雙氫重排在檢測有機磷類農藥殘留中的運用

肖傳勇

(德州市農產品質量檢測中心，山東 德州 們253015)

有機磷類農藥為神經毒物[1]，隨著新農藥研發(fā)及替代、抗性、農產品安全與環(huán)境安全關注等因素，我國農業(yè)農村部梳理了禁用和限用農藥名錄，其中包括久效磷、磷胺、內吸磷、滅線磷等25種有機磷類農藥。根據有機磷類農藥的毒理和化學性質，我國出臺了一系列標準來定性定量檢測植物源性食品中有機磷類農藥殘留量，如酶抑制率法[2]、氣相色譜法[3,4]、氣相色譜-質譜法[5]、氣相色譜-質譜聯用法[6]和液相色譜-質譜聯用法[7,8]。特別是隨著質譜儀的發(fā)展，色譜與質譜聯用技術將分離、定性和定量分析融為一體，是最有效、經濟、合理的方法，已成為有機磷類農藥殘留分析實驗室的常規(guī)分析技術[9]。

利用質譜法進行多組分檢測時，一般采用m/z值大、豐度高、干擾少且同時表征待測組分“指紋”信息[10]的特征離子作為定性或定量因子。在有機質譜理論中，由于化合物含有的官能團不同，電荷和游離基中心定域于官能團的概率不同，發(fā)生α斷裂、i斷裂、σ斷裂、氫重排及re(消除)趨勢不同，產生的特征離子趨勢不同[11]。雙氫重排又稱麥氏+1重排[12]，當化合物的結構式滿足不飽和基團、可離去的氫、空間3要素時[13]，可由游離基和電荷同時誘導的氫重排反應。在質譜法中將雙氫重排產生的特征離子作為定性定量因子更能表征待測組分的結構信息，加重識別點的權數。本文主要闡述利用雙氫重排規(guī)則解析有機磷類農藥的質譜圖以及其特征離子在質譜法中的運用。

1 雙氫重排規(guī)則在解析有機磷農藥質譜圖中的運用

本文將探討在解析有機磷類農藥質譜圖的過程中雙氫重排規(guī)則的運用，為質譜法準確定性定量該類農藥所采納的碎片離子提供理論依據。

能夠發(fā)生雙氫重排的有機物種類有很多，如酯、碳酸酯、磷酸酯、亞硫酸酯[14]，這類化合物都具有共同特點——含有不飽和基團、可離去的氫、可離去的氫與不飽和基團呈六元環(huán)。

有機磷類農藥屬于磷酸酯類化合物，含有酯、(硫)醚、酮、胺、酰胺、烯、苯環(huán)、氮雜環(huán)、硝基、唑、鹵代烴等一個或多個官能團[15]。酯相比于其它官能團(酮、醚、酸、醛、醇)的質子親和力強；當有機磷類農藥的結構式滿足不飽和基團、可離去的氫、空間3要素時，相比于其它斷裂反應，氫重排反應往往具有很強的競爭力。

在運用有機質譜理論解析已知結構化合物的質譜圖時，可以把一類具有相似結構化合物的質譜圖進行比對，有助于學習有機質譜理論以及了解化合物的裂解歷程。在有機磷類農藥中，具有很多相似結構的化合物，可發(fā)生相同的質譜行為，產生具有這一類化合物特有的“指紋”信息。如圖1所示，速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷均含有相同的基團，即磷酸酯、烯、與烯相連的甲基。

如圖2所示，在速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的質譜圖中，均含有偶電子離子m/z127，且為基峰。結合圖1和圖2所示，說明這5種化合物具有相同的結構，可發(fā)生相同的質譜行為。

圖1 速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的化學結構式

圖2 速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺及巴毒磷的質譜圖

在速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷的化學結構式中，既含親質基團——磷酸酯；又含較易離去的氫——與不飽和鍵相鄰的碳上的氫，即與烯相鄰的甲基；同時滿足了空間因素——可離去的氫與不飽和氧原子構成六元環(huán)。滿足上述3個條件，在裂解過程中，氫重排的優(yōu)勢更加明顯。

(1)

速滅磷、久效磷、百治磷、磷胺和巴毒磷均可發(fā)生式(1)中的雙氫重排。當游離基和電荷定域于P=O上的不飽和氧原子上時，在游離基的誘導下先發(fā)生γ-H重排；P原子與烯間的羥氧原子上存在一對孤對電子，與電荷共享；再由電荷的誘導下發(fā)生氫重排，由于雙鍵在重排環(huán)外側，不需要六元環(huán)就可發(fā)生氫重排，隨即在電荷的誘導下，發(fā)生β鍵斷裂，得到偶電子離子m/z127，為基峰，具體如圖2所示。

這5種化合物所處的化學環(huán)境各不相同，由于雙氫重排優(yōu)勢明顯，使得由氨基N誘導的α斷裂、鹵素誘導的i斷裂及re反應等降為次要反應；盡管巴毒磷含有苯乙基，極易形成芐基而致穩(wěn)，但其碎片離子m/z105的豐度為50.1%，明顯低于基峰。

2 雙氫重排規(guī)則在檢測有機磷類農藥殘留中的運用

上文已詳細闡述了雙氫重排在解析有機磷類農藥質譜圖中的運用，由雙氫重排產生的特征離子表征了化合物重要的“指紋”信息。利用質譜法檢測待測組分時，一般采用2～4個母-子離子對或碎片離子作為識別點；雙氫重排產生的碎片離子表征了化合物的不飽和基團、可離去的氫及位置，有助于加重識別點的權重，從而確保定性定量準確。下面主要闡述雙氫重排規(guī)則在質譜法檢測有機磷類農藥殘留中的運用。

2.1 在氣相色譜-聯用質譜法檢測有機磷類農藥殘留中雙氫重排的運用

(2)

(3)

如式(2)和式(3)所示，偶電子離子m/z127還可在電荷誘導下發(fā)生re反應，失去中性分子H2O和CH3OH，得到偶電子離子m/z109和m/z95，符合偶電子離子生成偶電子離子+中性分子是有利的，在這5種化合物的質譜圖中，均可找到相應的碎片離子。

如圖3所示，在GB 23200.113-2018中，速滅磷、久效磷、百治磷和磷胺均采用了m/z127為母離子，即127.0/109.0(10eV)、127.0/95.0(15eV)。由于這4種有機磷類農藥的分子量、極性各不相同，與中等極性色譜柱(14%腈丙基苯基86%甲基硅氧烷，30m×0.25mm×0.25um)通過相互作用力-范德華力(色散力、誘導力、取向力)[16]，來達到良好的分離度[17]，滿足質譜法的SIM或MRM功能進行分段采集，可以避免采用相同的特征離子或MRM離子對而定性定量錯誤。

圖3 在韭菜基質中氣相色譜-質譜聯用法檢測久效磷和磷胺殘留量的MRM質譜圖

2.2 在液相色譜-聯用質譜法檢測有機磷類農藥殘留中雙氫重排的運用

不僅在氣相色譜-質譜聯用法中將偶電子離子m/z 127作為母離子來定性定量速滅磷、久效磷、百治磷和磷胺；在液相色譜-質譜聯用法(ESI)中，也將其作為子離子來定性定量速滅磷、久效磷和磷胺。如在食品安全國家標準《GB 23200.121-2021》中，速滅磷的離子對：225.1/127.0(21eV)、225.1/193.0(9eV)；久效磷的離子對：224.1/98.1(17eV)、224.1/127.0(21eV)；磷胺的離子對：300.1/174.1(19eV)、300.1/127.0(27eV)，如圖4所示。

圖4 在韭菜基質中液相色譜-質譜聯用法檢測久效磷和磷胺殘留量的MRM質譜圖

(4)

液相色譜-質譜聯用法(ESI源)與氣相色譜-質譜聯用法(EI源)產生偶電子離子m/z127的裂解歷程不同。電噴霧電離(ESI源)是一種“軟”電離手段，主要產生目標化合物的準分子離子峰，如[M+1]+[18]。在碰撞池中，當碰撞能大于離子內能時，準分子離子峰[M+1]+發(fā)生碰撞誘導分解反應而產生碎片離子[19]。速滅磷、久效磷和磷胺經ESI源電離后，在磷酸酯基團上結合一個質子而得到準分子離子峰[M+1]+，再由碰撞誘導分解產生偶電子離子m/z127，其碰撞誘導分解反應與式(1)中電荷誘導的氫重排歷程一致，反應通式如式(4)所示。

3 小結

有機磷類農藥是一類含有(硫代)磷酸酯基團的化合物；酯相比于其它官能團(酮、醚、酸、醛、醇)的質子親和力強；化合物中存在較易離去的氫，同時可離去的氫與不飽和基團呈六元環(huán)；當有機磷類農藥滿足上述條件時，相比于其它斷裂反應，雙氫重排往往具有很強的競爭力。本文詳細介紹的久效磷、磷胺等5有機磷類農藥，在質譜圖中，相比于其它裂解反應，雙氫重排優(yōu)勢明顯，產生的碎片離子為基峰。

雙氫重排規(guī)則不僅可以有效確認未知有機化合物結構；而且還可以在已知化合物結構的情況下，為質譜法檢測該化合物所運用的特征離子提供理論依據，從而保證定性定量準確。利用質譜法檢測待測組分時，一般采用2～4個母-子離子對或碎片離子作為識別點；雙氫重排產生的碎片離子表征了化合物的不飽和基團、可離去的氫及位置，更直接地表征了化合物結構重要的“指紋”信息，從而確保質譜法定性定量準確。