气相色谱/质谱分析食品基质中农药的五个关键实践

全球粮食需求不断上升，农药的使用也在增加，市场上有一千多种不同的化学品。然而，如果不遵守适当的农业操作规程，农药残留会给全球食品供应链、环境和消费者带来风险。
对食品中痕量污染物的担忧推动了对更快速、更可靠的方法识别和量化化学残留物的需求。食品安全的一个衡量标准是最大残留限量(MRL)，这是允许残留在处理过的食品中或表面的农药残留的最高水平。在这篇文章中，我们强调了确保成功使用气相色谱/三重四极杆质谱分析农药的五个关键方法。

全球粮食需求不断上升，农药的使用也在增加，市场上有一千多种不同的化学品。然而，如果不遵守适当的农业操作规程，农药残留会给全球食品供应链、环境和消费者带来风险。
对食品中痕量污染物的担忧推动了对更快速、更可靠的方法识别和量化化学残留物的需求。食品安全的一个衡量标准是最大残留限量(MRL)，这是允许残留在处理过的食品中或表面的农药残留的最高水平。例如，在美国，MRLs被称为公差[2]。
最大残留限量可能在很大的浓度范围内变化，这取决于农药的种类和处理的食品。例如，美国环境保护署(EPA)已经确定了菠菜中68种农药的耐药量，从10 ppb (ppb)的fludioxonil到60,000 ppb的boscalid[3]。
这一限制范围对气相色谱/质谱(GC/MS)分析提出了挑战，需要高灵敏度和在宽动态范围内校准的能力。五个关键组成部分可确保农药分析成功:
•有效的样品提取和基质清理
•在全扫描数据采集模式下评估矩阵
•中列倒冲
•无泄漏三重四极杆GC/MS系统(GC/TQ)
•正确选择进气道和尾管
在这里，我们描述了这五种成分如何在三种具有挑战性的基质中对200多种农药进行GC/MS/MS分析:高叶绿素新鲜基质菠菜，复杂干基质辣椒辣椒和油干基质核桃。两种不同的GC/TQ模型(图1A和1B)被使用和配置，以实现在宽校准范围内的最佳性能。GC/MS/MS是一种极具选择性、灵敏度、线性性和鲁棒性的技术，用于在各种基质中定量农药。它通常与液相色谱/质谱(LC/MS/MS)结合使用，用于非极性和极性农药和食品中的残留污染物的综合分析。
支持高通量工作流程的强大农药分析需要一系列要求。它必须提供延长的免维护操作和最小的停机时间;它应满足所要求的灵敏度，可在sub-ppb水平;它必须能够在广泛的动态范围内校准性能，包括所监测化合物的最大残留限量。
图1。安捷伦8890/7000E和8890/7010 GC/QT系统(A)和系统配置(B)

我们的方法能够精确定量这些基质中的农药的MRLs，在0.1至5,000 ppb的动态范围内实现了R2 >0.99的基质匹配校准，并且具有较高的方法灵敏度。此外，这些策略最大限度地减少了仪器的停机时间，限制在大约每100次注射更换衬套和隔膜。在三种复杂基质提取物(菠菜、辣椒和核桃)的1000次注射中，不需要执行TQ MS调优、源清理或GC列修剪。关于寿命研究期间系统性能的详细信息可以在本出版物中找到:https://www.agilent.com/cs/library/applications/an-gc-ms-ms-analysis-of-203-pesticides-in-10-minutes-in-spinach-5994-4967en-agilent.pdf

样品制备

有效的样品提取和基质清理允许最小的基质背景和干扰，同时保持高农药回收率。分析QuEChERS粗提取物，特别是复杂的色素和油性基质，可以显著增加更换衬管、清洗入口、气相色谱柱和MS源的需求
清洗。这样的维护程序降低了分析的吞吐量。在QuEChERS提取后执行有效的基质清理可以减少源内基质负载和对目标的干扰，同时提高目标农药的信噪比、准确性和可重复性。
图2所示的示例准备工作流包括两个主要步骤:
通过传统的QuEChERS提取样品，并使用capapa EMR与Carbon S进行适当的透洗。这些EMR与Carbon S墨盒可以在QuEChERS提取后直接使用，使用简化的透洗程序，并证明了样品基质去除和目标总体回收率和再现性的改善。Captiva EMR与Carbon S墨盒的选择是基于植物来源样品基质的复杂性和根据以前研究的选择指南的色素水平。(https://www.agilent.com/cs/library/applications/an-captiva-emr-gpf-5994-4764en-agilent.pdf)图2是样品制备的整个流程图。
图2。样品制备流程图包括传统的QuEChERS提取，然后是Captiva EMR直通清理。

如图3所示，在全扫描数据采集模式下，菠菜、核桃和辣椒提取物在清理后的TIC信号丰度明显低于清理前的粗提物。
图3。扫描菠菜(A)，核桃(B)和辣椒(C)提取物的TIC。红色痕迹对应有Captiva EMR清理的矩阵样本，黑色痕迹对应没有清理的矩阵样本。绿色痕迹对应的是乙腈溶剂空白。

矩阵筛选在全扫描数据采集模式

在全扫描数据采集模式下筛选样本有利于源内矩阵加载的评估。为了保持最佳性能，每个MS源都限制了一次可以在源中出现的材料的数量。如果电子电离(EI)源与基质过载，分析的定量精度可能会显著降低。因此，在全扫描模式下分析基质对评估总离子色谱(TIC)和保持最佳GC/TQ性能至关重要。
在全扫描模式下，当电子倍增器(EM)增益设置为1时，TIC丰度建议不超过7 ×107计数。在三种分析的基质中，辣椒具有最高的基质背景，尽管在清理过程后背景明显减少。在这项评估中，当评估敏感性和动态范围时，预计在11到12.5分钟洗脱的农药会牺牲辣椒基质中的性能。例如，硫丹I在11.273分钟洗脱，并且在两种GC/TQ系统的辣椒辣椒基质中只能从5 ppb开始定量。用硫丹I洗脱菠菜和核桃基质的基质水平明显较低，观察到0.1 ppb的定量限(LOQ)。
一些可以帮助降低基质背景的做法包括适当的样品清理，样品稀释，和较小的注射量。后两种方法通常会产生更好的loq，特别是配备了高效源(HES)的7010C GC/TQ系统。

Midcolumn反冲

柱中倒冲是一种技术，在最后一种分析物离开柱后，载气流被逆转。使用中柱倒冲配置允许分析人员将分析时间限制为所关心的最后洗脱化合物的保留时间。具有挑战性的基质——特别是油性基质，如核桃——富含高沸点成分，具有较长的保留时间，超过目标农药的保留时间。避免在后续运行中出现虚峰的常见方法是在最后一个目标分析物从色谱柱中洗脱后使用扩展的色谱柱烘烤。
然而，这种方法有几个缺点，包括高锅炉和气相色谱柱固定相沉积到EI源，污染气相色谱柱的头部，降低柱的寿命，以及由于延长烘焙而导致的更长的循环时间。
中柱倒冲允许从柱中洗脱高沸点的基质组分，而不会像烘烤方法那样牺牲。MS数据采集完成后，将烘箱保持在终温后运行模式，通过第一柱的载气流量反转。这种反向流动携带了数据收集结束时在色谱柱中的任何高锅炉。高锅炉被抬出柱头，进入分体式排气疏水阀(图4A)。
在这种情况下，在两个相同的15米圆柱之间插入一个三通，从而提供了逆转流动的能力。在分析过程中，使用少量的载气补流对接头进行扫描。在倒冲过程中，补料流量被提高到一个更高的值，将高锅炉向后扫出第一柱，同时在第二柱中提供正向流动。对于此应用程序中的配置，倒冲时间为1.5分钟。
图4B所示的色谱图说明了反冲洗技术在减少样品携带周期时间方面的有效性。循环时间减少了50%，并且柱不必长时间暴露在较高的烘烤温度下。采用倒冲，不引入过多的柱漏和重渣质谱，从而减少离子源污染。
此外，当与多模式进气道结合使用时，中间柱倒冲配置可显著节省时间。维护程序，如柱修整，隔膜和衬垫更换可以执行，而不需要冷却MS传输线和源。当隔膜被拆除时，系统的气动开关装置模块提供通过柱1向后流动的载气。它还防止空气进入气相色谱柱和ms多模式入口快速冷却能力，使更多的时间节省。因此，更换衬垫和间隔，这是最常见的维护程序，可以在几分钟内完成。
图4。气相色谱运行和反冲洗周期期间的中柱反冲洗配置和气体流量(A);红辣椒提取物的TIC扫描色谱图，然后分析有柱烘烤、有倒冲和没有倒冲或烘烤的仪器空白(B)

无泄漏GC/TQ系统

防止GC/MS系统泄漏对于仪器的长期性能至关重要。不希望出现的泄漏会降低气相色谱柱的寿命，并导致EI源的氧化，从而降低其性能。一些工具可以实现紧密连接，使安装变得容易和可重复，包括用于GC的自紧领柱螺母和镀金柔性金属套圈。
自紧领柱螺母有一个创新的弹簧驱动活塞。活塞不断地压在短石墨/聚酰亚胺箍上，即使在烘箱的数百个温度循环后，也能保持无泄漏密封。接箍的增加使柱安装到GC入口和MS传输线变得容易，并减少了变化的可能性。锁定环可以锁定柱的位置，精确和可重复的安装结果，一次又一次。
当不需要对MS电源进行维护时，通过带扣螺母配合立柱安装工具，无需打开侧门即可将立柱安装到MS中。镀金柔性金属套圈是惰性的，提供非常可靠的密封。它们可以防止微泄漏的形成，并有助于保持GC/TQ的高灵敏度。
系统的空气/水检查或自动调优报告可以表明是否存在泄漏。然而，这种方法并不能帮助识别泄漏的来源。此外，它可能会错过用户连接中可能出现的微泄漏。
随着GC/MS软件的最新进步，可以通过监测用户特定的离子并绘制相应的色谱图来识别泄漏源。

优化的注射温度可编程的多模式进口

有效地挥发样品在气相色谱入口是一个成功的气相色谱/质谱分析的重要组成部分。一些杀虫剂，如卡塔福、卡塔坦、三氯杀螨醇、氯苯醚和溴氰菊酯，已知在注射过程中会发生热降解。在60°C的较低温度下开始注射，并增加到280°C，允许挥发所有目标分析物，同时在引入GC色谱柱时保持其化学完整性。此外，可以对进口温度进行编程，允许在倒冲过程中将进口进一步加热到310°C。这种加热使系统能够烘烤出可能留在进气道中的任何基质残留物。温度可编程注射与超惰性2毫米酒窝衬垫的组合产生了高灵敏度，即使是复杂核桃基质中的溴氰菊酯等具有挑战性的农药。图5A显示了溴氰菊酯(一种已确定在核桃中存在MRL的农药)在0.5 ppb时的反应。
图5B显示了核桃提取物中五氯硝基苯(一种常用的农药)的选择性多重反应监测过渡的色谱图。五氯硝基苯在许多蔬菜和水果、花生和大豆种子中的最大残留限量从20ppb到1ppm[4]不等。五氯硝基苯的LC/MS分析是一个挑战，因此GC/MS分析是选择的技术。
多类别、多残留农药GC/MS/MS检测可进行常规监测，实现高通量、灵敏检测水平和单个样品中数百种农药的快速定量分析。在分析菠菜、核桃和辣椒等具有挑战性的食物矩阵中的农药时，实施这五个关键实践，可使所得到的方法在可达4个数量级的宽动态范围内具有出色的校准性能。考虑实施这些措施，以减少基质对目标分析物的干扰，并延长仪器的免维护操作时间。

参考文献

1.https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/pesticide-residues-in-food
2.设置食品中农药残留的耐受性，美国环保局https://www.epa.gov/pesticide-tolerances/setting-tolerances-pesticide-residues-foods。于2022年12月5日访问。
3.农药化学名称索引，第180部分耐受性信息，食品和饲料商品(按商品)，美国环保局。2012年12月12日。https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-01/documents/tolerances-commodity.pdf。于2022年12月5日访问。
4.40 CFR§180.291 -五氯硝基苯;对残留物的容忍。https://www.law.cornell.edu/cfr/text/40/180.291。于2022年12月5日访问。