双氢重排在检测有机磷类农药残留中的运用

肖传勇

(德州市农产品质量检测中心，山东 德州 们253015)

有机磷类农药为神经毒物[1]，随着新农药研发及替代、抗性、农产品安全与环境安全关注等因素，我国农业农村部梳理了禁用和限用农药名录，其中包括久效磷、磷胺、内吸磷、灭线磷等25种有机磷类农药。根据有机磷类农药的毒理和化学性质，我国出台了一系列标准来定性定量检测植物源性食品中有机磷类农药残留量，如酶抑制率法[2]、气相色谱法[3,4]、气相色谱-质谱法[5]、气相色谱-质谱联用法[6]和液相色谱-质谱联用法[7,8]。特别是随着质谱仪的发展，色谱与质谱联用技术将分离、定性和定量分析融为一体，是最有效、经济、合理的方法，已成为有机磷类农药残留分析实验室的常规分析技术[9]。

利用质谱法进行多组分检测时，一般采用m/z值大、丰度高、干扰少且同时表征待测组分“指纹”信息[10]的特征离子作为定性或定量因子。在有机质谱理论中，由于化合物含有的官能团不同，电荷和游离基中心定域于官能团的概率不同，发生α断裂、i断裂、σ断裂、氢重排及re(消除)趋势不同，产生的特征离子趋势不同[11]。双氢重排又称麦氏+1重排[12]，当化合物的结构式满足不饱和基团、可离去的氢、空间3要素时[13]，可由游离基和电荷同时诱导的氢重排反应。在质谱法中将双氢重排产生的特征离子作为定性定量因子更能表征待测组分的结构信息，加重识别点的权数。本文主要阐述利用双氢重排规则解析有机磷类农药的质谱图以及其特征离子在质谱法中的运用。

1 双氢重排规则在解析有机磷农药质谱图中的运用

本文将探讨在解析有机磷类农药质谱图的过程中双氢重排规则的运用，为质谱法准确定性定量该类农药所采纳的碎片离子提供理论依据。

能够发生双氢重排的有机物种类有很多，如酯、碳酸酯、磷酸酯、亚硫酸酯[14]，这类化合物都具有共同特点——含有不饱和基团、可离去的氢、可离去的氢与不饱和基团呈六元环。

有机磷类农药属于磷酸酯类化合物，含有酯、(硫)醚、酮、胺、酰胺、烯、苯环、氮杂环、硝基、唑、卤代烃等一个或多个官能团[15]。酯相比于其它官能团(酮、醚、酸、醛、醇)的质子亲和力强；当有机磷类农药的结构式满足不饱和基团、可离去的氢、空间3要素时，相比于其它断裂反应，氢重排反应往往具有很强的竞争力。

在运用有机质谱理论解析已知结构化合物的质谱图时，可以把一类具有相似结构化合物的质谱图进行比对，有助于学习有机质谱理论以及了解化合物的裂解历程。在有机磷类农药中，具有很多相似结构的化合物，可发生相同的质谱行为，产生具有这一类化合物特有的“指纹”信息。如图1所示，速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷均含有相同的基团，即磷酸酯、烯、与烯相连的甲基。

如图2所示，在速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的质谱图中，均含有偶电子离子m/z127，且为基峰。结合图1和图2所示，说明这5种化合物具有相同的结构，可发生相同的质谱行为。

图1 速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的化学结构式

图2 速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺及巴毒磷的质谱图

在速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的化学结构式中，既含亲质基团——磷酸酯；又含较易离去的氢——与不饱和键相邻的碳上的氢，即与烯相邻的甲基；同时满足了空间因素——可离去的氢与不饱和氧原子构成六元环。满足上述3个条件，在裂解过程中，氢重排的优势更加明显。

(1)

速灭磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷均可发生式(1)中的双氢重排。当游离基和电荷定域于P=O上的不饱和氧原子上时，在游离基的诱导下先发生γ-H重排；P原子与烯间的羟氧原子上存在一对孤对电子，与电荷共享；再由电荷的诱导下发生氢重排，由于双键在重排环外侧，不需要六元环就可发生氢重排，随即在电荷的诱导下，发生β键断裂，得到偶电子离子m/z127，为基峰，具体如图2所示。

这5种化合物所处的化学环境各不相同，由于双氢重排优势明显，使得由氨基N诱导的α断裂、卤素诱导的i断裂及re反应等降为次要反应；尽管巴毒磷含有苯乙基，极易形成苄基而致稳，但其碎片离子m/z105的丰度为50.1%，明显低于基峰。

2 双氢重排规则在检测有机磷类农药残留中的运用

上文已详细阐述了双氢重排在解析有机磷类农药质谱图中的运用，由双氢重排产生的特征离子表征了化合物重要的“指纹”信息。利用质谱法检测待测组分时，一般采用2～4个母-子离子对或碎片离子作为识别点；双氢重排产生的碎片离子表征了化合物的不饱和基团、可离去的氢及位置，有助于加重识别点的权重，从而确保定性定量准确。下面主要阐述双氢重排规则在质谱法检测有机磷类农药残留中的运用。

2.1 在气相色谱-联用质谱法检测有机磷类农药残留中双氢重排的运用

(2)

(3)

如式(2)和式(3)所示，偶电子离子m/z127还可在电荷诱导下发生re反应，失去中性分子H2O和CH3OH，得到偶电子离子m/z109和m/z95，符合偶电子离子生成偶电子离子+中性分子是有利的，在这5种化合物的质谱图中，均可找到相应的碎片离子。

如图3所示，在GB 23200.113-2018中，速灭磷、久效磷、百治磷和磷胺均采用了m/z127为母离子，即127.0/109.0(10eV)、127.0/95.0(15eV)。由于这4种有机磷类农药的分子量、极性各不相同，与中等极性色谱柱(14%腈丙基苯基86%甲基硅氧烷，30m×0.25mm×0.25um)通过相互作用力-范德华力(色散力、诱导力、取向力)[16]，来达到良好的分离度[17]，满足质谱法的SIM或MRM功能进行分段采集，可以避免采用相同的特征离子或MRM离子对而定性定量错误。

图3 在韭菜基质中气相色谱-质谱联用法检测久效磷和磷胺残留量的MRM质谱图

2.2 在液相色谱-联用质谱法检测有机磷类农药残留中双氢重排的运用

不仅在气相色谱-质谱联用法中将偶电子离子m/z 127作为母离子来定性定量速灭磷、久效磷、百治磷和磷胺；在液相色谱-质谱联用法(ESI)中，也将其作为子离子来定性定量速灭磷、久效磷和磷胺。如在食品安全国家标准《GB 23200.121-2021》中，速灭磷的离子对：225.1/127.0(21eV)、225.1/193.0(9eV)；久效磷的离子对：224.1/98.1(17eV)、224.1/127.0(21eV)；磷胺的离子对：300.1/174.1(19eV)、300.1/127.0(27eV)，如图4所示。

图4 在韭菜基质中液相色谱-质谱联用法检测久效磷和磷胺残留量的MRM质谱图

(4)

液相色谱-质谱联用法(ESI源)与气相色谱-质谱联用法(EI源)产生偶电子离子m/z127的裂解历程不同。电喷雾电离(ESI源)是一种“软”电离手段，主要产生目标化合物的准分子离子峰，如[M+1]+[18]。在碰撞池中，当碰撞能大于离子内能时，准分子离子峰[M+1]+发生碰撞诱导分解反应而产生碎片离子[19]。速灭磷、久效磷和磷胺经ESI源电离后，在磷酸酯基团上结合一个质子而得到准分子离子峰[M+1]+，再由碰撞诱导分解产生偶电子离子m/z127，其碰撞诱导分解反应与式(1)中电荷诱导的氢重排历程一致，反应通式如式(4)所示。

3 小结

有机磷类农药是一类含有(硫代)磷酸酯基团的化合物；酯相比于其它官能团(酮、醚、酸、醛、醇)的质子亲和力强；化合物中存在较易离去的氢，同时可离去的氢与不饱和基团呈六元环；当有机磷类农药满足上述条件时，相比于其它断裂反应，双氢重排往往具有很强的竞争力。本文详细介绍的久效磷、磷胺等5有机磷类农药，在质谱图中，相比于其它裂解反应，双氢重排优势明显，产生的碎片离子为基峰。

双氢重排规则不仅可以有效确认未知有机化合物结构；而且还可以在已知化合物结构的情况下，为质谱法检测该化合物所运用的特征离子提供理论依据，从而保证定性定量准确。利用质谱法检测待测组分时，一般采用2～4个母-子离子对或碎片离子作为识别点；双氢重排产生的碎片离子表征了化合物的不饱和基团、可离去的氢及位置，更直接地表征了化合物结构重要的“指纹”信息，从而确保质谱法定性定量准确。