FSHW | 使用超高效液相色谱串联四极杆飞行时间质谱快速筛选水果和蔬菜中的420种农药残留

2023-09-09 10:49:50

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Introduction

农药的过度使用、滥用、误用可能会导致其在果蔬中的残留，从而危害人体健康并对国际贸易产生不利影响。当前，许多国家和世界组织制定了农药最大残留限量以应对果蔬中可能存在农药污染问题。因此，对果蔬中残留农药的种类和含量进行检测及监督具有重要意义。

现阶段，气相色谱（GC）、液相色谱（LC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-串联质谱（LC-MS）等方法已广泛应用于食品中多组分农药残留的检测。其中，GC和LC灵敏度较低、选择性和特异性较差，限制了其在多组分农药残留中的应用。GC-MS不适用于难挥发、强极性化合物的检测。LC-MS在单次可扫描化合物数量方面存在局限性。对于数百种残留农药的多重检测，通常需要建立多种方法进行重复测定，费时费力，难以实现高通量筛选。超高效液相色谱串联四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF/MS）具有高分辨率、高灵敏度、高准确度和宽扫描范围等特点，通过MS/MS分析的准确质量、同位素分布和特征质谱图可以鉴定同分异构体，已广泛应用于农、兽药残留的定量分析。果蔬中含有的色素、有机酸、糖、维生素和其他物质会对目标分析物的检测造成基质干扰，并容易污染仪器。现有的样品前处理方法多为固相萃取法（SPE）和QuEChERS法，但前者操作复杂、纯化步骤耗时且成本高，后者纯化效果不理想。

SinChERS-Nano色谱柱是一种基于QuEChERS法开发的新型纯化柱，利用反向引导作用将有机萃取物从水溶液中分离出来，实现样品纯化。本文旨在开发一种实时、快速和准确的农药残留检测新方法并加以验证。根据目标化合物的特性，结合SinChERS-Nano纯化柱和UPLC-Q-TOF/MS方法，实现果蔬中420种残留农药的准确、稳定分析，为监管部门提供可靠的技术支持。

图1 TOF MS-IDA MS/MS流程图

Results and Discussion

萃取溶剂的优化

本研究发现部分农药对pH值较敏感，以乙腈为萃取溶剂时回收率不足60%。经适当酸化后，乙腈可以促进目标化合物从组织中溶出，提高萃取效率。结果表明，添加乙酸后，吡唑醚菌酯的回收率从71%提高至83%，多菌灵的回收率从70%提高至89%，咪唑烟酸的回收率从45%提高至82%，辛硫磷的回收率从68%提高至91%，乐果的回收率从72%提高至85%，敌瘟磷的回收率从67%提高至82%，灭线磷的回收率从59%提高至78%。此外，采用1%乙酸乙腈提取的溶液颜色较浅，表明共提取的色素较少，因此本实验选择1%乙酸乙腈作为提取溶剂。

纯化条件的优化

本研究中的SinChERS-Nano色谱柱使用PSA吸附剂进行纯化，并添加了适量具有较强机械性能和耐酸碱性能的MWCNTs纳米空心管。PSA和MWCNTs的联合使用可以有效去除样品中的杂质，减少对目标待检物的干扰，并保护色谱柱和仪器不受污染和不被损坏。

质谱条件的优化

本研究以ESI为检测离子源，以大气压化学电离源（APCI）为标定离子源，通过自动校准系统进行自动批量校准，以确保系统的长期稳定性。DP为100 V，CE为35 eV/–35 eV，CES为15 eV/–15 eV，以此得到CE为20 eV/–20 eV、35 eV/–35 eV和50 eV/–50 eV时的EPI扫描光谱。420种农药标准溶液（100 ng/mL）在韭菜基质中的总离子流色谱图如图2所示，其提取离子流色谱图如图3所示。结果表明，目标化合物峰形良好。图4为呋喃丹的总离子流色谱图、TOF-MS图和TOF-MS/MS图。

图2 （a）正离子模式和（b）负离子模式下韭菜基质中420种农药标准溶液（100 ng/mL）的总离子流色谱图

图3 （a）正离子模式和（b）负离子模式下韭菜基质中420种农药标准溶液（100 ng/mL）的提取离子流图

图4 呋喃丹的（a）总离子流色谱图、（b）TOF-MS图和（c）TOF-MS/MS图

采用基质标准溶液验证本研究中构建的数据库准确性良好。图5为1 μg/L吡唑醚菌酯的Sciex OS筛选界面。420种农药色谱峰的峰宽范围为0.16～0.83 min。考虑到保留时间应大于最大半峰宽，因此设置保留时间为±0.45 min。

图5 1 μg/L吡唑醚菌酯的Sciex OS筛选界面

线性范围和灵敏度

通过制备不同浓度的420种农药构建基质匹配标准曲线进行方法学评价，每种化合物浓度范围为0.2～100 μg/L。在线性范围内，420种农药R²均大于0.990，表明具有良好的线性关系。420种农药的检出限为0.05～2.0 μg/L，定量限为0.1～5.0 μg/L。如果检测到目标农药含量超过最大残留限量，则根据该检测结果在基质溶液中重新配制相似浓度的标准溶液，进行重新检测，并采用国家标准方法进行验证。

回收率和精密度

分别对5、20、100 μg/kg韭菜加标样品进行回收率实验和重现性分析，方法的精密度用RSD表示。结果显示，该方法的加标回收率为70.1%～119.7%，RSDs≤19.12%，符合SANTE/2017/70指南的要求（可接受的平均回收率为70%～120%，重现性RSD≤20%），表明该方法可以满足日常监测要求。

实际样品的应用

将本方法应用于市售水果和蔬菜样品中农药残留的筛查分析以为验证本方法的性能及其在常规检测中的适用性。实际样品来源于国内超市和农贸市场，类型包括橙子、猕猴桃和香蕉3种水果以及大蒜、豇豆、豆芽、甜椒、芹菜、韭菜和生菜7种蔬菜。每种类型选择11个，共110个样品。结果如图6所示，87.27%的样品中检测到不同类型和频率的农药残留。其中，水果中阳性样品检出率为96.97%，蔬菜中阳性样品检出率为83.12%。共检出阳性结果568例，涉及73种农药。实际样品的检测结果如表1所示。

图6 水果和蔬菜中检测到的农药残留数量

表1 新鲜水果和蔬菜中农药残留的筛查结果

Conclusion

本研究建立了一种基于SinChERS-Nano色谱柱和UPLC-Triple TOF^TM 5600⁺系统的果蔬中20种农药残留的检测方法。该方法前处理简单、快速。Triple TOF^TM 5600⁺通过准确质量、保留时间、同位素比、离子碎片等信息进行定性和定量分析，在避免假阳性的同时极大提高了检测效率和检测准确性，能够快速筛查并鉴定果蔬中的农药残留，为水果和蔬菜风险监测提供了有力的技术支撑。

Rapid screening of 420 pesticide residues in fruits and vegetables using ultra high performance liquid chromatography combined with quadrupole-time of flight mass spectrometry

Junmei Ma^a, Sufang Fan^a, Liqiong Yang^a, Liangna He^a, Hongwen Zhai^a, Xiaowei Ren^a, Qiang Li^a,*, Yan Zhang^a,b,*

^a Hebei Food Inspection and Research Institute, Hebei Engineering Research Center for Special Food Safety and Health, Key Laboratory of Special Food Supervision Technology for State Market Regulation, Hebei Food Safety Key Laboratory, Shijiazhuang 050200, China

^b Hebei Key Laboratory of Forensic Medicine, College of Forensic Medicine, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China

*Corresponding authors.

Abstract

A new method for screening and identification 420 pesticide residues in fruits and vegetables by ultra-performance liquid chromatography coupled with quadrupole-time of flight mass spectrometry (UPLC-Q-TOF/MS) were developed. The samples were extracted with acetonitrile/acetic acid (99:1, V/V), and clean-up by SinChERS-Nano (single-step, cheap, effective, rugged, safe, nano) column, determined by UPLC-Q-TOF/MS. The accurate mass database and MS/MS database which contains 420 pesticides were established, the automatic retrieval of detection results was carried on according to the accurate mass, retention time, isotope ratio, ion fragment information, and so on. Method verification was performed on leeks samples. The results showed that 420 pesticides had good linearity in the range of 0.1–100 μg/L, and the correlation coeffificients (R²) was greater than 0.990. The limits of detections (LODs) and limits of quantifications (LOQs) of 420 pesticides were in range of 0.05–2.0 and 0.1–5.0 μg/L, respectively. The average spike recoveries at 3 levels were 70.1 % to 119.7 %, and the relative standard deviations (RSD) were lower than 20 % (n = 6). With this method, a survey of pesticide residues was conducted for 110 samples of 10 different fruits and vegetables, which provided scientific data for ensuring pesticide residue safety of the fruits and vegetables consumed daily by the public. This method was simple, sensitive and accurate, and could be used for rapid screening of 420 pesticide residues in fruits and vegetables.

Reference:

MA J M, FAN S F, YANG L Q, et al. Rapid screening of 420 pesticide residues in fruits and vegetables using ultra high performance liquid chromatography combined with quadrupole-time of flight mass spectrometry[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(4): 1064-1070. DOI:10.1016/j.fshw.2022.10.024.

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