杨细蒙，黄 茜，郑慧欣，金慧羚，黄欣阳，孟信刚
（1.景德镇学院 生物与环境工程学院，江西 景德镇 333000；
2.景德镇市卫生学校，江西 景德镇 333000）
农药可以定义为任何直接用于控制害虫数量或防止或减少害虫损害的化学物质，这类化学物质还包括植物生长调节剂、落叶剂和干燥剂[1]。农药除了用于农业防治，还被应用于卫生、建筑等领域，人类可以通过各种途径去接触农药，如食物的膳食摄入、农药生产和应用过程中的职业暴露以及在施用农药后沉积或漂移到环境中的残留农药接触。由于不同的化学类别在复杂的基质中以低浓度存在，所以有必要继续开发回收率更高、检测限更低的多残留分析方法。
近年来，高分辨质谱是一种发展较快的检测技术，能够在单次分析中鉴别和确认复杂混合物中更多痕量级的化合物组成[2-3]，在不影响质量分辨率、定量重现性或质谱灵敏度的情况下，还能够获得可靠的分析结果。高分辨质谱技术（HRMS）不仅可以高选择性、高通量和高灵敏度分析目标物，同时也可进行可疑物筛查和未知物鉴定，能有效解决前人研究中遇到的难点。此外，单四极杆、三重四极杆（QqQ）、三维离子阱质谱（3DIT）、四极杆串联线性离子阱（QqLIT）都可以作为质谱检测器进行农药残留分析[4]。色谱串联质谱在多反应离子扫描（MRM）模式下进行农药多残留检测是目前应用最广泛也是最有效的方法，如液相色谱-串联质谱技术将液相色谱的高效分离特点与质谱强大的定性能力完美结合[5]。
随着科技的发展和不断更新进步的技术，高分辨质谱技术可以显著提高待测物质定性和定量检测的准确性，并且具有质量分辨率高和精确分子量的特性。笔者对高分辨质谱技术与色谱的联用及其在农药残留分析领域的应用进行了综述，最后进行展望，以期为高分辨质谱技术在农药残留领域的进一步开发提供参考依据。
高分辨质谱是一种分辨率≥104半峰宽（full width at half maxima，FWHM）、质量准确度＜5×10-6的精确质量分析器。化合物碎片离子进入质量分析器，在外加电磁场的作用下做特征运动，依靠各自强大的信号采集系统和数据分析软件，获得高质量分辨率和高精度的全扫描数据，具备非靶向高通量筛查和定量分析未知化合物的能力[6-7]。高分辨质谱按照质量分析器种类可分为：静电场轨道阱质谱（Orbitrap MS）、飞行时间质谱（TOF MS）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）、磁质谱（Magnetic MS），4种质谱仪的技术特点及其应用见表 1。Magnetic MS技术成熟、经典及定量能力卓越，但成本高昂、操作复杂等劣势限制了其广泛应用，多用于二噁英、多氯联苯等多卤代平面芳烃类化合物的检测[8-9]。与表1中另外3种类型质谱仪相比，FTICR MS是分辨率最高、定性能力最好的轨道离子阱质量分析器，但庞大的体积和高昂的维护成本限制其进一步广泛使用，常用于石油化工[10-11]、蛋白质组学[12-13]、代谢组学[14-15]及中药成分分析[16-17]等领域。TOF MS分析仪的特点是少数样品离子以相同的能量加速并通过长度相同的疏散飞行管，向探测器移动，主要优点是具有高灵敏度和几乎能同时检测所有质量的离子，离子通常有103～104eV的动能，大约能在20 ms内通过分析仪；
由于离子具有相同的能量，但质荷比不同，因此，它们会彼此分离，并在不同的时间到达探测器。Orbitrap MS是1998年俄罗斯科学家Makarov根据静电场轨道阱装置研究出来的一种新型质量分析器，在没有使用磁场或任何射频电压（RF）的条件下来捕获离子；
离子在一个中心电极和一个金属圆筒构成的外电极共同组成的静电场作用下，在Orbitrap的内部绕中心电极的轨道做螺旋状运动，离子再沿着中心电极连续做水平和垂直方向的振荡，该振荡被外部电极检测出再放大，然后通过快速傅里叶变换的方式获取不同质量的离子频谱，转换为一个准确的质荷比，从而得到精确分子量质谱图[18]。飞行时间质谱和静电场轨道阱质谱是现在普及率更高的质量分析器，已被广泛应用于农药残留领域。
表1 高分辨质谱仪的技术特点及其应用Table 1 Technical features and applications of high-resolution mass spectrometry
2.1 气质联用
2.1.1 气相色谱与静电场轨道阱质谱的联用
随着科技的发展，气相色谱-静电场轨道阱质谱（GC-Orbitrap MS）在不同的研究群体中引起了更广泛的兴趣，该技术在农药残留分析方面有较高的分辨率、灵敏度和精确度，因此GC-Orbitrap MS技术在农药残留领域有广泛应用。气相色谱-高分辨质谱（GC-HRMS）有望为暴露学研究提供解决方案，因为它能够覆盖多种化学支架，并有助于解释碎片光谱的高质量精度。有一种GC-Orbitrap傅里叶变换质谱（FTMS）技术适用于持久性有机污染物（POPs）的定量分析，因为它能提高离子信号检测的灵活性，实现超高质量分辨率。此外，有研究表明该技术可在全扫描模式下分析蔬菜和水果中的多种农药残留[23]，并在全扫描模式（质荷比50～500）下得出了最佳采集条件，在分辨率为60 000和在最佳动态范围内可以提供2 mg/kg的质量精度。
2.1.2 气相色谱与飞行时间质谱的联用
2021年，朱正伟等[24]建立的GC-MS/MS和GC-Q-TOF/MS对蔬菜中11类224个样品进行了农药残留筛查确证，结果表明，农药检出率高达55.3%，超范围使用农药问题严重。2022年，郝琳瑶等[25]建立的基于气相色谱-四极杆串联飞行时间质谱联用法（GC-QTOF/MS）测定积雪中28种多氯联苯，研究通过优化仪器方法，在较少样品量（1～2 L）情况下，实现了积雪中多氯联苯（PCBs）的定量分析，并为较少样品中PCBs的分析提供了方法及依据；
秦亚东等[26]通过GC-TOF-MS非靶向代谢组学技术，筛选结香花不同花期差异性代谢产物及其代谢通路，基于多元统计分析和代谢组学技术筛选出12个显著性差异代谢产物，这些代谢产物可作为化学标记物区分花蕾期和盛开期。
2.2 液质联用
2.2.1 液相色谱与静电场轨道阱质谱的联用
超高效液相色谱-四级杆轨道阱质谱（UHPLCQ-Orbitrap MS）拥有百万级的识别分辨率，在一次分析中便能完成样品正负源的高精度一级和二级扫描。高分辨质谱技术除了在定性方面的性能和可操作性有独特优势外，在未知物的筛选、鉴定及定量方面也有其独特的优势。由于UHPLC和二维线性离子阱静电轨道阱组合式高分辨质谱（LTQ-Orbitrap）都具有较高的分辨率，已有学者将LTQ-Orbitrap质谱仪成功应用于54种农药残留的定性和定量分析，并研究了许多其他食品和环境污染物。这些研究表明高分辨率质谱技术在农药残留鉴定和定量方面的应用前景广阔[27]。LC-Q-Orbitrap MS质谱联用技术应用在果蔬产品等基质中进行农药残留分析，并对其前处理方法和质谱条件进行优化，这项研究的目的是评估LC-Q-Orbitrap MS技术筛选和定量分析食品基质中的农药残留的优势[28]；
吴红涛等[29]建立的四极杆-轨道阱液质联用法同时检测玉米中4种真菌毒素，确定了一种经济、高效的液质联用多种毒素分析方法，可同步检测到玉米中的 AFB1、ZEA、OTA和FB1含量，对4种真菌毒素的回收率为90%～105%，定量限为 0.42～314.00 μg/kg。2022年黄科等[30]研究的QuEChERS-液质联用法测定柑橘中浸果保鲜剂残留，通过对深圳市场采购的30批次柑橘进行批次检测，可以检出柑橘中咪鲜胺、抑霉唑、噻菌灵、甲基硫菌灵和多菌灵等多种保鲜剂残留。
2.2.2 液相色谱与飞行时间质谱的联用
PANG等[31]将液相色谱-四极杆串联飞行时间质谱（LC-Q-TOF MS）和气相色谱-四极杆串联飞行时间质谱（GC-Q-TOF MS）技术相结合用于测定水果和蔬菜中733种农药的残留，结果表明，该组合技术具有高通量、高分辨率和非靶向筛选的优点，单独使用LC-Q-TOF MS技术还能够建立525种农药的准确质量数据库。SAITO-SHIDA等[32]采用LC-TOF MS（30 000 FWHM，556 m/z）对茶叶中的农药残留进行定量分析，结果表明，该技术对大量农药残留的检测方法优于选择反应监测（SRM）模式下的LC-MS/MS。LC-TOF MS不仅有高通量和良好的定性能力，而且具有高质量精度和高分辨率的特性，因此，在食品和环境中农药及其代谢物检测方面具有很大的应用潜能。2022年，麦琬婷等[33]基于超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱（UHPLC-Q-TOF-MS/MS）鉴定白背叶叶提取物中的化学成分，经过与数据库的比对，结合相关软件，鉴定出63种化学成分，成分的准确质量测量结果均为±5 mg/kg误差，为白背叶药材化学成分分析提供了理论基础。
2021年，贺光云等[34]采用超高效液相色谱－四极杆串联飞行时间质谱（UPLC-QTOF-MS）技术，对不同产区绿茶建立分类模型，探究其茶叶的化学成分是否存在显著性差异，再对模型的预测能力进行评价；
结合多元统计分析（VIP分析和 t检验），初步筛选出 50个存在统计学差异的化合物（VIP＞1，P<0.01），该研究建立的分类模型为茶叶的产地溯源和质量评价提供理论基础和技术支持。
随着人们对食品选择关注的日益增加，消费者对食品安全的要求更高。从水、食物、蔬菜和其他复杂基质中提取和分离农药的方法有成千上万种，由于不同农药的极性、热稳定性以及检测限存在差异，因此需要研发更精确、灵敏和优良的质谱技术去分离和提取食品中的农药残留。在环境和食品安全领域，色谱-高分辨质谱联用是测定农药残留的一种优良的分析技术，也是目前常用的分析方法之一。LC-Q-TOF MS是常用于农药及其代谢产物检测的分析方法，可用于靶向和非靶向分析，便于更好地了解水和食品的质量。近年来，随着农药使用量的增加，许多国家和地区对包括茶在内的各种食品和饮料制定了农药的最大残留限量（MRLs）。例如，欧盟为480多种农药及其茶叶产品中的代谢物设定了农药MRLs。根据欧盟标准，饮用水中的单个农药含量必须检测到0.1 mg/L[35]。因此，需要有可靠、灵敏的分析方法来测定茶叶中的农药残留。气相或液相色谱-串联质谱联用（GC-MS/MS和LC-MS/MS）是同时分析茶叶中多种农药残留的最常用方法，具有低检测限（LOD）、低定量限（LOQ）和较好准确性的特点[36]。
由于农药的大量生产和广泛使用，农药残留问题已成为环境安全保障工作中的重要内容，农药残留量过多会对人类身体健康与生命安全造成很大的危害，因此国家和政府对环境中的农药残留工作高度重视，制定了多项标准性、规范性的文件，在环境保护方面具有重要作用。人们在喷洒农药过程中，仅有少量农药作用于植物表面，用于治病杀虫，大量农药都进入到环境中，污染大气、水及土壤[37]。因此，利用高分辨质谱技术对大气污染物、水污染物和土壤等进行检测具有重大意义。
4.1 高分辨质谱技术在大气污染物检测方面的应用
生活中，农药在喷洒过程中会有20%～40%会扩散到空气中，少量通过呼吸作用进入人体或动物体内；
在气流的作用下，农药微粒可以漂移到远处，进一步扩大了农药污染的范围。LÓPEZ等[38]开发了一种新的采样方法，通过超高效液相色谱结合高分辨质谱（UHPLC-HRMS），使用低体积采样器，比较了3种吸附剂（夹层 PUF-XAD2-PUF、XAD-2和XAD-4）检测大气中33种农药的捕集效率，结果表明，夹层PUF-XAD2-PUF吸附剂的吸附效果最好。2018年MAZUR等[39]在9个不同地点采集的莫斯科雪样本进行分析，结果表明，雪样品中含有酚类、邻苯二酸盐、亚硝胺和卤代物等物质；
并根据ECNI数据，确定了几十种持久性优先污染物，从而扩大了未来莫斯科雪分析的目标化合物。通过对莫斯科雪样本的分析来间接代表大气中污染物的情况，从而对俄罗斯莫斯科市区的污染情况有了更深入的了解。
4.2 高分辨质谱技术在水污染物检测方面的应用
水溶性大、吸附性能弱的农药会随水渗入地下，从而对水体和地下水体造成污染[40]。农药在环境中降解后会产生毒性更大的转化产物，采用色谱结合高分辨质谱技术检测水中污染物，研究其在环境中的影响以及高分辨质谱技术在水污染检测方面中的处理效果，因此对于高分辨质谱技术未来在农药残留分析应用中具有重要意义。RIBEIRO等[41]采用超高效液相色谱结合高分辨质谱（UHPLC-HRMS）检测来自不同国家的6种不同品牌矿泉水以及来自巴西南部的自来水，并结合主成分分析法（PCA），将质谱结果与代谢组学和脂质组学进行比较，诊断出CHO、CHON、CHONS、CHFNO、CHN 和 CHNS 结构的15个有机化合物的分子式，虽然自来水中的有机物质含量明显较高，矿泉水和自来水两种水也呈现出相似的离子，但强度不同。SCHOLLEE等[42]通过在某个污水处理厂取样，研究其在4种臭氧剂量下的臭氧转化产物（OTPs），并采用在线固相萃取结合液相色谱-高分辨率质谱（SPE-LC-HRMS/MS）测量样品，检测到4种臭氧剂量下潜在臭氧转化产物（OTP）的形成，以及比较5种后处理中13种OTP的去除情况，结果表明，使用特定的臭氧剂量可形成最高数量的可观察OTP，并且在5种后处理技术的流出物中，表现出有潜在OTP的强度没有完全去除，需要进一步的研究来量化。HUANG等[43]基于LC-TOF/MS技术研究水溶液中邻苯二甲酸二（2-乙基己苯）酯（DEHP）的去除和转化机制，根据质谱图和碎片离子峰信号强度的不同，检测出7种氧化产物，提出了DEHP的降解途径可能是由于DEHP侧链的解离、酯键断裂和苯环的羟基化。
4.3 高分辨质谱技术在土壤检测方面的应用
LÓPEZ-RUIZ等[44]基于超高效液相色谱-静电场轨道阱质谱（UHPLC-Orbitrap MS）研究二甲草胺在土壤和水中降解为代谢物的过程，监测环境样品（水和土壤）中二甲草胺及其代谢物，这项研究首次评估了二甲草胺在环境基质中的存在状况，这些信息可用于进一步环境风险评估研究。ZHOU等[45]通过GC-HRMS分析方法定量测定土壤和沉积物中的超痕量多卤代咔唑（PHCZ），本研究利用甲苯进行索氏提取、色谱净化、GC-HRMS与同位素稀释相结合等分析方法，结果表明，5 g florisil（固相萃取柱）和4 g硅胶在回收率和重复性方面表现出良好的性能。WANG等[46]采用高分辨气相色谱/高分辨质谱（HRGC/HRMS）对江苏省溧阳市土壤样品中的灭蚁灵进行分析，并建立了一个三级维度模型，在我国各省研究土壤中灭蚁灵的污染情况，结果表明，在区域范围内，计算出的灭蚁灵在环境中的浓度通常很低，表明灭蚁灵对人类和生物没有危害，且大部分存在于土壤中。
笔者综述了高分辨质谱技术的发展历程及特点、不同类型的气相、液相色谱-高分辨质谱技术和高分辨质谱结合色谱技术对食品和环境中农药残留分析的应用。目前，高分辨质谱技术已经发展成为在农药残留分析领域的一种重要手段，主要体现在样品前处理的高效化、简单化和通用化以及仪器检测的高通量化。在食品安全和环境保护方面，农药残留问题不断引起重视，因此有必要继续开发回收率较高、检出下限较低的多残留分析方法，并对其进行开发创新。在未来的发展中，高分辨全扫描结合子离子扫描将进一步提高高分辨质谱技术的筛查和定性能力，同时高分辨质谱的二级谱库的建立和标准化也是发展的重要方向，随着科技的不断发展，在未来高分辨质谱技术在农药残留领域的应用前景会更加广阔。
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