农药中有效成分检测技术研究综述

韩明月，吴玉凡，王春悦，张毓秀，张 武

(天津市农业生态环境监测与农产品质量检测中心，天津 300193)

在作物病虫害防治实践中，使用农药是最迅速、最常见、最经济有效的方法。农药制剂的有效成分含量与标示含量是否一致是农药质量控制的关键，如果有效成分含量不足，功效会降低甚至失效；有效成分含量太高，不仅会对农作物造成药害，还会产生农药残留，破坏生态环境，威胁人类生命健康。因此，农药有效成分的含量是相关部门市场监管的重点。

目前农药检测方法种类一般可分为常规检测和快速检测两种。常规检测主要以气相色谱法(gas chromatography，GC)、高效液相色谱法(high performance liquid chromatography，HPLC)、气/液相色谱-质谱联用法(gas chromatography/liquid chromatography-mass spectrometry，GC/LC-MS)为主。常规检测法灵敏度和准确度较高，结果比较可靠，但样品前处理程序繁琐、检测成本高、时间长，只能用于实验室操作，需要专门的技术人员，无法满足快速、低成本等实际的需要，更难以满足生产企业连续在线检测、农药监督部门现场质量控制和农产品安全监督的需要。

本文根据最近的研究进展，在常规检测方法的基础上，对以往的农药有效成分检测技术进行了补充，特别介绍了该领域一些热点的新技术，如光谱技术、化学成像技术等的研究成果和动态，并对目前存在的问题、未来发展趋势和攻关重点进行了分析，以期为农药质量快速检测的深入研究提供参考。

1 农药有效成分常规检测方法

1.1 气相色谱法 气相色谱法是目前农药检测的主要方法中使用相对普遍、成熟的一种分离分析方法，常用于低沸点的农药检测。该方法的分离效率高、分离速度快、样品用量少、检测灵敏度高，对绝大部分农药都可以实现很好的分离。但对于农药中有效成分的含量检测，目前国内外的测定方法大多针对单一品种，业内对于大批量、多品种的农药检测方法开展了相关研究。吴晓波等[1]建立了一种用气相色谱火焰离子化检测器 (FID)同时测定包含甲胺磷、久效磷、特丁硫磷、毒死蜱、乐果、水胺硫磷、异丙威、克百威、噻嗪酮、高效氯氰菊酯、百菌清、烯唑醇等15种农药有效成分的分析方法，实现了在同样的色谱条件下，用同一根色谱柱同时完成定性、定量分析，并能同时检测样品中是否添加了禁止使用的高毒农药。孙长恩等[2]采用HP-5MS毛细管柱和FID检测器，建立了气相色谱方法同时检测农药中9 种拟除虫菊酯类隐形成分的方法，方法的准确度和分离效果较常规方法都有一定提高。

1.2 高效液相色谱法 高效液相色谱分辨率高、分析速度快、重复性好、样品用量低、自动化程度高，在国内外都已成为农药有效成分检测的主要方法。与 GC 相比，HPLC 更适用于极性强、分子量大、沸点高、热不稳定以及离子型农药的检测。不少学者对现有的HPLC检测方法进行了改进和深入研究。袁圆等[3]对呋草酮原药的高效液相色谱分析方法进行了优化，对溶剂、检测波长、流动相及比例、进样量等液相色谱条件进行了选择，建立了简便、快速、准确，更加适用于呋草酮原药的日常定量分析。李环亭等[4]利用HPLC法测定了不同剂型不同含量的吡虫啉农药制剂产品中有效成分含量，并比较了单点校正法、标准曲线法和标准加入法三种定量分析方法的差异性，及其对农药制剂产品有害成分的检测准确性的影响。

2 农药有效成分快速检测方法

针对目前农药有效成分检测常用的色谱法所存在的：操作过程繁琐、耗时长、费用高等缺陷，近年来，振动光谱法作为一种无损快速分析技术，在测定农药有效成分方面越来越受到人们的重视，振动光谱技术主要包括中红外光谱、近红外光谱和拉曼光谱技术。随着学者们的不断改进摸索，将化学计量学科与红外区特殊的光谱吸收谱带结合，使该技术在农药质量检测中的定性、定量分析得到了广泛应用。

2.1 中红外光谱技术 中红外光谱是波长区间在 2 500～25 000nm的电磁波，是由于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁而形成的，主要反映分子基频振动信息[5]。红外光谱通常用谱带数目、谱带位置、谱带形状、相对强度四个基本参数来表征，在物质的定性分析方面应用较多，目前国内用红外光谱定性分析农药有效成分的结构类型主要有：磺酰脲类除草剂，三嗪类除草剂，吡啶杂环类的杀虫剂，烟碱类杀虫剂等[6]。化合物分子中不同的官能团激发后产生的特征振动，会反映在红外吸收光谱上形成指纹图谱，因此红外光谱亦可用于定量分析[7]。常用的仪器有傅立叶变换红外光谱仪。熊艳梅等[8]利用傅里叶变换中红外光谱仪定量分析了商品农药制剂中有效成分氰戊菊酯和马拉硫磷的含量，样品预测结果的相对误差<8.64%，可以满足农药制剂市场分析的要求。G Tang等[9]使用傅里叶变换红外光谱仪采集苦参碱水溶液的光谱信息，结合化学计量学算法变量选择技术测定了苦参碱水溶液中的有效成分。刘若云等[10]利用傅里叶变换红外光谱法，建立了检测农药里吡虫啉成分的含量模型，模型相关系数能达到0.999 54。从以上研究来看，尽管红外光谱法比一般化学分析法的偏差要稍大，但可以满足运行监管环节快速实时检测的要求。戴郁菁等[11]采用更加便携式的ALPHA FTIR Spectrometer红外光谱仪直接测定农药中的草甘膦含量，选择了草甘膦铵盐不受乳化剂成分干扰的在1 321cm-1处的红外光谱吸收峰为定量分析波数，所建立的峰面积与含量的线性模型相关系数r能达到0.999 7。实验采用的光谱仪体积小，质量轻，农药样品不需任何前处理，能够很好的满足生产过程中即时监测和产品现场检测的需求，具有很好的应用前景。

红外光谱还常被用于农药有效成分中违禁品添加量的识别，杜夏瑜等[12]采用红外光谱结合衰减全反射技术(Attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy，ATR-FT-IR) 对啶虫脒固体商品制剂中违禁添加的氟虫腈含量进行了检测，对氟虫腈含量在 0.60% ～5.00%的啶虫脒商品制剂含量预测误差<5%，符合农药质量监管中《农药制剂产品中微量其他农药成分限量》标准对氟虫腈的分析要求。H Yan等[13]提出了一种利用中红外光谱仪测定阿维菌素中的氯虫苯胺的快速检测方法，并比较了4种不同波长选择方法的预测能力，最低的预测均方根误差达到0.027 1，可在几分钟内给出检测结果，表明中红外光谱法可以用于快速方便地检测阿维菌素中的氯虫苯胺成分含量。这些研究为农药中违禁添加成分的现场快速检测提供了丰富的理论基础。

2.2 近红外光谱技术 近红外光(near infrared，NIR)是介于可见光和中红外光之间的电磁波，对被测物质中 O-H、N-H、C-H 及 S-H 等含氢基团的分子内部原子间振动的倍频和合频吸收，产生丰富的谱学信息[14]。不同基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都会产生其相应的特征吸收，绝大部分有机物都具有含氢基团，因而近红外光谱可以应用于包括农药在内的几乎所有有机物的化学和物理性质的分析。

中国农业大学闵顺耕课题组在利用近红外光谱技术快速分析农药中有效成分方面做了大量研究，熊艳梅等[15]开发了敌杀死乳油中有效成分溴氰菊酯含量的快速检测方法，用近红外光谱技术结合偏最小二乘法 (Partial Least Square，PLS)建立了有效成分溴氰菊酯的快检模型，模型的相关系数达到0.999 9，预测均方根误差达到0.022，可以准确预测敌杀死乳油中溴氰菊酯成分的含量；对乳油中有效成分高盖[16]、氰戊菊酯和马拉硫磷[8]等的含量也建立了快速、稳定的分析模型。说明近红外光谱方法方便、快捷，有利于农药制剂的现场分析技术的推广。

在此研究的基础上，业内的学者们通过化学计量学算法的优化、波段的选择等对近红外光谱快速检测方法进行了更深入的研究，扩展了该方法的应用范围。吴瑞梅等[17]采用联合区间偏最小二乘法(siPLS)结合遗传算法筛选特征变量，由交互验证法确定最佳主成分因子数及筛选的变量数，降低了模型的复杂度。刘丕莲等[18]比较了不同光程长度下毒死蜱乳油中有效成分近红外光谱定量分析模型的性能，进一步优化了模型参数，建立了精度更高、模型更稳定的的毒死蜱乳油中有效成分近红外光谱定量分析方法。裴建伟等[19]将近红外光谱法应用于多菌灵原药中有效成分的含量测定，结合光谱预处理MSC方法和偏最小二乘算法，仅需几分钟就可以测定一批样品，大大提高了检测多菌灵样品含量检测的效率。王雅静等[20]建立了农药中违禁农药氟虫腈含量添加的近红外快速检测模型，为近红外光谱技术在高毒性农药低掺杂的违禁农药检测中的应用提供了一个很好的先例。

2.3 拉曼光谱技术 拉曼光谱(Raman Spectroscopy) 技术是一种基于拉曼散射效应的光谱分析技术，是光子与样品分子之间发生了能量交换而产生的，提供了分子振动或转动的信息。拉曼光谱法作为目前研究比较热门的无损快速分析技术，在食品、药品的定性鉴别方面有较多研究，但由于其信号弱且易受荧光干扰，限制了它在实际生活中的推广。其中，表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS)技术可以增强所分析试样的拉曼效应，能将检测限提高10个数量级，灵敏度高、分辨率高，因此表面增强拉曼光谱技术可以满足痕量分析的需要。苗雨晴等[21]采用共焦显微拉曼光谱仪并结合表面增强拉曼散射技术采集了有机磷农药二嗪磷的表面增强拉曼光谱，探究了该技术在定性和定量分析二嗪磷成分含量上的可行性。研究表明二嗪磷在561cm-1，602cm-1，816cm-1三处的特征峰可以视为农药二嗪磷的表面增强拉曼光谱特征峰，可以用于直观定性分析；在特征波长处利用偏最小二乘法建立的校正模型相关系数为0.999 26，RMSEC为0.012 0，可用于二嗪磷溶液的定量建模分析。吉芳英等[22]获得了不同浓度及其酸碱条件下氧化乐果的表面增强拉曼散射光谱，研究了氧化乐果等有机磷农药的结构、形态及转化规律，有助于更深入地探讨有机磷农药的环境行为。

2.4 高光谱成像技术 光谱成像技术(spectral imaging)又叫化学成像技术(chemical imaging)，是把成像技术与光谱分析结合起来，对目标物体进行识别和分析的技术，一套数据包括各个不同波长的整幅图像，与传统的分析工具相比，它能同时采集到被测样品丰富的图像和光谱信息，利用人类的视觉和光谱学的客观性，使得样品特性的表达更加全面[23]。高光谱显微技术多用于在农产品的表面缺陷、坚实度、内部缺陷和表面污染等方面的检测，在农药质量方面的研究成果较少。李晓婷等[24]以拟除虫菊酯类农药氯氰菊酯和有机磷类农药毒死蜱作为研究对象，建立了单一农药的红外显微成像分析方法，并在此基础上，以毒死蜱和阿维菌素作为研究对象，应用红外显微成像技术对生物农药掺假进行了识别，建立了有良好适应性的高光谱红外定量模型，应用该模型能够有效、快速识别出阿维菌素中掺假的毒死蜱含量。Yue Huang等[25]将近红外光谱成像技术应用于农药混合样品中掺假吡虫啉成分的鉴别，通过关系成像模式获得了吡虫啉和掺假成分在杂原子中的分布，以其光谱图像建立偏最小二乘模型。模型结果RMSECV为0.034 8和RMSEP为0.078 4，显示出了近红外显微成像在定性鉴别农药中掺假成分和定量分析农药光谱图像中的有效成分的潜力。高光谱成像技术前处理简单、环境友好，能一次性获得庞大的数据量，可以结合多种光谱数据分析方法，从海量的数据中进行挖掘，与被测样品信息对应，有着广泛的应用前景。

3 结论与展望

农药质量检测在保障农产品质量安全中发挥着非常重要的作用。随着新登记农药种类的增加和高毒、剧毒农药的限制使用，农药中有效成分的检测要求不断提高。农产品种植分散，农民素质参差不齐等问题，也加大了监管工作的难度。目前分析农药制剂有效成分含量分析主要靠人工采样，然后到实验室分析的离线方式，该方法虽然准确度高，但复杂、费时长，无法采用该方法对农产品进行全面、及时的监控。

红外、近红外光谱等快速检测方法不需要对样品进行复杂的前处理，分析商用农药制剂中有效成分的含量快速、省力、成本低，对于现场和在线分析十分方便，尤其适用于生产企业的连续在线检测和基层农产品监督部门进行日常的农药质量监控。光谱成像技术以其丰富的图像和光谱信息，在定性鉴别和图像定量上的应用也显示出了丰富的潜力。但由于实际农药产品的成分十分复杂，使得光谱分析技术对一些农产品的检测灵敏度较低、相对误差较大，需要进一步结合化学计量学算法来对光谱信息进行增强和提取，排除外界环境、水分、荧光等的干扰，以增强光谱诊断技术在农药质量安全分析中的实用性。未来可将光谱技术与色谱联用，以同时发挥色谱的高效分离能力和光谱技术快速无损的优势。随着光谱技术的不断研究，各种先进的理论、算法、便携式仪器的不断出现，农药质量的快速、准确、无损检测有着广阔的研究和发展前景。