热解吸低温等离子体质谱技术直接快速筛查蔬菜中的有机磷农药

周 鹏，洪 义，张 祺，黄 保，朱 辉，莫 婷，黄正旭*

(1.广州禾信仪器股份有限公司，广东 广州 510530；2.广州安诺科技股份有限公司，广东 广州 510530)

民以食为天，食以安为先，安以质为本。食品安全问题是关乎每个人的重要话题。近年来，“地沟油”、“毒大米”、“瘦肉精”、“毒豆芽”、“毒西瓜”等食品问题事件频发[1]，给人们生活带来极大威胁的同时，也促使食品监管部门加大管控力度，及时、准确地提供市场上食品的安全信息。蔬菜是人们生活中不可或缺的一类食品，其质量问题与人体健康息息相关。众所周知，蔬菜在生长过程中会施用一定剂量的农药以防止疾病、虫害、腐烂等，但农药的大量使用，势必会产生残留问题。近年来发生了多起因食用了农药残留量高的蔬菜[2]而导致的食物中毒事件。此外，一些农药还会在人体内蓄积[3]，可能引发慢性中毒、“三致”等一系列健康风险[4]，因此在蔬菜进入市场前对其农残种类和含量把控显得尤为必要。

构建直接快速、全面、非靶向的检测检验技术是管控食品质量安全的有效手段之一[7]。有机磷农药是所有种类农药中适用范围最广、数量最多的一类农药[5]。据调查数据显示，有机磷类农药数量超过100种，此类农药对生物体而言是一种不可逆的胆碱酯酶抑制剂[6]。已报道用于蔬菜中有机磷类农药的检测方法主要有化学显色法[8]、红外光谱法[9]、太赫兹时域光谱法[10]、拉曼光谱法[11]、免疫法[12]、气相色谱法[13]、液相色谱法[14]、气相色谱-质谱联用法[15]、液相色谱-质谱联用法[16]等，这些方法虽然具有较好的检出限、灵敏度、稳定性等，且市场上也有大量基于这些技术的商用产品(如农残快速检测卡、农残快速检测仪、便携拉曼设备、小型质谱仪等)，但仍存在基质效应影响大、检测目标单一、前处理过程复杂等缺点[17]，不能满足市场对农残快速筛查的需求，因此构建直接快速、全面、非靶向的检测检验技术不仅能够满足市场要求，而且可在一定程度上使食品安全问题得到控制。

质谱技术是农残检测的重要手段之一。由Cooks教授最早提出的直接电离质谱技术(Ambient ionization mass spectrometry，AIMS)[18]具有分析速度快，无需复杂样品前处理，实时直接分析等特点，为直接质谱分析拉开了序幕。近年来国内外发展了30多种直接质谱技术[19]，开启了质谱分析的新热潮。低温等离子体技术(Low temperature plasma，LTP)[20]是AIMS的典型技术之一，由张新荣教授首次提出，在药物分析[21]、环境分析[22]、爆炸物检测[23]、食品分析[24]、监测反应[25]等领域得到了广泛应用。由于低温等离子体射流通过与样品间的直接相互作用实现对样品的电离，所以不利于一些不易挥发物质的电离。通过提高样品表面的温度从而增大不易挥发样品的饱和蒸气压是有效提升其电离效率的手段之一[20]，如实时直接分析(Direct analysis in real time,DART)[26]、解吸电晕束放电(Desorption corona beam,DCB)[27]等通过将热解吸装置包含在离子源内部对辅气加热，或在外部使用解吸池[28]、热解吸进样器[29]、电阻丝[30]对样品直接加热，有效提高了等离子体的电离效率。本方法基于传统LTP，采用外部解吸样品，将传统等离子体与样品之间的气-固或气-液相互作用转变为气-气相互作用，使电离更充分[29]。同时采用可更换进样板，解决了样品的残留问题。由于样品热解吸(Thermol desorption,TD)后可直接被等离子体电离，消除了使用载气导致的样品稀释问题，灵敏度更高。本研究将热解吸引入样品离子化过程，有望直接、快速、高效地解吸蔬菜样品溶液中的有机磷类农药，提升检测灵敏度，应用大气压飞行时间质谱仪[31]对其检测，为蔬菜中有机磷类农药的直接快速筛查研究提供一项新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

API-TOF MS垂直引入式大气压飞行时间质谱仪(广州禾信仪器股份有限公司)；TD6B低速离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)；PB-100均质器(德国PRIMA公司)；BSA124S-CW电子天平(Max 120 g，d=0.1 mg，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)；乙腈(色谱纯，美国Aladdin公司)；氧乐果(Omethoate)、甲基异柳磷(Isofenphos-methyl)、乐果(Dimethoate)、三唑磷(Triazophos)、杀扑磷(Methidathion)、马拉硫磷(Malathion)、敌百虫(Trichlorfon)、毒死蜱(Chlorpyrifos)纯度均不低于97%，购于国家标准物质中心。实验用水为超纯水(二次过滤，电导率为18.2 MΩ·cm)。

1.2 溶液配制

1.2.1 标准溶液的配制准确称取甲基异柳磷、氧乐果、乐果、三唑磷、杀扑磷、马拉硫磷、敌百虫、毒死蜱，分别配成1 000 mg/L的单标储备液。采用逐级稀释法，得到0.001～10 mg/L 的单标及混合标准溶液，于4 ℃冰箱中保存备用。

1.2.2 样品溶液的制备准确称取5.00 g蔬菜(白菜)匀浆，设置0.01、0.1、1.0 mg/L 3个加标水平，分别加入对应量的混合标准溶液及乙腈，漩涡振荡2 min，以2 500 r/min离心1 min，取上清液置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.3 实验方法

设置质谱为正离子检测模式，LTP电源供电电压：5.0 V；低温等离子体射流出口与质谱口的水平距离：12 mm；低温等离子体射流与质谱口水平角度：30°。实验过程中，待离子传输管的温度、载物台的加热温度以及低温等离子体射流稳定以后，用移液枪取5 μL处理后的上清液于干净的载玻片上，将载玻片置于载物台，保证每次样品所处的位置相同，整个样品检测过程时间少于5 s。

1.4 热解吸-低温等离子体技术原理

热解吸-低温等离子体技术(Thermol desorption-low temperature plasma，TD-LTP)进行样品检测的原理图和实物图见图1。进行样品检测时，可通过提高样品的解吸温度来增大样品分子的蒸气压，有利于样品分子的解吸。因此，引入热解吸装置可使更多的样品发生解吸，提升等离子体射流区域单位空间内的样品的浓度。在质谱口前端热解吸出来的气态样品分子与LTP射流接触从而被离子化，进入质谱被检测。

图1 TD-LTP-MS原理示意图(A)和实物图(B)Fig.1 Schematic diagram(A) and real device diagram(B) of TD-LTP-MS

2 结果与讨论

2.1 实验条件的优化

研究以0.1 mg/L三唑磷(准分子离子m/z314.05)为例，考察了氦气流速、热解吸温度、离子传输管温度对质谱信号的影响。

2.1.1 氦气流速氦气流速会直接影响形成低温等离子体射流的稳定性和电离效果。氦气流速太低时，形成的低温等离子体射流长度较短，且易受空气波动的影响，电离效果较差。增大氦气流速会在一定范围内使等离子体射流长度变长、强度增强，但过大的流速会导致在离子化样品时直接将样品吹走，无法检测到目标物。实验考察了氦气流速在0.4～1.2 L/min范围内对样品信号的影响，发现当氦气流速为0.8～0.9 L/min时，等离子体射流较稳定，样品信号响应最佳。

2.1.2 热解吸温度化合物热裂解需很高的温度，在本实验温度范围(80～200 ℃)内样品分子受热发生解吸附，形成气态分子，随后被低温等离子体射流电离形成离子。在氦气流速一定的情况下，于一定范围内升高温度可提高待测样品的解吸速率和解吸量，从而增强样品的检测信号强度，降低检出限。但温度太高可能会使分子内能太大，热运动加剧，分子扩散快，等离子体射流区域单位空间内的样品浓度下降，导致检测信号降低。此外，高速运动的样品离子与离子传输管壁发生碰撞也会损失部分离子，从而降低检测信号。本实验对样品热解吸温度进行了考察，发现在150 ℃时，样品的信号强度最高。

2.1.3 离子传输管温度离子传输管的温度也是影响检测信号的重要因素。当离子传输管的温度较低时(d/λ>100，式中d为离子传输管的管道直径，λ为离子的平均自由程)，气态离子在离子传输管中主要形成粘滞流，流线的方向为直线，管壁附近的气态离子几乎不流动，而管道中心的离子流速最大。由于离子的内能与温度成正比，在一定范围内随着温度的升高，进入离子传输管的离子数量增加。但当离子传输管的温度升高到一定程度时(d/λ<1)，样品离子的运动逐渐转变为分子流，此时离子之间的碰撞减少，主要与管壁发生碰撞，使离子猝灭。实验发现离子传输管的温度为90 ℃时，可得到最高的信号响应。

2.2 定性/定量离子的选择

以0.1 mg/L的有机磷标准溶液为样品，在优化的实验条件下进行TD-LTP-TOF MS检测，得到有机磷样品的标准品谱图(图2)。通过增大API-TOF MS大气压接口中分子离子反应装置的杆上轴向电压差，可使样品的准分子离子发生碎裂，得到类似碰撞诱导解离(CID)的效果[32]。由于不同有机磷分子在传输裂解过程中可能产生相同质荷比的碎片离子，因此通过比较有机磷单标的特征离子之间的差异，分别选取谱图中丰度最大的离子作为对应有机磷的定性和定量离子。

2.3 线性范围、检出限与定量下限

以空白大白菜为基质样品，配制8种有机磷农药的质量浓度为0.001、0.005、0.010、0.020、0.050、0.100、0.200、0.500、1.000 mg/L的溶液，在优化条件下测定，每个浓度平行实验6次。以有机磷农药特征离子的峰高对其质量浓度绘制标准曲线。结果显示，8种有机磷农药在一定质量浓度范围内线性良好，相关系数均不小于0.990 1，结果见表1。以3倍信噪比(S/N=3)计算得8种有机磷农药的检出限(LOD)为0.001～0.010 mg/L，以S/N=10计算得LOQ为0.004～0.035 mg/L，均小于国标《GB2763-2016 食品中农药最大残留限量》检测要求。8种有机磷农药在空白大白菜样品中于0.01、0.10、1.00 mg/L 3个水平下的加标回收率为90.5%～119%，RSD为12%～17%，符合《GB/T27404-2008 实验室质量控制规范 食品理化检测》分析要求。将本方法用于黄瓜、韭菜、包菜、油麦菜和茄子5种蔬菜中8种有机磷的测定，回收率良好。

表1 8种有机磷农药的线性范围、相关系数、回收率、相对标准偏差、检出限与定量下限Table 1 Linear ranges,correlation coefficients,recoveries,RSDs(n=6),LODs and LOQs of 8 organophosphorus pesticides

2.4 与无热解吸相比

实验对比了热解吸和无热解吸状态下LTP电离源的灵敏度，分别将2种电离源与API-TOF MS耦合，在相同实验条件下，对1 mg/L的混标溶液进行测试，进样量均为5 μL，8种有机磷混标溶液在加热和不加热条件下的质谱图见图3。结果显示，与不加热的LTP技术相比，TD-LTP对8种农药的检测灵敏度提高了9.3～41.7倍，表明热解吸装置的引入显著提高了方法的灵敏度。

图3 8种有机磷混标溶液(1 mg/L)在加热(虚线)和不加热(实线)条件下质谱图的对应局部放大图Fig.3 Corresponding partial enlargement of mass spectrum of 8 kinds of organic phosphorus mixed solution(1 mg/L) under heating(dotted line) and no heating(solid line) conditions

3 结 论

本研究在传统低温等离子体离子源的基础上，引入热解吸装置，使待测物离子直接快速从样品溶液中解吸出来，极大增加了等离子体与目标物之间的碰撞概率，从而大大提升了待测物的电离效率，提高了检测灵敏度。使用TD-LTP 技术对大白菜中8种有机磷农药进行检测，在国标规定的最大残留量范围内均有较好的线性关系，且检出限低于国标最大残留量，同时其加标回收率和精密度也能满足检测需要。此外，在实际样品检测时，仅对样品进行了乙腈萃取，无需复杂的样品预处理过程即实现了样品中农药的分析，表明该方法在直接快速筛查大批量农残样品方面具有较大的应用潜力。