有机磷类农药质谱图中常见的碎片离子 及其应用

◎ 肖传勇，王红梅，曹盟盟，姜玉龙

（德州市农产品质量检测中心，山东 德州 253015）

有机磷类农药是农业生产中应用最广泛的农药之一，具有药效高、品种多、应用广以及低生物积累性等特点[1]。然而，有机磷类农药具有神经毒性，进入人体后会抑制血液和组织中胆碱酯酶活性，引起胆碱能神经功能紊乱，表现为出汗、震颤、共济失调、精神错乱和语言失常等一系列神经中毒现象[2]。截至2019年11月29日，农业农村部共规定了25种有机磷类农药被禁用或限用[3]；国家标准《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》（GB 2763—2021）明确规定了55种有机磷类农药在食物中农药残留的最大限量[4]。

随着分析仪器的发展，农产品中有机磷类农药残留的定量检测法主要有气相色谱法[5-6]、气相色谱-质谱法（Gas Chromatograph-Mass Spectrometer，GC-MS）[7-8]和液相色谱-质谱联用法[9-10]。其中，气相色谱-质谱法被广泛应用。利用GC-MS法定量检测有机磷类农药均涉及EI源[11]。在特定条件下经EI源轰击后，有机磷类农药会按照一定的质谱裂解历程形成特定的、能反映化合物结构的碎片离子，这些碎片离子可以作为GC-MS法的特征离子。

有机磷类农药属于磷酸酯类或硫代磷酸酯类化合物，具有相似结构，经电子轰击后，可发生相同的质谱行为，产生相同的碎片离子[12-13]。本文利用有机质谱解析原理研究了有机磷类农药产生相同碎片离子的裂解历程，提出了质谱中有机磷类农药常见碎片离子；在采用质谱法定量检测有机磷类农药残留时，根据各待测组分与色谱柱相互作用原理，合理利用这些常见的碎片离子，可保证定性定量的准确性。

1 质谱中有机磷类农药常见的碎片离子

1.1 解析原理

在有机质谱解析中，α断裂反应在电子离子（EI）质谱中为主要的裂解反应。α断裂反应是由游离基中心诱导产生的，只有奇电子离子（包括分子离子）才发生α断裂。在奇电子离子中有一个未成对电子，该电子在离子中有其最有利的位置，形成游离基中心。未成对电子有成对的倾向，构成了α断裂反应的推动力，诱导了相邻的α原子外侧键断裂，这与中性游离基有高度反应活性相似。α断裂反应主要分为游离基中心定域于不饱和杂原子、游离基中心定域于饱和杂原子、烯丙基断裂、环的开裂和游离基诱导的重排反应5种方式。

有机磷类农药在质谱中常见的碎片离子由游离基中心定域于不饱和杂原子诱导的α断裂反应产生，即有机磷类农药经EI源（70 eV）轰击后失去一个电子而形成单电荷的离子，电荷和游离基定域于不饱和杂原子上，形成奇电子离子，用“+·”符号表示；未成对电子有成对的倾向推动下，发生α断裂反应，构成稳定的偶电子离子，用符号“+”[14]。带有电荷并具有特定质量数的奇电子离子和偶电子离子通过四极杆被电子倍增器检测，进而记录为碎片离子棒图，即EI源质谱图，而游离基（不带电荷但带有不成对电子）和中性分子不被检测[15]。反应通式如图1所示。

1.2 质谱中有机磷类农药常见碎片离子的裂解历程

有机磷类农药大部分含有O,O-二甲(乙)基(硫代)磷酸二酯基团，根据甲氧基与乙氧基、P=O与P=S的区别，大致分为4种结构（见图2）。

这类有机磷类农药可发生图1的裂解历程。当该组分经EI源（70 eV）轰击后，在P=O或P=S的杂原子O（S）上有未成键的孤对电子，易失去一个电子，使电荷和游离基定域于O（S）上；在游离基的诱导下，其单电子在离子中有成对的倾向，形成α断裂反应，优先失去最大支链，即P-R键断裂，生成偶电子离子：m/z109、m/z125、m/z137和m/z153，如图3所示。

在图3（c）和（d）的断裂反应中，母离子与子离子相差28 u，为中性分子CH2=CH2的相对分子质量数，即在电荷的诱导下，γH通过六元环转移到不饱和基团后，随即发生i断裂反应，相继发生两次上述裂解反应。由于P=O与P=S的不同，可发生m/z137→m/z109→m/z81，m/z153→m/z125→m/z97的裂解历程。在这类有机磷类农药的质谱图中，从能量学角度上讲，γH重排刚好合适能量低的六元环过渡态，因此随着m/z值减少，m/z的丰度变大（表1和表2），裂解成更加稳定的偶电子离子，如图4和图5毒虫畏和对硫磷的质谱图中，列举了含有O,O-二乙基(硫代)磷酸二酯基团的质谱图[16]。P=O（S）的键角过大，使得甲氧基上的氢没有足够的空间去重排，因此图3中（a）和（b）不能发生类似（c）和（d）的裂解历程。

表1 有机磷类农药的质谱图中常见碎片离子的相对丰度表

表2 有机磷类农药的质谱图中常见碎片离子的相对丰度表

表1和表2列举了部分有机磷类农药特征离子的相对丰度，它们含有（硫代）磷酸酯基团，由于各自所处的化学环境不同，包括碳链长度、键角、支化度和取代基原子（基团）等，使得游离基和电荷定域中心不同，产生α断裂反应、i断裂反应、σ断裂反应、氢重排反应及re（消除）反应趋势不同，发生图1中α断裂反应的竞争力也不同，产生（硫代）磷酸酯特征离子的相对丰度也不同。

2 质谱中有机磷类农药常见碎片离子的运用

2.1 含有常见碎片离子的有机磷类农药

有机磷类农药大部分含有（硫代）磷酸酯基团，区别在于甲氧基与乙氧基、P=O与P=S的结构不同。这类有机磷类农药含有相似的结构，也具有相同的质谱行为。由于各自化学结构不同，即碳链长度、键角、支化度以及取代基原子（或基团）等空间因素或化学环境不同，发生α断裂反应（图1）的趋势不同，产生（硫代）磷酸酯特征离子的丰度也不同。

表3列举了在质谱图中含有常见碎片离子的有机磷类农药。在这类有机磷类农药的质谱图中，都能找到具有（硫代）磷酸酯基团的特征离子，其丰度值由各自所处的化学环境或空间因素决定。在各自的质谱图中有的特征离子为基峰，如二溴磷，m/z109；马拉硫磷，m/z125；敌恶磷、毒死蜱和甲拌磷亚砜，m/z97；特丁硫磷砜，m/z125。

2.2 常见碎片离子在质谱法定量检测有机磷类农药中的运用

利用质谱法定量检测有机磷类农药残留时，一般进行多组分同时测定，因此选用待测组分m/z大、丰度高、干扰少的特征离子作为定量或定性离子。在有机磷类农药的质谱图中，常见的碎片离子表征了（硫代）磷酸酯基团，可以作为待测组分的重要“指纹”应用[17]。GB 23200.8—2016中采用GC-MS法定量检测500种农药，有13种有机磷类农药采用SIM功能采集表3中的碎片离子来定性定量（详见表4）。GB 23200.113—2018中采用GC-MS法定量检测208种农药及其代谢物残留量中，有10种有机磷类农药采用表2中的碎片离子作为MRM离子对（详见表5）。

表4 13种有机磷类农药的定量因子、定性因子及相对丰度表

表5 10种有机磷类农药的定量离子对、定性离子对及碰撞电压表

2.3 在质谱法定量检测有机磷类农药中运用常见的碎片离子时的注意事项

上文已阐述了多数有机磷类农药含有相同的结构，可发生相同的质谱行为。由于空间因素、取代基等不同化学环境的影响，有机磷类农药经EI源电子轰击后，发生裂解反应的竞争力不同，或发生α断裂反应（图1）优势明显，产生的其他碎片离子少、丰度低。利用气相色谱-质谱法定量检测或盲扫有机磷类农药时，一般进行多组分分段采集；为了提高该待测物的灵敏度，将表3中的碎片离子作为特征离子或MRM离子对；为了避免同一采集时段内各待测物具有相同的碎片离子，必须满足下面两点要求（即①和②），将有机磷类农药常见的碎片离子作为定量定性离子或MRM离子对，从而避免相互干扰。

表3 含有常见碎片离子的有机磷类农药表

①要判断各待测组分的结构是否相似、是否具有相同的质谱行为。②通过有机磷类农药各待测组分与色谱柱的相互作用力-范德华力（色散力、诱导力、取向力）来判断是否有良好的分离度（分辨率），是否满足质谱的SIM或MRM功能来分段采集特征离子或母-子离子对[18-19]。

例如，在定量检测甲拌磷亚砜和甲拌磷砜过程中，由于两者结构相似，会发生相同的质谱行为，其质谱图含有相同的碎片离子及其丰度（见图6～图8）。利用固定相为5%苯基-95%甲基硅氧烷、14%氰丙基苯基-86%甲基硅氧烷和50%苯基-50%甲基硅氧烷3种色谱柱分离时，其分离度（R）均达不到分段采集要求，为了避免采用相同的碎片离子作为特征离子或母离子，引起定量结果不准或定性错误，因此在GB 23200.113—2018中，甲拌磷砜的MRM离子对为153.0/97.0（10 eV）、124.9/96.9（5 eV）；甲拌磷亚砜的MRM离子对为96.9/64.9（20 eV）、199.0/142.9（10 eV）。

在同一采集时间段内具有相同质谱行为的待测组分选择不同的MRM离子对进行定性定量分析，有效避免了在定量检测或盲扫定性时，引起的定量结果不准或定性错误。MRM分段采集时间关键依据色谱柱分离待测组分，当色谱柱柱效下降、形成共流出物时，分段采集时间内多个待测组分由于具有相同的质谱行为，会形成定性定量干扰。以下将以甲拌磷亚砜、甲拌磷砜和毒死蜱为例进行分析。

（1）以色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，5%苯基-95%甲基硅氧烷毛细管柱）作为分离柱，甲拌磷亚砜、甲拌磷砜和毒死蜱的相互分离度分别为R砜-亚砜=1.01、R毒-砜=0.16、R毒-亚砜=1.19，分离度达不到分段采集的要求，采集时间均在13.10～14.00 min。

（2）甲拌磷亚砜、甲拌磷砜和毒死蜱含有相似结构，可发生相同的质谱行为，因此在甲拌磷亚砜和甲拌磷砜的质谱图中，具有较高丰度的碎片离子在毒死蜱的质谱图中均可找到（图5所示），如m/z97、m/z125、m/z125和m/z199（毒 死 蜱 含 有3个氯原子，m/z199为m/z197的同位素峰，相对比值为97.7∶100.0，与理论值95.88∶100.00相符）。

（3）甲拌磷亚砜和甲拌磷砜的碎片离子较少，表3中有机磷类农药常见的碎片离子具有非常高的丰度，为了提高GC-MS灵敏度，将其作为MRM离子对，甲拌磷亚砜，153.0/97.0（10 eV）、199.0/171.0（5 eV）、125.0/97.0（5 eV）；甲拌磷砜，153.0/97.0（10 eV）、125.0/97.0（5 eV）、199.0/143.0（10 eV）。毒死蜱含有氯原子和乙氧基结构，分子离子失去·Cl后产生偶电子离子m/z314，并在电荷的诱导下发生氢重排和i断裂反应，相继失去中性分子CH2=CH2，产生的特征离子m/z286和m/z 258，在毒死蜱的质谱图中有较高的丰度，因此将313.9/257.9（10 eV）、313.9/285.9（5 eV）、313.9/193.9（15 eV）作为MRM离子对来检测毒死蜱。3种待测物均采用一组定量离子对和两组定性离子对来定性定量。

在上述3个条件下，用MRM方式仍能很好地完成甲拌磷亚砜、甲拌磷砜和毒死蜱日常的定性定量检测。但随着色谱柱的柱流失增大、柱效下降，形成共流出物 ——甲拌磷亚砜、甲拌磷砜和毒死蜱同时出峰，就会严重影响定性定量结果。如图9、10和11所示，当样品中检测出毒死蜱、甲拌磷亚砜、甲拌磷砜时，通过保留时间、毒死蜱特有的MRM离子对及相对丰度可以确认样品中含有毒死蜱；甲拌磷亚砜的保留时间和MRM离子对吻合，但是MRM离子对（199.0/171.0）的相对丰度偏差超过允许范围，可以定性为不是；而甲拌磷砜的保留时间、MRM离子对以及相对丰度均符合，可以定性为是，含量为0.038 mg·kg-1；但该样品通过GC-FPD法和LC-MS法确认只含有毒死蜱，含量为1.43 mg·kg-1。

正是由于这3种有机磷类农药满足上述3个条件，随着色谱柱的柱效下降，将有机磷类农药常见的碎片离子作为定性定量离子，定性定量错误的风险也随之增大。在将有机磷类农药常见的碎片离子作为特征离子或MRM离子对时，要综合考虑程温、色谱柱的类型、柱效等色谱条件，通过各待测组分与色谱柱固定相之间的相互作用力（色散力、诱导力、取向力），达到良好的分离度并满足分段采集的要求而不相互干扰，保证定性定量结果准确。

3 结语

有机磷类农药是一类有相似化学结构的化合物，这类化合物一般为磷酸酯、酰胺或硫羟衍生物。在部分有机磷类农药中，由于甲氧基与乙氧基、P=O与P=S的不同，经EI源轰击电离后，当游离基和电荷定域于不饱和O（S）原子上时，在游离基的诱导下，其单电子在离子中有成对的倾向，形成α断裂反应，优先失去最大支链，生成常见的碎片离子——偶电子离子，即m/z109、m/z125、m/z137和m/z153。由于各自的化学结构不同，即碳链长度、键角、支化度以及取代基原子（或基团）等空间因素或化学环境不同，使得游离基和电荷定域于不同的基团上，发生α断裂反应的趋势不同，产生（硫代）磷酸酯特征离子的丰度也不同。

利用质谱法的SIM或MRM模式对有机磷类农药进行定量检测时，要合理利用表3中的碎片离子，防止定性定量错误。①通过化学结构式判断，各待测组分是否具有相似的结构，是否具有相同的质谱行为。②判断各待测组分通过色谱柱分离后，能否具有良好的分离度满足SIM或MRM的分段采集模式。尽管可以在同一采集时间段内，选择不同的碎片离子或母子离子对来规避风险，但还要防止随着色谱柱的柱效下降，发生共流出物现象，导致定性定量不准确。在将有机磷类农药常见的碎片离子作为特征离子或MRM离子对时，要综合考虑程温、色谱柱的类型、柱效等色谱条件，通过各待测组分与色谱柱固定相之间的相互作用力（色散力、诱导力、取向力），达到良好的分离度并满足分段采集的要求而不相互干扰，从而保证定性定量结果准确。