气相色谱-飞行时间质谱在农药残留分析中的应用研究

梁 艳，雷春妮，王 波，张 欢， 周小平，，王斐斐，漆珍珍，朱梦晨

（1.甘肃农业大学 食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州海关技术中心，甘肃 兰州 730010；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070）

农药残留是农药在使用后未被分解，一部分直接或间接残留于生物体、土壤、水体及大气中的有毒代谢物、降解物和杂质的总称[1]。农药被认为是“绿色革命”的主要组成部分之一，农药残留通常在自然界中具有持久性，对非目标和非害虫生物也会造成严重威胁，其残留的方式主要有2 种[2]：一是保持原有的化学结构；二是参与化学转化或被降解后残存。近年来，通过应用除草剂、杀真菌剂、杀虫剂、肥料和土壤改良剂等途径来提高作物产量，包括生物积累、广泛使用、选择性毒性和稳定性在内的各种因素，使农药成为污染环境中最有害的化合物[3]。我国是人口大国，也是农药使用大国，伴随着农产品需求量的不断增大，蔬菜、水果、粮食作物进行规模化种植，应用农药来预防、杀死、驱赶或减轻有害生物的入侵，已成为现代农业系统中不可或缺的投入，因此现代农业技术中为了缩短作物生长周期及抵抗规模化种植所带来的病虫害等问题而使用农药的情况屡见不鲜，不可避免地产生了农药残留现象[4]。随着国民生活水平的显著提高和互联网的普及，人们对农药残留等问题的重视程度越来越高，国家政府部门也不断加大对农产品农药残留的监测力度及农药安全的使用管理力度。目前，国家有关部门已经对农药残留进行了限制，并利用法律和法规来对其进行治理，在我国农产品的进出口过程中，还存在着一些发达国家的“农残”贸易障碍，为保证农产品的质量安全、保护进出口公司的利益，应该定期及时地对农药残留进行监测。

1 农药残留的分类

农残的种类繁多，通常按照其分子结构分为以下几类：

有机氯类农药是组成成分中含有有机氯元素的有机化合物，属于氯化碳氢化合物衍生物，是一种在世界各地广泛使用的合成杀虫剂，作用是杀灭植物害虫和预防植物病害。有机氯类农药以其高毒性、缓慢的降解和生物累积性闻名，在环境中会长期残留且难以降解，使其在动物体内累积，并经食物链传递给人类，对人类的身体造成严重威胁，具体表现为急性中毒引起中枢神经系统症状，长期蓄积可引起慢性中毒、损害机体肝肾功能[5]。尽管许多有机氯化合物在发达国家被禁止使用，但这些制剂的使用量却一直在持续不断地上升[6]，存在的安全隐患仍不可忽视。

有机磷类农药指含有有机磷元素的有机化合物，是我国应用最广泛的杀虫剂，也是世界上重要的农用化学品[7]。近50 年来，有机磷农药作为农业和家庭害虫防控剂被广泛使用，并作为有害健康和生态环境的化合物持续存在于水资源、水果、蔬菜和加工食品中[8]，因其具有价格低廉、种类繁多、杀虫效率高、范围广及易于降解等特点，逐渐替代有机氯类农药成为市场首要农药。对人体的危害主要以急性毒性为主，在大剂量或反复接触之后会出现一系列神经中毒现象，有些会产生精神沮丧、抑郁倾向，严重者出现呼吸麻痹症状，甚至死亡。

氨基甲酸酯类农药是一类相对新型的广谱农药，无特殊气味，遇酸稳定，遇碱易分解。此类型农药具有种类繁多、原料易得、选择性强、对高等动物毒性低及易分解等特点，并且兼具杀虫、杀螨、杀菌和除草等功能，近年来广泛应用于农业、林业和牧业领域。虽然氨基甲酸酯农药相比有机氯类农药、有机磷类农药毒性低，半衰期短，但仍旧存在着残留和污染的问题[9]，对人类自身健康构成潜在的威胁，已有研究发现氨基甲酸酯类农药暴露对神经系统、内分泌系统、生殖系统及免疫系统等都有影响[10-11]。

合成拟除虫菊酯类农药存在于许多商业杀虫剂配方中，在全世界范围内有广泛的应用，包括农业、公共、住宅和兽医用途的害虫控制[12]。拟除虫菊酯类农药是通过模拟天然除虫菊酯结构并采用化学方法人工合成的有机杀虫剂[13]，难溶于水，易溶于有机溶剂，对光、热、酸性环境稳定，碱性环境易分解，具有高效、广谱、低毒、生物降解等重要特质。拟除虫菊酯类农药能长期保留于农产品和环境基质中，人类如果长期处于这种环境下，会逐渐出现慢性病症状，影响人体免疫、神经、遗传系统[14]。

2 农药残留的前处理方法

在农药残留分析及检测过程中，为了保证数据的可靠性及准确性，避免其他影响因素的干扰，需要在检测之前对样品进行预处理。样品中农药残留分析常用的预处理技术如下。

2.1 固相萃取（SPE）

固相萃取法（SPE）是利用分析物在不同介质中被吸附能力的不同，用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，样品基体和干扰物互相分离，再采用洗脱、加热、解离等以达到分离和富集目标化合物的目的[15]（见图1）。该技术可同时对样品进行富集与净化，易于与其他检验方法结合，具有处理速度快、节省物料等优势，但其成本较高，需要专业人员从旁协助。张月辉[16]采用SPE 法对牛奶样品进行处理，结果表明，该方法能有效除去脂肪，操作简便高效、结果准确、灵敏度高，适用于测定牛奶中的多种农药残留。

图1 固相萃取操作示意图

固相萃取操作示意图见图1。

2.2 液液萃取（LLE）

液液萃取法（LLE）是在液体混合物中加入互不相溶的溶剂，利用其各组分在外加溶剂中溶解度的不同而达到分离或提取的操作[17]。LLE 操作简单、较为实用，但存在试剂消耗量大、准确度和精密度差等问题。Bayat Mitra 等人[18]利用LLE 结合GC-MS 测定了鳟鱼体内的有机氯农药（OCPs）和多氯联苯（PCBs），研究表明鳟鱼体内存有OCPs、PCBs 两类持久性有机污染物，OCPs 和PCBs 的平均回收率为73%～112%，相对标准偏差（RSD）为1.4%～17.9%，检出限（LODs）和定量限（LOQs）分别在0.6～8.3 μg/kg 和2～25 μg/kg，该方法定量分析因素均在欧盟委员会规定的可接受范围内。

2.3 分散液-液微萃取（DLLME）

分散液-液微萃取法（DLLME）是由Sana Breijani 等人[19]提出的一种新型样品前处理技术，是LLE的简易化操作，具有较高的富集倍数、操作简单、试剂消耗少、重现性好等优势。该方法是将萃取剂及分散剂快速注入样品中产生湍流，随后形成细小的液滴，从而使样品与萃取剂接触面积增大，形成乳浊液，经离心后获得沉积相，收集萃取物并进入仪器分析，使得目标化合物在有机萃取剂和样品溶液之间实现了快速转移[20]，其原理示意图见图2。萃取剂、分散剂的类型及用量、盐析过程中的加盐量等因素影响DLLME 的提取效率，为了从样品中尽可能提取目标分析物，优化试验参数至关重要。由Szarka A 等人[21]采用DLLME 结合GC-MS 法测定保健品滴剂中的40 种农药，其农药的回收率为70%～120%，RSD＜20%，LODs 为0.001～0.910 μg/L，LOQs为0.004～3.003 μg/L。

图2 分散液-液微萃取操作示意图

分散液-液微萃取操作示意图见图2。

2.4 凝胶渗透色谱（GPC）

凝胶渗透色谱法（GPC）又称分子排阻色谱法，是一种快速而简单的分离技术，也可以作为净化方法使用[22]。GPC 基于体积排阻的分离机制，通过具有分子筛功能的固定相来分离和测定小分子物质，并可以分析具有相同化学物质但分子体积不同的高分子同系物[23]，其操作时间短、自动化程度高、净化效率好、回收率高，同时根据选用的填料不同，可以分离水溶性和脂溶性物质，但只能分离相对分子质量在10%以上而化学结构不同的物质。Bingqi Zhu 等人[24]建立了在线凝胶渗透色谱-气相色谱串联质谱（Online GPC-GC-MS/MS）测定茶叶中131 种农药残留的方法，其回收率为78.2%～113.9%，RSD 低于15.8%，LODs 在0.5～5.0 μg/kg，该方法简单快速、灵敏度较高，可达到农药残留分析的要求。

2.5 QuEChERS 法

QuEChERS（Quick，Easy，Cheap，Effective，Rugged and Safe）法是由Anastassiades Michelangelo 等人[25]于2003 年首次提出，其原理与SPE 十分相似（见图3）。该技术分析速率快、使用溶剂量少、污染小、操作简单，已被广泛应用于农药残留分析。Özün Görel Manav 等人[26]采用优化后的QuEChERS 法结合GC-MS 测定牛奶和乳制品中的农药残留，该方法测定25 种农药的回收率在72.5%～120.0%，RSD为0.95%～14.62%，表明该方法可以应用于牛奶和乳制品样品分析，适用于常规的多残留农药分析，具有较高的效率和精确性。

图3 QuEChERS 操作示意图

QuEChERS 操作示意图见图3。

3 GC-TOF-MS 在农药残留分析中的应用进展

目前，农药残留分析常用技术有GC，GC-MS，GC-MS/MS，LC，LC-MS/MS 等，色谱与质谱联用具有极大优势，既发挥了高分离能力，又充分发挥了质谱的高鉴别能力，提供了快速、微量的组分分析和结构鉴定能力[27]。然而，常用方法只适用于分析单一或几种的农药残留，无法满足大批量样品的高通量、非靶向的农药多残留筛查要求。GC-TOF-MS 具有高质量分辨率、高扫描速率等特点，能产生高质量信息[28]，理论上可以分析无限数量的化合物，而不需要预先选择分析物，甚至不需要参考标准品，从而会提高化合物的鉴定和筛查水平。与常用技术相比，GC-TOF-MS 在全扫描模式下具有更高的灵敏度，其结构简易、检测速率高、可测范围宽，是一种非常理想的色谱检测器，其中一次试验所获得的数据可以进行重复分析，不用再对样品重新测定，极大地提高了工作效率。近年来，GC-TOF-MS 得到了非常快速的发展，已广泛应用于食品、烟草、环境卫生等领域中多农药残留的分析。

3.1 GC-TOF-MS 在食品农药残留分析中的应用进展

由于农药对人体健康的潜在毒性风险及持久性和生物积累等特性，使农药在农产品中的残留测定备受重视，尤其是人们在日常生活中不可避免地需要接触的蔬菜和水果中的农药残留量，已成为生产者、贸易商和消费者日益关注的重要健康问题[29]。GC-TOF-MS 在食品农药残留筛查分析中具有显著优势，如Li Jian-Xun 等人[30]在利用TOF 精确质量数据库和TOF 质谱库的基础上，同时快速筛查和鉴定水果和蔬菜中的439 种农药残留，优化其分析条件以提高筛选的准确性，并且对筛选检测限、回收率和精确度进行了方法学验证，该方法在2013—2015 年期间被用于9 817 种农产品中农药残留的筛查，结果较好，进一步验证该技术是监测水果和蔬菜中农药残留的可靠分析技术。Wei Jia 等人[31]将二维气相色谱-飞行时间质谱法（GC×GC-TOF-MS）用于分析以绿茶提取物为原料而制备的营养保健品中的423 种农药残留，该方法可以分离和检测所有目标物，已成功应用于商业保健品中124 种农药残留的筛查，其筛查出甲胺磷、甲氰菊酯、丙溴磷、三唑酮、乙硫磷、异丙甲草胺、氟乐灵、联苯菊酯和芬必得9 种农药残留。以下对GC-TOF-MS 技术分析食品中农药残留的应用做了汇总。

GC-TOF-MS 在食品农药残留分析中的应用见表1。

表1 GC-TOF-MS 在食品农药残留分析中的应用

3.2 GC-TOF-MS 在烟草农药残留分析中的应用进展

烟草的生产严重依赖于农药的使用。烟叶中的残留物水平在收获前、干燥过程和烟叶进一步加工时下降，人体是在吸入香烟烟雾时接触到了烟草上的农药残留，其主动吸烟者和被动吸烟者都会吸收到热解的农药残留[39]。烟草中农药残留的检测和清除是一个巨大的挑战，多个国家和国际组织都对烟草中农药残留物制定了最大残留限量。GC-TOF-MS 是定量和高通量筛选复杂基质样品中目标和非目标痕量化合物的有效工具，如Bie Rui 等人[40]筛查烟草中的多种农药残留，其中192 种农药在加标水平上表现出令人满意的回收率和精确度，结果表明，该方法适用于烟草中多种农药残留的定量分析、快速筛查及真实样品的检测。Chen Xiuping 等人[41]同样分析烟叶中的多种农药残留，95%被测农药的LOD小于10 ng/mL，LOQ 在1～20 ng/mL，所测农药相关系数均大于0.990 0，在3 个质量浓度（10，50，100 ng/mL）下，呈现出令人满意的回收率（70%～120%），RSD＜20%。研究对当地市场收集的3 个烟叶样品进行分析，总计发现了二甲沙隆、三唑醇及氟苯尼考3 种农药。因此，基于GC-TOF-MS 方法的灵敏度、准确度和精密度，可满足分析复杂基质中多种农药残留的高通量、非靶向性要求。

GC-TOF-MS 在烟草农药残留分析中的应用见表2。

表2 GC-TOF-MS 在烟草农药残留分析中的应用

3.3 GC-TOF-MS 在环境卫生等领域农药残留分析中的应用进展

研究表明，喷洒的80%农药直接污染了环境，这种状况对生物多样性和物种都构成了巨大的威胁。在过去的几十年里，欧洲国家的昆虫生物量下降了70%，农田鸟类下降了50%，同样在欧洲、澳大利亚和北美，物种丰富度也减少了42%。通过食物链的污染，对人类生活也产生了不利影响，这些摄入物导致了严重内分泌、神经系统、生殖系统等疾病的发生，甚至由于接触有毒杀虫剂，已经出现许多伤亡的报道[44]。GC-TOF-MS 已用于环境卫生等领域中高通量、非靶向农药残留的分析（见表3）。Meghesan-Breja 等 人[45]将GC-TOF-MS用于土壤中88种农药和代谢物的鉴定和定量，分析了除草剂、杀虫剂、杀真菌剂等各类农药中最广泛使用的农药，对该方法的线性范围、准确度、精密度、检测限和定量限进行了验证，获得了良好的线性关系，并对5 个实际土壤样品进行了分析，得出了很好的结果。Ruo Jing Fan 等人[46]开发了一种筛选方法用于测定母体和脐带血清中的多种农药残留，LOD 为0.01 ng/mL，RSD＜10%，将该方法应用于一对母体和脐带血清，一共成功筛选出6 种农药残留。由此可得，GC-TOF-MS 在分析农药残留方面表现出色，为确定样品中是否存在农药残留提供了定量定性信息。

表3 GC-TOF-MS 在环境和卫生等领域农药残留分析中的应用

GC-TOF-MS 在环境和卫生等领域农药残留分析中的应用见表3。

4 结语

农药残留问题是国内外十分关注的焦点问题，现代农业技术在使用农药的过程中不可避免地产生农药残留现象，对社会经济、生态环境和人体健康十分不利，亟须高通量的农药残留检测技术。GCTOF-MS 法已成功应用于目标化合物与未知目标化合物的鉴定，主要适用于农药及其转化产物的靶向及非靶向的筛查分析。基于GC-TOF-MS 的高通量检测特点，被认为是一种十分具有潜力的色谱质谱联用技术，将逐渐成为分析人员的得力检测技术，在农药残留的非靶向筛查和定量筛查方面具有极其广阔的应用前景，势必会在今后农药残留检测领域有更加广泛的应用。在未来发展中，GC-TOF-MS 用于复杂体系的分离分析伴随着高通量筛查、色谱质谱联用、非靶标筛查等技术特点将成为研究和应用新的热点。