麥氏重排在質譜法檢測有機磷類 農藥殘留中的運用

◎ 肖傳勇

（德州市農產品質量檢測中心，山東 德州 253015）

農產品安全包括數量、質量及數據安全，特別是農產品質量安全備受社會關注。農藥在農業生產中具有非常重要的意義，是重要的農業生產資料；隨著有機農藥的使用，農藥殘留研究也隨之開展起來[1]。農藥殘留是指由于使用農藥而在食品、農產品和動物飼料中出現的任何特定物質，包括被認為具有毒理學意義的農藥衍生物，如農藥轉化物、代謝物、反應產物及雜質等[2]。隨著農藥進入有機合成時代，有機磷類農藥具有藥效高、品種多、應用廣以及低生物積累性等特點，成為農業生產中應用最廣泛的農藥之一[3]。然而，有機磷類農藥為神經毒物，隨著新農藥研發及替代、抗性、農產品安全與環境安全關注等因素，我國農業農村部梳理了禁用和限用農藥名錄，其中包括久效磷、磷胺、內吸磷、滅線磷等25種有機磷類農藥。

根據有機磷類農藥的毒理和化學性質，我國出臺了一系列標準來定性定量檢測植物源性食品中有機磷類農藥殘留量，如酶抑制率法[4]、氣相色譜法[5-6]、氣相色譜-質譜法[7]、氣相色譜-質譜聯用法[8]和液相色譜-質譜聯用法[9-10]。特別是隨著質譜儀的發展，質譜法被廣泛應用于植物源性食品中有機磷類農藥殘留量的檢測。在特定情況下，有機磷類農藥經EI源或ESI源電離后，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；該碎片離子通過四極桿質量分析器被電子倍增檢測器收集，用于檢測待測組分的定性定量因子[11]。

利用質譜法進行多組分檢測時，一般采用m/z值大、豐度高、干擾少且同時表征待測組分“指紋”信息的特征離子作為定性或定量因子[12]。在有機質譜理論中，麥氏重排（Mclafferty rearrangement）是對質譜分析中離子的重排反應提出的經驗規則；可以解釋有機化合物質譜中系列碎片離子的裂解方式與過程，從而有效確認有機化合物結構，即不飽和基團、可離去的氫、六元環[13]。多數有機磷類農藥屬于磷酸酯類或硫代磷酸酯類化合物[14]；當滿足上述三要素時，麥氏重排往往優勢明顯，產生的特征離子豐度高；在質譜法中將麥氏重排產生的特征離子作為定性定量因子更能表征待測組分的結構信息，加重識別點的權數。本文主要闡述利用麥氏重排規則解析有機磷類農藥的質譜圖以及其特征離子在質譜法中的運用。

1 麥氏重排規則

麥氏重排反應通式為：

式中：X為R′，OR′；Y為雜原子。

麥氏重排反應特點：不飽和中心；γ-H（六元環、足夠大的空間）轉移；β鍵斷裂；電荷保留占主導地位（有例外）。麥氏重排反應動力：氫重排的驅動是自由基對氫原子的吸引。

γ-H通過六元環轉移到不飽和基團后，接著發生β鍵斷裂，這種通過六元環的重排稱為麥氏重排。要求通過六元環是因為雜原子上有雙鍵，鍵角較大，因此必須有足夠大的環，才能使氫原子在空間上能夠接近雜原子而轉移到雜原子上。γ-H重排后，有兩個反應通道可以導致β鍵的斷裂，一個反應通道是在游離基中心誘導下的α斷裂（式1），另一個反應通道是在電荷中心誘導下的i斷裂（式2）[15]。能夠發生麥氏重排的有機物種類有很多，如醛、酮、酯、酸、酰胺、碳酸酯、磷酸酯、亞硫酸酯、亞胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯，這類化合物都具有共同特點——含有不飽和基團[16]。

2 在質譜法檢測有機磷類農藥殘留中麥氏重排規則的運用

有機磷類農藥屬于磷酸酯類化合物，酯相比于其他官能團（酮、醚、酸、醛和醇）的質子親和力強；化合物中存在可離去氫時，相比于其他斷裂反應，麥氏重排反應往往具有很強的競爭力。

有機磷類農藥包含殺蟲劑、殺菌劑和除草劑[17]，含有酯、（硫）醚、酮、胺、酰胺、烯、苯環、氮雜環、硝基、唑及鹵代烴等一個或多個官能團；由于各自含有的官能團不同，電荷和游離基中心定域于官能團的概率不同，發生α斷裂、i斷裂、σ斷裂、氫重排及re（消除）趨勢不同，發生麥氏重排[式（1）和式（2）]的趨勢也不同。氫重排不能產生碎片離子，氫重排后隨即發生α斷裂或i斷裂才能產生碎片離子。碎片離子的豐度并不完全取決于氫的接受能力和離去能力，而是與初始電荷和游離基定域于不同官能團的概率有關，而且與隨后的α斷裂或i斷裂的競爭力有關，還與該產物離子的二級反應能力及穩定電荷和游離基的能力有關。

本文將探討在解析有機磷類農藥質譜圖的過程中麥氏重排規則的運用，為質譜法準確定性定量該類農藥所采納的碎片離子提供理論依據。

2.1 在定量檢測有機磷類農藥殘留中電荷保留占主要的麥氏重排的運用

如圖1[18]所示，在滅線磷的質譜圖中，除滅線磷的分子離子峰m/z242為偶數外，還有碎片離子m/z158 和m/z200為偶數，均具有很強的豐度，m/z158為基峰。在滅線磷的分子中不含N元素，根據N規則：不含氮或含偶數氮的奇電子離子為偶數；不含氮或含偶數氮的偶電子離子為奇數[19]。因此，滅線磷經EI源電子轟擊后，發生了氫重排反應，產生奇電子離子m/z158和m/z200。

圖1 滅線磷的質譜圖

如式（3）所示，滅線磷經EI源轟擊失去電子后，在P=O上形成了電荷和游離基中心，在游離基的誘導下，發生了γ-H重排，隨即發生α斷裂，失去中性分子CH3CH=CH2，產生奇電子離子m/z200，豐度為38.3%。在碎片離子中，雜原子上n電子可與電荷共享、共振為電荷和游離基提供有利位置，從而起到穩定離子的作用。奇電子離子m/z200通過n電子與電荷共享，再次發生麥氏重排，得到奇電子離子m/z158，為基峰。碎片離子的豐度不僅取決于該反應的競爭力，還取決于該碎片離子的二級反應能力，當生成的子離子更加穩定時，就會降低母離子的豐度。

在滅線磷的質譜圖中，奇電子離子m/z242、m/z200和m/z158具有較高豐度，其分別表征了滅線磷的分子離子峰和特征離子；同時還包括了母離子和子離子。因此，在食品安全國家標準GB 23200.8—2016中，將上述碎片離子作為定性定量滅線磷的特征離子，即158（100）、200（40）、242（23）、168（15）[括號內為相對豐度]。奇電子離子m/z168是由分子離子峰m/z242發生類似與式（5）的消除反應（re）產生的，這里不作詳細贅述。

在氣相色譜-質譜聯用法中，一般在待測物的質譜圖中選擇m/z值大、豐度高、可發生二次裂解反應的特征離子作為待測組分的母離子，同時其子離子亦具有更好的豐度，更有利于定性定量待測組分。在國家標準GB 23200.113—2018中，將m/z158作為定性定量滅線磷的母離子，即157.9/97.0（15 eV）、157.9/114.0（5 eV）[括號內為碰撞電壓]。

在式（4）中，奇電子離子m/z158在游離基的誘導下，發生α斷裂失去硫羥基，得到偶電子離子m/z125， 豐度為25.4%；偶電子離子m/z125在電荷的誘導下，發生γ-H重排，隨即發生i斷裂失去中性分子CH2=CH2，生成偶電子離子m/z97，豐度為72.7%。在m/z125→m/z97的裂解過程中，符合質譜解析規則，偶電子離子生成偶電子離子+中性分子是有利的；同時電荷亦可以誘導氫重排（非一定是六元環）。在有機磷類農藥（含有硫代磷酸二乙酯基團）的質譜圖中，偶電子離子m/z125和m/z97很常見，一般具有較高豐度。

麥氏重排一般遵循兩個鍵斷裂和兩個鍵生成，其中β鍵斷裂為麥氏重排規則的特征。在式（5）中，奇電子離子m/z158在游離基的誘導下，γ-H通過六元環重排到不飽和S原子上的同時，游離基轉移到烷基鏈上，隨即在游離基的誘導下發生α鍵斷裂，而非β鍵斷裂，這類反應為消除反應（re），失去中性分子環氧乙烷，生成奇電子離子m/z114，豐度為14.1%。雖然re反應在有機磷類農藥的二次裂解反應中比較常見，但其反應趨勢較弱，產生的碎片離子豐度不高；在滅線磷的質譜圖中，滅線磷的分子離子峰亦可以發生re反應，得到一對互補離子m/z168與m/z74，豐度分別為18.7%和41.0%。

根據式（4）和（5）的反應趨勢不同，母離子m/z158發生裂解反應產生子離子的豐度不同，因此在氣相色譜-質譜聯用法測定滅線磷殘留量中，將母-子離子對m/z158和m/z97作為定量離子對，母-子離子對m/z158和m/z114作為定性離子對。

2.2 在定量有機磷類農藥殘留中電荷不保留占主要的麥氏重排的運用

在運用有機質譜理論來解析已知結構化合物的質譜圖時，可以把一類具有相似結構化合物的質譜圖進行比對，有助于學習有機質譜理論以及了解化合物的裂解歷程。在有機磷類農藥中，具有很多相似結構的化合物，可發生相同的質譜行為，產生具有這一類化合物特有的“指紋”信息。例如，當電荷和游離基定域于有機磷類農藥的磷酸酯不飽和雜原子上時，由游離基誘導α斷裂產生的碎片離子及二次裂解產生的碎片離子，即m/z137、m/z109和m/z81；m/z153、m/z125 和m/z97，這些碎片離子在有機磷類農藥的質譜圖中很常見，各自表征了具有相同結構的“指紋”信息。

在有機磷類農藥中，甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷這4種有機磷類農藥具有相似的結構，可發生麥氏重排，產生相同的碎片離子。如圖2所示，這4種化合物具有相同的基團——S-乙硫基乙基；區別在于P=O（S）、甲氧基與乙氧基的不同。如圖3所示，在它們各自的質譜圖中，均含有奇電子離子m/z88，為基峰，說明這4種化合物（不含氮）均發生氫重排反應。

甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷均可發生麥氏重排的兩種裂解反應，即電荷保留和非電荷保留。從產物離子的豐度上看，電荷不保留的反應趨勢強，為主要裂解反應，產生的奇電子離子m/z88為基峰；在各自的質譜圖中，可以找到與m/z88相對應的互補離子m/z142、m/z170、m/z158和m/z186（豐度均在10%左右），產生互補離子（保留電荷）的麥氏重排降為次要裂解反應[如式（6）至（13）所示]。

圖2 甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的化學結構式圖

圖3 甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質譜圖

在甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質譜圖中，奇電子離子m/z88和其對應的互補離子共同表征了各自化合物的重要“指紋”信息。在國家標準GB 23200.8—2016中，甲基內吸磷：109（100）、142（43）、230（5）；甲基乙拌磷：88（100）、125（55）、246（9）；乙拌磷：88（100）、274（15）、186（18）。在國家標準GB 23200.15—2016中，內吸磷：88（100）、170（15）、143（11）[20]。在上述標準中，均采用了麥氏重排產生的互補離子（1個或2個）作為特征離子來定性定量各自化合物。雖然甲基乙拌磷、乙拌磷和內吸磷均采用相同的碎片離子m/z88作為定量離子，可利用3種化合物與石英毛細管色譜柱（14%氰丙基苯基/86%甲基硅氧烷，色譜柱中等極性）的相互作用力-范德華力（色散力、誘導力、取向 力）[21]，來達到良好的分離度[22]，可以滿足氣相色譜-質譜法的SIM功能進行分段采集，防止柱效下降形成共流出物時，因采用相同的m/z值而相互干擾。

3 結語

有機磷類農藥是一類含有（硫代）磷酸酯基團的化合物；酯相比于其他官能團（酮、醚、酸、醛和醇）的質子親和力強；化合物中存在可離去氫，同時可離去的氫與不飽和基團呈六元環；當有機磷類農藥滿足上述條件時，相比于其他斷裂反應，麥氏重排往往具有很強的競爭力。本文詳細介紹的滅線磷、內吸磷和乙拌磷等有機磷類農藥，在質譜圖中，相比于其他裂解反應，麥氏重排優勢明顯，產生的碎片離子或二級碎片離子為基峰。

氫重排不能產生碎片離子，氫重排后隨即發生由游離基或電荷誘導的α斷裂或i斷裂產生一對互補離子。互補離子的豐度不僅取決于α斷裂或i斷裂的競爭力，還取決于各自穩定電荷或游離基的能力以及二次裂解反應的能力，如甲基內吸磷、內吸磷、甲基乙拌磷和乙拌磷的質譜圖所示。

麥氏重排規則不僅可以有效確認未知有機化合物結構，而且可以在已知化合物結構的情況下，為質譜法檢測該化合物所運用的特征離子提供理論依據，從而保證定性定量準確。利用質譜法檢測待測組分時，一般采用2～4個母-子離子對或碎片離子作為識別點；麥氏重排產生的碎片離子表征了化合物的不飽和基團、可離去的氫及位置，更直接地表征了化合物結構重要的“指紋”信息，從而確保定性定量準確。

農藥是一類含有醛、酮、酯、酸、酰胺、磷酸酯、亞硫酸酯、亞胺、肟、腙、烯、炔和烷基苯等一個或多個不飽和基團的化合物。當農藥的結構式滿足含有不飽和鍵官能團、存在可離去的氫及足夠的空間3個條件時，在其質譜圖中，可以發現由麥氏重排產生的碎片離子，且多數被質譜法引用為待測組分的識別點。現將發生麥氏重排的農藥名稱、碎片離子、相對豐度及運用歸納如表1所示。

表1 發生麥氏重排的農藥名稱、碎片離子、相對豐度及運用表