改進移動窗口目標轉化因子分析算法用于有機磷農藥的高通量定性分析

黎才婷，楊清華，雷紫依，趙芷嵐，李脈泉，劉 霞，杜國榮，李 跑,5*

（1.湖南農業大學食品科學技術學院食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南長沙 410128；2.中國檢驗認證集團湖南有限公司，湖南長沙 410021；3.湖南農業大學東方科技學院，湖南長沙 410128；4.上海煙草集團有限責任公司技術中心北京工作站，北京 101121；5.湖南省農業科學院湖南省農產品加工研究所，果蔬貯藏加工與質量安全湖南省重點實驗室，湖南長沙 410125）

農藥殘留問題帶來了巨大的食品安全隱患[1-3]。誤食含有高毒性農藥的食品，可能會導致急性中毒；而食用了農藥殘留含量超過限量的食品，農藥會在體內蓄積，可能會導致慢性中毒。目前，農藥檢測的國標方法主要是光譜法[4]、色譜法[5]以及色譜質譜聯用法[6]等。光譜法主要以熒光光譜法、近紅外光譜法和拉曼光譜法為主，具有不需要復雜的樣品前處理、檢測時間短、成本低等優點。然而，在利用光譜法對復雜樣品進行分析時，基質影響較大，且較難實現多農藥殘留組分的高通量分析[7-8]。色譜質譜聯用法是目前應用最為廣泛的方法，現行有效的食品中農藥殘留檢測的國家標準共有115 項，其中基于色譜質譜聯用手段的檢測方法有78 種[9-12]。此外，農藥大多屬于易揮發性有機物，因此氣相色譜質譜聯用技術（GC-MS）就成為農藥殘留檢測領域最有效的方法之一。然而該技術在多農藥殘留高通量分析過程中依舊存在問題，如農藥殘留種類繁多，多農藥殘留信號易受到基線漂移、譜峰重疊干擾等因素的影響，這些增大了多農藥殘留的檢測難度。

化學計量學法彌補了傳統檢測方法的不足。它利用“數學分離”手段，能從復雜信號中提取出目標組分信號，消除背景干擾，降低成本，提高檢測結果的準確性，從而實現復雜樣品中多組分的快速分析[13-17]。在之前的研究中，本課題組提出了改進移動窗口目標轉換因子分析（IMWTTFA）算法，結合240 種常見農藥的標準質譜數據庫實現了對多種農藥組分的快速定性分析[17]。有機磷農藥屬有機磷酸酯類化合物，是現階段使用較多的一類殺蟲劑，其對人體的危害以急性毒性為主。本文在240 種常見農藥標準質譜數據庫的基礎上，建立了更加完善的683 種常用農藥的標準質譜庫，采用快速升溫程序縮短洗脫時間，并結合IMWTTFA 算法，對有機磷農藥混合標準樣品GC-MS 數據進行高通量解析，以期實現對多農藥殘留的快速高通量檢測。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

GC-MS-QP 2010 氣相色譜-質譜儀，日本島津儀器公司。

1.1.2 試劑

溶于丙酮溶液的17 種有機磷農藥混合標準品（10 mg/L），天津阿爾塔科技有限公司。

1.2 GC-MS 條件

GC 條件：色譜柱為CP-Sil8CB（30 m×0.32 mm，0.25 μm），由美國VARIAN 公司提供。載氣為氦氣（純度≥99.999%），流速為1 mL/min。進樣口溫度為250 ℃，進樣方式為不分流進樣，進樣體積為1 μL。采用快速升溫程序縮短洗脫時間：首先以60 ℃保持2 min，再以80 ℃/min 速度升至260 ℃并保持6 min。

MS 條件：離子源為電子轟擊源（EI），電壓為70 eV，溫度為200 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，掃描范圍為50～650m/z。

1.3 計算步驟

IMWTTFA 計算步驟：在240 種常見農藥標準質譜數據庫的基礎上，收集了683 種常見農藥質譜數據，創建了農藥殘留標準質譜數據庫。以683 種農藥標準質譜數據為輸入值，采用IMWTTFA 對所獲得的GC-MS 數據進行匹配分析。如果計算得到的質譜與標準質譜之間的匹配度小于700‰，則判定該組分不存在，如果匹配度大于700‰，且色譜在該保留時間區域內存在明顯譜峰，則判定該農藥組分存在。

此外，我們發現在IMWTTFA 計算時，若同一保留時間區域存在多個色譜峰或同一組分出現多個保留時間區域且對應多個色譜峰，還需要進行實驗質譜圖與標準質譜圖的對比，若實驗質譜圖與標準質譜圖相似，則判定該組分存在，若不相似則判定該組分不存在。

2 結果與討論

2.1 農藥混合標準樣品總離子流色譜圖

圖1 為17 種有機磷農藥混合標準樣品的總離子流色譜圖。由圖可知，色譜峰較多，且在6～7 min 的洗脫時間內信號存在一定的譜峰重疊干擾，當缺乏單一標準樣品，單純利用該總離子流色譜圖無法實現多農藥殘留的高通量分析。因此需要對信號作進一步解析。

圖1 有機磷農藥混合標準品的總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of organophosphorus pesticide mixed standard sample

2.2 IMWTTFA 高通量解析

以683 種農藥標準質譜數據為輸入值，采用IMWTTFA 對農藥混合標準樣品GC-MS 數據進行匹配分析。若實驗質譜與標準質譜的匹配度大于700‰，則進行下一步分析，得到19 種農藥組分。接下來以3 種農藥（殺撲磷、久效磷、甲基對硫磷）為例，對其匹配度曲線進行分析。

2.2.1 殺撲磷定性分析

圖2 為殺撲磷農藥組分的匹配度曲線分析圖，其中圖中水平實線是閾值為700‰的匹配度分割線。由圖可知，殺撲磷在整個洗脫區域內不存在明顯高于閾值700‰的區域，因此判定殺撲磷農藥不存在于該農藥的混合標準品中。

圖2 殺撲磷匹配度曲線圖Fig.2 The matching curve of methidathion

2.2.2 久效磷和甲基對硫磷定性分析

圖3（見下頁）為久效磷和甲基對硫磷農藥組分的匹配度曲線分析圖以及對應保留時間區域的總離子流色譜圖。由圖可知，久效磷與甲基對硫磷分別在5.400～5.508 min、6.062～6.180 min 保留時間內有明顯高于閾值的區域，且在相對應保留時間區域內的總離子流色譜圖中均有譜峰存在，因此判定久效磷與甲基對硫磷均存在于該農藥混合標準品中。

圖3 久效磷和甲基對硫磷的匹配度曲線圖以及有機磷農藥混合標準品的總離子流圖Fig.3 The matching curves of monocrotophos and parathion-methyl,and total ion chromatogram of organophosphorus pesticide mixed standard sample

2.2.3 久效磷、速滅磷和百治磷定性分析

經過IMWTTFA 的計算篩選后，久效磷、速滅磷和百治磷均在保留時間為5.400～5.508 min 的區域內有明顯高于閾值的區域，且在相對應保留時間區域內的總離子流色譜圖上對應同一譜峰。因此，此類情況應進行質譜匹配的篩選。圖4 為久效磷、速滅磷和百治磷在標準質譜數據庫中的質譜圖和實驗得到的質譜圖的對比結果。由圖可知，久效磷、速滅磷和百治磷的標準質譜圖均與實驗得到的質譜圖相似，這是由于這3 種農藥的標準質譜圖相似，因此在篩選的過程中易造成誤判，可能還需對IMWTTFA 算法做進一步的改進。但在IMWTTFA 的計算過程中得到，久效磷的實驗質譜與標準質譜匹配度為864.1‰，而速滅磷與百治磷的實驗質譜與標準質譜匹配度分別為766.9‰、739.9‰。因此久效磷的標準質譜信息與實驗得到的質譜信息更加一致。

圖4 久效磷、速滅磷和百治磷的標準質譜圖與實驗質譜圖Fig.4 Standard and experimental mass spectra of monocrotophos,mevinphos and dicrotophos

2.3 有機磷農藥的定性結果分析

表1 為有機磷農藥混合標準品中各農藥組分的匹配度數據和保留時間。結果表明，通過IMWTTFA 的計算步驟檢測得到了17 種農藥組分，可以實現對復雜樣品農藥殘留組分的快速定性分析，且不受譜峰重疊及背景等干擾的影響。

表1 農藥組分匹配度和保留時間數據表Table 1 Matching rates and retention times of pesticide components

3 結論

本文通過創建683 種常見農藥的標準質譜庫，結合IMWTTFA 分析方法，對有機磷農藥混合標準樣品GC-MS 數據進行了高通量解析，實現了對樣品中未知農藥組分的快速定性分析，為實際樣品中多農藥殘留的高通量非靶向檢測提供了一種有效的方法。但是，該方法較難實現質譜相似組分的準確解析，因此仍需對該法做進一步的改進。