新烟碱类杀虫剂的研究进展与检测分析概述

何 圆，孙贝丽

广东省环境科学研究院，广东 广州 510045

1 新烟碱类杀虫剂（NEOs）概况

新烟碱类杀虫剂（neonicotinoid insecticides，NEOs）最早出现于20 世纪90年代，是继有机磷杀虫剂和拟除虫菊酯类杀虫剂之后最重要的化学农药[1]。由于对昆虫控制具有高效性和易用性，NEOs 已成为目前世界上应用最广泛的一类杀虫剂，年产量约10 万t，约占全球杀虫剂市场份额的25%，且呈现逐年上升趋势[2]。NEOs 因对害虫具有较强的杀灭性且不与其他杀虫剂产生交互抗性而被广泛应用于种子预处理、谷物和蔬菜水果等农作物的虫害防护中。残留在环境中的NEOs 可通过环境过程和植物自身吸收而大量残留在人们的食物等暴露途径中。NEOs 的人群外暴露途径包括摄入暴露和吸入暴露。因NEOs 常被施用于各类经济作物，所以非职业人群暴露于NEOs 的途径为膳食摄入（食品和饮用水）和接触灰尘/土壤摄入。美国哈佛大学的一项研究发现，NEOs 在所有被调查的8 类水果和10 类蔬菜中均被检出，质量分数最高可达101 ng/g，并且在90%的蜂蜜样品中都检测出了0.1～0.8 ng/mL 的NEOs，其中IMI 最常被检出。我国研究者发现，NEOs 广泛存在于茶叶中，单个NEO 的质量分数范围是13～126 ng/g。人类对于NEOs 的吸入暴露主要来自花粉。因NEOs 的系统特性，其可残留在花粉中，然后通过分散在空气中进而暴露于人们的生活和工作环境中。一项研究测定了美国马萨诸塞州的5 份花粉样品，其中IMI 均被检出，质量分数为：0.4～2.3 ng/g。由此可见，人们已广泛暴露于含有NEOs的环境中。

目前，我国已注册了2 000 多种商业产品，常用的新烟碱类杀虫剂原物（parent NEOs，p-NEOs）主要包括吡虫啉（imidacloprid，IMI）、 啶虫脒（acetamiprid，ACE）、噻虫嗪（thiamethoxam，THM）、噻虫胺（clothianidin，CLO）、噻虫啉（thiacloprid，THD）和呋虫胺（dinotefuran，DIN）。其中，IMI、CLO、ACE 和THM 占使用总量的90%以上。p-NEOs 在环境中会发生降解反应并生成各种代谢产物，常见的有：IMI 的代谢产物烯式吡虫啉（olefin-Imidacloprid，olefin-IMI），ACE 的代谢产物N-去甲基啶虫脒（NDemethyl-acetamiprid，N-dm-ACE），DIN 的代谢产物1-甲基-3（四氢化-3-呋喃甲基）尿素（1-methyl-3-(tetrahydro-3-furylmethyl) urea，DIN-U）（分子结构如图1 所示）。

1.1 NEOs 的作用机制

NEOs 之所以能在全球得到广泛应用，主要是因为其对哺乳动物的急性毒性低于传统杀虫剂，而对大多数害虫却具有极高的毒性，可以用作系统种子或沟渠处理，以保护苗期作物免受刺吸式和咀嚼式昆虫的侵害。NEOs 的化学性质与尼古丁农药相似，对无脊椎动物和脊椎动物的作用不一致，对无脊椎动物具有高度特异性，但对脊椎动物的风险却很低。NEOs 与无脊椎动物的中枢神经系统突触后与烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）结合，从而与天然神经递质乙酰胆碱竞争，作用后的昆虫通常表现为活动变缓、颤抖、低体温、痉挛等，一定剂量下会死亡。NEOs 不易通过脊椎动物的血脑屏障，对其烟碱受体具有低亲和力，因此其对脊椎动物的风险较低，这也是其在如今的市场中广受喜爱的原因。

图16 种p-NEOs 和3 种m-NEOs 的化学结构式

1.2 NEOs 的危害

在美国环境保护署（EPA）首次批准NEOs 用于商业用途时，由于NEOs 对昆虫的化学亲和力更高且无法穿过哺乳动物的血脑屏障，因此其被认为对哺乳动物的毒性较小。在对NEOs 进行登记时的实验研究表明，NEOs 对哺乳动物比对昆虫的毒性更小。但也有许多研究者注意到了其毒性作用[3]，如增加小鼠肝细胞癌变的几率，并支持美国环境保护署为IMI、CLO、ACE 确定最大残留限量（MRLs）。自那以后，研究人员发现NEOs 对脊椎动物和无脊椎动物均有不良影响，NEOs 可能对哺乳动物产生的不利影响中包括亚致死效应。目前已发现某些NEOs代谢物的毒性与母体化合物相同或更大。例如，IMI的代谢产物之一——去硝基吡虫啉对哺乳动物的nAChRs 有很高的亲和力、对小鼠的毒性较高且可以在哺乳动物体内或环境中形成。已有研究表明，NEOs 以类似尼古丁的作用方式影响着哺乳动物的nAChRs。这些受体对人脑功能至关重要，尤其是对记忆、认知和行为的发育过程非常重要。NEOs 的毒性的一个独特方面是能够结合哺乳动物的nAChRs亚型a4β2，这种亚型在丘脑中密度最高。在处于发育阶段的大脑中，这种亚型参与神经增殖、凋亡、迁移、分化、突触形成和神经回路形成。而这种神经受体亚型密度的改变是引发中枢神经系统疾病的关键因素，可能引发阿尔茨海默病、帕金森病、精神分裂症和抑郁症。哺乳动物的生殖和发育也会受到NEOs 的不利影响，包括精子的生成和功能降低、怀孕率降低、胚胎死亡率升高、死产和早产及后代体重下降。

NEOs 引起人类急性中毒的相关报道较少。然而，有两名患者自行摄入ACE 后出现了严重的恶心呕吐、肌无力、体温过低、抽搐、心跳过速、低血压和缺氧症状[4]，这些症状与急性有机磷中毒相似。在摄入两天后，两人均治愈出院且没有任何并发症。斯里兰卡的一项研究报告了68 例IMI 中毒患者，包括61 例自食和7 例皮肤接触，中毒者中无人死亡。其中一名患者服用IMI 后出现嗜睡、头晕和定向障碍等症状，但在4 d 后痊愈，且无任何并发症。152 例患者急性暴露于NEOs 后，最常见的症状是呼吸困难或呼吸暂停、昏迷、心动过速、低血压、恶心或呕吐、发汗、瞳孔散大、心动过缓、发热、头晕、口腔溃疡、吞咽困难、癫痫和腹痛。以上案例表明，NEOs 会危害人体健康，并可能导致疾病发生。

2 NEOs 的检测分析现状

2.1 NEOs 的前处理方法

NEOs 普遍存在于环境中，因此根据不同的样品开发了不同的前处理方法。对于固体样品通常使用的前处理方法是QuEChERS（快速、简单、廉价、有效、坚固和安全），其次是固液萃取（SLE）。而固相萃取（SPE）、液-液萃取（LLE）和分散液-液微萃取（DLLME）则是液体样品常用的前处理方法。

最初的QuEChERS 方法中包括用乙腈进行SLE，然后用净化剂乙二胺-N-丙基硅烷（PSA）进行分散固相萃取（d-SPE）。这种方法操作简单、回收率高且样品处理量大。因此，它已成为农业食品部门中大多数质量控制实验室进行农药分析的基石。QuEChERS 被用于分析各类样品，如鱼肉、鸡蛋、蔬菜和橄榄油。虽然原有的QuEChERS 方法仍然被广泛使用，但是随着时间的推移，根据被分析样品和目标农药，此方法得到了改进，目前这种样品处理方法适用于特定的需要。主要的改进包括在d-SPE 步骤中使用C18或石墨化炭黑（GCB）吸附剂以及缓冲溶液。例如，在PSA 之外使用GCB 对QuEChERS 柠檬酸盐进行缓冲就是一种常见的改进方法，其目的是为了提高回收率和样品纯度[5]。

SLE 中最常用的溶剂是乙腈和甲醇，也会使用水或一些溶剂混合物。SLE 是最简单的样品前处理方法，其主要缺陷在于需要额外的净化步骤。常见的净化步骤包括带有特定吸附剂的d-SPE 清除蜂蜡中的脂质或带有商业套筒的SPE，如Oasis 亲水亲脂平衡（HLB）。虽然在回收率方面可以获得与使用QuEChERS 类似的结果，但使用QuEChERS 避免了净化步骤，简化了样品的前处理过程。

在水样中最常见的样品前处理方法是固相萃取（SPE）。不同吸附剂的墨盒常被使用，例如C18、Oasis HLB 和Strata-X。一些研究比较了不同的吸附剂，得到了相似的回收率。UiO-66 晶体（金属-有机框架-锆基建筑砖）的使用也在d-SPE 中进行了测试。选择这种吸附剂是因为其表面积大，至少可以重复使用10 次。最近一项研究在超临界二氧化碳中合成了杂化磁性碳纳米管，用于在水和果汁中对NEOs 进行磁性固相萃取，可重复使用至少10 次。有研究报道使用磁性纳米颗粒（基于石墨烯）分析水样中的4种NEOs，也有报道使用固相萃取和含有硅藻土物质的化学洗脱分析牛奶样品中的NEOs。

DLLME 通过在水样中加入萃取溶剂（与水不混溶）和分散溶剂（与水和萃取溶剂混溶）的混合物萃取分析物形成的分散液有利于分析物的提取。离心后，回收含有分析物的萃取溶剂。这种样品前处理方法具有操作简单、成本低、富集因子高、溶剂体积小等优点。虽然它没有被常规应用于NEOs 的分析，但一些研究已经将它应用于水、蜂蜜和蜂蜜利口酒的分析。最近报道了一种新的DLLME 方法，用于分析果汁和蔬菜样品。在这些工作中，室温离子液体（低毒性和挥发性）被建议作为传统DLLME 中使用的有机溶剂的替代品。其他研究使用DLLME 作为固液萃取后的净化和预浓缩步骤。

2.2 NEOs 的检测方法

由于NEOs 具有极性、非挥发性的特点，所以在农业和食品领域发展起来的分析方法大多涉及色谱，主要是HPLC-MS 或HPLC-UV 检测。众所周知，质谱法是进行农药多残留分析的常用方法。首先，在化合物分离方面，许多方法使用HPLC 分析柱。然而，尽管传统的色谱柱可以实现适当的分离，但超高效液相色谱（UHPLC）的使用在近年来取得了不错的进展。对于NEOs 的测定，液相色谱与质谱联用通常采用大气压电离技术，主要是以正离子模式工作的电喷雾电离（ESI）。许多研究报道了加热ESI（HESI）探头的使用，这种探头是许多仪器的标准探头，其主要优点是灵敏度较高。一些研究报道了大气压化学电离（APCI）的使用，但主要存在于一些关于NEOs 的早期文章中。然而，Yamamoto 等比较了常规ESI、APCI 和大气压光电离（APPI）的灵敏度。据报道，APPI 对基质效应的敏感性较低。

在质谱检测器中，大多数研究者选择在选定的反应监测（SRM）或多反应监测（MRM）模式下使用三重四极杆。在分析食品样品环境中的痕量浓度时，为每种农药选择最佳的仪器参数对于结果测定的准确性和灵敏度来说至关重要。近年来，许多研究人员利用高分辨率质谱仪增强了农药分析的潜力。然而，这些仪器的高成本对于许多实验室来说仍然是一个阻碍。虽然HPLC-UV 存在一些缺陷，如缺乏特异性和灵敏度较低，但也被报道用于NEOs 的分析。虽然这些方法可能适用于分析非复杂基质中的少量分析物，但HPLC-MS 是避免分析真实样品时出现假阳性结果的最佳选择。

3 结论与展望

NEOs 已成为世界上应用最广泛的一类杀虫剂，但研究表明，人类已广泛暴露于含有NEOs 的环境中，其潜在的健康风险应引起关注。NEOs 的环境暴露和保证人体健康以及建立高灵敏度的检测分析方法是未来需要不断攻克的方向。