連增維，倪建成，龔小麗，朱宏斌，胡銀鳳

(1.漳州市農業(yè)檢驗監(jiān)測中心，福建 漳州 363000；2.吉克檢測技術 (福建) 有限公司，福建 漳州 363005； 3.寧德師范學院生命科學學院，福建 寧德 352100)

擬除蟲菊酯類農藥(pyrethroid pesticides, PyPs)是以天然除蟲菊素化學結構為模板，人工合成的一系列具有高效、低毒、廣譜等優(yōu)點的農藥[1-2]。自烯丙菊酯上市以來，截至2020年7月1日，在我國登記上市的含有擬除蟲菊酯類農藥成分的產品共有5 340種，已廣泛用于農業(yè)和衛(wèi)生害蟲防治[3]。有研究表明，PyPs具有神經毒性、生殖毒性、免疫毒性[4-6]，大范圍、大規(guī)模地使用PyPs，使得人類接觸風險越來越高。對PyPs的檢測主要以氣相色譜分離為基礎，采用電子捕獲檢測器(ECD)或質量分析器(MSD)檢測。如貝峰等[7]采用氣相色譜-負化學源質譜法(GC-NCI/MS)測定牛肉中10種PyPs，定量限為0.1～2 μg/kg；沈偉健等[8]采用氣相色譜-負化學源質譜法測定蔬菜中17種PyPs，其定量限為0.02～5 μg/kg。這些研究的定量限均達到0.01 mg/kg以下，符合GB 2763—2019的限量要求[9]。然而以液相色譜分離為基礎，采用MSD或其他檢測器的靈敏度較低，因此很少應用于實際檢測中[10-12]。

有機物分子在負化學源中裂解機理的研究興起于20世紀70年代后期，一般認為其質譜裂解規(guī)律是由于捕獲的熱電子能量不同，發(fā)生了不同程度的化學反應：1) 有機物分子捕獲1個熱電子形成分子離子，即M+e-→M-；2) 捕獲的熱電子能量超過分子內少部分化學鍵的解離能，發(fā)生分子內化學鍵的斷裂，并生成中性分子，即M+e-→(M-X)-+X；3) 捕獲的熱電子能量很高，大多數化學鍵發(fā)生斷裂，無分子離子生成[13]。有機磷農藥在NCI源中易形成磷酸酯基負離子[(RO)2P(=O)O]-或[(RO)2P(=S)S]-(其中R=CH3或C2H5)，如敵敵畏形成的碎片離子[(CH3O)2P(=O)O]-(m/z125)、甲拌磷形成的碎片離子[(RO)2P(=S)S]-(m/z185)；若含有鄰對位取代的苯基硫代磷酸酯，則會發(fā)生重排反應，生成(R—C6H4—S)-，如對硫磷的分子結構(C2H5)2P(=S)O—C6H4NO2，形成基峰碎片離子(O2N—C6H4)-(m/z122)；硫丹、六六六等氯代烷烴類農藥因C-Cl極易斷裂，分子離子峰較弱，易形成Cl-(m/z35)和(HCl2)-(m/z71)；而對于滴滴涕等芳香有機氯農藥，其分子離子峰比氯代烷烴類更強[14]。除蟲菊酯類農藥易在酯基處發(fā)生斷裂，形成帶環(huán)丙烷結構的羧酸碎片離子，易形成碎片離子[M—HCl]- [8]。醚類除草劑大部分易形成分子離子，碎片離子峰通常是由醚鍵左右兩側發(fā)生斷裂形成，但含有硝基苯類除草劑不易產生分子離子峰，如三氟硝草醚和喹氧靈[15]。其他農藥(如三唑酮、己唑醇、氟蟲腈等)在NCI源上有響應，主要是因為其結構上含有鹵代苯環(huán)[16]。

Raina等[17]對比了大氣樣品中二硝基苯胺類除草劑(氟樂靈等3種)、有機磷農藥(毒死蜱等20種)和有機氯農藥(六六六、滴滴涕等27種)在負化學源-單離子檢測掃描(NCI-SIM)、負化學源-選擇反應監(jiān)測掃描(NCI-SRM)、電子轟擊源-單離子檢測掃描(EI-SIM)和電子轟擊源-選擇反應監(jiān)測掃描(EI-SRM)模式下的靈敏度，認為NCI-SIM的檢測限最低(2.5～10 μg/L)，且大部分小于NCI-SRM，但NCI-SRM適用于這些農藥的定性分析。對于大多數農藥，EI-SRM的檢測限低于100 μg/L時不適用，EI-SIM比NCI-SIM更易受到干擾，但對于NCI模式下響應小的農藥，其在EI-SIM模式下的檢測限也能達到1～10 μg/L，故沒有一種方法能夠在檢測多種農藥的同時還能獲得最低的檢測限。Húsková等[18]比較了23種農藥(如溴氰菊酯、聯苯菊酯)在NCI-SIM和EI-SIM的靈敏度，發(fā)現在同等檢測濃度下，NCI-SIM的檢測限低于EI-SIM。

李嬌等[19-20]對PyPs在EI源中的質譜裂解規(guī)律做了系統(tǒng)性分類和研究，但未見PyPs在NCI源中質譜裂解規(guī)律的報道。為此，本工作擬利用現有的儀器設備對19種PyPs在NCI源上得到的全掃描質譜圖和二級裂解掃描質譜圖進行歸納整理，希望為PyPs農藥殘留日常檢測時監(jiān)測離子的選擇提供依據，為假陽性的確證提供方法參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與設備

TQ8040三重四極桿氣相色譜-質譜聯用儀：日本島津公司產品，配有EI源和NCI源。

1.2 標準品和試劑

19種擬除蟲菊酯類農藥標準品：德國Dr. Ehrensorfer公司產品；正己烷：色譜純，德國Meker公司產品。

1.3 實驗條件

1.3.1色譜條件 SH-RxiTM-5ms石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；進樣口溫度260 ℃；進樣模式：不分流；進樣量1 μL；載氣：氦氣；柱流量1.2 mL/min；升溫程序：200 ℃保持2 min，以20 ℃/min升至300 ℃，保持5 min；傳輸線溫度280 ℃。

1.3.2質譜條件 EI模式：離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，Q1為離子全通過模式，Q3為離子全掃描模式。

NCI模式1：離子源溫度150 ℃，四極桿溫度150 ℃，Q1為離子全通過模式，Q3為離子全掃描模式，反應氣為甲烷。

NCI模式2：離子源溫度150 ℃，四極桿溫度150 ℃，Q1為離子選擇模式，Q3為全掃描模式，反應氣為甲烷，碰撞氣為氬氣，碰撞電壓(CE)15 V。

1.4 實驗方法

稱取適量的農藥標準品，用正己烷配制成1.0 mg/L或10.0 mg/L的上機測試液。上機測試條件參照1.3節(jié)。

2 結果與討論

2.1 通用參數的選擇

PyPs屬于弱極性農藥，能夠溶解于正己烷中，按“相似相溶”原理，可以選擇固定相為100%聚甲基硅氧烷或95%聚甲基-5%聚苯基硅氧烷的弱極性毛細管色譜柱，依現有實驗條件，最終選擇SH-RxiTM-5ms色譜柱。

進樣口溫度：進樣口溫度太低不利于相對分子質量數較高的有機物汽化，進樣口溫度太高不利于熱不穩(wěn)定農藥的測定。由于PyPs的相對分子質量數均大于300且熱穩(wěn)定性良好，考慮到高溫會縮短隔墊壽命，加快色譜柱前端的柱流失，最終選擇進樣口溫度260 ℃。在EI-SIM模式下，以溴氰菊酯的碎片離子m/z181為定量離子，進樣量1 μL，濃度1.0 mg/L，進樣品溫度260 ℃時的峰面積是200 ℃時的1.5倍。

升溫程序：為了節(jié)約時間，并使PyPs在6～10 min內出峰，經測試，最終確定的色譜條件如1.3.1節(jié)。

傳輸線溫度：直接采用島津公司推薦的默認參數280 ℃。

2.2 EI模式下的參數選擇

直接采用島津儀器使用說明書推薦的默認參數，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子能量70 eV，發(fā)射電流35 μA。

EI-SCAN模式：設置Q1為全通過模式，Q3為SCAN模式。此種模式相比于Q1為SCAN模式，Q3為全通過模式的靈敏度更優(yōu)。

EI-SIM-SCAN模式：設置Q1為選擇離子模式，Q3為SCAN模式，打開碰撞氣，碰撞電壓20 V。

EI-SIM(單離子選擇)模式：設置Q1為全通過模式，Q3為選擇離子模式。

EI-SRM(多離子選擇)模式：設置Q1為選擇母離子模式，Q3為選擇子離子模式。母離子、子離子和碰撞電壓直接采用廠家提供的優(yōu)化參數。

2.3 NCI模式下的參數選擇

離子源溫度：設置Q1為全通過模式，Q3為SCAN模式，同時分別設置NCI模式下的離子源溫度為120、150、180、210、240 ℃。聯苯菊酯隨著溫度的升高，其m/z386的豐度越來越低，而m/z241、205的豐度越來越高，可見低溫條件的離子源有利于分子離子峰的穩(wěn)定存在，但120 ℃離子源溫度低于四極桿的工作溫度，顯然是不合適的，故選擇離子源溫度為150 ℃。

反應氣的設置：反應氣的流路沒有配置流量控制器，只能通過減壓閥調節(jié)，廠家推薦的壓強是0.1～0.4 MPa。反應氣壓強過低，不利于熱電子的形成；反應氣壓強過高，背景噪音太大。經調試，最終確定PyPs的甲烷氣壓強為0.2 MPa。

碰撞電壓：為了明確負離子模式下分子離子峰可以產生的碎片離子，故設定碰撞電壓均為15 V，碰撞氣為氬氣。

NCI-SCAN、NCI-SIM-SCAN、NCI-SIM和NCI-SRM模式Q1和Q3的設置與EI源一致。

2.4 聯苯菊酯在不同采集模式下的質譜圖

在NCI-SCAN模式下，聯苯菊酯的全掃描質譜圖示于圖1a。在NCI-SIM-SCAN模式下，不同母離子在碰撞池與氬氣發(fā)生碰撞后，形成的碎片離子峰示于圖1b～1d?？梢钥闯觯谂鲎搽妷?5 V條件下，所得的碎片離子是有差異的。m/z205在氬氣的碰撞下，通過不斷脫去中性分子HF，得到碎片離子m/z121、141、161(圖b)；m/z241在氬氣的碰撞下，通過脫去中性分子HCl，形成碎片離子m/z205，后脫去HF得到m/z185、165，脫去HCF3得到m/z135(圖c)；m/z386在氬氣的碰撞下，形成4個主要碎片離子是m/z205、185、161、141(圖d)。

2.5 不同擬除蟲菊酯類農藥在NCI源中的質譜裂解過程

2.5.1含有環(huán)丙烷酸結構的PyPs 聯苯菊酯(bifenthrin)得到1個熱電子，形成分子離子m/z422，其不穩(wěn)定、易裂解，裂解途徑示于圖2。裂解途徑1：分子離子發(fā)生熱裂解，先脫去1個中性分子HCl，形成碎片離子C23H21F3O2-(m/z386)，然后與酯基相連的C—O鍵發(fā)生α-斷裂，形成帶環(huán)丙羧酸根結構的碎片離子C9H8F3O2-(m/z205)，之后脫去不同的中性分子(HCF3、CO2、HF)形成不同的碎片離子；裂解途徑2：在與酯基相連的C—O鍵發(fā)生α-斷裂，形成帶環(huán)丙羧酸根的碎片離子C9H9ClF3O2-(m/z241)，然后脫去1個中性分子HCl，形成碎片離子m/z205，之后同裂解途徑1。

圖1 NCI-SCAN模式(a)和母離子m/z 205(b)、241(c)、386(d)的NCI-SIM-SCAN模式下，聯苯菊酯的質譜圖Fig.1 Mass spectra of bifenthrin in NCI-SCAN mode (a) and NCI-SIM-SCAN mode for precursor ion m/z 205 (b), 241 (c), 386 (d)

圖2 聯苯菊酯在NCI源中主要碎片離子可能的裂解過程Fig.2 Possible fragment pathways of the main ion fragments of bifenthrin in NCI source

圖3 氯氰菊酯在NCI源中主要碎片離子可能的裂解過程Fig.3 Possible fragment pathways of the main ion fragments of cypermethrin in NCI source

氯氰菊酯(cypermethrin)得到1個熱電子發(fā)生熱裂解，形成C8H9Cl2O2-(m/z207)；脫去1個中性分子HCl，得到C8H8ClO2-(m/z171)，脫去1分子CO2，得到C7H8Cl-(m/z127)；或者先脫去1分子CO2，得到C7H9Cl2-(m/z163)，再脫去1分子HCl，得到C7H8Cl-(m/z127)，其裂解途徑示于圖3。

2.5.2不含環(huán)丙烷結構的PyPs 氟氰戊菊酯(flucythrinate)得到1個熱電子產生熱裂解，形成C12H13F2O3-(m/z243)，脫去1分子CO2得到C11H13F2O-(m/z199)，脫去CH4得C10H9F2O-(m/z183)，其裂解途徑示于圖4。

氟胺氰菊酯(fluvalinate)得到1個熱電子發(fā)生熱裂解，形成C12H12ClF3NO2-(m/z294)，脫去1分子CO2得到C11H12ClF3N-(m/z250)，脫去1分子HCl得到C11H11F3N-(m/z214)，脫去1分子HF得到C11H10F2N-(m/z194)，脫去1個自由基CH3·得到C10H7F2N-(m/z179)，其裂解途徑示于圖5。

圖4 氟氰戊菊酯在NCI源中主要碎片離子可能的裂解過程Fig.4 Possible fragment pathways of the main ion fragments of flucythrinate in NCI source

圖5 氟胺氰菊酯在NCI源中主要碎片離子可能的裂解過程Fig.5 Possible fragment pathways of the main ion fragments of fluvalinate in NCI source

2.5.3不含鹵原子的PyPs 不含鹵原子的PyPs在NCI源中很難捕獲1個熱電子而發(fā)生熱裂解，所以這些農藥(如醚菊酯、氟硅菊酯)在進樣量1.0 μL，濃度10 mg/L的氣相色譜-質譜條件下，其質譜圖上不能獲得可辨認的碎片離子峰。在相同條件下，烯丙菊酯和芐呋菊酯的質譜圖上能夠獲得可辨認的碎片離子峰，但峰強度不高，其能夠有響應的主要原因是含有共軛結構。

2.6 不同擬除蟲菊酯類農藥在EI源中的質譜裂解過程

氯氰菊酯在EI源中失去1個電子，形成分子離子C22H19Cl2NO3·+(m/z415)。裂解途徑1：分子內重排，形成碎片離子C8H9Cl2O2+(m/z207)；裂解途徑2：與環(huán)丙烷上相鄰的甲基上的氫遷移至與羰基相連的氧上，形成羥基，同時在氰基的吸電子作用下發(fā)生斷裂，生成分子C14H11NO(m/z209)，失去1個電子，得到C14H11NO·+(m/z209)，脫去1個苯酚，得到C8H5N·+(m/z115)，或脫去C8H6N·(m/z116)，得到C6H5O+(m/z93)；裂解途徑3：羰基上氧的電荷誘導，發(fā)生裂解得到C14H10NO+(m/z208)，再脫去1個HCN，得到C13H9O+(m/z181)，裂解途徑示于圖7。

2.6.2不含環(huán)丙烷結構的PyPs 氟氰戊菊酯在EI源中失去1個電子，形成分子離子C26H23F2NO4·+(m/z451)。裂解途徑1：分子內重排得到分子C14H11NO2(m/z225)，失去1個電子再脫去1個羥基，得到C14H10NO+(m/z208)，脫去1個HCN得到C13H9O+(m/z181)；裂解途徑2：羰基上氧的誘導，酯基發(fā)生α裂解，得到C12H13F2O2+(m/z227)，脫去1個CO得到C11H13F2O+(m/z199)，脫去1個CH3·得到C10H10F2O·+(m/z184)，脫去1個C2H3·得到C8H7F2O·+(m/z157)，裂解途徑示于圖8。

圖6 聯苯菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.6 Possible fragment pathways of the main ion fragments of bifenthrin in EI source

圖7 氯氰菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.7 Possible fragment pathways of the main ion fragments of cypermethrin in EI source

圖8 氟氰戊菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.8 Possible fragment pathways of the main ion fragments of flucythrinate in EI source

氟胺氰菊酯在EI源中失去1個電子，形成分子離子C26H22ClF3N2O3·+(m/z502)。裂解途徑1：分子內重排形成分子C14H11NO2(m/z225)，脫去1個羥基，得到C14H10NO+(m/z208)，脫去1個HCN得到C13H9O+(m/z181)；裂解途徑2：羰基上氧的誘導，酯基發(fā)生α裂解，得到C12H12ClF3NO+(m/z278)，脫去1個CO，得到C11H12ClF3N+(m/z250)，脫去1個CH4，得到C10H8ClF3N+(m/z234)，裂解途徑示于圖9。

2.6.3不含鹵原子的PyPs 烯丙菊酯在EI源中失去1個電子，形成分子離子C19H26O3·+(m/z302)。裂解途徑1：分子內重排形成分子C10H16O2，失去1個電子得到C10H16O2+(m/z168)，脫去1個甲酸，得到C10H14+(m/z107)；裂解途徑2：羰基上氧的誘導，酯基發(fā)生α裂解，得到C10H15O+(m/z151)，脫去1個CO，得到C9H15+(m/z123)，裂解途徑示于圖10。

圖9 氟胺氰菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.9 Possible fragment pathways of the main ion fragments of fluvalinate in EI source

圖10 烯丙菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.10 Possible fragment pathways of the main ion fragments of S-bioallethrin in EI source

芐呋菊酯在EI源中失去1個電子，得分子離子C22H26O3·+(m/z338)。裂解途徑1：羰基上氧的誘導，酯基發(fā)生α裂解，得到C10H15O+(m/z151)，脫去1個CO得到C9H15+(m/z123)；裂解途徑2：σ鍵發(fā)生電離得到C12H11O+(m/z171)，脫去1個CO得到C11H11+(m/z143)，脫去1個CH3·得到C10H8·+(m/z128)，裂解途徑示于圖11。

2.7 擬除蟲菊酯類農藥在NCI源和EI源中碎片離子的比較

PyPs在NCI源中易發(fā)生熱裂解，主要是與酯基相連的碳氧鍵斷裂形成帶負電的羧酸根離子(圖12 Path 1)。在含有環(huán)丙烷的結構中，與環(huán)丙烷相連的官能團電負性越強，其離子強度越強，且易失去1個鹵化氫形成次級離子，如聯苯菊酯、氯氰菊酯；不含環(huán)丙烷結構的PyPs則易失去1個CO2，形成次級離子，如氟氰戊菊酯、氟胺氰菊酯。各菊酯類農藥的典型碎片離子列于表1，以這些碎片離子為母離子，脫去中性分子，如HBr、HCl、HF、CO2、HCF3等(圖12 Path 2)，從而形成各種不同的次級碎片離子，PyPs在NCI源中常見的碎片離子結構示于圖12。

在EI源模式下，PyPs的酯基或芐基位易發(fā)生斷裂。在酯基位發(fā)生斷裂時，有些PyPs會產生羧酸酯類常見的碎片離子RCO+，如芐呋菊酯、聯苯菊酯，但是大部分PyPs在質譜圖上只出現碎片離子R+，并未見到碎片離子RCO+，如氟氯氰菊酯、氟氰戊菊酯(圖13 Path 3)；含有芐基苯基醚類結構的PyPs當甲基位上有氰基取代時易形成特征碎片離子m/z181、208，如氯氰菊酯、氟氰戊菊酯、氟胺氰菊酯(圖13 Path 1)；當甲基位上無取代基時，形成特征離子m/z183，如氯菊酯、醚菊酯、苯醚菊酯(圖13 Path 2)[20]，常見的特征碎片離子結構示于圖13。

圖11 芐呋菊酯在EI源上主要碎片離子可能的裂解過程Fig.11 Possible fragment pathways of the main ion fragments of chrysron in EI source

圖12 NCI源模式下不同菊酯類農藥產生的主要碎片離子及其裂解通式Fig.12 Main ion fragments produced by different pyrethroids and its general formula in NCI source

圖13 EI源模式下，擬除蟲菊酯類農藥產生的主要碎片離子及其裂解通式Fig.13 Main ion fragments produced by different pyrethroids and its general formula in EI source

表1 擬除蟲菊酯類農藥在不同離子源中的主要碎片離子Table 1 Main ion fragments of pyrethroid pesticides in different ion sources

3 結論

本文系統(tǒng)性地對比了19種擬除蟲菊酯類農藥在NCI源和EI源中碎片離子的差異，給出了PyPs在不同離子源中形成的常見碎片離子，明確了裂解規(guī)律，為采用NCI源測定PyPs時的離子選擇提供了理論依據。