气质联用在农残检测中的应用

气质联用在农残检测中的应用
摘要:气质联用仪凭借气相色谱的选择性和质量分析器的灵敏性被广泛应用于农残分析中。

本文从气质联用仪离子源的选择、进样技术的选择、质量分析器的选择三方面介绍了各个离子源、进样技术及质量分析器的优缺点。

并简要介绍了气质联用常出现的基质诱导效应及解决方法。

最后介绍了国外研究者对气质联用仪的改进。

1 引言
气相色谱是一种有效的分离分析方法，但在定性方面存在弊端(仅凭借保留时间)，特别是在多残留分析方面。

而质谱仪在定性方面有突出作用。

气质联用能n够提供可信的定性和定量信息，气相色谱与多级质谱的串联(MS)就有高的选择性和灵敏度，可以消除基质的影响，因而其在多残留检测上有了广泛地应别是在农药多残留检测上。

现已注册使用的农药数不胜数，种类繁多包括有机磷农药，有机氯农药，氨基甲酸酯类农药，拟除虫菊酯类农药，各种杀虫剂、除草剂、杀菌剂等。

各个农药之间有着不同的物理化学特性，受外界条件，检测仪器，样品制备方法，基质类型的影响而表现出不同的检测特性。

因此高效的分离方法和灵敏的检测手段已成为农药检测技术的选择。

气质联用是常用灵敏的检测手段之一，在农残检测方面得到方法的应用。

现有不少科研人员就气质连用在农残检测上的应用做了研究。

2 气质联用仪离子源的选择
气质联用常用的离子源有两种即电子轰击(EI)和化学电离(CI)。

其中EI离子源应用的最为广泛。

样品分子被气化后引入离子室，再用高能电子70ev轰击气态的样品分子。

样品分子被高能电子轰击后吸收部分能量，分子外层轨道的一个+.电子被打掉，变成带正电荷的自由基离子M 。

剩余的能量会导致离子的进一步裂解形成产物离子。

EI能形成许多碎片离子，能提供较多的信息但所得的分子
峰强度不高，有时不能识别。

CI是一种软电离技术能弥补EI的缺点。

气态分子进入电离源后，高能电子轰击样品分子和反应气组成的混合气体，发生电离。

由于混合气体中反应气的比例远远多于样品分子，因此只有反应气被电离。

反应气离子和中性的样品分子发生分子-离子碰撞反应，产生准分子离子，但CI形成的分子峰多是加合峰。

但CI形成的碎片离子峰少，强度低，得到的结构信息少而限制了其应用。

EI只有一种电离模式而CI有正电离模式PCI和负电离模式NCI。

为了克服两离子源各自的缺点，在实际测定中，可以同时使用EI/CI复合离子源。

F.J.Arrebola等使用CI和EI复合离子源串联质谱测定了新鲜食物中81中农残的含量，其检测限(LOD)值小于欧盟规定的最大残留水平(MRL)[1]。

CI和EI 复合离子使得每个农药得到了最佳的电离方式，提高了检测的灵敏度。

Masahiro OKIHASHI等用NCI模式电离源检测有机氯农药和杀虫剂农药，其LOD大部分在
0.01ug/g，个别在0.02 ug/g[2]。

NCI适用于电子俘获化合物如有机氯农药，NCI 模式中背景不能离子化且仅含有少数高离子强度的离子，所以可以获得更高的灵敏度。

3 气质联用仪进样技术的选择
常用的气质联用进样类型包括分流/不分流进样(splitless/split)、填充柱进样、冷柱头进样、脉冲不分流进样技术、程序升温汽化进样口(PTV)。

由于技术简单，耐用可靠，易于优化，热不分流进样在农残分析中是应用最为广泛的进样技术，不分流进样较分流进样有更高的灵敏度。

但热不分流进样的最大进样量为
2ul，限制了样品的进样通量和检测的灵敏度。

另外热不分流进样进样时间长使得样品长期暴露在高温条件下，在这样的条件下，对于像氨基甲酸酯类农药对热不稳定的样品会发生热降解，导致较低的回收率甚至无法检出。

热不分流进样使不挥发性基质沉积在衬管中引发基质诱导效应。

脉冲不分流进样技术同样采用热汽化进样器，但高的载气流速将样品吹扫进色谱柱中，随着进样过程中流速的增加和进样口
压力的增大，样品在进样口的停留时间减少，进样量达5uL都不会超出衬管容量。

短的残留时间加上大的进样量能抑制基质效应。

程序升温汽化(PTV)进样技术是一个好的选择。

PTV进样量多达5uL。

且PTV进样器在溶剂分流模式下，可以直接进大体积的“脏” 样品，将基质从分流口排出，在一定程度上克服了基质效应。

PTV 进样衬管的容量小，是热无分流进样的十分之一而且低热量。

PTV升温速率快，有效地减少了热不稳定农药的分解。

另外，低容量的PTV衬管中载气流速高，可以减少农药在衬管中的停留时间，衬管较小的表面积也减少了样品与衬管壁活性位点的相互作用，这些特点都可以一定程度地抑制
基质效应。

对于需大体积进样和较脏的样品来说，PTV进样技术是一种理想的选择。

在测定农残时为保证高的检测灵敏度，时常需要大体积进样，因此PTV进样技术是农残分析中的首选。

Tomas Cajka等用PTV进样技术分析婴儿食品中的100中农药残留，其LOD值小于等于0.01mg/kg[3]。

4气质联用仪质量分析器的选择
气质联用常用的质量分析器有四级杆，离子阱，飞行时间，扇形磁场检测器及三重四级杆串联检测器。

单四级杆质量分析器有全扫描和选择离子扫描(SIM)两种模式。

者有更高的灵敏度和选择性。

适合于分析小分子和多电荷大分子。

但属于低分辨率质量分析器即只能给出整数质量，该质量法分辨与分析器与待分析物保留时间接近，质量相差几个数量级的基质共提取物，因而影响测定结果的准确性。

三重四极杆是由三组四极杆串接起来，第一和第三组是质量分析器，第二组碰撞室。

有子离子扫描、母离子扫描、中性丢失扫描和多反应选择扫描MRM，MRM扫描主要用于多残留定量分析，比单极的SIM灵敏度更高。

MRM通过选择特定的母离子和子离子提高了检测的灵敏度且不受基质干扰，因而在农残分析中多到广泛应用。

Jeong-Min Lee等利用气相色谱串联三重四级杆质谱仪分析了烟草中的农残含量，MRM高选择性和灵敏度使得农残的方法检测限(LOQ)值低于CORESTA ACAC规定的残留水平
[4]。

离子阱有全扫描和选择离子扫描功能，同时利用离子储存技术，可以选择任一质量离子进行碰撞解离，实现二级或多级MSn分析功能。

离子阱同样适用于分析小分子和多电荷大分子。

属于低分率型。

离子阱串联属于时间上的串联，仅通过操作系统就可实现多级串联。

ROSA M等用气相色谱串联离子阱，PTV进样技术检测叶菜类23种农药的残留情况，其检测限低于欧盟MRL10-20倍[5]。

飞行时间只有全扫描一种模式，但其高的分辨率保证了检测的灵敏度。

飞行时间质量分析器的另一大优点是高的扫描速度。

Tomas Cajka等用气相色谱串联飞行时间质谱仪检测婴儿食品中的100中农药残留，其LOD值小于等于0.01mg/kg。

飞行时间质谱仪能在全质量范围内分析所有离子，不仅有目标离子还有非目标离子，因而能在极低浓度条件下分析农残，而四级杆在极低浓度条件下无法检出痕量分析物。

飞行时间质谱仪能在狭小的质量窗口内区分离子因而其灵敏度与四级杆的SIM相当[3]。

但目前飞行时间质谱仪还未广泛应用于农残分析中，其应用还有待于研究。

5 气质联用的基质效应
气质联用经常会出现基质效应问题，基质诱导效应即相同浓度的农药其在基质溶液中的色谱响应值比在纯溶剂中的响应高。

因此当用纯溶剂做标准溶液来计算农残含量时，基质诱导效应的存在会导致假阳性结果的出现。

基质诱导效应是由上次进样的的非挥发组分的沉积物和热变形基质组分对进样口和色谱柱的污染造成的。

因此减少难挥发性化合物或热不稳定化合物是抑制基质诱导效应的有效方法。

Colin F. Poole总结了一些典型的对基质效应敏感的组分。

这些组分这类农药大多具有极性和(或)能形成强氢键作用的酸性化合物，一般带有磷酸基、羟基、氨基、咪唑基、苯并咪唑基、氨基甲酸酯基和脲基官能团。

这些极性基团与衬管中的活性位点相作用。

具有P=S基团的有机磷农药与具有P=O基团的有机磷农药相比，前者受基质效应的影响就小些。

有机磷农药因含有P=O/P=S等极性基团而常与基质效应一起研究。

Colin F. Poole提出减少热压力来避免热不稳定农药的分解，以
及屏蔽进样口来减少对极性农药的吸附来抑制基质诱导效应，包括使用不同类型的进样器和基质净化步骤，使用基质匹配校正溶液或分析保护剂。

其中最有效的方法是使用基质匹配校正溶液或分析保护剂。

将基质匹配校正溶液与纯溶剂标准溶液比较，可以说明对基质诱导响应增强敏感的农药回收率增高是由于基质的保护作用。

纯溶剂标准溶液的实际响应值低于其本应该进入色谱柱产生的值，是因为纯溶剂不能为待分析农药提供足够的保护，而在空白基质溶液中添加相同浓度的农药，可使农药更加完全地转移到色谱柱中，从而响应增加，在这个过程中基质起到了分析保护作用。

因此使用基质匹配校正溶液是最为有效也是最常用的抑制基质效应的方法[6]。

然而对于一个实验室来说每做一个农残检测试验就要需要一个空白基质是相当费时、麻烦的，而且也影响到实验室的检测通量。

因此通用基质可以解决上述问题。

J. L. Martinez Vidal等用通用基质做校正溶液测定了六种食物中农残含量。

他将食物分成两组。

黄瓜、西葫芦、辣椒、茄子为第一组，柠檬、西瓜做为第二组。

第一组以黄瓜作为蔬菜类通用基质，第二组用黄瓜作为蔬菜类通用基质。

并通过统计学实验和回收率实验证说明了黄瓜作为蔬菜类通用基质和黄瓜作为蔬菜类通用基质的有效性[7]。

而实际检测中一方面空白基质不易获得，另一方面即使是同种食物，其个体存在差异，这影响了结果的准确定性，特别是在极低浓度的条件下。

分析保护剂的使用显得更为有效
与实际。

3-乙氧基-1,2-丙二醇是挥发性农药的合适分析保护剂，古洛糖酸内酯是半挥发性农药的合适保护剂，山梨醇可以作为低挥发性农药的合适保护剂，而使用上述三者的混合物可实现对性质差异较大的农药的满意定量。

Rosa M等添加分析保护剂到纯溶剂溶液作为校正溶液[5]。

此方法即简单又保证了高的灵敏度，抑制了基质效应。

6 气质联用仪的改进
气质联用适用于分析非极性、半极性和挥发性和半挥发性的组分。

对于极性、非挥发性和热不稳定组分显得无能为力。

氨基甲酸酯类农药属于极性且热不稳定农药，因此它的测定一般采用液质联用。

某些有机磷农药如久效磷、乐果、氧化乐果、甲胺磷、乙酰甲胺磷等属于极性农药，用气质联用测定时经常出现回收率低的现象。

这些限制了气质联用色谱仪的检测通量和灵敏度及应用范围。

低压力气相色谱(LP-GC-MS)的出现使气质联用在分析极性、非挥发性和热不稳定农药上有了突破。

真空条件下短的分析柱，厚膜，高的载气流速使LP-GC-MS与传统GC-MS相比有以下几个优点:
?LP-GC-MS的分析速度是传统GC-MS的三倍
?增加进样量
?峰高增加，峰形变尖锐
?减少热不稳定农药的分解
?由于高的样品载荷量而不受基质干扰
Katerina Mastovska等用LP-GC-MS测定了食物中20种农残含量。

他利用了两根色谱柱:一个是分析用的色谱柱10m×0.53mm×1um Rtx-5 Sil MS，保持在真空状态下;一个是未涂布的限制色谱柱3m×0.15mm，用于连接分析色谱柱和进样口，保持进样口在常压状态下。

并将传统GC-MS拿来做参比。

用传统GC-MS分析像甲胺磷、乙酰甲胺磷、苯并咪唑这类农药时发生了拖尾的现象且低的峰高和面积比，而用LP-GC-MS时不但减少了这些农药的拖尾而且改善了峰形，提高了这些农药的检测限。

在分析热不稳定农药西维因和甲硫威时，用LP-GC-MS测定的响应值高于传统GC-MS。

LP-GC-MS比传统GC-MS能提供更低的检测[8]。

LP-GC-MS虽然有很多优点，但其短的色谱柱长度使其理论塔板数降低，进而影响到色谱柱的分离能力，尤其是在分离同分异构体上。

Tomas
Cajka等在Katerina Mastovska的基础上用PTV-LP-GC-MS-HR-TOF法分析以水
果为原料制备的婴儿食品中111种农药。

PTV和HR-TOF的使用使LP-GC-MS更快速，更灵敏。

Tomas Cajka对比了用LP-GC-MS和传统GC-MS分析的六六六(BHT)四种同分异构体，DDT同分异构体，苯醚甲环唑同分异构体的色谱
图。

结果表明这些同分异构体在LP-GC-MS上有低的分辨率[3]。

尽管如此，在其他农药得到高效分离的情况下，LP-GC-MS的实际理论塔板数是GC-MS的
2/3，加上其快速的分离速度和高的灵敏度，，LP-GC-MS比传统GC-MS更适和日常的实验室分析中。

Stanis?aw Walorczyk等用LP-GC-MS-QQQ法测定了蔬菜Stanis?aw Walorczyk中78中农药。

不同于Tomas Cajka和Katerina Mastovska，
用HP-10m×0.32mm×0.25um串联2.5m×0.15mm做色谱柱，在优化的条件下同样实现了LP-GC-MS的快速和高灵敏度的特点。

LP-GC-MS仅用了13.3min就完成了分析，而传统GC-MS用了37min接近LP-GC-MS的三倍。

同时Stanis?aw Walorczyk在实验中证明了传统GC-MS比LP-GC-MS更易出现假阴性结果[9]。

M.J.Gonzalez-Rodriguez,A等用LP串联离子阱法成功分析了蔬菜中的农药[10]。

综上LP可与四级杆、飞行时间、离子阱串联用于农药多残留分析。

7 结论
气相色谱与四级杆、三重四级杆、离子阱、飞行时间质量分析器串联已广泛应用在农残分析中。

气相色谱串联三重四级杆是实验室分析农残时最为常用也是应用最熟练的检测方法，且有许多标准谱库使定性简单易操作。

气相色谱串联飞行时间在低压力条件下结合PTV进样技术是气质联用未来的发展方向。

8 参考文献
[1] F.J. Arrebola , J.L. Mart? ?nez Vidala, M. Mateu-Sánchez , F.J. Álvarez-Castellón (2003) J
Analytica Chimica Acta 484 :167–180
[2] Msahiro OKIHASHI, Yoko KITAGAWA, Kazuhiko AKUTSU, Hirotaka OBANA and Yukio
TANAKA (2005) J. Pestic. Sci., 30(4), 368–377
[3]Tomas Cajka , Jana Hajslova , Ondrej Lacina , Katerina Mastovska，Steven J. Lehotay (2008) J Journal of Chromatography A, 1186: 281–294
[4] Jeong-Min Lee , Jin-Won Park, Gi-Chul Jang, Keon-Joong Hwang (2008) J Journal of
Chromatography A, 1187 :25–33
[5] Rosa M，Gonzalez-Rodr?guez, Raquel Rial-Otero, Beatriz Cancho-Grande, Jesus
Simal-Gandara (2008) J Journal of Chromatography A, 1196-1197:100-109
[6] Colin F. Poole (2008) J Journal of Chromatography A,1158:241-250
[7]J.L.Mart?inez Vidal, F.J.Arrebola, A.Garrido Frenich, J.Martinez Fernandez, M. Mateu-Sanchez (2008) J Chromatographia，59:321-327
[8] Katerina Mastovska，Stenve J.Lehotay，Jana Hajslova (2001) J Journal of Chromatography A, 926:291-308
[9] Stanis?aw Walorczyk，Bogus?aw Gnusowski (2006) J Journal of Chromatography A,1128:
236-243
[10]M.J.Gonzalez-Rodriguez,A，Garrido-Frenich, F.J.Arrebola
J.LmartnezVidal J Rapid Commun. Mass Spectrom. 16 (2002) 1216.。