有機磷類農藥質譜圖中常見的碎片離子 及其應用

◎ 肖傳勇，王紅梅，曹盟盟，姜玉龍

（德州市農產品質量檢測中心，山東 德州 253015）

有機磷類農藥是農業生產中應用最廣泛的農藥之一，具有藥效高、品種多、應用廣以及低生物積累性等特點[1]。然而，有機磷類農藥具有神經毒性，進入人體后會抑制血液和組織中膽堿酯酶活性，引起膽堿能神經功能紊亂，表現為出汗、震顫、共濟失調、精神錯亂和語言失常等一系列神經中毒現象[2]。截至2019年11月29日，農業農村部共規定了25種有機磷類農藥被禁用或限用[3]；國家標準《食品安全國家標準 食品中農藥最大殘留限量》（GB 2763—2021）明確規定了55種有機磷類農藥在食物中農藥殘留的最大限量[4]。

隨著分析儀器的發展，農產品中有機磷類農藥殘留的定量檢測法主要有氣相色譜法[5-6]、氣相色譜-質譜法（Gas Chromatograph-Mass Spectrometer，GC-MS）[7-8]和液相色譜-質譜聯用法[9-10]。其中，氣相色譜-質譜法被廣泛應用。利用GC-MS法定量檢測有機磷類農藥均涉及EI源[11]。在特定條件下經EI源轟擊后，有機磷類農藥會按照一定的質譜裂解歷程形成特定的、能反映化合物結構的碎片離子，這些碎片離子可以作為GC-MS法的特征離子。

有機磷類農藥屬于磷酸酯類或硫代磷酸酯類化合物，具有相似結構，經電子轟擊后，可發生相同的質譜行為，產生相同的碎片離子[12-13]。本文利用有機質譜解析原理研究了有機磷類農藥產生相同碎片離子的裂解歷程，提出了質譜中有機磷類農藥常見碎片離子；在采用質譜法定量檢測有機磷類農藥殘留時，根據各待測組分與色譜柱相互作用原理，合理利用這些常見的碎片離子，可保證定性定量的準確性。

1 質譜中有機磷類農藥常見的碎片離子

1.1 解析原理

在有機質譜解析中，α斷裂反應在電子離子（EI）質譜中為主要的裂解反應。α斷裂反應是由游離基中心誘導產生的，只有奇電子離子（包括分子離子）才發生α斷裂。在奇電子離子中有一個未成對電子，該電子在離子中有其最有利的位置，形成游離基中心。未成對電子有成對的傾向，構成了α斷裂反應的推動力，誘導了相鄰的α原子外側鍵斷裂，這與中性游離基有高度反應活性相似。α斷裂反應主要分為游離基中心定域于不飽和雜原子、游離基中心定域于飽和雜原子、烯丙基斷裂、環的開裂和游離基誘導的重排反應5種方式。

有機磷類農藥在質譜中常見的碎片離子由游離基中心定域于不飽和雜原子誘導的α斷裂反應產生，即有機磷類農藥經EI源（70 eV）轟擊后失去一個電子而形成單電荷的離子，電荷和游離基定域于不飽和雜原子上，形成奇電子離子，用“+·”符號表示；未成對電子有成對的傾向推動下，發生α斷裂反應，構成穩定的偶電子離子，用符號“+”[14]。帶有電荷并具有特定質量數的奇電子離子和偶電子離子通過四極桿被電子倍增器檢測，進而記錄為碎片離子棒圖，即EI源質譜圖，而游離基（不帶電荷但帶有不成對電子）和中性分子不被檢測[15]。反應通式如圖1所示。

1.2 質譜中有機磷類農藥常見碎片離子的裂解歷程

有機磷類農藥大部分含有O,O-二甲(乙)基(硫代)磷酸二酯基團，根據甲氧基與乙氧基、P=O與P=S的區別，大致分為4種結構（見圖2）。

這類有機磷類農藥可發生圖1的裂解歷程。當該組分經EI源（70 eV）轟擊后，在P=O或P=S的雜原子O（S）上有未成鍵的孤對電子，易失去一個電子，使電荷和游離基定域于O（S）上；在游離基的誘導下，其單電子在離子中有成對的傾向，形成α斷裂反應，優先失去最大支鏈，即P-R鍵斷裂，生成偶電子離子：m/z109、m/z125、m/z137和m/z153，如圖3所示。

在圖3（c）和（d）的斷裂反應中，母離子與子離子相差28 u，為中性分子CH2=CH2的相對分子質量數，即在電荷的誘導下，γH通過六元環轉移到不飽和基團后，隨即發生i斷裂反應，相繼發生兩次上述裂解反應。由于P=O與P=S的不同，可發生m/z137→m/z109→m/z81，m/z153→m/z125→m/z97的裂解歷程。在這類有機磷類農藥的質譜圖中，從能量學角度上講，γH重排剛好合適能量低的六元環過渡態，因此隨著m/z值減少，m/z的豐度變大（表1和表2），裂解成更加穩定的偶電子離子，如圖4和圖5毒蟲畏和對硫磷的質譜圖中，列舉了含有O,O-二乙基(硫代)磷酸二酯基團的質譜圖[16]。P=O（S）的鍵角過大，使得甲氧基上的氫沒有足夠的空間去重排，因此圖3中（a）和（b）不能發生類似（c）和（d）的裂解歷程。

表1 有機磷類農藥的質譜圖中常見碎片離子的相對豐度表

表2 有機磷類農藥的質譜圖中常見碎片離子的相對豐度表

表1和表2列舉了部分有機磷類農藥特征離子的相對豐度，它們含有（硫代）磷酸酯基團，由于各自所處的化學環境不同，包括碳鏈長度、鍵角、支化度和取代基原子（基團）等，使得游離基和電荷定域中心不同，產生α斷裂反應、i斷裂反應、σ斷裂反應、氫重排反應及re（消除）反應趨勢不同，發生圖1中α斷裂反應的競爭力也不同，產生（硫代）磷酸酯特征離子的相對豐度也不同。

2 質譜中有機磷類農藥常見碎片離子的運用

2.1 含有常見碎片離子的有機磷類農藥

有機磷類農藥大部分含有（硫代）磷酸酯基團，區別在于甲氧基與乙氧基、P=O與P=S的結構不同。這類有機磷類農藥含有相似的結構，也具有相同的質譜行為。由于各自化學結構不同，即碳鏈長度、鍵角、支化度以及取代基原子（或基團）等空間因素或化學環境不同，發生α斷裂反應（圖1）的趨勢不同，產生（硫代）磷酸酯特征離子的豐度也不同。

表3列舉了在質譜圖中含有常見碎片離子的有機磷類農藥。在這類有機磷類農藥的質譜圖中，都能找到具有（硫代）磷酸酯基團的特征離子，其豐度值由各自所處的化學環境或空間因素決定。在各自的質譜圖中有的特征離子為基峰，如二溴磷，m/z109；馬拉硫磷，m/z125；敵惡磷、毒死蜱和甲拌磷亞砜，m/z97；特丁硫磷砜，m/z125。

2.2 常見碎片離子在質譜法定量檢測有機磷類農藥中的運用

利用質譜法定量檢測有機磷類農藥殘留時，一般進行多組分同時測定，因此選用待測組分m/z大、豐度高、干擾少的特征離子作為定量或定性離子。在有機磷類農藥的質譜圖中，常見的碎片離子表征了（硫代）磷酸酯基團，可以作為待測組分的重要“指紋”應用[17]。GB 23200.8—2016中采用GC-MS法定量檢測500種農藥，有13種有機磷類農藥采用SIM功能采集表3中的碎片離子來定性定量（詳見表4）。GB 23200.113—2018中采用GC-MS法定量檢測208種農藥及其代謝物殘留量中，有10種有機磷類農藥采用表2中的碎片離子作為MRM離子對（詳見表5）。

表4 13種有機磷類農藥的定量因子、定性因子及相對豐度表

表5 10種有機磷類農藥的定量離子對、定性離子對及碰撞電壓表

2.3 在質譜法定量檢測有機磷類農藥中運用常見的碎片離子時的注意事項

上文已闡述了多數有機磷類農藥含有相同的結構，可發生相同的質譜行為。由于空間因素、取代基等不同化學環境的影響，有機磷類農藥經EI源電子轟擊后，發生裂解反應的競爭力不同，或發生α斷裂反應（圖1）優勢明顯，產生的其他碎片離子少、豐度低。利用氣相色譜-質譜法定量檢測或盲掃有機磷類農藥時，一般進行多組分分段采集；為了提高該待測物的靈敏度，將表3中的碎片離子作為特征離子或MRM離子對；為了避免同一采集時段內各待測物具有相同的碎片離子，必須滿足下面兩點要求（即①和②），將有機磷類農藥常見的碎片離子作為定量定性離子或MRM離子對，從而避免相互干擾。

表3 含有常見碎片離子的有機磷類農藥表

①要判斷各待測組分的結構是否相似、是否具有相同的質譜行為。②通過有機磷類農藥各待測組分與色譜柱的相互作用力-范德華力（色散力、誘導力、取向力）來判斷是否有良好的分離度（分辨率），是否滿足質譜的SIM或MRM功能來分段采集特征離子或母-子離子對[18-19]。

例如，在定量檢測甲拌磷亞砜和甲拌磷砜過程中，由于兩者結構相似，會發生相同的質譜行為，其質譜圖含有相同的碎片離子及其豐度（見圖6～圖8）。利用固定相為5%苯基-95%甲基硅氧烷、14%氰丙基苯基-86%甲基硅氧烷和50%苯基-50%甲基硅氧烷3種色譜柱分離時，其分離度（R）均達不到分段采集要求，為了避免采用相同的碎片離子作為特征離子或母離子，引起定量結果不準或定性錯誤，因此在GB 23200.113—2018中，甲拌磷砜的MRM離子對為153.0/97.0（10 eV）、124.9/96.9（5 eV）；甲拌磷亞砜的MRM離子對為96.9/64.9（20 eV）、199.0/142.9（10 eV）。

在同一采集時間段內具有相同質譜行為的待測組分選擇不同的MRM離子對進行定性定量分析，有效避免了在定量檢測或盲掃定性時，引起的定量結果不準或定性錯誤。MRM分段采集時間關鍵依據色譜柱分離待測組分，當色譜柱柱效下降、形成共流出物時，分段采集時間內多個待測組分由于具有相同的質譜行為，會形成定性定量干擾。以下將以甲拌磷亞砜、甲拌磷砜和毒死蜱為例進行分析。

（1）以色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，5%苯基-95%甲基硅氧烷毛細管柱）作為分離柱，甲拌磷亞砜、甲拌磷砜和毒死蜱的相互分離度分別為R砜-亞砜=1.01、R毒-砜=0.16、R毒-亞砜=1.19，分離度達不到分段采集的要求，采集時間均在13.10～14.00 min。

（2）甲拌磷亞砜、甲拌磷砜和毒死蜱含有相似結構，可發生相同的質譜行為，因此在甲拌磷亞砜和甲拌磷砜的質譜圖中，具有較高豐度的碎片離子在毒死蜱的質譜圖中均可找到（圖5所示），如m/z97、m/z125、m/z125和m/z199（毒 死 蜱 含 有3個氯原子，m/z199為m/z197的同位素峰，相對比值為97.7∶100.0，與理論值95.88∶100.00相符）。

（3）甲拌磷亞砜和甲拌磷砜的碎片離子較少，表3中有機磷類農藥常見的碎片離子具有非常高的豐度，為了提高GC-MS靈敏度，將其作為MRM離子對，甲拌磷亞砜，153.0/97.0（10 eV）、199.0/171.0（5 eV）、125.0/97.0（5 eV）；甲拌磷砜，153.0/97.0（10 eV）、125.0/97.0（5 eV）、199.0/143.0（10 eV）。毒死蜱含有氯原子和乙氧基結構，分子離子失去·Cl后產生偶電子離子m/z314，并在電荷的誘導下發生氫重排和i斷裂反應，相繼失去中性分子CH2=CH2，產生的特征離子m/z286和m/z 258，在毒死蜱的質譜圖中有較高的豐度，因此將313.9/257.9（10 eV）、313.9/285.9（5 eV）、313.9/193.9（15 eV）作為MRM離子對來檢測毒死蜱。3種待測物均采用一組定量離子對和兩組定性離子對來定性定量。

在上述3個條件下，用MRM方式仍能很好地完成甲拌磷亞砜、甲拌磷砜和毒死蜱日常的定性定量檢測。但隨著色譜柱的柱流失增大、柱效下降，形成共流出物 ——甲拌磷亞砜、甲拌磷砜和毒死蜱同時出峰，就會嚴重影響定性定量結果。如圖9、10和11所示，當樣品中檢測出毒死蜱、甲拌磷亞砜、甲拌磷砜時，通過保留時間、毒死蜱特有的MRM離子對及相對豐度可以確認樣品中含有毒死蜱；甲拌磷亞砜的保留時間和MRM離子對吻合，但是MRM離子對（199.0/171.0）的相對豐度偏差超過允許范圍，可以定性為不是；而甲拌磷砜的保留時間、MRM離子對以及相對豐度均符合，可以定性為是，含量為0.038 mg·kg-1；但該樣品通過GC-FPD法和LC-MS法確認只含有毒死蜱，含量為1.43 mg·kg-1。

正是由于這3種有機磷類農藥滿足上述3個條件，隨著色譜柱的柱效下降，將有機磷類農藥常見的碎片離子作為定性定量離子，定性定量錯誤的風險也隨之增大。在將有機磷類農藥常見的碎片離子作為特征離子或MRM離子對時，要綜合考慮程溫、色譜柱的類型、柱效等色譜條件，通過各待測組分與色譜柱固定相之間的相互作用力（色散力、誘導力、取向力），達到良好的分離度并滿足分段采集的要求而不相互干擾，保證定性定量結果準確。

3 結語

有機磷類農藥是一類有相似化學結構的化合物，這類化合物一般為磷酸酯、酰胺或硫羥衍生物。在部分有機磷類農藥中，由于甲氧基與乙氧基、P=O與P=S的不同，經EI源轟擊電離后，當游離基和電荷定域于不飽和O（S）原子上時，在游離基的誘導下，其單電子在離子中有成對的傾向，形成α斷裂反應，優先失去最大支鏈，生成常見的碎片離子——偶電子離子，即m/z109、m/z125、m/z137和m/z153。由于各自的化學結構不同，即碳鏈長度、鍵角、支化度以及取代基原子（或基團）等空間因素或化學環境不同，使得游離基和電荷定域于不同的基團上，發生α斷裂反應的趨勢不同，產生（硫代）磷酸酯特征離子的豐度也不同。

利用質譜法的SIM或MRM模式對有機磷類農藥進行定量檢測時，要合理利用表3中的碎片離子，防止定性定量錯誤。①通過化學結構式判斷，各待測組分是否具有相似的結構，是否具有相同的質譜行為。②判斷各待測組分通過色譜柱分離后，能否具有良好的分離度滿足SIM或MRM的分段采集模式。盡管可以在同一采集時間段內，選擇不同的碎片離子或母子離子對來規避風險，但還要防止隨著色譜柱的柱效下降，發生共流出物現象，導致定性定量不準確。在將有機磷類農藥常見的碎片離子作為特征離子或MRM離子對時，要綜合考慮程溫、色譜柱的類型、柱效等色譜條件，通過各待測組分與色譜柱固定相之間的相互作用力（色散力、誘導力、取向力），達到良好的分離度并滿足分段采集的要求而不相互干擾，從而保證定性定量結果準確。