非接触热解析封闭式低温等离子体电离源质谱法快速分析3种农药残留
苏明扬+侯可勇+黄泽健+江游+陈文东+陈平
摘 要 利用低温等离子体电离源微型离子阱质谱建立了一种常压离子化质谱直接、快速、定量分析农药残留的新方法。低温等离子体电离源与质谱进样口处于封闭金属腔体内部，在负离子探测模式下，将样品放置于低温等离子体电离源前的采样平台上，利用卤素灯快速无接触热解析样品。结果表明，封闭离子源更具优势，通过对加热时间、辅助气流流量等条件的优化，实现了对3种农药在0.5～10 mg/L范围内的定量分析，相对标准偏差控制在11%左右，5 s内的样品检出限均在pg量级。该检测方法无需样品前处理，样品可直接检测，分析时间快，有望广泛应用于有机和绿色果蔬中农药残留的快速检测。
关键词 低温等离子体； 农药残留； 微型离子阱质谱
1 引 言
农药用以提高农作物产量与质量，在现代农业生产中具有至关重要的作用。但农药的不规范使用，同样会造成农副产品、水体、土壤中农药残留含量超标。残留的农药可通过食物链富集在人体内，长期食用和饮用农药残留含量超标的食品和饮品会对人的健康造成损害，甚至导致死亡。
农药残留检测方式包括液相色谱[1]、液相色谱 串联质谱[2]、气相色谱[3]、气相色谱 质谱[4]等。色谱与质谱或串联质谱联用具有准确、灵敏等特点。但复杂的前处理、检测所需时间长等因素，限制了其在农药残留的快速检测的应用。
近年发展起来的常压离子化质谱技术能够在无需样品前处理的条件下，直接对大多数化合物进行分析，具有快速、高效、灵敏等特点[5，6]。常压离子化电离源包括电喷雾解析电离（Desorption electrospray ionization，DESI）[7，8]，介质阻挡放电电离（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）[9]，实时在线分析（Direct analysis in real time，DART）[10]，低温等离子体（Low temperature plasma，LTP）[11]等，通过不同的原理衍生出来的各种常压离子化电离源已多达30多种[12]，并且部分电离源已成功应用于农药快速检测方面[13]。 LTP是通过在绝缘介质的外壁施加射频电场，在绝缘介质内的放电气体被电离形成等离子体，将等离子体气体直接喷射到样品上，即可实现样品电离。由于其结构简单，操作容易等特点而受到广泛关注，LTP电离源质谱已成功应用于炸药[14～16]、农药[17， 18]、食品安全[19]、毒品[20]等方面，可对痕量及复杂基质中样品进行检测。但是在大气压环境下的电离方式，受周围环境如湿度、温度的影响较大，信号强度相对标准偏差（RSD）在10%～30%之间，定量分析的准确度难以令人满意[18]。LTP对小分子挥发性化合物具有很高的灵敏度，对于挥发性差的化合物分析往往借助于热解析提高灵敏度。但是传统的加热方式是将分析样品放置于加热板上进行加热。这种加热方式对于液体样品比较适合，但是不适宜于具有一定形状的样品。本研究将电离源与质谱接口封闭于金属腔体内，以压缩空气吹扫电离源，利用卤素灯光照无接触式热解析样品，提高了装置的定量分析能力与信号强度，并在最优实验条件下测定了实际样品。
2 实验部分
2.1 试剂与样品
乐果、百菌清、马拉硫磷农药标准品由中国农业大学农药分析实验室提供，3种农药的基本数据见表1。甲醇（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；实验用苹果和番茄购自当地超市。
2.2 仪器和原理
低温等离子体电离源是介质阻挡放电的一种，本实验使用外径6 mm、内径4 mm的石英玻璃管作为放电介质，放电气体为He气，放电气体在石英玻璃管内流动，通过浮子流量计控制流量为0.1 L/min。 在石英管外部固定金属圆筒电极（外径6.3 mm、内径6.1 mm），在金属圆筒电极上施加高压射频电场，射频电压Vp p为1.4 kV，频率25 kHz，在石英管内部的轴心有接地的金属毛细管电极（外径1.57 mm），高压射频电源通过石英管对地电极介质阻挡放电，激发He气，形成低温等离子体轰击样品，进而产生样品离子。将低温等离子体放电管与质谱进样口封闭于一金属腔体（7.0 cm×6.0 cm ×5.8 cm）内部，在封闭腔体上方采用玻璃片（厚度1.1 mm）密封用以透光。在封闭腔体左下方通过浮子流量计通入1.0 L/min的压缩空气，实时保持封闭腔体中的湿度，在封闭腔体右上方有气体出口，用于排除压缩空气。封闭腔体中间位置设置样品进样台，样品通过进样布或者进样玻片放置于进样台上。LTP放电石英玻璃管气体出口在样品上方2 mm， 以45°对吹样品，质谱进样毛细管高于进样布或者进样玻片1 mm， 与LTP放电石英玻璃管处于同一平面，呈135°，正对吹扫样品。
LCB 50卤素灯（日本英富丽有限公司）置于样品上方40 mm处，卤素灯光透过封闭腔体上的密封玻璃片照射到样品上，通过加热提高样品的蒸汽压从而提高样品信号强度。
实验采用的是实验室自主搭建的微型矩型离子阱质谱仪，仪器结构图见文献＼[16]。微型矩型离子阱质谱包括非连续大气压进样接口（Discontinuous atmospheric pressure interface，DAPI），离子聚焦透镜、矩型离子阱质量分析器（Rectilinear ion trap，RIT），以及真空系统4部分，质谱系统尺寸为38 cm×34 cm ×26 cm。DAPI采用脉冲阀控制离子进样，真空系统采用80 L/s涡轮分子泵以及15 L/min膜片泵维持， 质量分析器中气压在离子不进样时维持1.0 mPa。矩型离子阱质量分析器由4片矩形电极组成，根据文献＼[21]的尺寸加工而成。大气压下LTP离子源电离样品产生离子，开启DAPI样品离子瞬间被气流引入进样金属毛细管中，腔体中气压瞬间升高，样品离子经透镜聚焦，进入RIT，当气压低于0.01 Pa后，通过扫描射频电压，不同质荷比的离子弹出离子阱，通过电子倍增器放大后检测信号。
2.3 实验方法
2.3.1 农药标准溶液配制与检测 准确称取农药标准品，用甲醇做溶剂，配制1000 mg/L农药标准储备液。采用逐级稀释，得到0.5～10 mg/L标准溶液。取各浓度标准溶液1 μL，滴于干净载玻片上，在室温下，待溶剂挥发完全，加热载玻片采集信号。
2.3.2 实际样品农药残留检测 取新鲜苹果将1 μL 4 mg/L农药标准溶液滴于1 cm2 苹果表皮上，待溶剂挥发完全，采用聚四氟乙烯采样布擦拭苹果表皮后，置于检测区。分别检测得到果皮空白质谱图与具有农药残留的果皮质谱图。
将新鲜番茄压榨后，制得含有4 mg/L农药的番茄汁，模拟具有农药残留的样品。分别检测得到番茄汁上层清液质谱图与具有农药残留的上层清液质谱图。
3 结果与讨论
3.1 封闭环境与敞开环境对信号稳定性的影响
通过将低温等离子体电离源与质谱接口封闭于金属腔体内部，辅助通入固定流量压缩空气气流，在一定程度上控制了电离环境，避免了将整个电离环境直接暴露于大气压下，受到周围环境中空气湿度、扰流等干扰，更利于定量分析。取4 ng百菌清样品，在空气流量为1 L/min，加热3 s的条件下，平行测定10组样品（图1），图1a是将电离源与质谱接口置于敞开环境下所得数据；图1b是将电离源与质谱接口封闭于金属腔体内所得数据。从数据精密度（以RSD计）可得到敞开环境下RSD值为34%，而封闭环境RSD值为14%，表明封闭条件更利于定量分析。
3.2 封闭腔体内空气流量对信号稳定性的影响
通过改变封闭腔体内空气流量，观察空气流量对信号稳定性的影响。将2 ng百菌清样品置于检测区，空气流量从0.4 L/min升高到1.4 L/min，在加热时间为3 s的条件下，平行测定7组样品。如图2所示， 图2 空气流量对信号稳定性的影响
Fig.2 Effect of air flow rate on signal stability of 2 ng chlorothalonil所得7组样品信号强度RSD值在1.0 L/min的条件下最低，稳定性最好。同时从所得数据表明，在封闭环境下信号稳定性皆优于敞开环境。故本实验空气流量选择1.0 L/min。
3.3 非接触热解析对样品信号强度的影响
3种农药的质谱图如图3所示，其中百菌清因在溶液中易降解成为M1（4 羟基 2，5，6 三氯间苯二腈）和M2（1，3 二氯 间苯二腈），故质谱峰为降解物的离子峰＼[M1-H]
而被检测。在室温下，因农药样品饱和蒸气压较低，所得样品信号强度较低，当采取卤素灯加热3 s（约120 ℃）后，其中百菌清、乐果、马拉硫磷信号强度分别提高51， 56和35倍。
3.4 加热时间对信号稳定性的影响
通过调节卤素加热灯加热时间，观测加热时间对信号强度和稳定性的影响。将2 ng百菌清样品置于检测区，加热时间在1～6 s之间变化，在同一加热时间下平行测定7组样品。如图4所示，加热1～3 s，信号强度大幅提高。是因为随着加热时间延长，样品表面温度迅速升高，从而使得样品蒸汽含量增大。加热3～4 s，样品信号强度最高，所得信号RSD值约10%。但超过4 s后，加热时间过长，样品挥发扩散进入周围的气流中，被带走部分，从而信号强度降低。
3.5 农药样品定量分析
在辅助空气气流1.0 L/min，加热时间3～4 s的实验条件下，对3种农药的质谱峰强度与样品浓度做分析。 图4 2 ng百菌清在空气流量为1 L/min条件下，加热时间对信号强度（a）和相对标准偏差（b）的影响
Fig.4 Effect of heating time on ion intensities （a） and RSD （b） of 2 ng chlorothalonil within 1 L/min air atmo sphere所得线性关系良好，检出限（S/N=3）较低，方法精密度较高（表2）。
3.6 实际样品农药残留检测
利用所建立的实验平台研究水果中的农药残留。在辅助空气气流1.0 L/min，加热3～4 s的实验条件下采集信号。图5a和5c分别为苹果表皮与番茄汁上清液空白质谱图，其中在苹果表皮在m/z242处，番茄汁上清液在m/z240， 241处出现较强谱峰；图5b为在1 cm2苹果表皮上滴加1 μL 4 mg/L百菌清标准液，溶剂挥发完全后，采用聚四氟乙烯采样布擦拭苹果表皮后，测得质谱图，百菌清农药的特征峰，如m/z241， 243， 247等均可清晰检出；图5d为在番茄汁上清液中添加3种农药制得4 mg/L混合样品，取4 ng样品，测得质谱图，包括3种农药特征峰m/z157， 214， 241， 243等，表明4 ng样品均可清晰检出。
图5 苹果表皮空白（a）与擦拭含有4 ng百菌清农药残留的苹果表皮质谱图（b）；番茄汁空白（c）与含有3种农药混合物（4 ng）农药残留番茄汁质谱图（d）
Fig.5 Mass spectra of （a） blank of apple peel and （b） spiked with 4 ng chlorothalonil；（c） blank of tomato sauce and （d） spiked with 4 ng three kinds of pesticides
4 结 论
采用将低温等离子体电离源与质谱接口半封闭于金属腔体内的方式，通过控制加热时间与空气流量等条件，实现了快速、定量分析农药残留。本方法灵敏度高，检测速度快，检出限为pg量级。单个样品检测时间可在5 s内完成，有望用于有机食品，绿色食品的快速检测，具有较强的实用价值。
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农药用以提高农作物产量与质量，在现代农业生产中具有至关重要的作用。但农药的不规范使用，同样会造成农副产品、水体、土壤中农药残留含量超标。残留的农药可通过食物链富集在人体内，长期食用和饮用农药残留含量超标的食品和饮品会对人的健康造成损害，甚至导致死亡。
农药残留检测方式包括液相色谱[1]、液相色谱 串联质谱[2]、气相色谱[3]、气相色谱 质谱[4]等。色谱与质谱或串联质谱联用具有准确、灵敏等特点。但复杂的前处理、检测所需时间长等因素，限制了其在农药残留的快速检测的应用。
近年发展起来的常压离子化质谱技术能够在无需样品前处理的条件下，直接对大多数化合物进行分析，具有快速、高效、灵敏等特点[5，6]。常压离子化电离源包括电喷雾解析电离（Desorption electrospray ionization，DESI）[7，8]，介质阻挡放电电离（Dielectric barrier discharge ionization，DBDI）[9]，实时在线分析（Direct analysis in real time，DART）[10]，低温等离子体（Low temperature plasma，LTP）[11]等，通过不同的原理衍生出来的各种常压离子化电离源已多达30多种[12]，并且部分电离源已成功应用于农药快速检测方面[13]。 LTP是通过在绝缘介质的外壁施加射频电场，在绝缘介质内的放电气体被电离形成等离子体，将等离子体气体直接喷射到样品上，即可实现样品电离。由于其结构简单，操作容易等特点而受到广泛关注，LTP电离源质谱已成功应用于炸药[14～16]、农药[17， 18]、食品安全[19]、毒品[20]等方面，可对痕量及复杂基质中样品进行检测。但是在大气压环境下的电离方式，受周围环境如湿度、温度的影响较大，信号强度相对标准偏差（RSD）在10%～30%之间，定量分析的准确度难以令人满意[18]。LTP对小分子挥发性化合物具有很高的灵敏度，对于挥发性差的化合物分析往往借助于热解析提高灵敏度。但是传统的加热方式是将分析样品放置于加热板上进行加热。这种加热方式对于液体样品比较适合，但是不适宜于具有一定形状的样品。本研究将电离源与质谱接口封闭于金属腔体内，以压缩空气吹扫电离源，利用卤素灯光照无接触式热解析样品，提高了装置的定量分析能力与信号强度，并在最优实验条件下测定了实际样品。
2 实验部分
2.1 试剂与样品
乐果、百菌清、马拉硫磷农药标准品由中国农业大学农药分析实验室提供，3种农药的基本数据见表1。甲醇（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；实验用苹果和番茄购自当地超市。
2.2 仪器和原理
低温等离子体电离源是介质阻挡放电的一种，本实验使用外径6 mm、内径4 mm的石英玻璃管作为放电介质，放电气体为He气，放电气体在石英玻璃管内流动，通过浮子流量计控制流量为0.1 L/min。 在石英管外部固定金属圆筒电极（外径6.3 mm、内径6.1 mm），在金属圆筒电极上施加高压射频电场，射频电压Vp p为1.4 kV，频率25 kHz，在石英管内部的轴心有接地的金属毛细管电极（外径1.57 mm），高压射频电源通过石英管对地电极介质阻挡放电，激发He气，形成低温等离子体轰击样品，进而产生样品离子。将低温等离子体放电管与质谱进样口封闭于一金属腔体（7.0 cm×6.0 cm ×5.8 cm）内部，在封闭腔体上方采用玻璃片（厚度1.1 mm）密封用以透光。在封闭腔体左下方通过浮子流量计通入1.0 L/min的压缩空气，实时保持封闭腔体中的湿度，在封闭腔体右上方有气体出口，用于排除压缩空气。封闭腔体中间位置设置样品进样台，样品通过进样布或者进样玻片放置于进样台上。LTP放电石英玻璃管气体出口在样品上方2 mm， 以45°对吹样品，质谱进样毛细管高于进样布或者进样玻片1 mm， 与LTP放电石英玻璃管处于同一平面，呈135°，正对吹扫样品。
LCB 50卤素灯（日本英富丽有限公司）置于样品上方40 mm处，卤素灯光透过封闭腔体上的密封玻璃片照射到样品上，通过加热提高样品的蒸汽压从而提高样品信号强度。
实验采用的是实验室自主搭建的微型矩型离子阱质谱仪，仪器结构图见文献＼[16]。微型矩型离子阱质谱包括非连续大气压进样接口（Discontinuous atmospheric pressure interface，DAPI），离子聚焦透镜、矩型离子阱质量分析器（Rectilinear ion trap，RIT），以及真空系统4部分，质谱系统尺寸为38 cm×34 cm ×26 cm。DAPI采用脉冲阀控制离子进样，真空系统采用80 L/s涡轮分子泵以及15 L/min膜片泵维持， 质量分析器中气压在离子不进样时维持1.0 mPa。矩型离子阱质量分析器由4片矩形电极组成，根据文献＼[21]的尺寸加工而成。大气压下LTP离子源电离样品产生离子，开启DAPI样品离子瞬间被气流引入进样金属毛细管中，腔体中气压瞬间升高，样品离子经透镜聚焦，进入RIT，当气压低于0.01 Pa后，通过扫描射频电压，不同质荷比的离子弹出离子阱，通过电子倍增器放大后检测信号。
2.3 实验方法
2.3.1 农药标准溶液配制与检测 准确称取农药标准品，用甲醇做溶剂，配制1000 mg/L农药标准储备液。采用逐级稀释，得到0.5～10 mg/L标准溶液。取各浓度标准溶液1 μL，滴于干净载玻片上，在室温下，待溶剂挥发完全，加热载玻片采集信号。
2.3.2 实际样品农药残留检测 取新鲜苹果将1 μL 4 mg/L农药标准溶液滴于1 cm2 苹果表皮上，待溶剂挥发完全，采用聚四氟乙烯采样布擦拭苹果表皮后，置于检测区。分别检测得到果皮空白质谱图与具有农药残留的果皮质谱图。
将新鲜番茄压榨后，制得含有4 mg/L农药的番茄汁，模拟具有农药残留的样品。分别检测得到番茄汁上层清液质谱图与具有农药残留的上层清液质谱图。
3 结果与讨论
3.1 封闭环境与敞开环境对信号稳定性的影响
通过将低温等离子体电离源与质谱接口封闭于金属腔体内部，辅助通入固定流量压缩空气气流，在一定程度上控制了电离环境，避免了将整个电离环境直接暴露于大气压下，受到周围环境中空气湿度、扰流等干扰，更利于定量分析。取4 ng百菌清样品，在空气流量为1 L/min，加热3 s的条件下，平行测定10组样品（图1），图1a是将电离源与质谱接口置于敞开环境下所得数据；图1b是将电离源与质谱接口封闭于金属腔体内所得数据。从数据精密度（以RSD计）可得到敞开环境下RSD值为34%，而封闭环境RSD值为14%，表明封闭条件更利于定量分析。
3.2 封闭腔体内空气流量对信号稳定性的影响
通过改变封闭腔体内空气流量，观察空气流量对信号稳定性的影响。将2 ng百菌清样品置于检测区，空气流量从0.4 L/min升高到1.4 L/min，在加热时间为3 s的条件下，平行测定7组样品。如图2所示， 图2 空气流量对信号稳定性的影响
Fig.2 Effect of air flow rate on signal stability of 2 ng chlorothalonil所得7组样品信号强度RSD值在1.0 L/min的条件下最低，稳定性最好。同时从所得数据表明，在封闭环境下信号稳定性皆优于敞开环境。故本实验空气流量选择1.0 L/min。
3.3 非接触热解析对样品信号强度的影响
3种农药的质谱图如图3所示，其中百菌清因在溶液中易降解成为M1（4 羟基 2，5，6 三氯间苯二腈）和M2（1，3 二氯 间苯二腈），故质谱峰为降解物的离子峰＼[M1-H]
而被检测。在室温下，因农药样品饱和蒸气压较低，所得样品信号强度较低，当采取卤素灯加热3 s（约120 ℃）后，其中百菌清、乐果、马拉硫磷信号强度分别提高51， 56和35倍。
3.4 加热时间对信号稳定性的影响
通过调节卤素加热灯加热时间，观测加热时间对信号强度和稳定性的影响。将2 ng百菌清样品置于检测区，加热时间在1～6 s之间变化，在同一加热时间下平行测定7组样品。如图4所示，加热1～3 s，信号强度大幅提高。是因为随着加热时间延长，样品表面温度迅速升高，从而使得样品蒸汽含量增大。加热3～4 s，样品信号强度最高，所得信号RSD值约10%。但超过4 s后，加热时间过长，样品挥发扩散进入周围的气流中，被带走部分，从而信号强度降低。
3.5 农药样品定量分析
在辅助空气气流1.0 L/min，加热时间3～4 s的实验条件下，对3种农药的质谱峰强度与样品浓度做分析。 图4 2 ng百菌清在空气流量为1 L/min条件下，加热时间对信号强度（a）和相对标准偏差（b）的影响
Fig.4 Effect of heating time on ion intensities （a） and RSD （b） of 2 ng chlorothalonil within 1 L/min air atmo sphere所得线性关系良好，检出限（S/N=3）较低，方法精密度较高（表2）。
3.6 实际样品农药残留检测
利用所建立的实验平台研究水果中的农药残留。在辅助空气气流1.0 L/min，加热3～4 s的实验条件下采集信号。图5a和5c分别为苹果表皮与番茄汁上清液空白质谱图，其中在苹果表皮在m/z242处，番茄汁上清液在m/z240， 241处出现较强谱峰；图5b为在1 cm2苹果表皮上滴加1 μL 4 mg/L百菌清标准液，溶剂挥发完全后，采用聚四氟乙烯采样布擦拭苹果表皮后，测得质谱图，百菌清农药的特征峰，如m/z241， 243， 247等均可清晰检出；图5d为在番茄汁上清液中添加3种农药制得4 mg/L混合样品，取4 ng样品，测得质谱图，包括3种农药特征峰m/z157， 214， 241， 243等，表明4 ng样品均可清晰检出。
图5 苹果表皮空白（a）与擦拭含有4 ng百菌清农药残留的苹果表皮质谱图（b）；番茄汁空白（c）与含有3种农药混合物（4 ng）农药残留番茄汁质谱图（d）
Fig.5 Mass spectra of （a） blank of apple peel and （b） spiked with 4 ng chlorothalonil；（c） blank of tomato sauce and （d） spiked with 4 ng three kinds of pesticides
4 结 论
采用将低温等离子体电离源与质谱接口半封闭于金属腔体内的方式，通过控制加热时间与空气流量等条件，实现了快速、定量分析农药残留。本方法灵敏度高，检测速度快，检出限为pg量级。单个样品检测时间可在5 s内完成，有望用于有机食品，绿色食品的快速检测，具有较强的实用价值。
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