热解析低温等离子体电离源用于糯高粱中农药残留的快速筛查

王爽　王喆　侯可勇　李海洋

摘要本研究设计并搭建了一套热解析低温等离子体电离源（TDLTP），与质谱联用实现了糯高粱中农药残留的快速和高灵敏检测。TDLTP由热解析装置和低温等离子体放电源两部分组成，农药残留样品首先在热解析进样器内汽化，再由载气载带进入等离子体区域被电离。热解析进样器使LTP产生的气相等离子体与样品之间的气固或气液相互作用转变为气气相互作用，大大提高了难挥发样品（如农药）的电离效率； 电离源与质谱进样口之间采用同轴连接，提高了离子的利用率和传输效率。与传统的LTP电离源相比，TDLTP电离源的灵敏度提高了8倍以上，稳定性提高了4倍。本研究对热解析低温等离子体电离源的各参数进行了优化，并与自制的矩形离子阱质谱相结合，研究了12种农药在该电离源下的特征离子。最后，将此电离源与商品化的三重四极杆质谱仪联用，对糯高粱样品中的12种农药残留进行了快速筛查，结果表明， 本方法灵敏度高，可以满足食品安全国家标准规定的谷物中农药残留最大限量检测要求。

关键词农药残留快速检测； 热解析进样； 低温等离子体电离源； 矩形离子阱质谱； 三重四极杆质谱

1引 言

农药作为一种重要的生产资料，一方面， 合理使用是蔬菜、水果以及粮食作物产量的保证； 另一方面， 过度使用造成了水、土壤和环境的污染[1]，给人类健康造成威胁[2]。目前，公众对于食品安全的关注度越来越高[3]，使得农药快速高灵敏检测方法的發展显得尤为迫切。传统的农药检测方法主要有色谱法、色谱质谱联用法、免疫分析法等[4～7]，这些方法虽然精度高，但样品前处理过程非常繁琐[8]，且操作复杂[9]，样品分析时间也相对较长[5，8]，难以满足农药残留样品现场快速检测的要求。

质谱分析技术具有分析速度快、专属性强和灵敏度高等特点，已经逐步发展为有机物分析的“金标准”。质谱是一种基于气相离子的质荷比进行分离分析的技术，质谱电离源的作用是将目标分析化合物转化为气相离子。因此，电离源的性能决定了质谱的分析对象，离子化技术的革新一直推动着质谱应用的快速发展[10]。2004年，Takats[11]等首次提出了一种常压环境电离方法，即解吸附电喷雾技术（DESI），DESI无需样品前处理，即可实现固体、液体样品表面痕量成分的快速、高通量和实时分析[12]。DESI的出现吸引了众多的研究人员相继开发了多种新型的常压敞开式离子化技术，如实时直接分析（DART）[13]， 电喷雾萃取电离（EESI）[14]、激光剥蚀电喷雾离（LAESI）[15]， 介质阻挡放电离子化（DBDI）[16]等。

低温等离子体（LTP）电离源是一种基于介质阻挡放电的常压敞开式离子化技术[17]，已成功应用于爆炸物[18～20]、毒品[21，22]、农药[23]等样品的检测。传统的LTP电离源与质谱之间一般采用放电等离子体与分析物表面接触后反射进样的方式，因此受周围环境（如温度、湿度以及气流）的影响较大，检测结果的相对标准偏差（RSD）高达30%[23]。LTP电离源产生的是非平衡态等离子体，其表观温度接近或略高于室温，LTP探针能够实现固体表面样品直接电离，是依靠等离子体与样品表面直接的相互作用[17]，对于饱和蒸气压较低的样品（如农药），LTP的灵敏度较低。提高进样器的表面温度，难挥发性样品的蒸气压增大，因此在LTP产生的等离子体与样品相互作用之前引入热解析过程，可大大提高其电离效率，进而提高仪器的灵敏度。本课题组[24，25]提出了一种非接触式卤素灯加热辅助的LTP电离源，实现了爆炸物、农药样品的原位、高灵敏检测，由于电离源和质谱之间依然采用反射式进样，上述电离源的检测3种农药的相对标准偏差（RSD）在11%左右，稳定性不理想。

本研究设计并搭建了一套热解析低温等离子体电离源（TDLTP）。该电离源将样品热解析环节独立出来，使用采样试纸取样，加热板直接加热解析提高样品的蒸气压，将传统LTP气相等离子体与样品之间的气固或气液相互作用转变为气气相互作用，电离更充分。并且，电离源与质谱之间采用同轴连接，离子损失更少，稳定性也更高。将此电离源分别应用于实验室自制的离子阱质谱平台和商品化三重四极杆质谱仪，实现了12种农药的快速检测，并用于发酵酿酒的糯高粱样品中农药残留的快速筛查。

2仪器设计与实验

2.1TDLTP电离源的结构及原理

如图1所示，TDLTP电离源分为两部分：热解析进样部分和等离子体发生部分。其中热解析进样器是由热解析模块（包括加热和温控）和进样器控制模块构成，热解析温度可在20℃～240℃之间调节。低温等离子体发生装置由射频电源、三通固定头、导气管、三通玻璃管、环形电极和柱状内电极构成。

液体样品使用微量采样针点于采样试纸（聚四氟乙烯材质的长方形织物）特定位置，在室温下使溶剂蒸发，固体样品直接用采样试纸在表面轻轻擦拭，然后将采样试纸插入热解析进样器。样品在进样器内热解析，产生的气态样品分子被载气（空气）携带进入T型玻管，在环形电极前端与等离子体产生碰撞，发生质子转移、电荷转移或者分子碎裂等过程而被电离，该电离源可同时产生正、负离子。

相比于统统LTP，TDLTP电离源的改进主要体现在3个方面：（1）引入热解析进样器，使样品更充分的汽化，利用率更高； （2）在近放电区引入样品，近放电区等离子体浓度更高，等离子体与样品分子之间的相互作用更充分； （3）电离源与质谱进样口同轴联接，无需采用传统LTP反射式进样，样品离子损失更少。上述3个方面的改进，提高了仪器的灵敏度，增加了电离的稳定性。

2.2仪器与试剂

ACQUITY TQD三重四极杆质谱仪（美国Waters公司）； WH90A漩涡混合器（上海振荣科学仪器有限公司）； SK8200LHC超声波提取器（上海科导超声仪器有限公司）； 加热棒（FM3）； 热电偶（PT100）； AXMC500SCCMD/5M气体流量控制器（Alicat Scientific公司）； 高纯氦气（大连大特气体有限公司）； 甲醇（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）； 辛硫磷、乙硫磷、二嗪磷等12种农药标准品（农业部环境质量监督检测测试中心，天津）。

实验室自主搭建的矩形离子阱质谱[24]，包括非连续大气压进样接口（DAPI），线性矩形离子阱为质量分析器（x0= 5.0 mm， y0=4.0 mm， z0=43.2 mm），带转换打拿极的电子倍增检测器（Detector Technology， Inc.， Palmer， MA，Model 397）和真空系统四个部分。质谱的真空系统由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，真空腔體的尺寸为14 cm×11.5 cm×8.5 cm。

2.3实验方法

2.3.1农药标准溶液的配制及检测农药样品标准溶液的浓度为1000 mg/L，采用逐级稀释法，得到0.1～10 mg/L的标准溶液。检测时，样品的进样量均为1 μL， 样品用进样针点于采样试纸特定位置，室温下使溶剂挥发，然后插入进样器进行检测，质谱检测单个样品的时间少于2 s。

2.3.2糯高粱农药残留样品溶液及加标样品溶液的制备样品溶液制备方法：称取糯高粱样品25 g，不经处理直接加入50 mL甲醇，超声（35 Hz）5 min，通过过滤的方法将固液分离，将溶液浓缩至约1 mL， 再定容至5 mL，备用。

加标样品溶液制备方法：称取糯高粱样品25 g，不经处理直接加入浓度均为10 mg/L的马拉硫磷、辛硫磷、甲拌磷等（表1）12种农药标样各1 mL，再加入甲醇38 mL，超声（35 Hz） 5 min， 过滤， 所得溶液浓缩至约1 mL， 再定容至5 mL，备用。

2.3.3糯高粱农药残留样品的筛查方法

在进行农药残留筛查时，使用TDLTP电离源三重四极杆质谱仪分别检测糯高粱样品溶液和加标样品溶液，若样品溶液的质谱图中出现某一农药的特征离子峰，该峰的信噪比大于3，且加标样品溶液中该峰强度明显增强，则判定糯高粱样品中存在该农药残留，否则判定不存在该农药残留。

3结果与讨论

本研究的TDLTP电离源的条件优化和性能测试是在大连化物所快速分析与检测实验室内通过与自行搭建的矩形离子阱质谱联用进行，而TDLTP电离源的实际应用通过与商品化的三重四极杆质谱联用进行。

3.1TDLTP电离源的条件优化及性能表征

3.1.1TDLTP电离源的条件优化TDLTP电离源的性能主要由放电气体（氦气）流量、热解析温度和热解析样品的载气（空气）流量3个参数决定，采用控制单一变量法对各参数进行优化。在实验室搭建的矩形离子阱质谱平台上进行实验，测试样品选择饱和蒸气压较低且易于电离的季戊四醇四硝酸酯（PETN）标准溶液，样品浓度为10 μg/mL，进样量为1 μL，仪器为负离子检测模式，优化结果如图2所示。

当热解析温度和载气流量一定时，随放电气体氦气的流量增大，PETN样品的信号强度呈现先增大后减小的趋势，原因是当氦气流量较小时，产生的等离子体密度较低，与样品分子发生的相互作用较弱，产生的样品离子较少，信号较弱； 当氦气流量较大时，等离子体密度较大，等离子体与样品分子之间的碰撞加剧，使样品分子碎裂程度增加，因而信号减弱。当载气流量一定时，如果热解析温度太低，样品的解析速率降低，解析出的气态分子不能及时到达电离区； 若热解析温度太高，样品的解析速率太快甚至分解，同样会导致样品离子的损失，因此样品的信号强度随热解析温度的升高也呈现先增大后减小的趋势，如图2B所示。在一定的热解析温度下，如果载气的流量太小，解析出的气态样品分子不能及时到达电离区； 如果载气的流量太大，在DAPI打开前，电离后的样品离子已被载气带出电离区，最终都会影响样品信号强度，因此样品的信号强度随载气流量的增大出现先增大后减小的趋势，如图2C所示。最终确定的最佳电离源参数为：氦气流量150 mL/min，热解析温度180℃，空气流量100 mL/min。

3.1.2TDLTP电离源的性能表征为了对比TDLTP电离源和传统LTP电离源的实际电离效果，分别将两种电离源与实验室搭建的矩形离子阱质谱平台对接，在相同的条件下，对10 μg/mL的亚胺硫磷和毒死蜱溶液进行测试，样品的进样量均为1 μL，结果如图3所示，TDLTP对于亚胺硫磷和毒死蜱的检测灵敏度相比于传统LTP分别提高了8倍和8.5倍。本研究对TDLTP电离源的精密度进行了考察，重复测试6次，测得亚胺硫磷和毒死蜱两种农药样品的相对标准偏差（RSD）分别为8.6%和7.2%，此参数与传统LTP电离源相比分别提高了约4倍和3倍。

3.2TDLTP电离源的实际应用

3.2.1TDLTP电离源三重四极杆质谱对于农药的检出限电离源能够进行实际应用的前提是灵敏度符合要求。将TDLTP电离源与三重四极杆质谱仪联用，在优化的电离源条件下，测试12种农药标准品的检出限，结果见表1。与食品安全国家标准《GB 27632014 食品中农药最大残留限量》[26]中规定的谷物中农药残留最大限量对比，本研究提出的热解析低温等离子体电离源直接质谱法的检出限低于或接近国标中规定的最大农药残留限量，因此本方法可以作为谷物农药残留快速筛查的手段。

3.2.2糯高粱样品农药残留快速筛查按如上实验方法，在热解析低温等离子体电离源三重四极杆质谱仪平台上，分别采用正离子和负离子检测模式，对糯高粱样品溶液与高粱样品加标溶液进行检测，所得结果如图4和图5所示。

在正离子模式下，在加标样品溶液中检测到二嗪磷和甲基嘧啶磷两种农药，但样品溶液中并未检出，说明热解析LTP电离源的灵敏度能够达到二嗪磷和甲基嘧啶磷的检测要求，而糯高粱样品中未检出这两种农药残留。在负离子模式下，加标样品溶液中检测到敌敌畏、辛硫磷、亚胺硫磷、马拉硫磷、毒死蜱、七氯和艾氏剂7种农药残留，而样品溶液中的质谱图中则出现了强度相对较弱的敌敌畏、马拉硫磷、毒死蜱三种农药质谱峰，从S/N>3的角度考虑，可判定糯高粱样品中存在敌敌畏残留，此结果也与气相色谱质谱联用标准分析法所得结果一致。以上结果均表明，TDLTP直接质谱法能够作为农药残留的快速初步筛查的手段。

4结 论

本研究在传统的低温等离子体电离源的基础上引入样品热解析过程，设计并搭建了一套热解析低温等离子体电离源，大大提高了LTP电离源的电离效率和稳定性。该电离源可同时产生正负离子， 能方便地与各種质谱对接，实现固体和液体样品的定性定量分析。将该电离源应用于实验室搭建的矩形离子阱质谱平台，确定了12种农药样品的特征离子。将该电离源应用于商品化的三重四极杆质谱仪， 12种农药均能被高灵敏检测。最后将该电离源应用于糯高粱实际样品农药残留分析，无需复杂的样品前处理过程，实现了对高粱实际样品农药残留的快速筛查，表明TDLTP电离源在农药残留快速、高通量检测方面具有广阔的应用前景。

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