固相微萃取—离子迁移率谱快速检测茶饮料中痕量敌敌畏

王瑾香等

摘要 采用自制的电晕放电离化离子迁移率谱仪进行茶饮料中痕量敌敌畏快速检测。漂移管温度为180℃，漂移气为干燥氮气。通过在茶饮料中添加敌敌畏制成加标样品，以固相微萃取作为样品预处理方法，对不同浓度的加标样品进行检测。利用高温工作的漂移管实现萃取棒中待测物的热解吸，整个检测过程可在15 min内完成。本方法适用于敌敌畏、马拉硫磷的快速检测，基于3倍信噪比的茶饮料中敌敌畏检测限可低至6 μg/kg。

关键词；离子迁移率谱；固相微萃取；茶饮料；敌敌畏

1引言

有机磷农药是我国目前使用范围最广、使用量最大的杀虫剂之一，其在食品中的残留对人类健康构成了严重威胁[1]。世界各国高度重视该问题，制定愈来愈严格的农药残留限量标准来遏制“药从口入”。

食品中有机磷农药残留的常用检测方法有气相色谱火焰热离子检测（GCFTD）、气相色谱火焰光度检测（GCFPD）、气相色谱质谱法（GCMS）以及高效液相色谱二极管阵列检测（HPLCDAD）等。离子迁移率谱[2]（Ion mobility spectrometry， IMS）作为质谱学的一个重要分支，是20世纪60年代末70年代初发展起来的一种微量化学物质分析技术。与传统的分析仪器相比，IMS具有检测快速、灵敏度高、操作简单、仪器成本低等优势，可在常压下对物质进行分离检测，适合现场检测。在进行微量物质IMS检测时，待测物质通过电离过程形成产物离子，然后在电场作用下迁移，由于产物离子电荷、碰撞截面、质量等不完全相同，因此在漂移管中迁移速度不同，到达检测器的时间不同，根据产物离子在漂移管的迁移时间实现对待测物的分离检测。IMS已在爆炸物、毒品和化学毒剂等痕量物质快速检测领域得到广泛应用。随着食品安全问题日益突出，将IMS应用于食品中农药残留检测的研究也逐渐增多[3～5]。

食品中的农药残留含量较低且各类食品的组成成分复杂、干扰组分多，采用现代分析仪器直接测定往往比较困难，需借助净化、分离、富集等样品预处理技术与之相配合。有机磷农药残留检测常用的样品预处理方法有单滴液相微萃取、中空纤维液相微萃取以及悬浮固化液相微萃取等，这些方法操作过程繁琐，不利于现场快速检测。固相微萃取技术[6]（Solid phase microextraction，SPME）是在固相萃取技术基础上发展起来的一种集取样、萃取、富集、进样于一体的无溶剂技术，由于其具有富集倍数高、装置简单、环境友好等特点，已经广泛应用于痕量物质检测[7～9]。IMS用于食品中农药残留检测时，为了达到较高的灵敏度并减小基质干扰，一般也需要进行样品预处理。文献[10，11]将SPME应用于IMS样品预处理，在商品化的IMS仪器进样口前端设置额外的热解吸单元，并加入载气将热解吸后的样品送入IMS漂移管，实现对痕量氯酚、樟脑、安定以及可卡因等物质的快速检测。

农药残留一直是茶叶贸易中的敏感问题，由于茶叶提取物中杂质含量较高，检测中经常需要繁琐的样品预处理。近年来随着茶饮料市场的蓬勃发展，茶饮料工业已成为我国传统茶产业的重要组成部分。本研究将SPME样品预处理与IMS检测方法相结合，在高温漂移管内直接完成SPME热解吸，实现加标茶饮料样品中痕量敌敌畏的快速检测。

2实验部分

2.1实验装置

自制的离子迁移率谱仪如图1所示。该仪器采用电晕放电（Corona discharge， CD）离化方法，主体部分漂移管包括离化区和漂移区，由内径分别为Ф 36 mm和Ф 38 mm的不锈钢环和聚四氟乙烯环交替重叠而成。漂移管离化区前端有一聚四氟乙烯圆柱体将漂移管内腔与外界隔开，

电晕放电针位于该圆柱体中心，在圆柱体偏离圆心约1 cm的位置开有小孔用于进样时插入SPME萃取棒。离子迁移率谱仪还包含高压源、离子门控制电路、小信号放大器、气路系统、数据采集系统等支持漂移管工作的外围部件。

实验中离子迁移率谱仪工作于常压正离子模式，漂移气体为经分子筛干燥净化的高纯氮气。经优化的实验参数如下：电晕针电压10.0 kV，漂移管电压7.0 kV，漂移区长度12.7 cm，漂移区电场强度425 V/cm，漂移管温度180℃，漂移气流量1 L/min，离子门开门时间300 μs。

2.2实验试剂

甲醇（色谱纯，北京化学试剂公司）、敌敌畏标准品（北京坛墨质检科技有限公司，以甲醇配制为1 g/L）、马拉硫磷（纯度为90%，天津华宇农药厂）、聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard184，道康宁公司）、某品牌茶饮料（购自超市）。农药样品为甲醇配制的1 g/L标准样品，使用时用去离子水稀释成不同浓度的待测样品。

2.3实验方法

以固相微萃取作为样品预处理方法，采用自制的涂有PDMS的玻璃棒作为萃取棒，其制作方法如下：将Sylgard184主剂与固化剂按10：1的比例混合均匀，真空去气后备用；外径1.2 mm、内径1 mm，前端封口的玻璃毛细管依次经98%浓硫酸、去离子水清洗、烘干后浸入PDMS约2 cm使其表面涂覆一层PDMS，然后在空气中80℃下固化2 h。萃取棒表面PDMS厚度50 μm，总体积4 μL。萃取棒使用前经300℃热空气加热2 min以去除PDMS吸附的杂质。

实验中，量取3～4 mL待测样品于样品瓶中，将涂有PDMS的萃取棒前端静置于样品瓶中萃取15 min后取出，直接将萃取棒插入漂移管，利用高温工作的漂移管实现萃取棒中待测物的热解吸。由于漂移管温度分布不均匀，不同位置的萃取棒对应的解吸温度有所差异；另外，解吸产生的中性待测物在漂移气体作用向出口方向漂移，其初始分布区域还影响到待测物的电晕放电离化情况。这些因素都造成热解吸过程中萃取棒的位置对产物离子峰信号强度的影响。实验发现， 在萃取棒进入漂移管长度1 cm时产物离子峰的信号强度最大，而且在萃取棒插入漂移管后，产物离子峰强度随时间先增后减，在30 s后降低到最大值的10%以下，解吸过程可在30 s内完成。通过在萃取棒后端合适位置标记可以保证每次进样时萃取棒进入漂移管的长度均为1 cm。本研究通过示波器（泰克 TDS2022C）记录样品产物离子峰强度最高的图谱作为IMS对被测物的响应图谱，并以被测物特征离子峰高作为IMS对被测物的响应信号。

3结果与讨论

3.1敌敌畏标准样品检测

浓度为200 μg/kg敌敌畏标准品的谱图和空白谱图如图2所示。空白图谱中的a、b、c分别为大气中痕量水及氮气形成的。a， b， c分别为大气中痕量水及氮气的NH+（H2O）n， NO+（H2O）n和H+（H2O）n离子峰，其中n的数目取决于漂移气中水含量和IMS漂移管的工作温度[12]。敌敌畏标准样品离化后产生两个产物离子峰d和e。

在正离子模式下，四丁基溴化铵的约化迁移率受漂移管温度、漂移电场强度及其它因素的影响很小[13]，本研究利用四丁基溴化铵作为离子迁移谱仪的标定物，根据公式（1）计算敌敌畏产物离子峰对应的约化迁移率：K0 exp=K0 caltd caltd exp（1）式中， K0 cal为标定物离子的约化迁移率，td cal为标定物离子峰对应的漂移时间， td exp为被测物离子峰对应的漂移时间，K0 exp为被测物离子的约化迁移率。计算敌敌畏产物离子峰d和e对应的约化迁移率分别为（1.71±0.03 cm2/（V·S））和（1.56±0.02 cm2/（V·S））。

文献[14]报道了IMS对有机磷农药的检测，采用63Ni作为离化源，敌敌畏有3个特征离子峰，其约化迁移率分别为（1.53±0.07 cm2/（V·S）），（1.29±0.06 cm2/（V·S））和（1.71±0.04 cm2/（V·S）） ， 其中第一个特征离子峰的约化迁移率与本研究中离子峰e的约化迁移率相吻合。本研究选择离子峰e作为敌敌畏的特征峰。

将不同浓度敌敌畏标准样品经萃取后进样检测，得到敌敌畏标准品的IMS响应浓度曲线如图3所示

随着目标分析物浓度的提高，得到IMS谱图中产物离子峰的幅值也相应提高。当样品浓度为0.1 mg/kg时，特征离子峰的幅值已达到0.5 V以上；当样品浓度低于1 mg/kg时，特征离子峰的幅值随样品浓度增加而迅速增加；当样品浓度高于1 mg/kg时，IMS响应趋于饱和，特征离子峰的幅值随样品浓度增加幅度放缓。

3.2实际茶饮样品中的敌敌畏检测

市售茶饮料中主要有效成分为蔗糖、茶多酚、氨基酸，同时含少量有机酸、色素及其它一些食品添加剂。茶多酚、咖啡因、色素等物质在农残检测中对农药的萃取存在明显的基质效应[15]。为保证图谱完整性，加标后的茶饮料未经处理直接萃取检测。图4为敌敌畏加标浓度为500 μg/kg和未加标茶饮料的IMS谱图，未加标茶饮料在d处（12.6 ms）也出现明显的离子峰，在9.9～11.7 ms范围内有一些小杂峰，这些离子峰主要是由茶饮料基质成份造成的，但本研究选择的敌敌畏特征离子峰e（13.8 ms处）位置并未受到茶饮料基质的影响。

通过改变敌敌畏加标量，配制不同浓度加标茶饮料样品进样检测，加标浓度范围为0.001～2 mg/kg，每组实验进行3次，得到茶饮料加标敌敌畏的IMS响应浓度曲线如图5所示。低浓度范围内敌敌畏特征离子峰e随加标浓度的增加呈线性增加，当实际茶饮料中敌敌畏加标浓度为10 μg/kg时，IMS图谱中敌敌畏特征离子峰e强度达到0.35 V。随着实际样品中敌敌畏加标浓度的继续增加，特征离子峰e的强度也不断递增，且逐渐趋于饱和。根据3倍信噪比计算敌敌畏检出限为6 μg/kg。

马拉硫磷前后的离子迁移率谱图以及浓度为100 μg/kg马拉硫磷标准品图谱（图6）可见，加标样品图谱中出现马拉硫磷特征离子峰f。

4结论

将离子迁移率谱技术与固相微萃取样品预处理方法相结合，在高温漂移管内直接完成固相微萃取棒的热解吸，实现了茶饮料中痕量敌敌畏的快速检测；萃取检测过程共需约15 min，根据3倍信噪比计算出敌敌畏检出限为6 μg/kg。本方法为饮料中有机磷农药残留的现场快速检测提供了一种可能的选择。

References

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刘小青， 冯海强， 任明兴， 朱 青， 王校常. 核农学报， 2012， 26（6）： 911-918

AbstractCorona discharge （CD） ion mobility spectrometer （IMS） made in our laboratory was used for the rapid determination of trace dichlorovos in tea drinks. The drift gas was dry N2， and the temperature of the drift tube was 180℃. Spiked samples with different dichlorovos concentrations were analyzed by the CDIMS combined with solid phase microextraction. Thermal desorption of the analyte was carried out by inserting the extracting rod directly into the heated drift tube， and the detection process was completed within 15 min. This method could be used for the rapid detection of organophosphorus pesticide residues such as dichlorovos and malathion. The detection limit of dichlorovos in tea drinks based on 3 times the baseline noise was 6 μg/kg.