LC-MS/MS技術(shù)在食品中農(nóng)藥多殘留分析的應(yīng)用進展

周純潔,候美玲,何春蘭,劉 歡,楊小珊

(重慶市食品藥品檢驗檢測研究院,重慶 401121)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,食品中的農(nóng)藥殘留問題已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。目前,世界各國使用的農(nóng)藥種類多樣,而且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要,每年都在不斷增加農(nóng)藥新品種。GB 2763-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》對433種農(nóng)藥在食品中4140項殘留限量作了規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)在不斷更新,要求檢測的農(nóng)藥種類數(shù)目也在不斷增多,因此發(fā)展快速有效、簡便實用且覆蓋面廣的農(nóng)藥多殘留分析方法尤其重要。農(nóng)藥多殘留分析可以在一次分析過程中,同時獲得多種(類)農(nóng)藥的組成及含量信息,可以大大提高檢測效率,節(jié)省檢測成本[1]。

色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)是將色譜的高效分離能力和質(zhì)譜的高靈敏度特點相結(jié)合的分離分析技術(shù),可以作為理想的農(nóng)藥多殘留分析手段。一直以來,氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)技術(shù)都是農(nóng)藥殘留分析的首選方法。然而,由于GC需要在一定溫度下先氣化再進行色譜分離,因此在分析極性、高沸點及熱不穩(wěn)定的化合物時效果并不理想。與GC相比,液相色譜(LC)在室溫條件下便能完成色譜分離,可有效拓寬農(nóng)藥殘留的分析范圍。液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)既具有LC的常溫色譜分離能力,又具有串聯(lián)質(zhì)譜的高選擇性、高靈敏度和準(zhǔn)確性以及能夠提供分子結(jié)構(gòu)信息等方面的優(yōu)點,在農(nóng)藥多殘留分析方面具有突出的優(yōu)勢[2]。

本文對近年來LC-MS/MS技術(shù)在食品中農(nóng)藥多殘留分析檢測方面的應(yīng)用及進展進行了綜述,旨在為農(nóng)藥多殘留分析技術(shù)的研究提供一定的參考。

1 LC-MS/MS的介紹

LC-MS/MS主要由LC、接口裝置(離子源)、質(zhì)量分析器及檢測器構(gòu)成。如圖1,樣品經(jīng)LC系統(tǒng)進樣,色譜柱分離,從LC流出的被分離組分依次通過接口進入離子源,離子化后在第一級質(zhì)量分析器根據(jù)質(zhì)荷比分離,通過的離子經(jīng)碰撞誘導(dǎo)裂解后產(chǎn)生碎片離子,在第二級質(zhì)量分析器進行質(zhì)譜分離后分別在檢測器上產(chǎn)生信號。質(zhì)量分析器可以將無法色譜分離的組分實現(xiàn)質(zhì)譜分離,是質(zhì)譜儀的核心部分,常用的質(zhì)量分析器有四級桿(Quadrupole)、線性離子阱(LIT)、靜電場軌道阱(Orbitrap)、飛行時間(TOF)等。

圖1 LC-MS/MS基本構(gòu)成Fig.1 Basic composition of LC-MS/MS

Quadrupole是目前農(nóng)藥殘留分析中應(yīng)用最廣泛的一類質(zhì)量分析器,由直流和射頻交流電壓疊加的四極電場構(gòu)成,通過設(shè)定參數(shù)可使特定質(zhì)荷比(m/z)的離子穩(wěn)定通過,其它離子則以不穩(wěn)定的運動碰到四級桿上被吸濾掉,因此又叫四級桿濾質(zhì)器。Quadrupole具有優(yōu)良的離子過濾能力,可以用作串聯(lián)質(zhì)譜的第一級質(zhì)量分析器。LIT與Quadrupole的結(jié)構(gòu)非常相似,其工作原理也源自于Quadrupole,通過調(diào)整加在兩組極桿上的電場參數(shù)將離子限定在阱內(nèi)或使離子進入不穩(wěn)定狀態(tài)繼而從其中一組極桿上的窄縫中射出。因此,LIT既有離子過濾能力也有離子儲存能力。Quadrupole和LIT屬于低分辨質(zhì)譜,而TOF和Orbitrap屬于高分辨質(zhì)譜[3]。TOF主要由一個離子漂移管構(gòu)成,工作原理是基于動能相同而質(zhì)荷比(m/z)不同的離子在恒定電場中經(jīng)過恒定距離所需時間不同進行質(zhì)譜分離。Orbitrap可視為離子阱的變形,其原理是在靜電場作用下,離子沿Orbitrap內(nèi)部中心內(nèi)電極做螺旋狀運動,其軸向運動可以通過檢測鏡像電流測定,并利用傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號,獲得與離子的運動頻率相關(guān)的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。根據(jù)實際應(yīng)用目的,將Quadrupole串聯(lián)或與LIT、Orbitrap、TOF串聯(lián),可以在提供更多分子結(jié)構(gòu)信息的同時,獲取更高的靈敏度、分辨率和抗干擾能力。

2 LC-MS/MS在食品中農(nóng)藥多殘留分析方面的應(yīng)用

2.1 液相色譜-三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜(LC-QqQ)技術(shù)

液相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜是目前應(yīng)用最廣泛、最常規(guī)的一類LC-MS/MS。三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜(QqQ)將兩個具有離子過濾能力的Quadrupole進行串聯(lián),采用質(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式測定,可有效降低背景噪音的干擾,從而大大提高了檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性,可以作為復(fù)雜基質(zhì)中痕量農(nóng)藥殘留的理想分析方法。LC-QqQ已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品中有機磷類[4,5]、氨基甲酸酯類[6]、苯甲酰脲類[7]、酰胺類[8]、三唑類[9]、三嗪類[10]、苯氧羧酸類[11]等農(nóng)藥多殘留分析中。農(nóng)藥多殘留分析包括只檢測性質(zhì)相近的某類農(nóng)藥的單類多殘留分析和針對多種不同類型農(nóng)藥的多類多殘留分析。同類農(nóng)藥化學(xué)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)相近,因而色譜保留行為和離子化模式等也都具有相似性,在建立單類多殘留分析方法時,無論是在樣品前處理過程還是儀器分析方面都易于實現(xiàn)。然而,由于多類多殘留分析技術(shù)在提高檢測效率和降低檢測成本方面具有顯著的優(yōu)勢,農(nóng)藥多殘留分析必然由單類向多類方向發(fā)展[12-16]。不同類型的農(nóng)藥理化性質(zhì)差異較大,因而離子化模式各不相同。李蓉等[12]建立了黃瓜、菜心、葡萄、香蕉中有機磷類、氨基甲酸酯類、三唑類、三嗪類、煙堿類、酰胺類等127種農(nóng)藥殘留的LC-QqQ檢測方法,采用了正負(fù)離子切換模式電噴霧電離。液相色譜保留行為也是多類農(nóng)藥多殘留分析技術(shù)的一大難點。張愛芝等[14]建立了蔬菜中250種農(nóng)藥殘留的LC-QqQ快速檢測方法,利用超高效液相色譜(UPLC)快速穩(wěn)定地分離農(nóng)藥,15 min內(nèi)即可完成色譜及質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集,提高了檢測效率。

在LC-MS/MS方法開發(fā)和驗證過程中,基質(zhì)效應(yīng)是需要重點考慮的一個問題[17-18]。目前,基質(zhì)效應(yīng)的產(chǎn)生機制并不是十分清楚,一般認(rèn)為是由分析時的共流出物影響了目標(biāo)化合物的離子化效率所致,表現(xiàn)為離子增強或者離子抑制。雖然科研工作者們通過提高柱溫、使用更小粒徑和內(nèi)徑的LC色譜柱等方式提高了分離度,從而減少了共流出組分,但仍然難以消除基質(zhì)效應(yīng)。基質(zhì)效應(yīng)的存在可以影響分析檢測的檢出限、定量限、線性關(guān)系、精密度和準(zhǔn)確度等。影響基質(zhì)效應(yīng)的因素多種多樣,主要是基質(zhì)種類和基質(zhì)濃度。李淑娟等[19]利用提取后添加法評價了LC-QqQ檢測蘋果、草莓、菘菜和圓蔥中24種有機磷農(nóng)藥時的基質(zhì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)基質(zhì)效應(yīng)隨著4種蔬菜基質(zhì)濃度的增加而增大,基質(zhì)校準(zhǔn)曲線和溶劑校準(zhǔn)曲線的斜率也各不相同。許文娟等[20]研究了QuEChERS-LC-QqQ法測定姜、大蔥、黃瓜、胡蘿卜和白菜中17種氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留的基質(zhì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)除了基質(zhì)種類和基質(zhì)濃度以外,農(nóng)藥濃度也會影響基質(zhì)效應(yīng)。

當(dāng)基質(zhì)效應(yīng)無法完全消除時,可采用校正補償?shù)姆椒ń档突|(zhì)效應(yīng)。目前常用的校正基質(zhì)效應(yīng)的方法有同位素內(nèi)標(biāo)法和基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液法。在農(nóng)藥多殘留分析中,得到每種化合物的同位素內(nèi)標(biāo)并不現(xiàn)實,且同位素內(nèi)標(biāo)普遍價格昂貴。因此,實際檢測中,對于有明顯基質(zhì)效應(yīng)的樣品和農(nóng)藥,通常采用基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液來校準(zhǔn)定量。但是,不同樣品的基質(zhì)效應(yīng)不同,即使同種樣品不同批次的基質(zhì)效應(yīng)也有差別,在配制基質(zhì)匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液時獲得合適的空白樣品基質(zhì)比較困難。隨著LC-MS/MS靈敏度的不斷提高,基質(zhì)稀釋法也逐漸應(yīng)用到實際檢測中[21]。劉進璽等[22]評價了LC-QqQ測定食用菌中80種農(nóng)藥殘留的基質(zhì)效應(yīng),比較了不同前處理方法、基質(zhì)種類、農(nóng)藥種類及其質(zhì)量濃度對基質(zhì)效應(yīng)的影響,提出針對基質(zhì)效應(yīng)較強的農(nóng)藥,在儀器靈敏度允許的前提下,可適當(dāng)采用稀釋法降低基質(zhì)效應(yīng)。

2.2 液相色譜-四級桿線性離子阱串聯(lián)質(zhì)譜(LC-Q-Trap)技術(shù)

LIT與Quadrupole的結(jié)構(gòu)和原理非常相似,因此液相色譜-四級桿線性離子阱串聯(lián)質(zhì)譜也可以采用MRM模式進行定量測定。但與Quadrupole不同的是,LIT具有離子儲存能力,可通過設(shè)定參數(shù)將目標(biāo)離子儲存在離子阱中,之后在離子阱內(nèi)進一步碎裂,獲得碎片離子,進行多級質(zhì)譜(MSn)分析。因此,LIT也可以被看成一種“時間串聯(lián)質(zhì)譜”,其對復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)解析能力較強,在定性分析方面優(yōu)于Quadrupole。LC-Q-Trap除了可以通過MRM模式掃描子離子對,還能進行MS3掃描獲得孫離子對的信息,大大提高了復(fù)雜基質(zhì)中痕量成分分析的靈敏度和抗干擾能力,在食品中農(nóng)藥多殘留分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[23-25]。陳溪等[23-24]建立了一系列大米中多類農(nóng)藥多殘留的LC-Q-Trap快速篩查確證方法,通過比對化合物的保留時間、離子對,并采用高靈敏度的EPI譜庫檢索,實現(xiàn)了多類農(nóng)藥的定性和定量分析。LC-Q-Trap的離子源與LC-QqQ一樣,因此在采用LC-Q-Trap進行測定時也存在基質(zhì)效應(yīng)。徐誠等[26]利用LC-Q-Trap建立了定量測定柑橘中螺蟲乙酯及其4種代謝產(chǎn)物殘留的方法,對比研究了MS2和MS3條件下螺蟲乙酯及其代謝物的基質(zhì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)采用MS3檢測時基質(zhì)效應(yīng)明顯降低。

2.3 液相色譜-四級桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜(LC-Q-TOF)技術(shù)

LC-QqQ和LC-Q-Trap均具有高超的定量能力,但在未知物篩查方面難以勝任,且用于多農(nóng)藥殘留分析時可同時檢測的化合物數(shù)量有限。相比之下,飛行時間(TOF)質(zhì)譜在未知物篩查和全化合物定性分析方面更具優(yōu)勢。TOF的概念早在1946年便被提出,是現(xiàn)今很常用的一種質(zhì)譜儀[27-28]。TOF屬于高分辨質(zhì)譜,掃描速度快,可檢測的分子量范圍大,一次掃描可同時篩查幾百甚至上千種化合物,獲得具有高分辨率和高質(zhì)量準(zhǔn)確度的全掃描數(shù)據(jù)。液相色譜-四級桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜結(jié)合了Quadrupole和TOF的優(yōu)勢,可實現(xiàn)母離子和子離子的精確測量,在農(nóng)藥多殘留分析領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展[29-32]。余璐等[29]利用LC-Q-TOF技術(shù)建立了茶葉中204種農(nóng)藥殘留的快速檢測方法，利用化合物的保留時間、精確質(zhì)量數(shù)、同位素比值等信息,結(jié)合一級精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和二級譜圖庫的檢索,實現(xiàn)了無需標(biāo)準(zhǔn)對照品同時定性鑒定204種農(nóng)藥。LC-Q-TOF采集的數(shù)據(jù)量普遍較大,因而對軟件的要求也越來越高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)依賴型采集技術(shù)具有數(shù)據(jù)不完整、重復(fù)性差等缺點。張建瑩等[30]采用了一種創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)非依賴性質(zhì)譜采集技術(shù)(SWATH技術(shù))分析蘋果和生菜中248種農(nóng)藥殘留,通過該掃描方式采集數(shù)據(jù),可在一次進樣中同時得到所有農(nóng)殘的一級和二級質(zhì)譜數(shù)據(jù),并且具備MRM定量級別的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。LC-Q-TOF也有一定的定量測定能力,因而建立相關(guān)檢測方法時需要考慮基質(zhì)效應(yīng)。潘孝博等[31]建立了針對香港《食物內(nèi)殘余除害劑規(guī)例》中249種農(nóng)藥殘留的LC-Q-TOF篩查方法,并考察了大米、香菇、黃豆等11種典型食品的基質(zhì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)食品基質(zhì)的含水量對基質(zhì)效應(yīng)有影響,而在高含水量的基質(zhì)中,蛋白質(zhì)含量對基質(zhì)效應(yīng)也有一定影響。

2.4 液相色譜-四級桿靜電場軌道阱串聯(lián)質(zhì)譜(LC-Q-Orbitrap)技術(shù)

Orbitrap是近年來在多殘留分析領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的一類新型高分辨質(zhì)譜[33-35]。與TOF相比,Orbitrap具有更高的分辨率、質(zhì)量準(zhǔn)確度、靈敏度和穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中,Orbitrap常與Quadrupole組合,構(gòu)成四級桿靜電場軌道阱串聯(lián)質(zhì)譜,在靈敏度、線性范圍及抗干擾能力方面均有提升[36-39]。陳達煒等[36]以歐盟2013年土豆考核樣品(EUPT-FV15)中規(guī)定的175種農(nóng)藥為研究對象,采用液相色譜-四級桿靜電場軌道阱串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù),建立了土豆中農(nóng)藥多殘留的快速檢測方法,通過Orbitrap全掃描獲得所有農(nóng)藥的精確質(zhì)量數(shù),以Full Scan/ddMS2進行定性篩查及定量測定。隨著在線凈化技術(shù)的不斷發(fā)展,液相色譜-高分辨串聯(lián)質(zhì)譜的快速篩查分析能力得到了進一步拓展。張海超等[38]結(jié)合TurboFlow在線凈化技術(shù)和LC-Q-Orbitrap技術(shù),建立了果蔬中有機磷、氨基甲酸酯、苯甲酰脲、苯并咪唑、煙堿等多類極性和溶解度相差較大的212種農(nóng)藥的快速篩查方法。該方法簡化了前處理過程,大大提高了檢測效率,同時利用保留時間、精確質(zhì)量數(shù)、同位素比、二級碎片等定性信息與數(shù)據(jù)庫進行比對,可實現(xiàn)212種農(nóng)藥無標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的快速篩查。

3 結(jié)論與展望

近年來,食品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)問題屢屢出現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新使得需要檢測的農(nóng)藥種類和數(shù)目不斷增加,對農(nóng)藥殘留分析的通量、效率、靈敏度、準(zhǔn)確性的要求越來越高。LC-MS/MS技術(shù)在建立食品中多類農(nóng)藥的高通量、高效率、高靈敏度和準(zhǔn)確性的定性定量測定方面,發(fā)揮了重要的作用。QqQ因其在選擇性、靈敏度和穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢,在已知目標(biāo)物的定量分析方面應(yīng)用非常廣泛,但對未知物的定性篩查則難以勝任;Q-Trap與QqQ結(jié)構(gòu)和工作原理非常相似,但Q-Trap可進行多級質(zhì)譜(MSn)分析,在目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)解析方面優(yōu)于QqQ。這兩類串聯(lián)質(zhì)譜均屬于低分辨串聯(lián)質(zhì)譜,具有高超的定量分析能力,但MRM模式可同時檢測的化合物數(shù)量有限,且無法用于未知物篩查;高分辨串聯(lián)質(zhì)譜具有高分辨率和高質(zhì)量準(zhǔn)確度,可以在全掃描模式下采集不受數(shù)量限制的化合物的精確質(zhì)量數(shù)信息以及采集精確二級質(zhì)譜圖獲得碎片離子信息,從而實現(xiàn)無標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的農(nóng)藥多殘留篩查檢測及定性分析,目前應(yīng)用較多的是Q-TOF和Q-Orbitrap。與Q-TOF相比,Q-Orbitrap具有更加靈敏的全掃描測定能力、更高的質(zhì)量精確度以及更寬的線性范圍,但掃描速度比Q-TOF要慢很多。隨著實際檢測需求和技術(shù)水平的不斷提高,LC-MS/MS已經(jīng)逐漸由低分辨向高分辨方向發(fā)展,以滿足建立高靈敏度、高選擇性、高分析通量、簡便快速實用的多殘留分析方法的需要。