筛选农药

我们现在开展的多种农药残留检测涉及很多种农药和不同类别样品,通常我们会根据国家标准采用GCMS方法筛选,然后根据结果对特定的目标物再进行GC的定量.

[img]http://img.vogel.com.cn/2011/20100705/2145333.jpg[/img]图4. 大蒜当中500 fg杀螟腈精密度实验结果。使用HP-5ms UI(超惰性)30 m×0.25 mm×0.25 μm毛细管色谱柱和标准7000A QQQ 质谱系统（安捷伦科技有限公司）得到的数据。将杀螟腈加入大蒜基质中（0.5 ppb），重复分析5次，将5次分析结果叠加。峰面积及其平均值和相对标准偏差值如左边表格所示。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]-质谱分析法对分析极性强或者热不稳定的目标农药也非常有用。而LC-QQQ对于成分复杂，易对分析产生干扰的食品样品尤其适用。[b]复杂样品基质的处理[/b]样品的前处理是食品分析中面临的一个挑战性工作，占据了整个农药分析过程的相当一部分时间。而一个可靠的分析方法能够在不损失灵敏度和准确性的前提下，实现对非常复杂样品的处理。基于QQQ系统的多反应监测（MRM）能对复杂基质中的痕量化合物进行检测，在一次分析过程中能同时进行筛选、定性和定量（虽然大多数实验室需要重复分析以进一步确证）。来自样品的目标化合物的母离子在经过第一个四极杆（Q1）时被选择并分离出来，经过六极杆碰撞池（Q2）母离子发生裂解产生子离子，再经过第二个四极杆（Q3）对子离子进行检测。在这个转变过程当中，选择目标农药的特征子离子，可以将化学噪音从信号当中排除，即使对于非常复杂的样品，也能得到很高的灵敏度和选择性。对每一种农药的特征碎片进行仔细选择，我们有可能建立一种MRM分析方法，此法可用来同时鉴定一个样品中的数百种农药并进行定量。[img]http://img.vogel.com.cn/2011/20100705/2145334.jpg[/img]图5. GC色谱柱进行反吹得到更高的信噪比和更短分析时间。采用标准7890A[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统HP-5ms[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]柱比较反吹（红色谱图）和色谱柱加热（蓝色谱图）法的效果。有效使用LC-QQQ MRM法需要优化以下几个参数，包括碎裂电压和碰撞反应池。参数经优化后对每一个目标化合物的特征碎片必须能够产生最大响应，同时自动优化软件系统能够极大简化这项任务。对于农药的筛选、定性和定量，LC-QQQ提供了一个很好的平台。一个筛选方法每个目标化合物只包含一个子离子，以尽可能多地将目标农药包括进来。对筛选过程中检测到的农药进行确认时再使用两个子离子。例如，采用一种分析方法快速鉴定了301种农药，其中大多数的检测限（LOD）约为0.01 mg/kg （10 ppb），这也是美国MRL法规定的儿童食品的检测限和欧洲国家MRL法对食品检测临界值的基本规定。在单一分析中得出的这一界限值使用阳离子电喷雾技术得到的，此技术可以在每个时间区段包括99个母离子到子离子的转变过程，每个化合物都有一个定量和一个定性离子。我们评价了两种蔬菜（胡椒和番茄），用于定量时，信号强度在三个数量级范围内具有线性关系。（r2 0.99，图3）。同时，GC-QQQ可以对复杂基质如大蒜和姜中的非极性农药进行高灵敏度，重现性的筛选、定性和定量分析。虽然这些样品有很高的背景，但农药组分仍可在低至0.5 ppb的水平上被检测，而且此时仍然有很高的信噪比，峰面积的相对标准偏差小于6%（图4）。对于某些特殊的“活性”农药，比如乙酰甲胺磷，使用分析保护剂能减少目标物的吸附，提高灵敏度，改善峰形。结果表明该法能显著提高复杂样品的定量准确度。在操作过程中反吹GC色谱柱，而不是通过加热色谱柱的方式，能够在不改变保留时间和色谱柱使用寿命的基础上去掉样品中很多高沸点的干扰物质（图5）。此外，该法也能消除鬼峰，同时避免因过度柱流失和残留物进入质谱仪而导致的离子源污染。对大量农药的成功快速分析的关键点是QQQ质谱仪的驻留时间：驻留时间越短，单位时间内可采集的离子数越多，单位时间内可定量的农药也越多。[img]http://img.vogel.com.cn/2011/20100705/2145335.jpg[/img]图6. 采用LC-QTOF筛选未知农药。上图显示的是总离子流图，采用1200[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]系统，ZORBAX Eclipse XDB，5 mm色谱柱和6510[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]-质谱 QTOF系统（安捷伦科技有限公司）MFE软件在TIC中发现510种组份，其中15种经EXACT MASS数据库得到确认（下表）。图中突出显示的三个组分通过质谱-质谱联用分析技术得到进一步确认。[b]未知农药的分析[/b]食品检验实验室经常想检测样品中可能存在的所有农药，而不是有限的目标化合物。基于解卷积的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]-质谱能有效筛选超过900种农药，LC-TOF或者 LC-QTOF也常用来筛选许多适合[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相色谱[/color][/url]-质谱分析的化合物。TOF和QTOF技术是非常精确的质谱技术，通常能达到小于2 ppm的准确度。比如安捷伦公司的分子特征提取（MFE）软件能找到样品中代表真正化合物的所有离子，而噪音和其他的干扰离子均能被排除。挑选出来的离子在一个精确分子量化合物数据库当中进行检索以确定是否有合适匹配（图6）。这种方法被用来筛选食品提取物中600种农药及其降解产物，确定了其中100种农药的检测限，其中34%的检测限小于0.01 mg/kg（10ppb），95%组分的检测限小于0.5 mg/kg（500 ppb）。采用手工方法筛选数百种化合物需要花费几小时甚至几天的时间，而与之相比，采用MFE算法，仅需几分钟就可在极低浓度水平上对同样多的化合物进行分析。TOF可用来鉴定不限数目的可电离的化合物并且灵敏度不受所筛选化合物数量的影响。LC-TOF能对非目标和目标农药进行筛选和定量，但需要LC-QTOF或者其它的质谱-质谱联用方法对定性结果进行确认。[b]结论[/b]食品检验实验室需要一系列的全面的基于质谱分析的技术和方法，以便能筛选、定性和定量不少于1000种农药。筛选方法应能够在一次运行中筛选到尽可能多的污染物，而且这些方法不要求定量出所有的组分。筛选完成后，对目标化合物的分析要有高选择性，高灵敏度和定量准确性。对于适合[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]分析的农药，需要先进行LC-TOF或LC-QTOF分析，然后进行LC-QQQ分析。对于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]可识别的农药，需要先进行有DRS的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/bp][color=#3333ff]GC-MS[/color][/url]分析，然后使用GC-QQQ对低浓度目标化合物进行分析

1828年德国著名化学家维勒由无机物合成出从生物体产生出来的有机物尿素，从而使当时盛行的“生命力”学说（即有机体有生命力，从有机体得到的有机物也是有生命力的，无机物是从矿物质中得到的，是没有生命力的，有生命力的有机物不能从无生命力的无机物中转化而来）遭到了严厉的打击，使无机物与有机物这一不可逾越的鸿沟得到了填补。尽管如此，受生产力水平和科学技术发展的局限，有机化学作为一门科学创立下来应该是19世纪中叶以后。而有机化学对人们的日常生活、社会生活及生产产生直接影响是在本世纪初期开始的。在农药方面，自20世纪40年代以来，杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂、杀鼠剂等各类农药中均出现了大量有机合成品种，它们具有类型多、药效高、对作物安全、应用范围广的特点。无机农药因无法与之竞争，用量锐减，农药进入了有机合成农药时代。 有机合成农药出现的一个重要标志是缪勒（P．Müller）于1939年人工合成了有机氯杀虫剂滴滴涕，它具有优异的广谱杀虫作用，这一发现也被称之为大规模使用有机广谱杀虫剂的开端。滴滴涕不仅杀虫谱广，用量比无机农药低得多，而且药效好。人们发现，滴滴涕不仅可用于杀灭农田里的害虫，它还可以杀灭体虱和蚊蝇，滴滴涕的出现在控制1944年那不勒斯伤寒（通过杀灭传播此种伤寒病毒的体虱来实现）的流行及后来防治疟疾（蚊传播疫病）方面立下了不朽的功绩。另一个有机氯杀虫剂是六六六，它是由英国人法拉第（M．Faraday）于1925年第一个合成出来的，并由英国（1945年）和法国（1942年）独立地发现其杀虫作用，它以其杀虫谱广、持效期长（稳定）、成本低而倍受赞誉。六六六在防治蝗虫、水稻螟虫等农业害虫方面也起过极其重要的作用，在历史上创造了不可磨灭的功绩。 滴滴涕和六六六从化学组成上看，均是有机氯杀虫剂。在20世纪40年代初，还出现了另一类重要的杀虫剂——有机磷杀虫剂。该类杀虫剂主要是由德国拜耳（Bayer）公司施拉德（G．Schrader）领导的研究小组开发的。1943年，第一个商品化的有机磷杀虫剂特普（TEPP）投入市场，用于农业害虫防治。第一个大吨位的有机磷杀虫剂是1949年合成的对硫磷。有机磷与有机氯均为神经毒剂，但两者作用机制不同。有机磷杀虫剂品种很多，毒性与性能差异很大。虽然它们多数为高毒品种，但马拉硫磷、敌百虫、杀螟硫磷等毒性较低，这些农药品种不仅可以用于防治农业害虫，还可用于杀灭卫生害虫、家畜寄生虫、仓库害虫等。不同的有机磷品种效能方面也各具特色，有些持效期短、药效快，有些持效期长。直到现在，许多有机磷杀虫剂仍然是重要的正在使用的农药品种，如乙酰甲胺磷、敌百虫、敌敌畏等。 还有一类重要的杀虫剂品种——氨基甲酸酯类杀虫剂是20世纪50年代由瑞士嘉基（Geigy）公司首先研制的，很快，这类品种于60年代达到盛期。这类药剂在化学结构上不同于有机磷，但与有机磷杀虫机理相似。第一个实用的品种甲萘威是美国联合碳化物公司开发的。这类杀虫剂的品种也很多，毒性大小不一，杀虫性能各有特点。涕灭威、灭多威这类氨基甲酸酯类农药是棉红蜘蛛等暴发性害虫的克星；速灭威、仲丁威等可用于防治稻飞虱；抗蚜威是高效杀蚜剂；残杀威则可作滞留喷洒用的卫生杀虫剂；恶虫威专用于防治蟑螂。 在这一时期，伴随有机化学合成技术和测试技术的发展，各种结构新颖的有机化合物分子不断被合成出来，这样，用于农业病虫草害防治的农药品种越来越多，防治范围也越来越广，不仅前述的杀虫剂和杀菌剂、除草剂等原来已有的农药类型可供选用的品种越来越多，而且植物生长调节剂、杀啮齿动物（如杀鼠剂）、动物驱避剂等新的农药类型也相继问世。这样，农作物受到了比较全面的保护，农作物的产量也得到了大幅度提高。 这一阶段农药化合物的类型与品种蓬勃发展，农药用量大幅度下降，每平方米约为0.08～0.3克，比无机农药时代单位面积用药量下降了一个数量级。有机农药类型多，社会效益和经济效益显著，极大地刺激了它的研究开发工作。另一方面，新兴的有机化学工业也为其提供了大规模工业化的内部及外部条件。这一阶段农药的开发主要是靠经验，大量地合成有机化合物后进行筛选，筛选的目标是活性谱广、杀灭性和持效性强的品种。人们尚未重视对生态及环境的影响，在管理方面侧重对质量及药效的监督。 到了70年代，有机合成农药发展到了一个新的历史时期。由于前段时期有机农药的大量使用，这些农药尤其是难于降解的有机氯农药在环境中积存，导致对环境的污染问题慢慢凸现出来。1962年美国著名的生物学家卡尔逊（Carson）女士的惊世之作《寂静的春天》，严厉批评了化学农药对环境的污染，因之引起了社会及各国政府对环境保护的重视，各国政府进一步加强了对农药的管理。这些情况的出现迫使农药研究者必须竭力创制对环境友好的高效低毒的新一代有机农药品种。有机合成化学工作者通过不断努力，终于获得了突破性进展，高效甚至超高效农药品种不断面世。这些农药的出现，大大降低了农药的用量，使农药对环境的污染也得到了极大的降低，有机合成农药真正成为本世纪人类的福音。 在这一阶段，出现的高效杀虫剂主要为拟除虫菊酯类杀虫剂，这些杀虫剂在田间的药效能持续在一周左右。这类杀虫剂还能杀灭蚊子与蟑螂，但是它们对人的毒性却极低，因此，可在家庭室内使用，只要使用得当则非常安全。如现在市场上供应的“灭害灵”等灭蚊药剂的主要成分都是拟除虫菊酯类杀虫剂。这类杀虫剂在化学结构上与天然的除虫菊药剂相似（但药效更高），因此称之为拟除虫菊酯。 在这一个时期出现的杀菌剂则是一种抑制细菌的某一阶段生物合成的三唑类有机化合物，由于这类化合物对细菌的作用部位十分明确，因此药效很高，其代表品种为德国拜耳公司开发出来的三唑酮，其药效比前期的有机杀菌剂高一个数量级。除草剂在这一时期得到了极快的发展，出现了多种高活性、对作物无害、持效期适中及易于降解的品种。此中最具代表性且具有划时代意义的是美国杜邦（Dupont）公司率先研制开发成功、后来在世界范围内各国著名公司竞相仿制创新的磺酰脲类品种，如绿磺隆、甲磺隆以及农得时等。这类除草剂的特点是：（1）用量极少，每平方米用药量为0.2～5毫克，与之相比，前期的有机除草剂则为每平方米50～100毫克，因而这类除草剂被誉之为“超高效除草剂”；（2）对多种一年生或多年生杂草，特别是阔叶杂草有高效；（3）对动物安全，因而对人体无毒；（4）具有较好的选择性。在这一阶段，非杀生性（即不一定杀死）药剂也有很大的发展。这类药剂不是以直接快速杀死害虫为目的，而是转向调节或改变害虫行为，影响害虫的繁殖和发育，如各种昆虫信息素、昆虫激素、昆虫生长调节剂等。这类农药对非靶标生物（即不希望杀死或控制的生物）无害而在抑制害虫成长方面显示出独特的效果。此外，不少昆虫性引诱剂的合成获得成功并已在实践中得到应用和商品化。 由于农药管理工作的加强，也由于化学尤其是有机化学合成技术的发展，这一阶段开发新农药的战略目标转向易降解、低残留、高活性及对非靶标生物和环境影响小的方向，甚至有人提出改杀虫剂为抑虫剂、改杀伤性农药为非杀生性“软农药”的主张。这种观点上的改变拓宽了人们的视野，也为有机合成农药的发展提出了更高的要求。开发新农药除了仍保留进行新品种的随机筛选的手段外，还着力于开展生物学研究，利用电子计算机进行筛选和辅助设计等。这些新技术的植入必将为有机合成农药的发展提供更多的机遇和更新的挑战。