中，离子做圆周运动，离子运动轨道受共振变换电场限制，当变换电场频率和回旋频率相同时，离子稳定加速，运动轨道半径越来越大，动能也越来越大，当电场消失时，沿轨道飞行的离子在电极上产生交变电流。对信号频率进行分析可得出离子质量。将时间与相应的频率谱利用计算机经过傅立叶变化形成质谱。其优点为分辨率很高，质荷比可以精确到千分之一道尔顿。5.扇形磁分析器，离子源中生成的离子通过扇形磁场和狭缝聚焦形成离子束。离子离开离子源后，进入垂直于其前进方向的磁场，不同质荷比的离子在磁场的作用下，前进方向产生不同的偏转，从而使离子束发散。由于不同质荷比的离子在扇形磁场中有其特有的运动曲率半径，通过改变磁场强度，检测依次通过狭缝出口的离子，从而实现离子的空间分离，形成质谱。

3 有机质谱在农残检测中的应用

农药广泛的应用于农作物的种植过程中，因其本身及其降解产物具有毒性和致癌性，对人的健康存在危害。因此，许多国家对蔬菜、水果中的农药残留最大检出限均作出了严格的规定。大多数的农药都具有挥发性和热稳定性，因此，GC与MS联用成为农药残留检测最为常见的手段。而LC-MS则成为检测热不稳定化合物和极性的主要方法。

3.1 GC-MS

已经使用的农药大多数是小分子化合物，有一定的挥发性，约有70％的农药可用GC分析。GC-MS也成为在农残检测中使用非常普遍的一种分析仪器，因其同时具有气相毛细管色谱的高分离和质谱的精确鉴定等特点，弥补传统GC/FPD或GC/ECD 检测器容易出现假阳性以及对样品前处理要求高的不足。目前已应用于有机氯农药、有机磷农药、拟除虫菊酯类农药等分离检测。

用于农残检测的GC-MS系统目前以配电子轰击离子源(EI)的四极杆质谱(QMS)居多，可在GC上分离的农药其分子量一般不会超过550，QMS完全能满足农药的检测要求。EI电离方式产生的碎片离子多，可提供丰富的结构信息，有利于结构分析。在电子能量设为70eV时，可获得稳定的图谱，类似指纹的特征，与标准谱库进行比对，可准确的对农药进行定性。GC-EI-QMS的检测方式有全扫描（SCAN）和选择离子扫描（SIM），全扫描模式能获得被测物完整的EI全扫描质谱图，方便与标准谱库比较，准确定性，但灵敏度相对较低；SIM模式由于选择了特定的碎片离子，能排除基质的干扰，大大提高了检测灵敏度。在GC-EI-QMS分析中，应用在得到1个较好的色谱分离峰的前提下，用MS对被测农药进行准确定性，最好采用EI全扫描方式，理论上只有获得被测物完整的EI全扫描质谱图，并与标准物的EI全扫描质谱图或NIST谱库进行比较后，才能较为准确地进行判定。但当被测物含量较低时，应用EI全扫描方式不易获得被测物的TIC图和提取离子的质量色谱图，这时采用SIM模式可改善MS的检测能力，提高灵敏度。但是这时要获得一个准确的确证结果，被测农药应同时满足GC-MS分析时自身的3个特性，即：色谱分离提供的离子流模拟色谱峰保留时间值;质谱扫描提供的质荷比以及离子间的丰度比。根据物质特性和所要求的检出限，至少要选择3个以上监测离子；所有选择离子应在分析中同时出现；检出物质与标准物质的色谱图RT应一致；所选择离子峰之间丰度比变化的最大允差应符合规定要求。只有满足上述各项原则，才能对检出的农药予以较准确的确证。目前GC-EI-QMS检测食品中农药残留，因样品来源多样，基质复杂，残留农药含量很低，多采用标准品对照确保定性的准确，SIM模式检测提高灵敏度。四极杆质谱体积小巧，价格相对便宜，也是其成为农残检测普及仪器的重要因素。目前，已有相当多采用GC-QMS检测蔬菜、水果、茶叶、蜂蜜、果汁、肉类等食品中农药多残留的报道，可检测400多种农药，检测限可达ug/kg水平。化学电离源（CI）在食品农残检测中的应用远不如EI广泛，与EI相比，CI只对小部分农药表现出更好的选择性和灵敏度。对于含电负性元素或基团的化合物，比如拟除虫菊酯类农药，可通过采用负化学源(NCI)电离方式，提高选择性和检测灵敏度。

离子阱质谱与GC联用用于农残检测，在全扫描模式下仍具有较高灵敏度，而且单个离子阱通过时间序列的设定就可以实现多级质谱的功能，对于复杂基质有较强的抗干扰能力，也不需要像四极杆质谱SIM模式下设定特征离子，操作相对简便。。

在样品基质复杂、目标农残含量过低的情况下，为了提高检测灵敏度，无论采用是四极杆质谱的SIM模式还是离子阱质谱的MS/MS模式，都会造成不同程度的数据丢失。飞行时间质谱可以在提高检测限的同时得到全谱图，到达精确检测鉴定痕量农残的目的。GC-TOFMS在痕量物质的定性定量上具有独特的优势，能获得目标化合物的精确质量数，可排除干扰，方便精确测定。虽然目前GC-TOFMS用于农残检测目前还不多，但在农药多残留快速分离检测中有独特的优势，除了提供精确质量数外，还可用于未知农残的筛查。另外，TOFMS的扫描速率非常快，可达微秒级，且具有很高的分辨率，因此非常适合与高效分离能力的快速GC联用，目前，二维气相色谱与TOF联用也越来越广泛用于农残分析。

3.2 LC-MS

农残分析要求方法快速准确，虽然大多数农药残留可以用GC-MS分析，但是部分不挥发和半挥发性农药以及热不稳定和大极性的农药不适用于GC测定。LC作为分离不挥发物质和热不稳定化合物的有效工具，近年来也越来越多的应用到食品中农药残留的分析中。LC与MS联用，解决了LC没有高灵敏度通用型检测器的问题，使其能够适用于微量组分的检测。

在GC-MS中得到广泛应用的EI源，因其不适合非挥发和难挥发的样品，且能承受的流速十分有限，因此很难应用于LC-MS系统中。目前在LC-MS系统中应用最广泛的是大气压电离源(API)，包括电喷雾离子源(ESI)和大气压化学电离源(APCI)，ESI和APCI可共用一个真空接口。两者都属于“软电离”质谱技术，能快速、准确地测定从小分子到生物大分子或不稳定有机分子的分子量。ESI能承受的流量通常在10～100ul/min，APCI能承受的流速可达1ml/min，更适合与常规液相联用，而不需要分流。与APCI相比，ESI更适用于在溶液中容易电离的极性化合物^[10]。虽然目前并没有哪种接口更适用于农残分析的研究报道，但目前报道的LC-MS法应用于农残检测中，采用ESI源的居多。