LC-MS/MS技术在食品中农药多残留分析的应用进展

周纯洁,候美玲,何春兰,刘 欢,杨小珊

(重庆市食品药品检验检测研究院,重庆 401121)

随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高,食品中的农药残留问题已经受到了广泛的关注。目前,世界各国使用的农药种类多样,而且随着农业生产的实际需要,每年都在不断增加农药新品种。GB 2763-2016《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》对433种农药在食品中4140项残留限量作了规定。标准在不断更新,要求检测的农药种类数目也在不断增多,因此发展快速有效、简便实用且覆盖面广的农药多残留分析方法尤其重要。农药多残留分析可以在一次分析过程中,同时获得多种(类)农药的组成及含量信息,可以大大提高检测效率,节省检测成本[1]。

色谱-质谱联用技术是将色谱的高效分离能力和质谱的高灵敏度特点相结合的分离分析技术,可以作为理想的农药多残留分析手段。一直以来,气相色谱-质谱(GC-MS)技术都是农药残留分析的首选方法。然而,由于GC需要在一定温度下先气化再进行色谱分离,因此在分析极性、高沸点及热不稳定的化合物时效果并不理想。与GC相比,液相色谱(LC)在室温条件下便能完成色谱分离,可有效拓宽农药残留的分析范围。液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)既具有LC的常温色谱分离能力,又具有串联质谱的高选择性、高灵敏度和准确性以及能够提供分子结构信息等方面的优点,在农药多残留分析方面具有突出的优势[2]。

本文对近年来LC-MS/MS技术在食品中农药多残留分析检测方面的应用及进展进行了综述,旨在为农药多残留分析技术的研究提供一定的参考。

1 LC-MS/MS的介绍

LC-MS/MS主要由LC、接口装置(离子源)、质量分析器及检测器构成。如图1,样品经LC系统进样,色谱柱分离,从LC流出的被分离组分依次通过接口进入离子源,离子化后在第一级质量分析器根据质荷比分离,通过的离子经碰撞诱导裂解后产生碎片离子,在第二级质量分析器进行质谱分离后分别在检测器上产生信号。质量分析器可以将无法色谱分离的组分实现质谱分离,是质谱仪的核心部分,常用的质量分析器有四级杆(Quadrupole)、线性离子阱(LIT)、静电场轨道阱(Orbitrap)、飞行时间(TOF)等。

图1 LC-MS/MS基本构成Fig.1 Basic composition of LC-MS/MS

Quadrupole是目前农药残留分析中应用最广泛的一类质量分析器,由直流和射频交流电压叠加的四极电场构成,通过设定参数可使特定质荷比(m/z)的离子稳定通过,其它离子则以不稳定的运动碰到四级杆上被吸滤掉,因此又叫四级杆滤质器。Quadrupole具有优良的离子过滤能力,可以用作串联质谱的第一级质量分析器。LIT与Quadrupole的结构非常相似,其工作原理也源自于Quadrupole,通过调整加在两组极杆上的电场参数将离子限定在阱内或使离子进入不稳定状态继而从其中一组极杆上的窄缝中射出。因此,LIT既有离子过滤能力也有离子储存能力。Quadrupole和LIT属于低分辨质谱,而TOF和Orbitrap属于高分辨质谱[3]。TOF主要由一个离子漂移管构成,工作原理是基于动能相同而质荷比(m/z)不同的离子在恒定电场中经过恒定距离所需时间不同进行质谱分离。Orbitrap可视为离子阱的变形,其原理是在静电场作用下,离子沿Orbitrap内部中心内电极做螺旋状运动,其轴向运动可以通过检测镜像电流测定,并利用傅里叶变换转换为频域信号,获得与离子的运动频率相关的质谱数据。根据实际应用目的,将Quadrupole串联或与LIT、Orbitrap、TOF串联,可以在提供更多分子结构信息的同时,获取更高的灵敏度、分辨率和抗干扰能力。

2 LC-MS/MS在食品中农药多残留分析方面的应用

2.1 液相色谱-三重四级杆串联质谱(LC-QqQ)技术

液相色谱-三重四极杆串联质谱是目前应用最广泛、最常规的一类LC-MS/MS。三重四级杆串联质谱(QqQ)将两个具有离子过滤能力的Quadrupole进行串联,采用质谱多反应监测(MRM)模式测定,可有效降低背景噪音的干扰,从而大大提高了检测的灵敏度和准确性,可以作为复杂基质中痕量农药残留的理想分析方法。LC-QqQ已经广泛应用于食品中有机磷类[4,5]、氨基甲酸酯类[6]、苯甲酰脲类[7]、酰胺类[8]、三唑类[9]、三嗪类[10]、苯氧羧酸类[11]等农药多残留分析中。农药多残留分析包括只检测性质相近的某类农药的单类多残留分析和针对多种不同类型农药的多类多残留分析。同类农药化学结构和理化性质相近,因而色谱保留行为和离子化模式等也都具有相似性,在建立单类多残留分析方法时,无论是在样品前处理过程还是仪器分析方面都易于实现。然而,由于多类多残留分析技术在提高检测效率和降低检测成本方面具有显著的优势,农药多残留分析必然由单类向多类方向发展[12-16]。不同类型的农药理化性质差异较大,因而离子化模式各不相同。李蓉等[12]建立了黄瓜、菜心、葡萄、香蕉中有机磷类、氨基甲酸酯类、三唑类、三嗪类、烟碱类、酰胺类等127种农药残留的LC-QqQ检测方法,采用了正负离子切换模式电喷雾电离。液相色谱保留行为也是多类农药多残留分析技术的一大难点。张爱芝等[14]建立了蔬菜中250种农药残留的LC-QqQ快速检测方法,利用超高效液相色谱(UPLC)快速稳定地分离农药,15 min内即可完成色谱及质谱数据的采集,提高了检测效率。

在LC-MS/MS方法开发和验证过程中,基质效应是需要重点考虑的一个问题[17-18]。目前,基质效应的产生机制并不是十分清楚,一般认为是由分析时的共流出物影响了目标化合物的离子化效率所致,表现为离子增强或者离子抑制。虽然科研工作者们通过提高柱温、使用更小粒径和内径的LC色谱柱等方式提高了分离度,从而减少了共流出组分,但仍然难以消除基质效应。基质效应的存在可以影响分析检测的检出限、定量限、线性关系、精密度和准确度等。影响基质效应的因素多种多样,主要是基质种类和基质浓度。李淑娟等[19]利用提取后添加法评价了LC-QqQ检测苹果、草莓、菘菜和圆葱中24种有机磷农药时的基质效应,发现基质效应随着4种蔬菜基质浓度的增加而增大,基质校准曲线和溶剂校准曲线的斜率也各不相同。许文娟等[20]研究了QuEChERS-LC-QqQ法测定姜、大葱、黄瓜、胡萝卜和白菜中17种氨基甲酸酯类农药残留的基质效应,发现除了基质种类和基质浓度以外,农药浓度也会影响基质效应。

当基质效应无法完全消除时,可采用校正补偿的方法降低基质效应。目前常用的校正基质效应的方法有同位素内标法和基质匹配标准溶液法。在农药多残留分析中,得到每种化合物的同位素内标并不现实,且同位素内标普遍价格昂贵。因此,实际检测中,对于有明显基质效应的样品和农药,通常采用基质匹配标准溶液来校准定量。但是,不同样品的基质效应不同,即使同种样品不同批次的基质效应也有差别,在配制基质匹配标准溶液时获得合适的空白样品基质比较困难。随着LC-MS/MS灵敏度的不断提高,基质稀释法也逐渐应用到实际检测中[21]。刘进玺等[22]评价了LC-QqQ测定食用菌中80种农药残留的基质效应,比较了不同前处理方法、基质种类、农药种类及其质量浓度对基质效应的影响,提出针对基质效应较强的农药,在仪器灵敏度允许的前提下,可适当采用稀释法降低基质效应。

2.2 液相色谱-四级杆线性离子阱串联质谱(LC-Q-Trap)技术

LIT与Quadrupole的结构和原理非常相似,因此液相色谱-四级杆线性离子阱串联质谱也可以采用MRM模式进行定量测定。但与Quadrupole不同的是,LIT具有离子储存能力,可通过设定参数将目标离子储存在离子阱中,之后在离子阱内进一步碎裂,获得碎片离子,进行多级质谱(MSn)分析。因此,LIT也可以被看成一种“时间串联质谱”,其对复杂化合物的结构解析能力较强,在定性分析方面优于Quadrupole。LC-Q-Trap除了可以通过MRM模式扫描子离子对,还能进行MS3扫描获得孙离子对的信息,大大提高了复杂基质中痕量成分分析的灵敏度和抗干扰能力,在食品中农药多残留分析领域得到了广泛的应用[23-25]。陈溪等[23-24]建立了一系列大米中多类农药多残留的LC-Q-Trap快速筛查确证方法,通过比对化合物的保留时间、离子对,并采用高灵敏度的EPI谱库检索,实现了多类农药的定性和定量分析。LC-Q-Trap的离子源与LC-QqQ一样,因此在采用LC-Q-Trap进行测定时也存在基质效应。徐诚等[26]利用LC-Q-Trap建立了定量测定柑橘中螺虫乙酯及其4种代谢产物残留的方法,对比研究了MS2和MS3条件下螺虫乙酯及其代谢物的基质效应,发现采用MS3检测时基质效应明显降低。

2.3 液相色谱-四级杆飞行时间串联质谱(LC-Q-TOF)技术

LC-QqQ和LC-Q-Trap均具有高超的定量能力,但在未知物筛查方面难以胜任,且用于多农药残留分析时可同时检测的化合物数量有限。相比之下,飞行时间(TOF)质谱在未知物筛查和全化合物定性分析方面更具优势。TOF的概念早在1946年便被提出,是现今很常用的一种质谱仪[27-28]。TOF属于高分辨质谱,扫描速度快,可检测的分子量范围大,一次扫描可同时筛查几百甚至上千种化合物,获得具有高分辨率和高质量准确度的全扫描数据。液相色谱-四级杆飞行时间串联质谱结合了Quadrupole和TOF的优势,可实现母离子和子离子的精确测量,在农药多残留分析领域得到了迅速发展[29-32]。余璐等[29]利用LC-Q-TOF技术建立了茶叶中204种农药残留的快速检测方法，利用化合物的保留时间、精确质量数、同位素比值等信息,结合一级精确质量数据库和二级谱图库的检索,实现了无需标准对照品同时定性鉴定204种农药。LC-Q-TOF采集的数据量普遍较大,因而对软件的要求也越来越高。传统的数据依赖型采集技术具有数据不完整、重复性差等缺点。张建莹等[30]采用了一种创新性的数据非依赖性质谱采集技术(SWATH技术)分析苹果和生菜中248种农药残留,通过该扫描方式采集数据,可在一次进样中同时得到所有农残的一级和二级质谱数据,并且具备MRM定量级别的重复性和准确性。LC-Q-TOF也有一定的定量测定能力,因而建立相关检测方法时需要考虑基质效应。潘孝博等[31]建立了针对香港《食物内残余除害剂规例》中249种农药残留的LC-Q-TOF筛查方法,并考察了大米、香菇、黄豆等11种典型食品的基质效应,发现食品基质的含水量对基质效应有影响,而在高含水量的基质中,蛋白质含量对基质效应也有一定影响。

2.4 液相色谱-四级杆静电场轨道阱串联质谱(LC-Q-Orbitrap)技术

Orbitrap是近年来在多残留分析领域迅速发展起来的一类新型高分辨质谱[33-35]。与TOF相比,Orbitrap具有更高的分辨率、质量准确度、灵敏度和稳定性。在实际应用中,Orbitrap常与Quadrupole组合,构成四级杆静电场轨道阱串联质谱,在灵敏度、线性范围及抗干扰能力方面均有提升[36-39]。陈达炜等[36]以欧盟2013年土豆考核样品(EUPT-FV15)中规定的175种农药为研究对象,采用液相色谱-四级杆静电场轨道阱串联质谱技术,建立了土豆中农药多残留的快速检测方法,通过Orbitrap全扫描获得所有农药的精确质量数,以Full Scan/ddMS2进行定性筛查及定量测定。随着在线净化技术的不断发展,液相色谱-高分辨串联质谱的快速筛查分析能力得到了进一步拓展。张海超等[38]结合TurboFlow在线净化技术和LC-Q-Orbitrap技术,建立了果蔬中有机磷、氨基甲酸酯、苯甲酰脲、苯并咪唑、烟碱等多类极性和溶解度相差较大的212种农药的快速筛查方法。该方法简化了前处理过程,大大提高了检测效率,同时利用保留时间、精确质量数、同位素比、二级碎片等定性信息与数据库进行比对,可实现212种农药无标准物质的快速筛查。

3 结论与展望

近年来,食品中农药残留超标问题屡屡出现,标准的不断更新使得需要检测的农药种类和数目不断增加,对农药残留分析的通量、效率、灵敏度、准确性的要求越来越高。LC-MS/MS技术在建立食品中多类农药的高通量、高效率、高灵敏度和准确性的定性定量测定方面,发挥了重要的作用。QqQ因其在选择性、灵敏度和稳定性等方面的优势,在已知目标物的定量分析方面应用非常广泛,但对未知物的定性筛查则难以胜任;Q-Trap与QqQ结构和工作原理非常相似,但Q-Trap可进行多级质谱(MSn)分析,在目标化合物的结构解析方面优于QqQ。这两类串联质谱均属于低分辨串联质谱,具有高超的定量分析能力,但MRM模式可同时检测的化合物数量有限,且无法用于未知物筛查;高分辨串联质谱具有高分辨率和高质量准确度,可以在全扫描模式下采集不受数量限制的化合物的精确质量数信息以及采集精确二级质谱图获得碎片离子信息,从而实现无标准物质的农药多残留筛查检测及定性分析,目前应用较多的是Q-TOF和Q-Orbitrap。与Q-TOF相比,Q-Orbitrap具有更加灵敏的全扫描测定能力、更高的质量精确度以及更宽的线性范围,但扫描速度比Q-TOF要慢很多。随着实际检测需求和技术水平的不断提高,LC-MS/MS已经逐渐由低分辨向高分辨方向发展,以满足建立高灵敏度、高选择性、高分析通量、简便快速实用的多残留分析方法的需要。