气相色谱法检测农药残留过程中基质效应的研究

张妮 王敏

摘要对农药残留检测过程中基质效应的产生机理、影响因素、消除和补偿办法进行了系统阐述。影响基质效应的因素主要包括：目标分析物的结构、性质和浓度；基质的类型和浓度；色谱条件（进样过程、检测器类型、衬管和色谱柱的污染情况以及样品前处理过程等）。目前基质效应的消除与补偿方法主要包括基质匹配法、基质净化法、加入分析保护剂、同位素内标法、优化进样技术法、标准加入法、校正因子校准法等。

关键词基质效应；农药残留；影响因素；补偿办法

中图分类号S481+.8；O657.7文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07073-03

Matrix Effect Research on Detection of Pesticide Residues by GC

ZHANG Ni et al （Shanghai Deno Products Testing Service Co.Ltd，Shanghai 200436）

Abstract The generation mechanism，influencing factors and remedies to eliminate or compensate matrix effect during the detection course of pesticide residues are systematically expounded.The main influencing factors include structure，property and concentration of the target analytes； types and concentration of matrix； chromatographic condition （sampling process，detector types，screened pipe，pollution status of chromatographic column and sample pretreatment process）.The elimination and compensation methods of matrix effect include matrix matching method，matrix purification method，adding analysis protective agent，isotope internal standard method，optimal sampling technique method，standard adding method and correction factor method and so on.

Key words Matrix effect； Pesticide residues； Influencing factors； Compensation methods

现代农业中农药被广泛应用，在提高作物产量方面贡献很大，但也存在一定的滥用现象，既造成环境污染、影响出口，又损害人类健康。欧盟（EU）、联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）均对蔬菜、水果和动物性组织中各类农药的最大残留限量（MRLs）进行了限定。因此，如何对农药残留进行精确定量是食品安全控制和农药使用监管的重要技术保障。然而，色谱或质谱分析检测农药残留时，不可避免地存在一定的基质效应，严重影响了其定量准确性。

国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）定义基质效应为“样品中除分析物以外的其他成分对待测物测定值的综合影响”[1]。由基质引起的响应信号增强或降低的现象分别称为基质增强效应和基质减弱效应。气相分析中农药多表现为不同程度的基质增强效应，液质分析中则多表现为离子减弱效应。在色谱的微量和痕量分析中，基质效应严重影响了目标分析物的定量准确度，越来越多的农药残留检测规范均要求考虑基质效应。因此在农药残留检测方法的开发、验证和应用过程中，如何消除或补偿基质效应越来越受检测工作者的关注。为此，笔者介绍了农药残留检测过程中基质效应的影响因素、消除和补偿办法，以期为农药残留分析的精确定量提供借鉴。

1基质效应的产生机理

气相色谱中，基质效应产生的根本原因在于活性位点。样品中的基质组分与目标分析物分子竞争进样口或柱头上由硅烷基、金属离子或沉积性基质组分的热分解产物形成的活性位点，因而减少了敏感化合物与活性位点的反应机会，使其在色谱上的响应较纯溶剂中高。液相色谱中，基质效应的产生一般认为是液相共流出组分与目标分析物竞争离子化液滴表面，因此干扰被测组分的色谱响应值[2]。

2基质效应的影响因素

影响基质效应的因素主要包括：目标分析物的结构、性质和浓度；基质的类型和浓度；色谱条件（进样过程、检测器类型、衬管和色谱柱的污染情况以及样品前处理过程等）。

2.1分析物的结构、性质和浓度同种基质溶液中不同种类农药的基质效应差异较大。HAJSˇLOV等[3]总结了农药结构与基质效应强弱的关系，等基团的农药通常表现出较强的基质效应。如甲胺磷、乙酰甲胺磷、氧乐果和久效磷等典型敏感农药，在样品基质中的响应值比在纯溶剂中要高得多。氨基甲酸酯类农药因极性较强，在液相或液质分析中一般受到较强的抑制作用。嘧霉胺、氟虫腈、哒螨灵、苯醚甲环唑均含有-N=结构，在气质分析中基质增强效应较明显。

另外，基质效应的大小与基质中分析物的浓度存在一定关联，低浓度水平基质效应大于高浓度水平[4]。江燕玲等[5]按基质与待分析农药9∶1的比例配制基质校正标准溶液，有效解决了18种有机磷农药的基质干扰问题。

2.2基质的类型和浓度受基质的种类、pH、浓度和状态等因素的影响，不同基质呈现不同的化学环境，导致同种农药在不同種类基质中的基质效应差异较大。

硫丹、甲胺磷、甲基对硫磷在辣椒中的基质效应明显高于黄瓜[6]。铁观音提取液对甲胺磷、乙酰甲胺磷和三唑磷的基质效应明显高于白茶和岩茶[7]。酸性基质中百菌清的基质效应较强，而葱蒜类或碱性基质中百菌清则存在显著降解或抑制的现象[8]。不同基质中溴氰菊酯2个异构体峰的比值也存在显著差异，酸性基质能抑制溴氰异构体2向异构体1的转化[9]。

分析物浓度保持不变的条件下，随着基质浓度的增大，基质效应的强度也不断增大。易盛国等[10]则认为基质的含水量越高，基质效应越弱；而糖类、脂类、蛋白质类能增大基质效应的影响。

2.3色谱条件基质效应受色谱系统如进样技术、进样口的温度变化、衬管的活性、检测器类型以及色谱柱的污染程度等的影响。全新色谱柱基本没有基质效应，而截过的色谱柱基质效应较明显[11]；电喷雾电离源（ESI）较大气压化学电离源（APCI）更易受到基质效应的影响[12]。

宋春满等[13]在检测烟叶和土壤中有机氯残留过程中的基质效应轻微，认为与有机氯农药热稳定性较好、使用固相萃取柱净化及脉冲不分流进样技术有一定关系。

3基质效应的补偿办法

目前基质效应的消除与补偿方法主要包括基质匹配法、基质净化法、加入分析保护剂、同位素内标法、优化进样技术法、标准加入法、校正因子校准法等。

3.1基质匹配法该法是目前应对基质效应难题的最实际的解决方法，通过模拟样品的基质环境，以补偿标样中因受基质影响而导致的部分农药的吸附或降解。根据欧盟等组织的要求，样品校正应采用完全匹配的基质标样。对常规残留检测实验室来说，日常工作涉及的样品种类繁多，实现样品基质的完全匹配并預先筛选出相对应的空白样品基质大大增加了检测工作量，可操性差。MARTNEZ等[14]建议选择黄瓜和西瓜分别作为蔬菜和水果的通用基质。在农残的快速筛选方面，通用基质校准法尚可满足检测要求。但对于超标或疑似超标样品，需用与该样品种类完全匹配的空白基质进行定量校正。

3.2基质净化法样品中农药残留的测定可归纳为提取、净化、浓缩和色谱测定4个步骤。植物源性样品主要考虑去除色素、糖类、酸类等的影响；动物源性样品主要需要去除脂肪、蛋白质等的影响。冷冻分离、液液分配、凝胶渗透色谱（GPC）和固相萃取（SPE）等萃取净化方法已广泛用于消除共萃物的干扰。由于现代分析系统检测灵敏度的提高和仪器检出限的降低，样品稀释法是最简单的一种基质净化法。而QuEChERS方法是目前测定各类样品（主要针对非脂肪性样品）中农药残留应用最广的一种样品制备技术。

SCHENCK等[15]研究了不同固相萃取小柱（GCB、C18、SAX、NH2和PSA）净化果蔬中干扰基质的效果，结果表明，NH2和PSA去除果蔬中的脂肪酸、有机酸和各种糖类的效果最好；GCB具备较强的表面分子亲和力，去除叶绿素和类胡萝卜素等色素类物质效果最好；C18和SAX的净化效果相对较差。

王贵双等[16]比较了磺化法（浓硫酸处理法）和SPE小柱净化法2种前处理方式对粮谷类基质中17种有机氯和菊酯类农药气质联用法测定的影响，结果表明，磺化法比SPE小柱净化法去除基质尤其是脂肪、蜡质等杂质更彻底，基质效应大大减弱。但狄氏剂、异狄氏剂、异狄氏剂醛、十氯酮、α硫丹、β硫丹、反环氧七氯、三氯杀螨醇和菊酯类农药在硫酸处理下损失严重，局限了磺化法在多残留同时检测上的应用。

基质成分一定程度上的净化能改善基质中共萃物产生的基质效应；但目前为止，没有一种样品制备方法能彻底去除基质成分，即使去除较彻底，也是以损失部分农残的回收率为代价。

3.3加入分析保护剂分析保护剂（也称掩蔽试剂）是具有基质补偿效果的单一化合物或简单混合物，通常含有多羟基基团，能保护敏感农药不被进样口附近的活性位点吸附，在减少基质诱导的衰减效应、改善色谱峰形、提升方法的稳定性和减少系统的维护方面有显著优势。已用于农残分析的分析保护剂主要有3乙氧基1，2丙二醇、L古洛糖酸γ内酯、聚乙二醇（PEG200、PEG400）、三梨醇、乙烷基丙三醇等。

LI等[17]研究了11种不同浓度和不同组合的保护剂对186种农药在绿茶、乌龙茶、红茶中基质效应的影响，聚三甘油（2 mg/ml）和D核糖酸γ内酯（2 mg/ml）联合使用的补偿效果最好，96%以上的农药回收率均在70%～120%。张丽莉[7]研究发现，以山梨醇、果糖、木糖为分析保护剂，甲胺磷和乙酰甲胺磷的回收率均接近100%，其中木糖的补偿效果最佳，果糖会引起待测农药保留时间的漂移。宋莹[18]以乙酸钠-乙酸缓冲体系作为类分析保护剂测定果汁中农药多残留时，发现多数农药回收率降低，部分甚至低于50%。但若同时加入山梨醇作为分析保护剂，农药回收率（除丁硫克百威和氧化乐果外）均在70%～120%。

3.4同位素内标法测定敏感化合物时加入同位素内标或氘代内标，既可补偿前处理过程中目标物的损失，又可减少因基质效应引起的目标物响应值的变化。同位素内标应具备与待测物相似的物理化学性质，出峰时间与待测物相近且不妨碍其他待测物的定性和定量。

已有的文献报道中，QuEChERS方法多采用三苯基磷酸酯（TPP）作为内标物质[19-20]。关雅倩[21]则认为最理想的内标是同位素稀释剂，根据受基质干扰的程度将农药分组，确定D6乐果为乐果的内标，D10毒死蜱为三唑磷、毒死蜱、杀扑磷、马拉硫磷的内标，D3多菌灵为多菌灵和丁硫克百威的内标，TPP为甲萘威、抗蚜威、残杀威、异丙威的内标。并非所有农药都能找到相对应的同位素内标，且内标的价格较昂贵，局限了该方法在补偿基质效应方面的应用。

3.5优化进样技术脉冲不分流进样技术，即通过高流速快速将样品从进样口吹出，减少了进样口处分析物的吸附和分解，相对于传统的不分流进样技术能显著提高敏感农药的响应值。缺点是会加快对色谱系统（柱头和色谱柱）的污染速度。连接预柱、衬管中添加脱活玻璃棉可减小对GC系统的损害。程序升温汽化（PTV）进样通过进样口的快速加热和冷却，减少了不稳定性农药的热分解，而且较高的PTV载气流速减少了衬管中目标分析物的停留时间，一定程度上抑制了难挥发性物质沉积于衬管内形成活性位点。

3.6标准加入法标准加入法（也称标准增量法）是将已知梯度浓度的分析物加入到含有待测分析物的样品中，分析加入前后的色谱响应值，拟出标准曲线，由标准曲线计算出实际样品中目标物的含量[22]。该方法尤其适合少量样品中单一分析物的准确定量。

低浓度样品初次检测时农药的基质效应相对较大，叠加后再检测时因农药浓度增大而基质效应减小且减小幅度较大，2次检测中基质效应的差异使定量结果偏高，该种影响对基质效应随浓度增加而减小，幅度大的农药品种尤为明显。氧乐果和久效磷在低浓度的回收率有偏高趋势，与基质效应的该种变化有关。当基质溶液中农药的浓度提高到0.5 mg/L及以上时，农药的基质效应本身相对较小，浓度对基质效应的影响也明显减弱，各农药微量叠加法定量的回收率均准确且稳定[23]。

3.7校正因子校准法该法在校正和评估基质效应方面的应用得力于化学计量学在农残分析中的应用与发展，有学者利用纯溶剂标准曲线校正基质匹配标准曲线获得校准因子，建立统计校正模型，以校准由基质效应引起的系统误差。但该方法的应用要求系统环境和操作条件必须稳定。这在常规检测过程中很难实现，因为同一台仪器检测不同的项目后，玻璃衬管的活性会发生变化，导致纯溶剂校准曲线会发生较大变化，很难保持稳定。

4结论

基质效应对目标分析物的定性与定量有不同程度的影响，需要对基质效应进行一定的消除或补偿。目前，在净化样品方式和校正措施方面都取得较好成果，但影响基质效应的因素十分复杂，难以完全消除样品基质对分析物准确分析的影响。但随着科学技术的发展，将会有更先进的仪器和更加惰性的材料应用于农药残留分析领域，最大程度上降低基质效应的影响。

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