DART-MS在有机磷农药的毒理学研究与风险评估

2024-01-16张瑛等

新农民 2023年36期

张瑛等

杨士云乔静张文芳

摘要：随着原位电离技术的不断进步，实时直接分析（DART）已经成为当今最受欢迎的分析方法之一，它不仅可以用于质谱，还可以用于法庭科学、食品安全、毒品药物、爆炸物检测和药物分析等多个领域，取得了显著的成果。现如今我国对于农药检测的技术已经形成了较为成熟的体系，但经过研究表明使用原位电离质谱联用技术能够进一步优化检测工作，可以在有效地拓宽检测的范围程度的同时，减少检测所消耗的时间。本文旨在深入探讨质谱（DART-MS）技术的工作原理、检测要求、优化方案以及在有机磷农药的实际应用中的效果，并且对其可能带来的风险进行了全面的评估，并提出了一系列有效的解决方案，以期为相关部门提供参考。

关键词：DART-MS；有机磷农药；毒理学研究；风险评估

随着现代农业技术的不断创新与发展，农业中对于化学农药的使用也逐渐增多，为了保证人们的安全以及对农药的毒理的检测和研究，实时直接分析质谱的出现对于以上工作具有重要应用意义。以往传统的农药检测方式在进行检测前需要引入一系列的色谱或气相色谱等步骤，在一定程度上浪费了时间以及人力，且检测结果往往会出现与样品的误差与损坏[1-2]。而随着质谱技术的不断发展以及质-谱成像和数据分析功能的不断完善与提高，为现阶段有机磷农药的检测以及毒理学研究方面提供了更为有效和精准的检测方式[3]。因此，实时直接分析质谱技术有机磷农药的毒理学研究中起到至关重要的作用。

1 DART的工作原理

DART属于一种快速且避免对样品造成破坏性的分析方法，该方法能够将样品直接通过离子化的方式转化为带电的分子与离子，而后经过对质量与串联质谱的分析与研究后，对样品中的物质进行定量以及定性研究。实时直接分析质谱方式的优点较为明显，其中最关键的优势则是检测速度快，从分子离子检测到输出结果所需要的时间只需要几秒钟就可以完成，相较于传统检测方式更加便捷[4]。除此之外DART也不需要在检测之前对检测样品进行提前提取，能够有效地保护样品完整度，保证样品不受损伤而导致出现误差，提高实验的整体效率。与此同时对于低浓度的化合物也能够及时地进行检测，具有极高的灵敏度，对样品中存在的大量化合物均能够进行检出[5]。

DART一般情况下属于一种复合型的解吸附/粒子化电离模型，其电离原理根据不同类型的试验要求会存在各种情况的差异[6]。常温常压质谱可以利用各种形式的电能来形成初级粒子，例如电场、热、光等都能够为常温常压质谱提供各种程度的电能，而后完成基质中能源与电荷之间的传导工作，根据对各种待检测物质的各种基本物理特性，对能源与电荷做出不同程度的选择性作用，由此进一步导致复杂基质样本中待检测物质的电离情况[7-8]。电喷雾电离、电晕放电、辉光放电以及等离子体等各种类型的电场均属于为常温常压分离技术提供电能的形式。由于辉光放电反应形成的电子激发态的He原子或振荡激发态的N2分子可以作为DART电离化技术的电离化试剂来使用，也可以称为“初级分离”。根据相关研究资料表明，电离化试剂与气态、液态或是固态试样在接触时则会形成电离化过程[9]。而现阶段的电离化机制尚不能做到完全的明确，由于不同因素的影响会导致各种机制之间出现竞争的关系，而处于阳电离方式下则极易出现质子迁移、彭宁电离化以及电荷迁移等化学反应。

2 有机磷农药中毒机制以及有机磷农药残留现状

2.1 有机磷农药中毒机制

有机磷农药的主要成分是一种含碳和磷酸衍生物的有机磷化合物。主要是通过皮肤、消化道和呼吸道吸收后与乙酰胆碱酯酶进行结合而形成的乙酰胆碱酯酶-有机磷化合物，使该酶失去功能[10]。而乙酰胆碱酯酶负责将神经递质乙酰胆碱水解为乙酸和胆碱，当乙酰胆碱酯酶功能被抑制时，可导致神经递质乙酰胆碱在神经突触和神经肌肉接头处过量蓄积[11]。神经递质乙酰胆碱过量可累及自主神经系统、神经肌肉接头以及中枢神经系统，导致一系列的副交感神经过度兴奋，出现心动过缓、出汗、瞳孔缩小、腹痛、腹泻甚至是肺水肿、昏迷以及死亡等现象出现[12]。另一方面，由于含有有害物质，例如苯和二甲苯，这些化合物可能会损害人类的身心健康，导致中毒。

2.2 农药残留现状

随着科技发展以及时代进步，有机磷农药在农业中起着关键作用，在一定程度上决定着农业生产的产量。有机磷农药等在农业生产中的使用能够对害虫进行防治与消除，还能够在一定程度上对农作物的产量进行提高，对人民的生活起到一定的改善作用。但农药的大规模使用也在不同程度上存在一定的弊端，不仅仅会对生态环境造成污染，还会对生物链的平衡进行影响，有机磷农药的残留容易在食物中积蓄，对人体健康造成危害[13]。如若长期食用含有低剂量农药超标的水果会导致器官病变等情况发生。而通常情况下农药残留是指在使用农药后的一段时间，农药在空气、土壤、水质以及作物中残存的农药以及过程中产生的产物总和。而现阶段人们对于食品安全问题的意识正在不断提高，对食品安全的关注也越来越高。根据研究表明，尽管我国的饮食中可以检测到387种和5450项的农药残余，但这些项目的种类和数量都远远超出了发达国家[14]。此外，尽管这些农药的污染程度并不高，但它们却可能给婴儿和老年人带来潜在的健康风险。

3 DART-MS在有机磷农药毒理学的实际应用

3.1 国外DART-MS在有机磷农药毒理学的应用

DART-MS技术被广泛用于农业领域，它可以通过利用DART离子源和飞行时间质谱仪来快速、准确地识别出杀菌剂嘧菌酯和其他杀菌剂，而且由于它的优势，它可以免除样本提前处理的麻烦，而且可以完全没收，因此，它正受到越来越多学者的青睐，并且正逐渐演变为当今最受欢迎的科学方法。当采用He氣作为电离介质，咪鲜胺作为内标物，并且利用高静电场轨道阱和DART离子源，可以从6-1200μ g/kg

的浓度范围，获得最优的线性系数，且该方法的准确度达到0.99，且可以准确地反映苹果、猕猴桃等果蔬的组成，从而实现对它们的快速、准确地检测和分析。此外，该方法可以应用于各种不同的电离模式，如正离子和负离子，可以准确地反映各种化学类型的杀虫剂的存在情况，从而获得更加全面的研究报告。且效果明显。我们的研究表明，采用实时直接分离技术和傅里叶变换红外光谱技术，我们可以探测到吡啶（IMD）在室内的光化学反应[15-16]。这些探测方法可能会揭示出IMD-UR、DN—IMD和N2O0等化学成分。经过深入的调查，我们发现，当IMD被暴露在外界条件下，它的含量将显著上升，而其暴露的最长期限可达16 h。除此之外，水果中的二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂的效果也能够通过原位电离与质谱串联进行快速的检测，实验分别对DART离子源和解吸附电喷雾离子源结合质谱法对待检测物中二硫代氨基甲酸酯的检出效果进行考察，结果表明，解吸附电喷雾离子源只能够对福美双进行提取，且检出限为0.1 mg/L，无法对其他的二硫代氨基甲酸酯进行检出。而通过使用DART-MS则能够对福美双以及福美锌同时做出检测。使用DART-MS技术，可以准确地测定果蔬的农药残留，其中，马拉硫磷、甲胺磷、抑霉唑和乐果的含量均比美国环保局规定的10～100倍更加安全可靠。通过结合DART离子源和高分辨质谱（HRMS），我们可以快速、精准地识别出芹菜、生菜等作物中的7种极性农药[17]。这种技术的应用，为我们提供了一种更加有效的方法来评估这些作物的毒素含量。相对标准的偏差也较少。

3.2 国内DART-MS在有机磷农药毒理学的应用

经过实验研究表明，对脐橙表面上的不明杀菌剂利用DART-MS加以检测，利用氦气当作电离化试剂，在正离子模式、350℃的条件对脐橙果皮表层的化学物质加以电离化，仅仅花费不到1s的时候就将质谱信息予以检出，通过对谱图的研究与文献特点和离子加以比较后结果推测出化合物为抑霉唑，随后与GC-MS加以验证，得出的结果为果蔬表面上的农药残留检测提供了新的技巧。通过利用DART信息技术对食品中的唑类和有机磷类杀虫剂加以筛查鉴别，首先构建唑类杀虫剂和有机磷类杀虫剂的共性特点子电离和中度损失库及其辅助定性子电离和中度损失库。通过DART—MS技术迅速获得待测物的母电离、子电离信息，并将获得的母电离和子电离相对误差获得中性丢失，再将获得的数据分析与丢失库中的数据分析加以比对，准确鉴定出腈菌唑和9种有机磷农药。经DART-MS技术的改良，氟虫腈、甲拌磷、敌敌畏和呋喃丹4种农药的电离源工作温度均达到200℃，栅极电流达到250 V，质谱碎片器的电流也达到200 V，氟虫腈采取负离子模型，而其余3种农药则是正离子模型，并且利用同位素技术来实现定量分析，而且相比传统方法，它们的标准偏差在2.3%～15%，这给DART-MS技术在识别掺有有毒物质的假冒伪劣农药方面带来了一种全新的解决方案。通过使用DART电离源和三重四极杆的组合，我们可以快速、准确地检出红酒中的农药和污染物，并且能够快速、准确地实现对葡萄酒的监控。我们使用这种方法，可以快速、准确地监测到红酒中的50种杀虫剂、12种抗腐剂、抗氧化剂、甜味剂和偶氮染料掺假剂。我们的实验设备的灵敏度和准确性均达到10～250 rig/mL，并且能够快速和准确地确定葡萄酒的污染程度[18]。通过使用这种新的技术，我们能够迅速地打击红酒中的掺假行为。将DART与三重四极杆质谱联用对红酒和白酒中的31种农药进行检测，所有化合物在3 min内检出，比TOFmS的检测速度提高了2倍。使用轨道离子阱高分辨质谱与DART离子源联用快速测定木质食品接触材料中4种拟除虫菊酯防腐剂的方法，4种分析物的线性关系良好，且检出限位0.04～0.20 mg/kg，定量限为0.10～0.50 mg/kg，平均回收率为72.1％～82.7％，RSD为5.2％～12％。

4 DART-MS在有机磷农药毒理学方面的作用

DART-MS能够在快速的时间内将气体、液体、固体以及材料表面的化合物进行无损伤的定量分析，通过对DART的气流温度进行操控还可以对表面的分子进行差异化解析以及离子化。为此在有机磷农药毒理学中起到关键作用，例如对水果、蔬菜、肉类以及农作物方面表面有机磷农药进行无接触、无损耗的检测。除此之外杀虫剂在人们日常生活中也容易出现在水果蔬菜的表面上，其中残留的毒素对人体会造成严重危害，因此DART-MS在鉴别农业化学品中的高危杀虫剂中得到应用。由于其具有原位电离不破坏检材的优势，对于GHB、阿普唑仑、可待因、氢可酮、异可待因、伪可待因以及尼奥平等有毒物质也能够应用DART-MS进行检测，因此在毒理学中对于有毒物质的分析方面应用也越来越广泛[19-20]。

5 风险评估

在DART-MS得到广泛应用的同时，其自身也存在一定的局限性，其中包括立体化学方面的区分能力较低，对操作条件的要求较高，重复性相对较低，需要有专业技术水平较高的人员进行操作。除此之外还会存在离子源产生的记忆效应以及对环境的污染问题。在价格方面相较于以往的分析仪器更加昂贵，因此可以与其他的分析方法进行结合，能够发挥更大作用。

6 结论

DART-MS是一种先进的、有效的、灵敏的分析仪器，它能够有效地检查出农作物和水果上的有害化学成分，并且其准确性和灵敏度都得到了大幅提升。此外，它还能够有效地避免对样品的损伤，从而更好地满足当今科学家们的要求，从而推动了分析仪器的不断改善。当前，DART-MS方法已经开始被广泛地运用到农药检测应用领域，但是，针对有机磷杀虫剂的残留量，它的方法还有待提高和完善。

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