改进移动窗口目标转化因子分析算法用于有机磷农药的高通量定性分析

黎才婷，杨清华，雷紫依，赵芷岚，李脉泉，刘 霞，杜国荣，李 跑,5*

（1.湖南农业大学食品科学技术学院食品科学与生物技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410128；2.中国检验认证集团湖南有限公司，湖南长沙 410021；3.湖南农业大学东方科技学院，湖南长沙 410128；4.上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京 101121；5.湖南省农业科学院湖南省农产品加工研究所，果蔬贮藏加工与质量安全湖南省重点实验室，湖南长沙 410125）

农药残留问题带来了巨大的食品安全隐患[1-3]。误食含有高毒性农药的食品，可能会导致急性中毒；而食用了农药残留含量超过限量的食品，农药会在体内蓄积，可能会导致慢性中毒。目前，农药检测的国标方法主要是光谱法[4]、色谱法[5]以及色谱质谱联用法[6]等。光谱法主要以荧光光谱法、近红外光谱法和拉曼光谱法为主，具有不需要复杂的样品前处理、检测时间短、成本低等优点。然而，在利用光谱法对复杂样品进行分析时，基质影响较大，且较难实现多农药残留组分的高通量分析[7-8]。色谱质谱联用法是目前应用最为广泛的方法，现行有效的食品中农药残留检测的国家标准共有115 项，其中基于色谱质谱联用手段的检测方法有78 种[9-12]。此外，农药大多属于易挥发性有机物，因此气相色谱质谱联用技术（GC-MS）就成为农药残留检测领域最有效的方法之一。然而该技术在多农药残留高通量分析过程中依旧存在问题，如农药残留种类繁多，多农药残留信号易受到基线漂移、谱峰重叠干扰等因素的影响，这些增大了多农药残留的检测难度。

化学计量学法弥补了传统检测方法的不足。它利用“数学分离”手段，能从复杂信号中提取出目标组分信号，消除背景干扰，降低成本，提高检测结果的准确性，从而实现复杂样品中多组分的快速分析[13-17]。在之前的研究中，本课题组提出了改进移动窗口目标转换因子分析（IMWTTFA）算法，结合240 种常见农药的标准质谱数据库实现了对多种农药组分的快速定性分析[17]。有机磷农药属有机磷酸酯类化合物，是现阶段使用较多的一类杀虫剂，其对人体的危害以急性毒性为主。本文在240 种常见农药标准质谱数据库的基础上，建立了更加完善的683 种常用农药的标准质谱库，采用快速升温程序缩短洗脱时间，并结合IMWTTFA 算法，对有机磷农药混合标准样品GC-MS 数据进行高通量解析，以期实现对多农药残留的快速高通量检测。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

GC-MS-QP 2010 气相色谱-质谱仪，日本岛津仪器公司。

1.1.2 试剂

溶于丙酮溶液的17 种有机磷农药混合标准品（10 mg/L），天津阿尔塔科技有限公司。

1.2 GC-MS 条件

GC 条件：色谱柱为CP-Sil8CB（30 m×0.32 mm，0.25 μm），由美国VARIAN 公司提供。载气为氦气（纯度≥99.999%），流速为1 mL/min。进样口温度为250 ℃，进样方式为不分流进样，进样体积为1 μL。采用快速升温程序缩短洗脱时间：首先以60 ℃保持2 min，再以80 ℃/min 速度升至260 ℃并保持6 min。

MS 条件：离子源为电子轰击源（EI），电压为70 eV，温度为200 ℃，传输线温度为280 ℃，扫描范围为50～650m/z。

1.3 计算步骤

IMWTTFA 计算步骤：在240 种常见农药标准质谱数据库的基础上，收集了683 种常见农药质谱数据，创建了农药残留标准质谱数据库。以683 种农药标准质谱数据为输入值，采用IMWTTFA 对所获得的GC-MS 数据进行匹配分析。如果计算得到的质谱与标准质谱之间的匹配度小于700‰，则判定该组分不存在，如果匹配度大于700‰，且色谱在该保留时间区域内存在明显谱峰，则判定该农药组分存在。

此外，我们发现在IMWTTFA 计算时，若同一保留时间区域存在多个色谱峰或同一组分出现多个保留时间区域且对应多个色谱峰，还需要进行实验质谱图与标准质谱图的对比，若实验质谱图与标准质谱图相似，则判定该组分存在，若不相似则判定该组分不存在。

2 结果与讨论

2.1 农药混合标准样品总离子流色谱图

图1 为17 种有机磷农药混合标准样品的总离子流色谱图。由图可知，色谱峰较多，且在6～7 min 的洗脱时间内信号存在一定的谱峰重叠干扰，当缺乏单一标准样品，单纯利用该总离子流色谱图无法实现多农药残留的高通量分析。因此需要对信号作进一步解析。

图1 有机磷农药混合标准品的总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of organophosphorus pesticide mixed standard sample

2.2 IMWTTFA 高通量解析

以683 种农药标准质谱数据为输入值，采用IMWTTFA 对农药混合标准样品GC-MS 数据进行匹配分析。若实验质谱与标准质谱的匹配度大于700‰，则进行下一步分析，得到19 种农药组分。接下来以3 种农药（杀扑磷、久效磷、甲基对硫磷）为例，对其匹配度曲线进行分析。

2.2.1 杀扑磷定性分析

图2 为杀扑磷农药组分的匹配度曲线分析图，其中图中水平实线是阈值为700‰的匹配度分割线。由图可知，杀扑磷在整个洗脱区域内不存在明显高于阈值700‰的区域，因此判定杀扑磷农药不存在于该农药的混合标准品中。

图2 杀扑磷匹配度曲线图Fig.2 The matching curve of methidathion

2.2.2 久效磷和甲基对硫磷定性分析

图3（见下页）为久效磷和甲基对硫磷农药组分的匹配度曲线分析图以及对应保留时间区域的总离子流色谱图。由图可知，久效磷与甲基对硫磷分别在5.400～5.508 min、6.062～6.180 min 保留时间内有明显高于阈值的区域，且在相对应保留时间区域内的总离子流色谱图中均有谱峰存在，因此判定久效磷与甲基对硫磷均存在于该农药混合标准品中。

图3 久效磷和甲基对硫磷的匹配度曲线图以及有机磷农药混合标准品的总离子流图Fig.3 The matching curves of monocrotophos and parathion-methyl,and total ion chromatogram of organophosphorus pesticide mixed standard sample

2.2.3 久效磷、速灭磷和百治磷定性分析

经过IMWTTFA 的计算筛选后，久效磷、速灭磷和百治磷均在保留时间为5.400～5.508 min 的区域内有明显高于阈值的区域，且在相对应保留时间区域内的总离子流色谱图上对应同一谱峰。因此，此类情况应进行质谱匹配的筛选。图4 为久效磷、速灭磷和百治磷在标准质谱数据库中的质谱图和实验得到的质谱图的对比结果。由图可知，久效磷、速灭磷和百治磷的标准质谱图均与实验得到的质谱图相似，这是由于这3 种农药的标准质谱图相似，因此在筛选的过程中易造成误判，可能还需对IMWTTFA 算法做进一步的改进。但在IMWTTFA 的计算过程中得到，久效磷的实验质谱与标准质谱匹配度为864.1‰，而速灭磷与百治磷的实验质谱与标准质谱匹配度分别为766.9‰、739.9‰。因此久效磷的标准质谱信息与实验得到的质谱信息更加一致。

图4 久效磷、速灭磷和百治磷的标准质谱图与实验质谱图Fig.4 Standard and experimental mass spectra of monocrotophos,mevinphos and dicrotophos

2.3 有机磷农药的定性结果分析

表1 为有机磷农药混合标准品中各农药组分的匹配度数据和保留时间。结果表明，通过IMWTTFA 的计算步骤检测得到了17 种农药组分，可以实现对复杂样品农药残留组分的快速定性分析，且不受谱峰重叠及背景等干扰的影响。

表1 农药组分匹配度和保留时间数据表Table 1 Matching rates and retention times of pesticide components

3 结论

本文通过创建683 种常见农药的标准质谱库，结合IMWTTFA 分析方法，对有机磷农药混合标准样品GC-MS 数据进行了高通量解析，实现了对样品中未知农药组分的快速定性分析，为实际样品中多农药残留的高通量非靶向检测提供了一种有效的方法。但是，该方法较难实现质谱相似组分的准确解析，因此仍需对该法做进一步的改进。