麦氏重排在质谱法检测有机磷类 农药残留中的运用

◎ 肖传勇

（德州市农产品质量检测中心，山东 德州 253015）

农产品安全包括数量、质量及数据安全，特别是农产品质量安全备受社会关注。农药在农业生产中具有非常重要的意义，是重要的农业生产资料；随着有机农药的使用，农药残留研究也随之开展起来[1]。农药残留是指由于使用农药而在食品、农产品和动物饲料中出现的任何特定物质，包括被认为具有毒理学意义的农药衍生物，如农药转化物、代谢物、反应产物及杂质等[2]。随着农药进入有机合成时代，有机磷类农药具有药效高、品种多、应用广以及低生物积累性等特点，成为农业生产中应用最广泛的农药之一[3]。然而，有机磷类农药为神经毒物，随着新农药研发及替代、抗性、农产品安全与环境安全关注等因素，我国农业农村部梳理了禁用和限用农药名录，其中包括久效磷、磷胺、内吸磷、灭线磷等25种有机磷类农药。

根据有机磷类农药的毒理和化学性质，我国出台了一系列标准来定性定量检测植物源性食品中有机磷类农药残留量，如酶抑制率法[4]、气相色谱法[5-6]、气相色谱-质谱法[7]、气相色谱-质谱联用法[8]和液相色谱-质谱联用法[9-10]。特别是随着质谱仪的发展，质谱法被广泛应用于植物源性食品中有机磷类农药残留量的检测。在特定情况下，有机磷类农药经EI源或ESI源电离后，按照一定的质谱裂解历程形成特定的、能反映化合物结构的碎片离子；该碎片离子通过四极杆质量分析器被电子倍增检测器收集，用于检测待测组分的定性定量因子[11]。

利用质谱法进行多组分检测时，一般采用m/z值大、丰度高、干扰少且同时表征待测组分“指纹”信息的特征离子作为定性或定量因子[12]。在有机质谱理论中，麦氏重排（Mclafferty rearrangement）是对质谱分析中离子的重排反应提出的经验规则；可以解释有机化合物质谱中系列碎片离子的裂解方式与过程，从而有效确认有机化合物结构，即不饱和基团、可离去的氢、六元环[13]。多数有机磷类农药属于磷酸酯类或硫代磷酸酯类化合物[14]；当满足上述三要素时，麦氏重排往往优势明显，产生的特征离子丰度高；在质谱法中将麦氏重排产生的特征离子作为定性定量因子更能表征待测组分的结构信息，加重识别点的权数。本文主要阐述利用麦氏重排规则解析有机磷类农药的质谱图以及其特征离子在质谱法中的运用。

1 麦氏重排规则

麦氏重排反应通式为：

式中：X为R′，OR′；Y为杂原子。

麦氏重排反应特点：不饱和中心；γ-H（六元环、足够大的空间）转移；β键断裂；电荷保留占主导地位（有例外）。麦氏重排反应动力：氢重排的驱动是自由基对氢原子的吸引。

γ-H通过六元环转移到不饱和基团后，接着发生β键断裂，这种通过六元环的重排称为麦氏重排。要求通过六元环是因为杂原子上有双键，键角较大，因此必须有足够大的环，才能使氢原子在空间上能够接近杂原子而转移到杂原子上。γ-H重排后，有两个反应通道可以导致β键的断裂，一个反应通道是在游离基中心诱导下的α断裂（式1），另一个反应通道是在电荷中心诱导下的i断裂（式2）[15]。能够发生麦氏重排的有机物种类有很多，如醛、酮、酯、酸、酰胺、碳酸酯、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯，这类化合物都具有共同特点——含有不饱和基团[16]。

2 在质谱法检测有机磷类农药残留中麦氏重排规则的运用

有机磷类农药属于磷酸酯类化合物，酯相比于其他官能团（酮、醚、酸、醛和醇）的质子亲和力强；化合物中存在可离去氢时，相比于其他断裂反应，麦氏重排反应往往具有很强的竞争力。

有机磷类农药包含杀虫剂、杀菌剂和除草剂[17]，含有酯、（硫）醚、酮、胺、酰胺、烯、苯环、氮杂环、硝基、唑及卤代烃等一个或多个官能团；由于各自含有的官能团不同，电荷和游离基中心定域于官能团的概率不同，发生α断裂、i断裂、σ断裂、氢重排及re（消除）趋势不同，发生麦氏重排[式（1）和式（2）]的趋势也不同。氢重排不能产生碎片离子，氢重排后随即发生α断裂或i断裂才能产生碎片离子。碎片离子的丰度并不完全取决于氢的接受能力和离去能力，而是与初始电荷和游离基定域于不同官能团的概率有关，而且与随后的α断裂或i断裂的竞争力有关，还与该产物离子的二级反应能力及稳定电荷和游离基的能力有关。

本文将探讨在解析有机磷类农药质谱图的过程中麦氏重排规则的运用，为质谱法准确定性定量该类农药所采纳的碎片离子提供理论依据。

2.1 在定量检测有机磷类农药残留中电荷保留占主要的麦氏重排的运用

如图1[18]所示，在灭线磷的质谱图中，除灭线磷的分子离子峰m/z242为偶数外，还有碎片离子m/z158 和m/z200为偶数，均具有很强的丰度，m/z158为基峰。在灭线磷的分子中不含N元素，根据N规则：不含氮或含偶数氮的奇电子离子为偶数；不含氮或含偶数氮的偶电子离子为奇数[19]。因此，灭线磷经EI源电子轰击后，发生了氢重排反应，产生奇电子离子m/z158和m/z200。

图1 灭线磷的质谱图

如式（3）所示，灭线磷经EI源轰击失去电子后，在P=O上形成了电荷和游离基中心，在游离基的诱导下，发生了γ-H重排，随即发生α断裂，失去中性分子CH3CH=CH2，产生奇电子离子m/z200，丰度为38.3%。在碎片离子中，杂原子上n电子可与电荷共享、共振为电荷和游离基提供有利位置，从而起到稳定离子的作用。奇电子离子m/z200通过n电子与电荷共享，再次发生麦氏重排，得到奇电子离子m/z158，为基峰。碎片离子的丰度不仅取决于该反应的竞争力，还取决于该碎片离子的二级反应能力，当生成的子离子更加稳定时，就会降低母离子的丰度。

在灭线磷的质谱图中，奇电子离子m/z242、m/z200和m/z158具有较高丰度，其分别表征了灭线磷的分子离子峰和特征离子；同时还包括了母离子和子离子。因此，在食品安全国家标准GB 23200.8—2016中，将上述碎片离子作为定性定量灭线磷的特征离子，即158（100）、200（40）、242（23）、168（15）[括号内为相对丰度]。奇电子离子m/z168是由分子离子峰m/z242发生类似与式（5）的消除反应（re）产生的，这里不作详细赘述。

在气相色谱-质谱联用法中，一般在待测物的质谱图中选择m/z值大、丰度高、可发生二次裂解反应的特征离子作为待测组分的母离子，同时其子离子亦具有更好的丰度，更有利于定性定量待测组分。在国家标准GB 23200.113—2018中，将m/z158作为定性定量灭线磷的母离子，即157.9/97.0（15 eV）、157.9/114.0（5 eV）[括号内为碰撞电压]。

在式（4）中，奇电子离子m/z158在游离基的诱导下，发生α断裂失去硫羟基，得到偶电子离子m/z125， 丰度为25.4%；偶电子离子m/z125在电荷的诱导下，发生γ-H重排，随即发生i断裂失去中性分子CH2=CH2，生成偶电子离子m/z97，丰度为72.7%。在m/z125→m/z97的裂解过程中，符合质谱解析规则，偶电子离子生成偶电子离子+中性分子是有利的；同时电荷亦可以诱导氢重排（非一定是六元环）。在有机磷类农药（含有硫代磷酸二乙酯基团）的质谱图中，偶电子离子m/z125和m/z97很常见，一般具有较高丰度。

麦氏重排一般遵循两个键断裂和两个键生成，其中β键断裂为麦氏重排规则的特征。在式（5）中，奇电子离子m/z158在游离基的诱导下，γ-H通过六元环重排到不饱和S原子上的同时，游离基转移到烷基链上，随即在游离基的诱导下发生α键断裂，而非β键断裂，这类反应为消除反应（re），失去中性分子环氧乙烷，生成奇电子离子m/z114，丰度为14.1%。虽然re反应在有机磷类农药的二次裂解反应中比较常见，但其反应趋势较弱，产生的碎片离子丰度不高；在灭线磷的质谱图中，灭线磷的分子离子峰亦可以发生re反应，得到一对互补离子m/z168与m/z74，丰度分别为18.7%和41.0%。

根据式（4）和（5）的反应趋势不同，母离子m/z158发生裂解反应产生子离子的丰度不同，因此在气相色谱-质谱联用法测定灭线磷残留量中，将母-子离子对m/z158和m/z97作为定量离子对，母-子离子对m/z158和m/z114作为定性离子对。

2.2 在定量有机磷类农药残留中电荷不保留占主要的麦氏重排的运用

在运用有机质谱理论来解析已知结构化合物的质谱图时，可以把一类具有相似结构化合物的质谱图进行比对，有助于学习有机质谱理论以及了解化合物的裂解历程。在有机磷类农药中，具有很多相似结构的化合物，可发生相同的质谱行为，产生具有这一类化合物特有的“指纹”信息。例如，当电荷和游离基定域于有机磷类农药的磷酸酯不饱和杂原子上时，由游离基诱导α断裂产生的碎片离子及二次裂解产生的碎片离子，即m/z137、m/z109和m/z81；m/z153、m/z125 和m/z97，这些碎片离子在有机磷类农药的质谱图中很常见，各自表征了具有相同结构的“指纹”信息。

在有机磷类农药中，甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷这4种有机磷类农药具有相似的结构，可发生麦氏重排，产生相同的碎片离子。如图2所示，这4种化合物具有相同的基团——S-乙硫基乙基；区别在于P=O（S）、甲氧基与乙氧基的不同。如图3所示，在它们各自的质谱图中，均含有奇电子离子m/z88，为基峰，说明这4种化合物（不含氮）均发生氢重排反应。

甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷均可发生麦氏重排的两种裂解反应，即电荷保留和非电荷保留。从产物离子的丰度上看，电荷不保留的反应趋势强，为主要裂解反应，产生的奇电子离子m/z88为基峰；在各自的质谱图中，可以找到与m/z88相对应的互补离子m/z142、m/z170、m/z158和m/z186（丰度均在10%左右），产生互补离子（保留电荷）的麦氏重排降为次要裂解反应[如式（6）至（13）所示]。

图2 甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的化学结构式图

图3 甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的质谱图

在甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的质谱图中，奇电子离子m/z88和其对应的互补离子共同表征了各自化合物的重要“指纹”信息。在国家标准GB 23200.8—2016中，甲基内吸磷：109（100）、142（43）、230（5）；甲基乙拌磷：88（100）、125（55）、246（9）；乙拌磷：88（100）、274（15）、186（18）。在国家标准GB 23200.15—2016中，内吸磷：88（100）、170（15）、143（11）[20]。在上述标准中，均采用了麦氏重排产生的互补离子（1个或2个）作为特征离子来定性定量各自化合物。虽然甲基乙拌磷、乙拌磷和内吸磷均采用相同的碎片离子m/z88作为定量离子，可利用3种化合物与石英毛细管色谱柱（14%氰丙基苯基/86%甲基硅氧烷，色谱柱中等极性）的相互作用力-范德华力（色散力、诱导力、取向 力）[21]，来达到良好的分离度[22]，可以满足气相色谱-质谱法的SIM功能进行分段采集，防止柱效下降形成共流出物时，因采用相同的m/z值而相互干扰。

3 结语

有机磷类农药是一类含有（硫代）磷酸酯基团的化合物；酯相比于其他官能团（酮、醚、酸、醛和醇）的质子亲和力强；化合物中存在可离去氢，同时可离去的氢与不饱和基团呈六元环；当有机磷类农药满足上述条件时，相比于其他断裂反应，麦氏重排往往具有很强的竞争力。本文详细介绍的灭线磷、内吸磷和乙拌磷等有机磷类农药，在质谱图中，相比于其他裂解反应，麦氏重排优势明显，产生的碎片离子或二级碎片离子为基峰。

氢重排不能产生碎片离子，氢重排后随即发生由游离基或电荷诱导的α断裂或i断裂产生一对互补离子。互补离子的丰度不仅取决于α断裂或i断裂的竞争力，还取决于各自稳定电荷或游离基的能力以及二次裂解反应的能力，如甲基内吸磷、内吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的质谱图所示。

麦氏重排规则不仅可以有效确认未知有机化合物结构，而且可以在已知化合物结构的情况下，为质谱法检测该化合物所运用的特征离子提供理论依据，从而保证定性定量准确。利用质谱法检测待测组分时，一般采用2～4个母-子离子对或碎片离子作为识别点；麦氏重排产生的碎片离子表征了化合物的不饱和基团、可离去的氢及位置，更直接地表征了化合物结构重要的“指纹”信息，从而确保定性定量准确。

农药是一类含有醛、酮、酯、酸、酰胺、磷酸酯、亚硫酸酯、亚胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯等一个或多个不饱和基团的化合物。当农药的结构式满足含有不饱和键官能团、存在可离去的氢及足够的空间3个条件时，在其质谱图中，可以发现由麦氏重排产生的碎片离子，且多数被质谱法引用为待测组分的识别点。现将发生麦氏重排的农药名称、碎片离子、相对丰度及运用归纳如表1所示。

表1 发生麦氏重排的农药名称、碎片离子、相对丰度及运用表