氣相色譜法檢測農藥殘留過程中基質效應的研究

張妮 王敏

摘要對農藥殘留檢測過程中基質效應的產生機理、影響因素、消除和補償辦法進行了系統闡述。影響基質效應的因素主要包括：目標分析物的結構、性質和濃度；基質的類型和濃度；色譜條件（進樣過程、檢測器類型、襯管和色譜柱的污染情況以及樣品前處理過程等）。目前基質效應的消除與補償方法主要包括基質匹配法、基質凈化法、加入分析保護劑、同位素內標法、優化進樣技術法、標準加入法、校正因子校準法等。

關鍵詞基質效應；農藥殘留；影響因素；補償辦法

中圖分類號S481+.8；O657.7文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07073-03

Matrix Effect Research on Detection of Pesticide Residues by GC

ZHANG Ni et al （Shanghai Deno Products Testing Service Co.Ltd，Shanghai 200436）

Abstract The generation mechanism，influencing factors and remedies to eliminate or compensate matrix effect during the detection course of pesticide residues are systematically expounded.The main influencing factors include structure，property and concentration of the target analytes； types and concentration of matrix； chromatographic condition （sampling process，detector types，screened pipe，pollution status of chromatographic column and sample pretreatment process）.The elimination and compensation methods of matrix effect include matrix matching method，matrix purification method，adding analysis protective agent，isotope internal standard method，optimal sampling technique method，standard adding method and correction factor method and so on.

Key words Matrix effect； Pesticide residues； Influencing factors； Compensation methods

現代農業中農藥被廣泛應用，在提高作物產量方面貢獻很大，但也存在一定的濫用現象，既造成環境污染、影響出口，又損害人類健康。歐盟（EU）、聯合國糧農組織（FAO）和世界衛生組織（WHO）均對蔬菜、水果和動物性組織中各類農藥的最大殘留限量（MRLs）進行了限定。因此，如何對農藥殘留進行精確定量是食品安全控制和農藥使用監管的重要技術保障。然而，色譜或質譜分析檢測農藥殘留時，不可避免地存在一定的基質效應，嚴重影響了其定量準確性。

國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）定義基質效應為“樣品中除分析物以外的其他成分對待測物測定值的綜合影響”[1]。由基質引起的響應信號增強或降低的現象分別稱為基質增強效應和基質減弱效應。氣相分析中農藥多表現為不同程度的基質增強效應，液質分析中則多表現為離子減弱效應。在色譜的微量和痕量分析中，基質效應嚴重影響了目標分析物的定量準確度，越來越多的農藥殘留檢測規范均要求考慮基質效應。因此在農藥殘留檢測方法的開發、驗證和應用過程中，如何消除或補償基質效應越來越受檢測工作者的關注。為此，筆者介紹了農藥殘留檢測過程中基質效應的影響因素、消除和補償辦法，以期為農藥殘留分析的精確定量提供借鑒。

1基質效應的產生機理

氣相色譜中，基質效應產生的根本原因在于活性位點。樣品中的基質組分與目標分析物分子競爭進樣口或柱頭上由硅烷基、金屬離子或沉積性基質組分的熱分解產物形成的活性位點，因而減少了敏感化合物與活性位點的反應機會，使其在色譜上的響應較純溶劑中高。液相色譜中，基質效應的產生一般認為是液相共流出組分與目標分析物競爭離子化液滴表面，因此干擾被測組分的色譜響應值[2]。

2基質效應的影響因素

影響基質效應的因素主要包括：目標分析物的結構、性質和濃度；基質的類型和濃度；色譜條件（進樣過程、檢測器類型、襯管和色譜柱的污染情況以及樣品前處理過程等）。

2.1分析物的結構、性質和濃度同種基質溶液中不同種類農藥的基質效應差異較大。HAJSˇLOV等[3]總結了農藥結構與基質效應強弱的關系，等基團的農藥通常表現出較強的基質效應。如甲胺磷、乙酰甲胺磷、氧樂果和久效磷等典型敏感農藥，在樣品基質中的響應值比在純溶劑中要高得多。氨基甲酸酯類農藥因極性較強，在液相或液質分析中一般受到較強的抑制作用。嘧霉胺、氟蟲腈、噠螨靈、苯醚甲環唑均含有-N=結構，在氣質分析中基質增強效應較明顯。

另外，基質效應的大小與基質中分析物的濃度存在一定關聯，低濃度水平基質效應大于高濃度水平[4]。江燕玲等[5]按基質與待分析農藥9∶1的比例配制基質校正標準溶液，有效解決了18種有機磷農藥的基質干擾問題。

2.2基質的類型和濃度受基質的種類、pH、濃度和狀態等因素的影響，不同基質呈現不同的化學環境，導致同種農藥在不同種類基質中的基質效應差異較大。

硫丹、甲胺磷、甲基對硫磷在辣椒中的基質效應明顯高于黃瓜[6]。鐵觀音提取液對甲胺磷、乙酰甲胺磷和三唑磷的基質效應明顯高于白茶和巖茶[7]。酸性基質中百菌清的基質效應較強，而蔥蒜類或堿性基質中百菌清則存在顯著降解或抑制的現象[8]。不同基質中溴氰菊酯2個異構體峰的比值也存在顯著差異，酸性基質能抑制溴氰異構體2向異構體1的轉化[9]。

分析物濃度保持不變的條件下，隨著基質濃度的增大，基質效應的強度也不斷增大。易盛國等[10]則認為基質的含水量越高，基質效應越弱；而糖類、脂類、蛋白質類能增大基質效應的影響。

2.3色譜條件基質效應受色譜系統如進樣技術、進樣口的溫度變化、襯管的活性、檢測器類型以及色譜柱的污染程度等的影響。全新色譜柱基本沒有基質效應，而截過的色譜柱基質效應較明顯[11]；電噴霧電離源（ESI）較大氣壓化學電離源（APCI）更易受到基質效應的影響[12]。

宋春滿等[13]在檢測煙葉和土壤中有機氯殘留過程中的基質效應輕微，認為與有機氯農藥熱穩定性較好、使用固相萃取柱凈化及脈沖不分流進樣技術有一定關系。

3基質效應的補償辦法

目前基質效應的消除與補償方法主要包括基質匹配法、基質凈化法、加入分析保護劑、同位素內標法、優化進樣技術法、標準加入法、校正因子校準法等。

3.1基質匹配法該法是目前應對基質效應難題的最實際的解決方法，通過模擬樣品的基質環境，以補償標樣中因受基質影響而導致的部分農藥的吸附或降解。根據歐盟等組織的要求，樣品校正應采用完全匹配的基質標樣。對常規殘留檢測實驗室來說，日常工作涉及的樣品種類繁多，實現樣品基質的完全匹配并預先篩選出相對應的空白樣品基質大大增加了檢測工作量，可操性差。MARTNEZ等[14]建議選擇黃瓜和西瓜分別作為蔬菜和水果的通用基質。在農殘的快速篩選方面，通用基質校準法尚可滿足檢測要求。但對于超標或疑似超標樣品，需用與該樣品種類完全匹配的空白基質進行定量校正。

3.2基質凈化法樣品中農藥殘留的測定可歸納為提取、凈化、濃縮和色譜測定4個步驟。植物源性樣品主要考慮去除色素、糖類、酸類等的影響；動物源性樣品主要需要去除脂肪、蛋白質等的影響。冷凍分離、液液分配、凝膠滲透色譜（GPC）和固相萃?。⊿PE）等萃取凈化方法已廣泛用于消除共萃物的干擾。由于現代分析系統檢測靈敏度的提高和儀器檢出限的降低，樣品稀釋法是最簡單的一種基質凈化法。而QuEChERS方法是目前測定各類樣品（主要針對非脂肪性樣品）中農藥殘留應用最廣的一種樣品制備技術。

SCHENCK等[15]研究了不同固相萃取小柱（GCB、C18、SAX、NH2和PSA）凈化果蔬中干擾基質的效果，結果表明，NH2和PSA去除果蔬中的脂肪酸、有機酸和各種糖類的效果最好；GCB具備較強的表面分子親和力，去除葉綠素和類胡蘿卜素等色素類物質效果最好；C18和SAX的凈化效果相對較差。

王貴雙等[16]比較了磺化法（濃硫酸處理法）和SPE小柱凈化法2種前處理方式對糧谷類基質中17種有機氯和菊酯類農藥氣質聯用法測定的影響，結果表明，磺化法比SPE小柱凈化法去除基質尤其是脂肪、蠟質等雜質更徹底，基質效應大大減弱。但狄氏劑、異狄氏劑、異狄氏劑醛、十氯酮、α硫丹、β硫丹、反環氧七氯、三氯殺螨醇和菊酯類農藥在硫酸處理下損失嚴重，局限了磺化法在多殘留同時檢測上的應用。

基質成分一定程度上的凈化能改善基質中共萃物產生的基質效應；但目前為止，沒有一種樣品制備方法能徹底去除基質成分，即使去除較徹底，也是以損失部分農殘的回收率為代價。

3.3加入分析保護劑分析保護劑（也稱掩蔽試劑）是具有基質補償效果的單一化合物或簡單混合物，通常含有多羥基基團，能保護敏感農藥不被進樣口附近的活性位點吸附，在減少基質誘導的衰減效應、改善色譜峰形、提升方法的穩定性和減少系統的維護方面有顯著優勢。已用于農殘分析的分析保護劑主要有3乙氧基1，2丙二醇、L古洛糖酸γ內酯、聚乙二醇（PEG200、PEG400）、三梨醇、乙烷基丙三醇等。

LI等[17]研究了11種不同濃度和不同組合的保護劑對186種農藥在綠茶、烏龍茶、紅茶中基質效應的影響，聚三甘油（2 mg/ml）和D核糖酸γ內酯（2 mg/ml）聯合使用的補償效果最好，96%以上的農藥回收率均在70%～120%。張麗莉[7]研究發現，以山梨醇、果糖、木糖為分析保護劑，甲胺磷和乙酰甲胺磷的回收率均接近100%，其中木糖的補償效果最佳，果糖會引起待測農藥保留時間的漂移。宋瑩[18]以乙酸鈉-乙酸緩沖體系作為類分析保護劑測定果汁中農藥多殘留時，發現多數農藥回收率降低，部分甚至低于50%。但若同時加入山梨醇作為分析保護劑，農藥回收率（除丁硫克百威和氧化樂果外）均在70%～120%。

3.4同位素內標法測定敏感化合物時加入同位素內標或氘代內標，既可補償前處理過程中目標物的損失，又可減少因基質效應引起的目標物響應值的變化。同位素內標應具備與待測物相似的物理化學性質，出峰時間與待測物相近且不妨礙其他待測物的定性和定量。

已有的文獻報道中，QuEChERS方法多采用三苯基磷酸酯（TPP）作為內標物質[19-20]。關雅倩[21]則認為最理想的內標是同位素稀釋劑，根據受基質干擾的程度將農藥分組，確定D6樂果為樂果的內標，D10毒死蜱為三唑磷、毒死蜱、殺撲磷、馬拉硫磷的內標，D3多菌靈為多菌靈和丁硫克百威的內標，TPP為甲萘威、抗蚜威、殘殺威、異丙威的內標。并非所有農藥都能找到相對應的同位素內標，且內標的價格較昂貴，局限了該方法在補償基質效應方面的應用。

3.5優化進樣技術脈沖不分流進樣技術，即通過高流速快速將樣品從進樣口吹出，減少了進樣口處分析物的吸附和分解，相對于傳統的不分流進樣技術能顯著提高敏感農藥的響應值。缺點是會加快對色譜系統（柱頭和色譜柱）的污染速度。連接預柱、襯管中添加脫活玻璃棉可減小對GC系統的損害。程序升溫汽化（PTV）進樣通過進樣口的快速加熱和冷卻，減少了不穩定性農藥的熱分解，而且較高的PTV載氣流速減少了襯管中目標分析物的停留時間，一定程度上抑制了難揮發性物質沉積于襯管內形成活性位點。

3.6標準加入法標準加入法（也稱標準增量法）是將已知梯度濃度的分析物加入到含有待測分析物的樣品中，分析加入前后的色譜響應值，擬出標準曲線，由標準曲線計算出實際樣品中目標物的含量[22]。該方法尤其適合少量樣品中單一分析物的準確定量。

低濃度樣品初次檢測時農藥的基質效應相對較大，疊加后再檢測時因農藥濃度增大而基質效應減小且減小幅度較大，2次檢測中基質效應的差異使定量結果偏高，該種影響對基質效應隨濃度增加而減小，幅度大的農藥品種尤為明顯。氧樂果和久效磷在低濃度的回收率有偏高趨勢，與基質效應的該種變化有關。當基質溶液中農藥的濃度提高到0.5 mg/L及以上時，農藥的基質效應本身相對較小，濃度對基質效應的影響也明顯減弱，各農藥微量疊加法定量的回收率均準確且穩定[23]。

3.7校正因子校準法該法在校正和評估基質效應方面的應用得力于化學計量學在農殘分析中的應用與發展，有學者利用純溶劑標準曲線校正基質匹配標準曲線獲得校準因子，建立統計校正模型，以校準由基質效應引起的系統誤差。但該方法的應用要求系統環境和操作條件必須穩定。這在常規檢測過程中很難實現，因為同一臺儀器檢測不同的項目后，玻璃襯管的活性會發生變化，導致純溶劑校準曲線會發生較大變化，很難保持穩定。

4結論

基質效應對目標分析物的定性與定量有不同程度的影響，需要對基質效應進行一定的消除或補償。目前，在凈化樣品方式和校正措施方面都取得較好成果，但影響基質效應的因素十分復雜，難以完全消除樣品基質對分析物準確分析的影響。但隨著科學技術的發展，將會有更先進的儀器和更加惰性的材料應用于農藥殘留分析領域，最大程度上降低基質效應的影響。

參考文獻

[1] GUILBAULT G C，HJELM M.Commissions on analytical nomenclature and automation and clinical chemical techniques nomenclature for automated and mechanized analysis[J].Pure Appl Chem，1989，61（9）：1657-1664.

[2] OELLIG C，SCHWACK W.Planar solid phase extraction cleanup for pesticide residue analysis in tea by liquid chromatographymass spectrometry[J].J Chromatogr A，2012，1260：42-53.

[3] HAJSˇLOV J，ZROSTLKOV J.Matrix effects in （ultra） trace analysis of pesticide residues in food and biotic matrices[J].J Chromatogr A，2003，1000：181-197.

[4] 平新亮，林媚，王燕斌，等.添加13種有機磷農藥在4種果蔬中的回收率和基質效應[J].江西植保，2009（3）：120-122.

[5] 江燕玲，成秀娟，魏燕秋，等.有機磷農藥殘留量檢測過程中基質效應研究[J].農藥科學與管理，2012，33（2）：25-29.

[6] PATEL K，FUSSELL R J，GOODALL D M，et al.Analysis of pesticide residues in lettuce by large volumedifficult matrix introductiongas chromatographytime of flightmass spectrometry （LVDMIGCTOFMS）[J].Analyst，2003，128（10）：1228-1231.

[7] 張麗莉.茶葉有機磷農藥殘留檢測技術的改進以及基質效應的研究[D].福州：福建農林大學，2010：45-48.

[8] 孫聰，丁雪晨，梁宜品.氣相色譜法檢測蔬菜中百菌清的基質效應[J].現代農村科技，2012（18）：74-75.

[9] 黃寶勇.果蔬中農藥多殘留的氣相色譜-質譜方法與基質效應的研究[D].北京：中國農業大學，2005：45.

[10] 易盛國，侯雪，韓梅，等.氣相色譜-串聯質譜法檢測蔬菜農藥殘留基質效應與基質分類的研究[J].西南農業學報，2012，25（2）：537-543.

[11] WYLIE P L，HEWLETTPACKARD C，WILMINGTON D E.Improved gas chromatographic analysis of organophosphorus pesticides with pulsed splitless injection[J].J AOAC Int，1996，79（2）：571-577.

[12] PATEL D.Matrix effect in a view of LCMS/MS：an overview[J].International Journal of Pharma and Bio Sciences，2011，2（1）：559-564.

[13] 宋春滿，和智君，田麗梅，等.有機氯農藥殘留氣相色譜法測定中的基質效應[J].農藥，2013，52（10）：745-746.

[14] MARTINEZ VIDAL J L，ARREBOLA F J ，GARRIDO FRENICH A，et al.Validation of a gas chromatographictandem mass spectrometric method for analysis of pesticide residues in six food commodities.Selection of a reference matrix for calibration[J].Chromatographia，2004，59：321-327.

[15] SCHENCK F J，LEHOTAY S J，VEGA V.Comparison of solidphase extraction sorbents for cleanup in pesticide residue analysis of fresh fruits and vegetables[J].J Sep Sci，2002，25：883-890.

[16] 王貴雙，高麗華，孫晶，等.基質效應對氣相色譜-質譜法測定糧谷中17種有機氯和擬除蟲菊酯農藥殘留影響的研究[J].中國釀造，2012，31（11）：169-172.

[17] LI Y，CHEN X，FAN C L，et al.Compensation for matrix effects in the gas chromatographymass spectrometry analysis of 186 pesticides in tea matrices using analyte protectants[J].J Chromatogr A，2012，1266：131-142.

[18] 宋瑩.QuEChERS結合氣相色譜-質譜測定果汁中農藥多殘留方法研究[D].北京：中國農業科學院，2011：36.

[19] ZHAO P Y，WANG L，ZHOU L，et al.Multiwalled carbon nanotubes as alternative reverseddispersive solid phase extraction materials in pesticide multiresidue analysis with QuEChERS method[J].J Chromatogr A，2012，1225：17-25.

[20] GONZALEZCURBELO M A，HERNANDEZBORGES J，RAVELOPEREZ L M，et al.Insecticides extraction from banana leaves using a modified QuEChERS method[J].Food Chem，2011，125（3）：1083-1090.

[21] 關雅倩.改良QuEChERS方法聯合LCMS/MS技術在茶葉中農藥殘留分析檢測的應用研究[D].北京：北京化工大學，2013：35.

[22] FERNNDEZ G C，RIAL O R，CANCHO G B，et al.Determination of fungicide residues in white grapes for winemaking by gas chromatography with mass spectrometric detection and assessment of matrix effects[J].J.AOAC Int.，2003，86（5）：1008-1014.

[23] 汪傳炳，黃秀根，樊曉青，等.微量疊加定量法校準蔬菜農藥殘留色譜分析中的基質效應[J].上海農業學報，2013，29（4）：36-41.