熱解析低溫等離子體電離源用于糯高粱中農藥殘留的快速篩查

王爽　王喆　侯可勇　李海洋

摘要本研究設計并搭建了一套熱解析低溫等離子體電離源（TDLTP），與質譜聯用實現了糯高粱中農藥殘留的快速和高靈敏檢測。TDLTP由熱解析裝置和低溫等離子體放電源兩部分組成，農藥殘留樣品首先在熱解析進樣器內汽化，再由載氣載帶進入等離子體區域被電離。熱解析進樣器使LTP產生的氣相等離子體與樣品之間的氣固或氣液相互作用轉變為氣氣相互作用，大大提高了難揮發樣品（如農藥）的電離效率； 電離源與質譜進樣口之間采用同軸連接，提高了離子的利用率和傳輸效率。與傳統的LTP電離源相比，TDLTP電離源的靈敏度提高了8倍以上，穩定性提高了4倍。本研究對熱解析低溫等離子體電離源的各參數進行了優化，并與自制的矩形離子阱質譜相結合，研究了12種農藥在該電離源下的特征離子。最后，將此電離源與商品化的三重四極桿質譜儀聯用，對糯高粱樣品中的12種農藥殘留進行了快速篩查，結果表明， 本方法靈敏度高，可以滿足食品安全國家標準規定的谷物中農藥殘留最大限量檢測要求。

關鍵詞農藥殘留快速檢測； 熱解析進樣； 低溫等離子體電離源； 矩形離子阱質譜； 三重四極桿質譜

1引 言

農藥作為一種重要的生產資料，一方面， 合理使用是蔬菜、水果以及糧食作物產量的保證； 另一方面， 過度使用造成了水、土壤和環境的污染[1]，給人類健康造成威脅[2]。目前，公眾對于食品安全的關注度越來越高[3]，使得農藥快速高靈敏檢測方法的發展顯得尤為迫切。傳統的農藥檢測方法主要有色譜法、色譜質譜聯用法、免疫分析法等[4～7]，這些方法雖然精度高，但樣品前處理過程非常繁瑣[8]，且操作復雜[9]，樣品分析時間也相對較長[5，8]，難以滿足農藥殘留樣品現場快速檢測的要求。

質譜分析技術具有分析速度快、專屬性強和靈敏度高等特點，已經逐步發展為有機物分析的“金標準”。質譜是一種基于氣相離子的質荷比進行分離分析的技術，質譜電離源的作用是將目標分析化合物轉化為氣相離子。因此，電離源的性能決定了質譜的分析對象，離子化技術的革新一直推動著質譜應用的快速發展[10]。2004年，Takats[11]等首次提出了一種常壓環境電離方法，即解吸附電噴霧技術（DESI），DESI無需樣品前處理，即可實現固體、液體樣品表面痕量成分的快速、高通量和實時分析[12]。DESI的出現吸引了眾多的研究人員相繼開發了多種新型的常壓敞開式離子化技術，如實時直接分析（DART）[13]， 電噴霧萃取電離（EESI）[14]、激光剝蝕電噴霧離（LAESI）[15]， 介質阻擋放電離子化（DBDI）[16]等。

低溫等離子體（LTP）電離源是一種基于介質阻擋放電的常壓敞開式離子化技術[17]，已成功應用于爆炸物[18～20]、毒品[21，22]、農藥[23]等樣品的檢測。傳統的LTP電離源與質譜之間一般采用放電等離子體與分析物表面接觸后反射進樣的方式，因此受周圍環境（如溫度、濕度以及氣流）的影響較大，檢測結果的相對標準偏差（RSD）高達30%[23]。LTP電離源產生的是非平衡態等離子體，其表觀溫度接近或略高于室溫，LTP探針能夠實現固體表面樣品直接電離，是依靠等離子體與樣品表面直接的相互作用[17]，對于飽和蒸氣壓較低的樣品（如農藥），LTP的靈敏度較低。提高進樣器的表面溫度，難揮發性樣品的蒸氣壓增大，因此在LTP產生的等離子體與樣品相互作用之前引入熱解析過程，可大大提高其電離效率，進而提高儀器的靈敏度。本課題組[24，25]提出了一種非接觸式鹵素燈加熱輔助的LTP電離源，實現了爆炸物、農藥樣品的原位、高靈敏檢測，由于電離源和質譜之間依然采用反射式進樣，上述電離源的檢測3種農藥的相對標準偏差（RSD）在11%左右，穩定性不理想。

本研究設計并搭建了一套熱解析低溫等離子體電離源（TDLTP）。該電離源將樣品熱解析環節獨立出來，使用采樣試紙取樣，加熱板直接加熱解析提高樣品的蒸氣壓，將傳統LTP氣相等離子體與樣品之間的氣固或氣液相互作用轉變為氣氣相互作用，電離更充分。并且，電離源與質譜之間采用同軸連接，離子損失更少，穩定性也更高。將此電離源分別應用于實驗室自制的離子阱質譜平臺和商品化三重四極桿質譜儀，實現了12種農藥的快速檢測，并用于發酵釀酒的糯高粱樣品中農藥殘留的快速篩查。

2儀器設計與實驗

2.1TDLTP電離源的結構及原理

如圖1所示，TDLTP電離源分為兩部分：熱解析進樣部分和等離子體發生部分。其中熱解析進樣器是由熱解析模塊（包括加熱和溫控）和進樣器控制模塊構成，熱解析溫度可在20℃～240℃之間調節。低溫等離子體發生裝置由射頻電源、三通固定頭、導氣管、三通玻璃管、環形電極和柱狀內電極構成。

液體樣品使用微量采樣針點于采樣試紙（聚四氟乙烯材質的長方形織物）特定位置，在室溫下使溶劑蒸發，固體樣品直接用采樣試紙在表面輕輕擦拭，然后將采樣試紙插入熱解析進樣器。樣品在進樣器內熱解析，產生的氣態樣品分子被載氣（空氣）攜帶進入T型玻管，在環形電極前端與等離子體產生碰撞，發生質子轉移、電荷轉移或者分子碎裂等過程而被電離，該電離源可同時產生正、負離子。

相比于統統LTP，TDLTP電離源的改進主要體現在3個方面：（1）引入熱解析進樣器，使樣品更充分的汽化，利用率更高； （2）在近放電區引入樣品，近放電區等離子體濃度更高，等離子體與樣品分子之間的相互作用更充分； （3）電離源與質譜進樣口同軸聯接，無需采用傳統LTP反射式進樣，樣品離子損失更少。上述3個方面的改進，提高了儀器的靈敏度，增加了電離的穩定性。

2.2儀器與試劑

ACQUITY TQD三重四極桿質譜儀（美國Waters公司）； WH90A漩渦混合器（上海振榮科學儀器有限公司）； SK8200LHC超聲波提取器（上海科導超聲儀器有限公司）； 加熱棒（FM3）； 熱電偶（PT100）； AXMC500SCCMD/5M氣體流量控制器（Alicat Scientific公司）； 高純氦氣（大連大特氣體有限公司）； 甲醇（分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司）； 辛硫磷、乙硫磷、二嗪磷等12種農藥標準品（農業部環境質量監督檢測測試中心，天津）。

實驗室自主搭建的矩形離子阱質譜[24]，包括非連續大氣壓進樣接口（DAPI），線性矩形離子阱為質量分析器（x0= 5.0 mm， y0=4.0 mm， z0=43.2 mm），帶轉換打拿極的電子倍增檢測器（Detector Technology， Inc.， Palmer， MA，Model 397）和真空系統四個部分。質譜的真空系統由15 L/min膜片泵（Pfeier Vacuum Inc.， Nashua， NH， Pfeier MVP 0152），和80 L/s分子泵（Pfeier Vacuum Inc.， Nashua， NH， Pfeier HiPace 80）提供，真空腔體的尺寸為14 cm×11.5 cm×8.5 cm。

2.3實驗方法

2.3.1農藥標準溶液的配制及檢測農藥樣品標準溶液的濃度為1000 mg/L，采用逐級稀釋法，得到0.1～10 mg/L的標準溶液。檢測時，樣品的進樣量均為1 μL， 樣品用進樣針點于采樣試紙特定位置，室溫下使溶劑揮發，然后插入進樣器進行檢測，質譜檢測單個樣品的時間少于2 s。

2.3.2糯高粱農藥殘留樣品溶液及加標樣品溶液的制備樣品溶液制備方法：稱取糯高粱樣品25 g，不經處理直接加入50 mL甲醇，超聲（35 Hz）5 min，通過過濾的方法將固液分離，將溶液濃縮至約1 mL， 再定容至5 mL，備用。

加標樣品溶液制備方法：稱取糯高粱樣品25 g，不經處理直接加入濃度均為10 mg/L的馬拉硫磷、辛硫磷、甲拌磷等（表1）12種農藥標樣各1 mL，再加入甲醇38 mL，超聲（35 Hz） 5 min， 過濾， 所得溶液濃縮至約1 mL， 再定容至5 mL，備用。

2.3.3糯高粱農藥殘留樣品的篩查方法

在進行農藥殘留篩查時，使用TDLTP電離源三重四極桿質譜儀分別檢測糯高粱樣品溶液和加標樣品溶液，若樣品溶液的質譜圖中出現某一農藥的特征離子峰，該峰的信噪比大于3，且加標樣品溶液中該峰強度明顯增強，則判定糯高粱樣品中存在該農藥殘留，否則判定不存在該農藥殘留。

3結果與討論

本研究的TDLTP電離源的條件優化和性能測試是在大連化物所快速分析與檢測實驗室內通過與自行搭建的矩形離子阱質譜聯用進行，而TDLTP電離源的實際應用通過與商品化的三重四極桿質譜聯用進行。

3.1TDLTP電離源的條件優化及性能表征

3.1.1TDLTP電離源的條件優化TDLTP電離源的性能主要由放電氣體（氦氣）流量、熱解析溫度和熱解析樣品的載氣（空氣）流量3個參數決定，采用控制單一變量法對各參數進行優化。在實驗室搭建的矩形離子阱質譜平臺上進行實驗，測試樣品選擇飽和蒸氣壓較低且易于電離的季戊四醇四硝酸酯（PETN）標準溶液，樣品濃度為10 μg/mL，進樣量為1 μL，儀器為負離子檢測模式，優化結果如圖2所示。

當熱解析溫度和載氣流量一定時，隨放電氣體氦氣的流量增大，PETN樣品的信號強度呈現先增大后減小的趨勢，原因是當氦氣流量較小時，產生的等離子體密度較低，與樣品分子發生的相互作用較弱，產生的樣品離子較少，信號較弱； 當氦氣流量較大時，等離子體密度較大，等離子體與樣品分子之間的碰撞加劇，使樣品分子碎裂程度增加，因而信號減弱。當載氣流量一定時，如果熱解析溫度太低，樣品的解析速率降低，解析出的氣態分子不能及時到達電離區； 若熱解析溫度太高，樣品的解析速率太快甚至分解，同樣會導致樣品離子的損失，因此樣品的信號強度隨熱解析溫度的升高也呈現先增大后減小的趨勢，如圖2B所示。在一定的熱解析溫度下，如果載氣的流量太小，解析出的氣態樣品分子不能及時到達電離區； 如果載氣的流量太大，在DAPI打開前，電離后的樣品離子已被載氣帶出電離區，最終都會影響樣品信號強度，因此樣品的信號強度隨載氣流量的增大出現先增大后減小的趨勢，如圖2C所示。最終確定的最佳電離源參數為：氦氣流量150 mL/min，熱解析溫度180℃，空氣流量100 mL/min。

3.1.2TDLTP電離源的性能表征為了對比TDLTP電離源和傳統LTP電離源的實際電離效果，分別將兩種電離源與實驗室搭建的矩形離子阱質譜平臺對接，在相同的條件下，對10 μg/mL的亞胺硫磷和毒死蜱溶液進行測試，樣品的進樣量均為1 μL，結果如圖3所示，TDLTP對于亞胺硫磷和毒死蜱的檢測靈敏度相比于傳統LTP分別提高了8倍和8.5倍。本研究對TDLTP電離源的精密度進行了考察，重復測試6次，測得亞胺硫磷和毒死蜱兩種農藥樣品的相對標準偏差（RSD）分別為8.6%和7.2%，此參數與傳統LTP電離源相比分別提高了約4倍和3倍。

3.2TDLTP電離源的實際應用

3.2.1TDLTP電離源三重四極桿質譜對于農藥的檢出限電離源能夠進行實際應用的前提是靈敏度符合要求。將TDLTP電離源與三重四極桿質譜儀聯用，在優化的電離源條件下，測試12種農藥標準品的檢出限，結果見表1。與食品安全國家標準《GB 27632014 食品中農藥最大殘留限量》[26]中規定的谷物中農藥殘留最大限量對比，本研究提出的熱解析低溫等離子體電離源直接質譜法的檢出限低于或接近國標中規定的最大農藥殘留限量，因此本方法可以作為谷物農藥殘留快速篩查的手段。

3.2.2糯高粱樣品農藥殘留快速篩查按如上實驗方法，在熱解析低溫等離子體電離源三重四極桿質譜儀平臺上，分別采用正離子和負離子檢測模式，對糯高粱樣品溶液與高粱樣品加標溶液進行檢測，所得結果如圖4和圖5所示。

在正離子模式下，在加標樣品溶液中檢測到二嗪磷和甲基嘧啶磷兩種農藥，但樣品溶液中并未檢出，說明熱解析LTP電離源的靈敏度能夠達到二嗪磷和甲基嘧啶磷的檢測要求，而糯高粱樣品中未檢出這兩種農藥殘留。在負離子模式下，加標樣品溶液中檢測到敵敵畏、辛硫磷、亞胺硫磷、馬拉硫磷、毒死蜱、七氯和艾氏劑7種農藥殘留，而樣品溶液中的質譜圖中則出現了強度相對較弱的敵敵畏、馬拉硫磷、毒死蜱三種農藥質譜峰，從S/N>3的角度考慮，可判定糯高粱樣品中存在敵敵畏殘留，此結果也與氣相色譜質譜聯用標準分析法所得結果一致。以上結果均表明，TDLTP直接質譜法能夠作為農藥殘留的快速初步篩查的手段。

4結 論

本研究在傳統的低溫等離子體電離源的基礎上引入樣品熱解析過程，設計并搭建了一套熱解析低溫等離子體電離源，大大提高了LTP電離源的電離效率和穩定性。該電離源可同時產生正負離子， 能方便地與各種質譜對接，實現固體和液體樣品的定性定量分析。將該電離源應用于實驗室搭建的矩形離子阱質譜平臺，確定了12種農藥樣品的特征離子。將該電離源應用于商品化的三重四極桿質譜儀， 12種農藥均能被高靈敏檢測。最后將該電離源應用于糯高粱實際樣品農藥殘留分析，無需復雜的樣品前處理過程，實現了對高粱實際樣品農藥殘留的快速篩查，表明TDLTP電離源在農藥殘留快速、高通量檢測方面具有廣闊的應用前景。

AbstractA thermal desorption low temperature plasma （TDLTP） ionization was developed for rapid and sensitive detection of pesticides by direct mass spectrometry. The thermal desorption sampler was added in fount of the plasma generator. The sample was desorbed in the thermal desorption sampler firstly， and then the gas molecules were transported to the plasma generator by the carrier gas to be ionized. The utilization of thermal desorption sampler helps to shift the interaction of the gas phase plasma with the sample form gassolid or gasliquid to gasgas， which increases the sensitivity and stability especially for nonvolatile sample （e.g. pesticides） greatly compared with the traditional LTP ionization source. Under the optimal parameters of the thermal desorption LTP ionization source， the characteristic ions of 12 kinds of pesticides were investigated. Then the thermal desorption LTP ionization source was connected with the commercial ACQUITY TQD mass spectrometer to evaluate the pesticide residue level in broomcorn.

KeywordsRapid detection of pesticide residues； Thermal desorption sample introduction； Low temperature plasma ion source； Rectilinear ion trap； Triple quadrupole mass spectrometry