利用MALDI—TOFMS检测农药的新方法

张建刚+谢晋鹏+张丽+赵晋忠+马望京

摘要：以新合成的温和氧化石墨烯为基质，成功实现了用基质协助激光解吸离子飞行时间质谱（MALDI-TOFMS）的方法对阿克泰、高效氯氰菊酯、残杀威、吡虫啉、猛杀威、乐果等6种农药的检测，得到良好的检测特征图谱，成功地避免了用MALDI-TOFMS检测农药等小分子时的基质干扰，探索了快速检测农药的新方法，同时也为其他痕量有机污染物的检测提供了新思路。

关键词：MALDI-TOFMS；农药；检测方法；温和氧化石墨烯

中图分类号： S481+.8文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0172-03

为消除病虫害对农作物的影响，人们在植物的生长过程中使用了大量农药，但农药的使用具有双面性，一方面带来了粮食增产，另一方面也带来了环境和食品安全问题。近年来，有关食品中农药残留对人体造成严重危害的事例屡次被报道。目前，对农药残留的检测主要使用色谱法，但色谱法检测仪器复杂，样品前处理过程繁杂，严重影响食品残留的日常检测，因此，迫切须要发展一种检测速度快且前处理程序简单的新方法。

由于基质离子对小分子的表征和检测有严重的干扰，基质协助激光解吸离子飞行时间质谱（MALDI-TOFMS）一直不适用于对小分子物质进行分析检测[1-2]。近年来科学家们投入了相当大的努力解决MALDI-TOFMS在小分子检测方面的问题。各种新基质材料被开发出来应用于小分子的分析，且效果比较显著[3-16]。石墨烯光电特性优良，是吸收能量、储存能量和转移能量的优异材料[17-19]，近年来笔者所在课题组尝试把石墨烯材料作为MALDI-TOFMS的新基质使用，取得了一些成果。

本研究以温和氧化石墨烯为基质，用MALDI-TOFMS在正离子模式下对阿克泰、高效氯氰菊酯、残杀威、吡虫啉、猛杀威、乐果6种常见农药进行检测，得到了满意的效果，建立了一种简便快速检测农药的新方法，该方法的建立也有助于启发其他痕量有机污染物的质谱检测。

1材料与方法

1.1材料及仪器

高效氯氰菊酯、阿克泰、残杀威、吡虫啉、猛杀威、乐果均为标准品，乙醇、乙腈、二氯甲烷均为阿拉丁试剂，石墨烯来自江苏南京先锋纳米材料科技有限公司，所用药品皆为分析纯，试验用水为二次蒸馏水。

投射电镜和扫描电镜分别在Tecnai G2 20 S-TWIN显微镜和德国LEO1530VP显微镜下扫描，投射电镜电压为 200 kV，扫描电镜电压为20 kV。红外光谱扫描使用尼科利特550系列红外光谱仪，溴化钾压片。飞行时间质谱在德国Bruker Autoflex Ⅱ型光谱仪上测量，测量过程中采用正离子模式。加速电压范围为+20 kV～-20 kV，该仪器装配有氮激光器，可提供（93.8～121.8） μJ范围的能量。

1.2试验方法

准确称取1 mg温和氧化石墨烯于2 mL离心管中，加入 1 mL 混合溶剂（乙醇 ∶水体积比=1 ∶1）超声10 min形成悬浊液，测量时先取1 μL温和氧化石墨烯悬浮液于MALDI板上，溶剂自然挥发后加入1 μL被测样品于干燥的氧化石墨烯材料上，溶剂挥发形成共晶体后在正离子模式下测定记录其MALDI-TOFMS质谱图。

2结果与分析

2.1温和氧化石墨烯材料的制备及表征

溫和氧化石墨烯即石墨烯被硝酸温和氧化，具体操作为将200 mg石墨烯分散于20 mL 2 mol/L硝酸溶液中，于 105 ℃ 在高速磁力搅拌下反应7 h，待冷却后用二次蒸馏水洗涤5次，冷冻干燥后得到温和氧化石墨烯。其合成示意图见图1。

合成过程使用硝酸对石墨烯进行温和氧化，该过程有双重意义：一是生成一定量的羧基基团，保证不破坏石墨烯的表面结构，不影响其吸收电子和传输电子的能力。这些羧基基团的生成不仅增大了石墨烯的醇溶性或水溶性，也增强了石墨烯的反应活性，有利于该材料与被测分子进行结合。

2.2温和氧化石墨烯材料的结构特性表征

为确定合成材料准确无误，试验中分别采用扫描电镜、红外光谱、投射电镜等方法对温和氧化石墨烯进行结构表征，结果如图2、图3所示。图2显示，由于石墨烯本身结构单一，其红外光谱图是一条光滑的谱线，没有吸收峰出现。温和氧化石墨烯的红外光谱图则于1 622、3 450 cm-1 2处位置有新的吸收光谱峰出现，意味着在石墨烯表面上有羰基和羧基形

成，另外这2处吸收峰的强度都比较低，表明石墨烯表面氧化程度较小，只发生了部分氧化。

石墨烯具有单原子薄层结构，光电特性优良，是吸收能量、储存能量和转移能量的优异材料。本研究采用扫描电镜和投射电镜的方法对该温和氧化石墨烯进行了表面特征和内部结构表征，结果如图3所示。从这2张图中可以明显地观察到，温和氧化石墨烯具有较大的平面结构，而且褶皱特征非常明显，该特征正是石墨烯单分子层结构的特性表现，进一步验证了笔者合成的复合材料没有破坏石墨烯本身的理化结构，不影响其吸收能量、储存能量和转移能量的特性。该石墨烯材料具有作为MALDI-TOFMS基质进行研究与应用的可行性。另外石墨烯在电场中发生电离后通常只产生很少的碎片离子，并且这些离子碎片都是12的整数倍，这一特征在对小分子的检测过程中很容易被发现排除，因此该温和氧化石墨烯作为基质对小分子农药的测量不形成干扰。

2.3样品的MALDI-TOFMS分析

本试验以上述合成的温和氧化石墨烯为基质，采用“12”节中所述MALDI-TOFMS分析的方法对残杀威、猛杀威、吡虫啉、阿克泰、乐果、高效氯氰菊酯6种农药进行检测分析，质谱图如图4所示。该过程是在正离子模式下进行的，每种农药的特征吸收峰（[M+H]+或[M+Na]+或[M+K]+）都能清晰地被检测出来，其特征位置峰结果见表1。这些吸收峰都是每种农药的特征吸收峰，可以作为对该种农药定性检测的依据，各自的成功检出实现了该方法对这些杀虫剂的定性检测。endprint

3結论与讨论

本试验通过硝酸氧化法合成了温和氧化石墨烯，以该石墨烯材料为新基质，用MALDI-TOFMS法测得残杀威、阿克泰、猛杀威、乐果、吡虫啉、高效氯氰菊酯6种农药的特征图谱，以此实现对6种农药的定性检测。本试验以石墨烯材料为新基质，成功地避免了用MALDI-TOFMS检测农药等小分子时的基质干扰，探索了一种快速检测常见农药残留的新方法。该方法具有操作简单、检测速度快等优点。该方法的建立也为其他痕量有机物的检测提供了新思路。

参考文献：

[1]Zhang J G，Zhang L，Li R，et al. Magnetic graphene composites as both an adsorbent for sample enrichment and a MALDI-TOFMS matrix for the detection of nitropolycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5[J]. Analyst，2015，140（5）：1711-1716.

[2]Rivas D，Ginebreda A，Pérez S，et al. MALDI-TOFMS imaging evidences spatial differences in the degradation of solid polycaprolactonediolinwaterunderaerobicanddenitrifying

conditions[J]. Science of the Total Environment，2016，566-567：27-33.

[3]Soltzberg L J，Patel P. Small molecule matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry using a polymer matrix[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2004，18（13）：1455-1458.

[4]Wei J，Buriak J M，Siuzdak G. Desorption-ionization mass spectrometry on porous silicon[J]. Nature，1999，399（6733）：243-246.

[5]Lewis W G，Shen Z，Finn M G，et al. Desorption/ionization on silicon （DIOS） mass spectrometry：background and applications[J]. International Journal of Mass Spectrometry，2003，226（1）：107-116.

[6]Zhang Q C，Zou H F，Guo Z，et al. Matrix‐assisted laser desorption/ionization mass spectrometry using porous silicon and silica gel as matrix[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2001，15（3）：217-223.

[7]Zou H F，Zhang Q C，Guo Z，et al. A mass spectrometry based directbinding assay for screening binding partners of proteins[J]. Angewandte Chemie International Edition，2002，41（4）：646-648.

[8]Guo Z，Zhang Q C，Zou H F，et al. A method for the analysis of low-mass molecules by MALDI-TOF mass spectrometry[J]. Analytical Chemistry，2002，74（7）：1637-1641.

[9]Gholipour Y，Giudicessi S L，Nonami H，et al. Diamond，titanium dioxide，titanium silicon oxide，and barium strontium titanium oxide nanoparticles as matrixes for direct matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry analysis of carbohydrates in plant tissues[J]. Analytical Chemistry，2010，82（13）：5518-5526.

[10]Lorkiewicz P，Yappert M C. Titania microparticles and nanoparticles as matrixes for in vitro and in situ analysis of small molecules by MALDI-MS[J]. Analytical Chemistry，2009，81（16）：6596-6603.

[11]Castro A L，Madeira P J A，Nunes M R，et al. Titanium dioxide anatase as matrix for matrix-assisted laser desorption/ionization analysis of small molecules[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2008，22（23）：3761-3766.endprint

[12]Castro A L，Madeira P J A，Nunes M R，et al. Titanium dioxide anatase as matrix for matrix-assisted laser desorption/ionization analysis of small molecules[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry，2008，22（23）：3761-3766.

[13]RainerM，Najam-UL-HaqM，HuckC W，et al. Carbon based

sample supports and matrices for laser desorption/ionization mass spectrometry[J]. Recent Patents on Nanotechnology，2007，1（2）：113-119.

[14]Sunner J，Dratz E，Chen Y C. Graphite surface-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry of peptides and proteins from liquid solutions[J]. Analytical Chemistry，1995，67（23）：4335-4342.

[15]Han M，Sunner J. An activated carbon substrate surface for laser desorption mass spectrometry[J]. Journal of the American Society for Mass Spectrometry，2000，11（7）：644-649.

[16]Xu S Y，Li Y F，Zou H F，et al. Carbon nanotubes as assisted matrix for laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry[J]. Analytical Chemistry，2003，75（22）：6191-6195.

[17]Pumera M. Electrochemistry of graphene：new horizons for sensing and energy storage[J]. The Chemical Record，2009，9（4）：211-223.

[18]Kim K S，Zhao Y，Jang H，et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes[J]. Nature，2009，457（7230）：706-710.

[19]李惠茗，張惠怡，赖祥文，等. 鞣酸功能化石墨烯修饰电极上芦丁的电化学行为及灵敏检测[J]. 分析测试学报，2016，35（3）：292-298.吴威，赵天明，张振，等. 白芨中天然化合物的酶解法提取[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：175-178.endprint