常压电离源-飞行时间质谱仪在快速检测农药残留方面的应用

范荣荣，汪开银，朱 辉，黄 晓，黄正旭，汤 梅

(1.昆山禾信质谱技术有限公司，江苏 昆山 215311；2.国家轻工业食品质量监督检测南京站，江苏 南京 211800；3.暨南大学 质谱仪器与大气环境研究所，广东 广州 510632；4.广州禾信仪器股份有限公司，广东 广州 510530)

随着农药在农作物、蔬菜、水果种植过程中的广泛应用，农药残留所带来的环境污染、食品安全等问题日益严重[1-2]，这也使得对农药残留的检测和监督工作变得至关重要。目前，用于食品中多组分农药残留筛查的国家标准方法主要有气相色谱-质谱(GC-MS)法、液相色谱-质谱(LC-MS)法[3]、气相色谱法(GC)[4]等。但不管GC-MS、LC-MS还是GC技术，都需要结合较复杂的前处理技术，分析周期长，不适合食品中农药残留的现场实时、快速、非定向筛查。

直接电离质谱技术(ambient ionization mass spectrometry,AIMS)的发展和推广使得复杂基质条件下的样品快检成为可能[5]。目前已有40多种直接解析电离离子源被相继发现，直接电离质谱技术具有无需复杂样品前处理、分析速度快、高通量、实时直接分析的特点，并保持了传统MS的高分析速度、高准确度、高灵敏度等特点[6-7]。其中，基于低能量等离子体的大气压电离质谱技术正迅速发展为样品直接分析的前沿技术[7]，如介质阻挡放电(DBDI)[8]、实时直接分析(DART)[9]、表面解吸常压化学电离源(DAPCI)[10]等。低温等离子体电离(LTP)技术由Harper等[11]首次提出，因其结构简单、易于实现、成本低等优点，目前已被广泛应用于爆炸物检测、环境分析、食品检测、毒品检测等领域[12-13]。

本研究中，笔者基于等离子体原理开发了幅值、频率、工作占空比均可调的常压离子源，引入加热解析模块，与大气压飞行时间质谱仪联用，在正离子模式下对120多种蔬菜中的农药残留进行测试，并对农药在蔬菜复杂基质条件下的检出效果进行评估，以期为常压离子源-飞行时间质谱技术在农残快速、准确、广谱筛查的广泛应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

API-TOF MS垂直引入式大气压飞行时间质谱仪(分辨率10 000@m/z609)，广州禾信仪器股份有限公司；TDL-40B型离心机，上海安谱实验科技股份有限公司；PB-100型均质器，德国PRIMA公司；甲醇(色谱纯)，美国TEDIA公司；标准样品纯度不低于97%，中检院国家标准物质中心；BSA224S型电子天平，德国赛多利斯科学仪器有限公司；移液枪(Finnpipette F3 5～50 μL，F3 100～1 000 μL)，Thermo Scientific公司。

根据文献[11]搭建了低温等离子体LTP离子源(图1)，如图1所示：离子源选用外径为3 mm、内径为2 mm的石英玻璃管作为放电介质；内电极为1 mm的不锈钢针，与地连接；0.1 mm厚的铜皮包裹在玻璃管外壁，作外电极且与射频高压相连。射频驱动电路首先产生频率和有效工作时间可调的控制信号，经自举升压后产生幅值为25 V正弦波，之后通过放大器放大30倍，输出峰峰值为7.5 kV左右的射频高压。

图1 低温等离子体结构示意

该电源模块频率、幅值、有效工作时间均可调，可根据放电气体、玻璃管壁厚、电极距离等条件进行调节，优化实验参数。LTP离子源的放电电流测试如图2所示。放电电流峰值高达100 mA，可满足离子化需求。载物平台可通过加热实现样品的热解析，被等离子体电离，在气流和电场作用下引入到质谱仪进行质量分析。

黄色，He，0.3 L/min

1.2 溶液配制

1.2.1 标准溶液配制

使用移液枪准确提取100 μL 10 mg/kg农药标准品，加入900 μL甲醇溶液进行充分混合，依次得到121种1 mg/kg的标准品；从可检出的物质中选择50种农药标准品，配制成各物质质量浓度为0.2 mg/L的混合标准溶液，放置在冰箱待用。

1.2.2 样品溶液的制备

打碎后准确称取2份5.00 g蔬菜匀浆，一份按照0.1 mg/kg的加标水平加入农药残留混合标准溶液，另一份加入甲醇作为空白样本。4 000 r/min离心3 min，提取空白样本上清液和加标上清液。蔬菜样品打碎、称质量、离心并取上清液的简单前处理过程可在5 min以内完成，样品分析过程小于20 s，流程示意图如3所示。

图3 快检方法的样品处理及质谱分析流程示意

1.3 实验方法

质谱仪参数：正离子模式，毛细管温度为130 ℃；谱图速度1张/s，对于每组样品进样4～5次，取平均值。

离子源参数：输出电压Vp-p为7 kV，频率25 kHz；放电气体为He，流速为300 mL/min；LTP与质谱口水平距离为10 mm，倾角为20°；载物平台温度为100 ℃，载玻片位于质谱口下方，垂直距离为3 mm。

实验过程中，对质谱毛细管和载物平台进行加热，打开低温等离子体离子源，待温度及离子源准备就绪后，使用移液枪取10 μL样品滴于干净的载玻片上，每次进样位置保持一致。

3 结果与讨论

3.1 标准样品测试结果

优化实验条件后，利用热解析常压电离源-飞行时间质谱仪分别对121种1 mg/kg的农药标准品进行检测，检出效果及检测数据如表1和表2所示。

表2 正离子模式下不同物质种类农药在常压电离源-飞行时间质谱仪下的检出数据

表1 正离子模式下常压电离源-飞行时间质谱仪对农药标准品的检测结果

仪器分辨率为10 000@m/z609，可分辨大部分农药样品；对质量数相近的物质进行分析时，可根据不同物质在源内CID产生的碎片进行解析，并与自建数据库进行对比，从而实现物质的定性分析，保障定性的准确性。

由表1可知，在正离子模式下，常压电离源-飞行时间质谱仪可对103种农药标准品检出，检出率约为85%；大部分样品离子以[M+H]+为主峰，少数样品如三氟氯氰菊酯、氟氯氰菊酯和氟虫腈以[M+NH4]+为特征离子，部分结构相对不稳定的物质如水胺硫磷、乙草胺样品多为碎片离子。

已分类的未检出物质种类主要集中在有机氯农药，样品未被检出的原因主要是多氯农药不易与H+结合形成离子，有机氯农药标准品多采用电子轰击源(EI)或化学电离源(CI)实现离子化过程[15-16]。

3.2 蔬菜加标测试结果

在相同实验条件下，依次取10 μL的蔬菜空白样本上清液和加标上清液进行分析，每次进样测试完成后更换载玻片，得到数据结果如图4、表3所示。

图4 空白样本上清液的谱图(a)和加标混合农药的蔬菜上清液(b)的谱图

表3 加标量0.1 mg/kg农药混合样品的蔬菜样品上清液检测效果

由图4(a)可知，通过对空白样本上清液的质谱检测可得到上百种离子的谱峰，主要是由于蔬菜样品仅经过打碎、离心前处理过程后基质内含有大量色素、维生素、糖类等化合物。结合图4(b)显示的对加标50种农药混合样品的蔬菜上清液的质谱数据可以发现，以空白样本上清液在特征峰m/z处的强度为本底噪音，大部分0.1 mg/kg的农药检出的信噪比(S/N)<30∶ 1。

由表3可知，50种0.1 mg/kg的农药样品加标在蔬菜中，打碎、离心后提取的上清液经LTP-TOFMS检出种类为46种，检出率为92%。其中，杀虫脒(m/z197.085)、氟虫腈(m/z436.947)、杀虫环(m/z182.013)和乙草胺(m/z224.168)这4种物质未检出。

3 结论

在自制常压离子源基础上，与大气压飞行时间质谱仪联用，建立快速检测农药残留新方法。在正离子检测模式下，对121种1 mg/kg农药标准样品进行检测，检出率约为84%；此外，将0.1 mg/kg的50种农残混合标准品加标在青菜中，青菜样品经过甲醇提取、离心后进行质谱检测，混合标准样品检出种类为46种。前处理过程可控制在5 min以内，分析过程<20 s。实验证明该方法可广泛应用于农药残留快速、直接、广谱筛查。