实时直接分析质谱在农药检测中的应用

季佳华，张 瑛，王继芬*，张文芳，杨士云，乔 静

(1.中国人民公安大学 侦查学院，北京 100038；2.北京市公安司法鉴定中心 法庭毒物分析公安部重点实验室，北京 100192)

农药在农业生产中发挥了巨大作用，除虫、除草、杀菌等农药的使用，使农作物产量大幅度提升。然而，由于农药的易获得性，常会被用来自杀、投毒等，给人们的生命财产安全带来了严重威胁。

在法庭科学领域，农药检测的方法种类繁多，气相色谱-质谱联用(GC-MS)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)等检测技术是农药最常用的检测方法。为了更加快速、高效地对农药进行检测，原位电离技术逐渐被学者们关注。实时直接分析质谱(Direct analysis in real time mass spectrometry,DART-MS)是一种将敞开式离子源与质谱联用的分析技术，因不需要样品前处理或只需进行简单处理的特点在爆炸物[1-4]、食品安全[5-7]、毒品[8- 9]、油墨油漆[10-11]和中西药品[12]检测等领域有广泛应用。

笔者曾对实时直接分析质谱在毒物毒品分析领域的应用进行综述[13]，并在实践中取得一定成果，建立了人血中JWH-018、JWH-250和AM-2201 3种合成大麻素的快速检测方法[14]，以及人血与尿中吗啡、O6-单乙酰吗啡、海洛因、可待因、可卡因、甲基苯丙胺、氯胺酮、美沙酮和杜冷丁的实时直接分析质谱快速检测方法[15]。为便于进一步开展DART-MS在法庭科学领域中的应用研究，以下对DART离子源技术及其在农药检测中的应用进行综述。

1 DART离子源技术介绍

1.1 DART离子源工作原理

根据待测物介质的理化性质不同，DART离子源可以形成正离子与负离子两种离子模式，这两种模式一般由气相酸碱度、电离能、电子亲和能和形成加和离子的能力等因素决定[16-18]。

He*+M→M+·+e-+He

(1)

M+[(H2O)n+ H]+→[M+H]++nH2O

(2)

(3)

彭宁离子化和质子转移过程中分别产生的M+·和[M+H]+同时出现在质谱上时会对元素的同位素峰产生干扰，此时可以采用Ar代替He作为离子化试剂。电子激发态的Ar的内能为11.55 eV(3P2)和11.72 eV(3P0)，H2O的电离能为12.6 eV[21]，不会发生质子转移。因此，与He相比，使用Ar会降低大部分待测物的灵敏度。

在负离子模式下，离子化试剂首先与空气中的氮气发生彭宁离子化产生电子，空气中的O2捕获电子并与待测物M形成加合物负离子，同时该负离子可解离产生待测物负离子。根据待测物的性质，可分为直接捕获电子(公式4)、捕获电子后解离(公式5)、直接解离或与碱反应产生待测物负离子(公式6和7)[19,22]等形式：

M+e-→M-·

(4)

MX+e-→M-+X·

(5)

(6)

(7)

图1 DART离子源的基本结构图[24]Fig.1 Basic structure diagram of DART ion source[24]

1.2 DART离子源工作过程

如图1所示，离子化试剂(He或者N2)通过高压气瓶输入放电室，并在辉光放电作用下呈激发态，激发态的He原子或N2分子随后进入加热室，并经格栅电极作用提纯。提纯后的离子化试剂与环境中的待测物介质产生作用，使该物质被解吸附离子化。因此，在DART离子源与质谱仪连接时，需将离子源对准质谱进样口，或将待测物置于进样口斜下方，通过离子化试剂的作用将待测物离子带入质谱进样口[13]。

1.3 DART-MS检测条件的优化

由于化合物结构的复杂性与多样性，即使在相同参数条件下不同待测物的检测灵敏度也会有所差异[20]，因此需针对不同待测物的化学性质对DART-MS的参数进行优化，以获得最低的检出限和最好的检出效果。

1.3.1 DART离子源参数的优化影响DART离子源检出结果的参数主要是工作气体的温度(50～500 ℃)及流速。随着工作气体温度升高，DART离子源能检出的离子的质荷比也随之增高，但同时需要考虑温度对待测物稳定性的影响。通常情况下，待测物分子的检出有一个最低温度，只有高于这个温度，才能获得较好的质谱信号；而温度过高时，待测物分子的热稳定性则会影响质谱信号。针对不同待测物，需要选择不同的DART离子源温度，一般对具有挥发性的有机化合物采用低温检测，高沸点的化合物采用高温检测。工作气体的流速过低会减少待测物离子的生成，流速过高则会增加样品的损失。同时，待测物的浓度对信号影响也很大，通常按照高浓度低速度这一原则进行参数优化。

1.3.2 DART离子源操作环境的优化DART离子源作为一种原位电离技术，其环境条件对待测物的质谱信号也有影响。通过改变环境条件可获得较低的检测下限，提高离子化效率，即提升待测物分子离子化(与环境中化学成分形成加合离子)的效率，其过程详见“1.1”部分。例如，含有羰基或羟基等官能团的化合物较易形成[M+NH4]+，在进行此类物质检测时于DART离子源反应区放置一瓶氨水，可将质谱信号提升100倍[25-26]。需要注意的是，优化质谱信号时在操作环境中引入的物质通常也会掺杂其他杂质成分，并对离子化结果带来负面影响。

在实际操作中，DART-MS参数的优化还包括轨道速度、气流、进样口距离等参数的优化。

2 农药检测

2.1 北京地区农药自杀及投毒案件的发生情况

北京地区2015年～2019年间发生农药自杀死亡案件468起，农药投毒案件207起。其中自杀类案件中涉及有机磷类农药434起，除草剂16起，氨基甲酸酯类14起，拟除虫菊酯类10起，杀鼠剂5起；投毒类案件中涉及使用杀鼠剂类114 起，有机磷类32起，除草剂23起，氨基甲酸酯类15 起，拟除虫菊酯类7起，有机氯类3起，硝氯酚10起，其它3起。因此，快速对检材中的农药进行检测对于案件的侦破定性十分必要。

2.2 农药常规检测方法

农药残留的精准检测对于保护人类身体健康有重要意义。农药通常由不同的化学成分组成[27-30]，无固定检测方法。在色谱领域，学者们就如何快速有效地对农药成分进行检测开展了各种尝试，气相色谱法具有灵敏度高、选择性好等优点，在农药检测中被广泛应用。郗艳丽等[31]采用气相色谱法对蔬菜中的7种有机磷农药残留进行检测，取得了非常好的检测效果。气相色谱对易挥发且高温不易分解物质的检测效果较佳，而液相色谱法对高沸点、受热易分解化合物的检测效果较好。郭新颖等[32]采用高效液相色谱法对中药材中的氨基甲酸酯类农药残留进行检测，平均回收率为83.3%～108%，重复性较好。但液相色谱法存在溶剂消耗大的问题。

质谱联用技术可以准确测定化合物的结构，具有回收率高、检出效果好等特点。陈秀萍等[33]建立了气相色谱与四极杆飞行时间质谱联用(GC-MS/MS)同时分析烟叶中多种农药残留的方法，从市场上采集的烟叶样品中检出纹枯利、三唑醇和氟节胺等农药成分。Samad 等[34]采用GC-MS/MS对鲜桃中30种农药残留进行检测分析，有73%的样品检出农药残留。Del Castillo等[35]建立了固相微萃取结合多维度气相色谱-质谱联用分析果汁中农药的检测方法，该方法可以有效避免一维技术由于分析物和基体成分干扰导致的假阳性问题。方庆奎等[36]建立了超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)检测大蒜芽中咪鲜胺残留量的方法，为咪鲜胺的合理使用和提高食用蒜芽的安全性提供了科学依据。Sivaperumal 等[37]采用固相萃取结合超高效液相色谱与飞行时间质谱(TOF MS)联用对蔬菜和水果样品中的60种农药进行分析，方法运行时间短，流动相消耗少，分析结果理想。刘家曾等[38]采用气相色谱-质谱联用技术对茶叶中8种农药残留进行测定，平均回收率达90.2%～102%。吕磊等[39]采用液相色谱-质谱联用方法对稻渔综合种养环境中的苄嘧磺隆、双草醚、吡蚜酮和氯虫苯甲酰胺进行检测，回收率良好。Bernardi等[40]采用GC-MS/MS和UHPLC-MS/MS检测并验证了烟草中55种农药残留，方法成功应用于13个烟草样品的分析。相比于单纯色谱，色谱与质谱联用对农药残留检测的选择性和灵敏度得到了明显提高，GC-MS主要适用于非极性农药，对于极性较强的农药需要使用LC-MS进行检测，或者衍生化后再检测。

目前色谱-质谱联用技术在农药残留检验领域已经很成熟并形成标准，在国内有GB 23200.8-2016《水果和蔬菜中500种农药及相关化学品残留量的测定气相色谱-质谱法》[41]、GB 23200.9-2016《粮谷中475种农药及相关化学品残留量的测定 气相色谱-质谱法》[42]、GB/T 19650-2006《动物肌肉中478种农药及相关化学品残留量的测定 气相色谱-质谱法》[43]和GB/T 20772-2008《动物肌肉中461种农药及相关化学品残留量的测定 液相色谱-串联质谱法》[44]。欧盟于1998年对农药残留的最大限量给出标准[45]，但是并未指定分析方法。

2.3 DART-MS技术在农药检测方面的应用

实时直接分析质谱作为一种原位电离技术，因具有检测时不需真空环境，无需对样品进行前处理或者只需简单处理，可进行无损检测等特点而成为研究热点。关于DART-MS技术在农药检测中的相关应用在国内外均有文献报道。

国外，Schurek 等[46]采用DART离子源与飞行时间质谱仪联用技术(DART-TOF MS)对小麦中的杀菌剂嘧菌酯和唑菌胺酯等成分进行测定，首次将该技术应于植物基质中的农残分析。在正离子模式下，以He气作为电离介质，咪鲜胺为内标物，分析物在6～1 200 μg/kg范围内的线性系数均不低于0.99，检测结果与LC-MS结果一致。Edison等[47]采用高静电场轨道阱高分辨质谱仪结合DART离子源对苹果、猕猴桃等果蔬表面的聚氨酯泡沫提取成分进行了检测分析;作者同时对正负电离模式下不同化学类型杀虫剂的检出率进行了考察，同样获得了较好的效果。Aregahegn等[48]利用实时直接分析质谱结合傅里叶变换红外光谱对吡虫啉(IMD)在环境中的光解现象进行考察，吡虫啉光解后得到吡虫啉尿素衍生物(IMD-UR)、去硝基吡虫啉(DN-IMD)和气态N2O。研究发现，随着光解时间的延长，环境中IMD的毒性也会变强，并计算出其光解寿命为16 h。Cajka等[49]研究了原位电离与质谱串联快速检测水果中二硫代氨基甲酸酯类(DTCs)杀菌剂的效果，分别考察了DART离子源和解吸附电喷雾(DESI)离子源结合质谱法对待测物中3种DTCs的检出效果，结果发现，DESI离子源只能提取到福美双，检出限为0.1 mg/L，无法检出其他DTCs；而采用DART-MS可以同时检出福美双和福美锌。Crawford等[50]采用拭子擦拭的方式对果蔬表面的农药进行DART-MS分析，从桃子、胡萝卜表面检出马拉硫磷；樱桃和西红柿表面检出甲胺磷；非有机脐橙表面检出噻菌灵、抑霉唑和乐果，检出限低于美国环保局要求的10～100倍。Lara 等[51]将DART离子源与高分辨质谱(HRMS)联用对芹菜和生菜中的高极性农药进行测定，发现DART-HRMS对待测物中7种极性农药的检测快速有效，检出限为20～60 μg/kg，回收率为71.0%～115%，相对标准偏差(RSD)小于18%。Kiguchi 等[52]采用薄层色谱结合DART-TOF MS对极性有机磷杀虫剂和非极性有机磷杀虫剂进行了研究，结果显示，二嗪磷和苯硫磷在较低浓度范围(0.05～5 g)内线性关系良好，甲胺磷、乙酰甲胺磷和杀螨硫磷在较高浓度范围(2.5～25 g)内线性关系良好。

国内，黄文氢等[53]采用DART-MS对脐橙表面的不明杀菌剂进行测定，采用氦气作为离子化试剂，在正离子模式,350 ℃的条件下，对脐橙果皮的表面物质进行离子化，仅用不到1 s的时间即得到质谱信号，并通过谱图解析和文献特征离子比对，推测化合物为抑霉唑，随后结合GC-MS进行验证，为果蔬产品表面的农药残留快速检测提供了新的思路。郭天洋等[54]利用DART技术对食品中的唑类和有机磷类农药进行筛查识别，该研究首先建立了唑类农药和有机磷类农药的共性特征子离子和中性丢失库以及辅助定性子离子和中性丢失库。采用DART-MS技术快速得到待测物的母离子、子离子信号，并将得到的母离子和子离子相应作差得到中性丢失，再将得到的数据与丢失库中的数据进行比对，精确识别出腈菌唑和9种有机磷农药。王磊等[55]对4种高危农药(氟虫腈、甲拌磷、敌敌畏和呋喃丹)进行了DART-MS快速鉴定，优化的DART离子源温度为200 ℃，栅极电压为250 V，质谱碎片器电压为200 V，氟虫腈采用负离子模式，其他3种农药采用正离子模式检测，以同位素模式定性，相对标准偏差(RSD，n=5)为2.3%～15%，为DART-MS应用于伪劣农药中掺杂高危害农药的快速鉴定提供了参考。郭天洋等[56]将DART离子源与三重四极杆串联质谱结合对红酒中的农药成分进行快速检测和定量分析，在12 min内完成了含有50种杀虫剂和12种防腐剂、抗氧化剂、甜味剂和偶氮染料掺假剂的葡萄酒的检测，农药和掺杂物的检出限分别为0.5～50 ng/mL和5～50 ng/mL，定量限分别为1～100 ng/mL和10～250 ng/mL，回收率为75.0%～120%，为打击红酒掺假提供了快速检测方法。魏勇等[57]将DART与三重四极杆质谱联用对红酒和白酒中的31种农药进行检测，所有化合物在3 min内检出，比TOF MS的检测速度提高了2倍。孟宪双等[58]建立了轨道离子阱高分辨质谱与DART离子源联用快速测定木质食品接触材料中4种拟除虫菊酯防腐剂的方法，4种分析物的线性关系良好(R2≥0.99)，检出限为0.04～0.20 mg/kg，定量限为0.10～0.50 mg/kg，平均回收率为72.1%～82.7%，RSD为5.2%～12%。

3 结论与展望

本文介绍了DART离子源的基本工作原理、参数优化，并对DART-MS在农药检测中的应用进行了综述。DART-MS可以快速、高效地对果蔬表面、酒水和食品中的农药残留进行检测，并获得较高响应；该技术不需要对待测物进行前处理或者只需要简单地处理，符合当代检测技术的发展理念。通过对国内外DART-MS在农药残留检测上的应用进行对比，发现国内的报道侧重农药残留的种类研究，国外的报道更侧重农药残留检测方法的考察。

目前，国内关于DART-MS在农药检测方面的应用尚处于初步阶段，对食品安全领域常见的农药残留尚未建立完善的数据库。利用DART-MS的检测特点，逐步建立法庭科学领域毒物毒品的检测方法和数据库，可在保证准确性的同时缩短检测时限，为案件的快侦快破提供强有力的支撑和依据。