基质效应是色谱法测定农药残留量时出现的一类普遍现象，直接影响农药残留检测结果的精准度，早已引起国内外学者的广泛关注。关于基质效应的产生机制目前还不十分明确，但普遍认为基质效应主要发生在样品进入色谱系统后的首次高温端口处，可使目标物检测信号增强或抑制。如在气相色谱仪进样口，待测组分中的杂质分子会与目标物分子竞争进样口或柱头的金属离子、硅烷基以及不挥发性物质等形成的活性位点，从而使目标物与活性位点的相互作用机会减少或增加，由此导致相同含量的目标物在实际样品中要比在纯溶剂样品中的响应值偏高或偏低。而在液相色谱-质谱联用仪中，基质效应则源于目标物的共流出组分影响了电喷雾接口的离子化效率，表现出离子增强或抑制作用，即形成带电雾滴时非挥发性的基质组分与目标物离子产生吸附雾滴竞争，阻止更小的目标物离子带电雾滴产生，进而影响后续离子化效率及检出限等。

 

     目前，有关基质效应的研究较多，并主要集中在基质效应的影响因素和基质效应的应用性研究两方面。基质效应的影响因素主要有农药的种类和结构、农药浓度水平、基质种类和浓度水平、前处理方法及色谱条件等，应用性研究主要集中在前处理、色谱条件和方法性研究利用等方面。随着农药残留检测方法的不断规范，方法创建人员对基质效应的研究已愈见深入，虽仍未形成一套高效的基质效应补偿措施，但在其相应小领域已初见成效，具有良好的推广应用价值。本工作将着重对1991— 2022年有关农药残留检测中基质效应的研究成果进行梳理和总结，以期为后续研究和农药残留检测标准的制修定提供依据和参考。

 

1、基质效应的主要影响因素

 

1、农药的结构和种类

 

      农药的分子结构如农药分子中的空间结构、极性基团、共轭效应等，与基质效应有一定相关性。基质效应敏感的农药常为具有热不稳定、强极性、氢键合能力等特点的酸 / 碱性化合物，如带有磷酸基（—P=O)、羟基（—OH）、氨基（—NH2）、咪唑基、苯并咪唑基、氨基甲酸酯基（—O—CO—NH—）、脲基（—NH—CO—NH—）、R—NH—和—N=等官能团的农药，这些官能团都有共轭给电子能力，使化合物极性变大，最终导致基质效应普遍增强。金松寿提出有机磷类农药中—P=O、—P=S基团所连接的取代基种类和极性对基质效应有影响，如甲基对硫磷中P=S连着两个甲氧基—OCH3和一个对硝基苯氧基—O—C6H4—NO2，对硝基苯氧基是强吸电子基团，抵消了两个甲氧基的给电子能力，使得化合物极性变小，呈现基质抑制效应。氧乐果中，N—甲基氨甲酰基具有较强吸电子能力，导致P=O的极性变小，但由于两个甲氧基的给电子能力和N上的H与P上的O所形成共价氢键使得P=O的极性变大，减弱了N—甲基氨甲酰基的吸电子能力，从而使得氧乐果的基质效应增强。这与邬能英等采用气相色谱 -火焰光度检测器法（GC-FPD）检测竹笋中甲基对硫磷、乙酰甲胺磷等有机磷类农药中“甲基对硫磷和乙酰甲胺磷为基质抑制效应，氧乐果为基质增强效应”这一结果相契合。部分研究者认为有机磷类农药的基质效应普遍强于拟除虫菊酯和有机氯类农药，因为有机磷类农药含有—P=O或—P=S基团，这使其更容易被进样口活性位点吸附。赵婧等采用超高效液相色谱-串联质谱法（UHPLC-MS/MS）对香蕉、芒果、菠萝、哈密瓜4种热带水果样品中的噻唑磷、戊唑醇、螺虫乙酯、嘧菌酯和氯虫苯甲酰胺等5种农药进行检测，发现当基质相同，加标量均为0.01mg·L−1时，除戊唑醇表现为基质抑制效应外，其余农药均呈基质增强效应，其中螺虫乙酯的基质增强效应最高，嘧菌酯和氯虫苯甲酰胺次之，噻唑磷最低，推测可能与农药的结构性质有关。HAJŠLOVÁ 等研究发现出峰时间较晚的拟除虫菊酯类农药的弱基质效应与其极性有关，极性越弱，基质效应越不明显。BONFIGLIO等采用反相液相色谱-电喷雾串联质谱法（LC-ESI-MS/MS）检测3种极性不同的药物，结果表明药物极性越大，基质抑制效应越强。于杰等对氨基甲酸酯类农药的基质效应研究也得到相类似结论，即克百威、甲硫威、乙霉威等氨基甲酸酯类农药因极性较弱，对基质效应的反应较为迟钝。

 

2、农药的浓度水平

 

      基质效应对不同浓度水平的农药所产生的影响也不同，主要体现为随着农药浓度水平的增大而减弱。LEHOTAY团队发现基质效应一般存在于待测农药质量浓度为4~1000mg·L−1的样品中，该范围覆盖了现下多数农药残留的实测值。但是，该研究团队还指出，并非其他质量浓度的农药检测就不受基质效应的影响，可见基质效应对农药残留检测范围影响极其广泛，至少达4个数量级。刘进玺等采用 HPLC-MS/MS测定香菇中不同浓度水平的农药，其基质效应差异显著。低浓度水平下，基质效应对三唑磷、甲基异柳磷等农药检测的影响随这些农药浓度水平的增大而减弱；高浓度水平下，基质效应对矮壮素、氟虫双酰胺、氟虫腈等农药检测的影响则随着这些农药浓度水平的增大而增强。李丽春等采用 GC 对草鱼、鲫鱼、鲢鱼等5种水产品中的七氟菊酯、氯菊酯等9种拟除虫菊酯类农药进行检测，探究了农药浓度水平对基质效应的影响，发现基质效应随着拟除虫菊酯类农药浓度水平的增大而逐渐减弱。对此，张倩也有类似研究，通过对西红柿中百菌清的检测，发现基质效应对百菌清检测的影响随着百菌清浓度水平的增大而稍微减弱，而基质效应对抗蚜威检测的影响则随着其浓度水平的增大而增强。总体来看，在不清楚基质效应的影响效果时，选择农药浓度水平相对较高的待测样品溶液，所得测定结果更可靠。但在实际操作时也要控制上限，不能因此污染了检测系统。

 

3、基质的种类

 

     基质不同，其组分也千差万别，对目标农药产生的影响也大有不同。基质中的糖类、油脂、蛋白质等不易挥发物质能增强基质效应，低含水，富含有机硫化合物、色素和蜡质，以及极性大的基质产生的基质效应一般也较大，而高含水会削弱基质效应。易盛国等采用气相色谱 -串联质谱法（GC-MS/MS）分析茄果类及叶菜类中营养成分的含量和农药残留基质效应的关系，发现基质效应随着样品含水量的增高而减弱，认为高含水对基质共萃物有稀释作用，从而减弱了基质效应。同时还发现基质效应随着糖类、油脂及蛋白质含量的增大而增强，认为是糖类、油脂及蛋白质等这些不易挥发物质富集在进样口活性点，减少了农药的吸附量，抑制了农药在活性位点的降解，进而增强了基质效应，降低了检出下限。阮碧媛采用QuEChERS前处理法结合高效液相色谱-串联质谱法（HPLC-MS/MS）测定了杏鲍菇、平菇、银耳、香菇、双孢菇中18种农药的含量，通过对农药质量分数为0.05~0.20mg·kg−1的样品测定，探讨基质效应的影响，发现18种农药在香菇和杏鲍菇中产生的基质效应较强，在双孢菇中产生的基质效应最弱，认为食用菌中含水量是产生这种结果的主要原因，含水量越高，基质效应越弱。PATEL等和 MENKISSOGLU-SPIROUDI等在检测西红柿、甜椒和黄瓜中农药残留时也有类似发现，认为高含水可以明显抑制基质效应。秦珊珊的试验结果表明，葱、蒜、韭菜基质中所含的一定量硫化合物是导致基质效应增强的主要因素，同时还对几种常见蔬菜的基质增强效应进行了排序，最大为辣椒，其次为西葫芦、茄子，最小是番茄、黄瓜，这种结果可能与蔬菜样品中的含水量相关，也可能与糖和蛋白质含量有关；油麦菜因色素和蜡质含量较高，相比其他叶菜的基质效应更强；芸薹类蔬菜中甘蓝因色素含量高且叶片表面含有蜡质，相比白菜和花椰菜基质效应较强。孙聪等采用GC测定了13种蔬菜中百菌清的含量，发现基质的酸碱性是影响基质效应的重要因素，因此可通过改变基质的酸碱性来主动抑制基质效应。上述研究结果表明，样品中的水及高沸点物质的含量对基质效应的影响较大；对于糖类、油脂、蛋白质等不易挥发物质，富含有机硫化合物、色素和蜡质的样品，在前处理过程中需做好净化工作，尽可能除去此类物质，以削弱基质效应对检测结果的影响。

 

4、基质的浓度水平

 

     基质效应与基质本身的浓度水平有一定关系，基质效应可以通过稀释基质来减小。如STAHNKE等通过稀释橘子基质获得了上述结论，即通过一定的稀释倍数可使基质效应降到可忽略的水平。邱世婷等在对香菜农药残留进行分析时发现，当基质的稀释因子为20，即基质溶液中含基质0.05g·L−1时，香菜中克百威和甲萘威均显示弱基质效应。蔡振辉在检测芹菜中的甲基对硫磷、杀螟硫磷、敌敌畏等有机磷类农药残留时也有类似发现，即随着稀释倍数增加，基质效应明显减弱。许文娟等采用QuEChERS-LC-MS/MS对姜、大葱、黄瓜等5种蔬菜中的抗蚜威、硫双威、乙霉威等17种氨基甲酸酯类农药进行检测，发现基质浓度水平越大，基质效应的影响越明显。李淑娟等采用HPLC-MS/MS对苹果、草莓、菘菜、圆葱等4种样品中久效磷、甲胺磷、氧乐果等24种有机磷类农药进行检测，并探究了基质效应对这些农药测定的影响，发现随着基质浓度水平的增大，4种基质中大部分农药均表现为增强效应，且每种农药基质效应随基质浓度水平的变化趋势基本一致，即随着基质浓度水平的增大，基质效应逐渐增强，其中甲胺磷、乙酰甲胺磷和氧化乐果等极性强的农药在5000g·L−1基质中为表现出很强的基质效应。同时，他们还发现，随着保留时间的延长、农药相对分子质量的增大，4种基质产生的抑制效应受基质浓度水平的影响逐渐减弱。可见，稀释基质是可以降低基质效应的，受基质浓度水平影响较大的农药不仅与农药极性有关，还与本身的相对分子质量有关。

 

5、前处理方法

 

     样品前处理方法决定了待测液中的基质成分，也将直接影响目标农药的基质效应。因此，前处理方法的选择是农药残留分析中最重要的一环。目前，因操作简单、安全高效等特点，QuEChERS成为农药残留检测行业较为流行的前处理方法。邱世婷等对蕹菜中霜霉威、灭蝇胺、吡虫啉等36种农药进行了加标回收试验，采用氨基柱固相萃取、QuEChERS和不净化等3种净化方式进行前处理，UHPLC-MS/MS测定，比较了不同前处理方法产生的基质效应差异。结果表明，QuEChERS所得总体基质效应最低，其次是氨基柱固相萃取法和不净化处理，同时也显示了经3种净化方法处理后所得样品净化液的洁净程度。SCHENCK等采用含石墨化碳黑（GCB）等不同填料的固相萃取小柱对苹果样品提取液进行净化，用于测定氧化乐果、马拉氧磷、亚胺硫磷、乙酰甲胺磷等农药的含量，发现：含GCB的固相萃取小柱可以除去提取液中大部分色素，但对消除基质效应几乎没有作用；氨基丙基键合硅胶（Amino）柱和伯仲氨基（PSA）柱对消除基质效应最有效，C18柱和强阴离子交换（SAX）柱消除基质效应效果相对较弱。在实际操作过程中，可根据样品性质，针对性地选用合适的前处理方法，在实验室条件允许的情况下，可优先选择 QuEChERS。

 

6、色谱条件

 

      除了上述影响因素外，色谱条件也可能影响目标物的基质效应。刘国平等采用气相色谱-串联质谱法（GC-MS/MS）测定了韭菜中农药的残留量，探讨了普通脱活衬管与超高惰性衬管对基质效应的影响。结果表明，超高惰性衬管能更有效地消除韭菜中26种农药的基质效应，显著降低甲胺磷、乙酰甲胺磷、氧乐果、水胺硫磷等强极性农药的基质效应。一些研究者考察了LC-MS/MS的两种电离模式对基质效应的影响，发现电喷雾电离（ESI）源较大气压化学电离（APCI）源更易受基质效应影响。刘玲玲等探究了固相萃取-气相色谱 -质谱法的两种进样模式对基质效应的影响，发现脉冲不分流进样比非脉冲不分流进样模式更能减弱基质效应。可见，改变进样口或电离源模式都可能影响检测结果精准度，如大体积进样、脉冲进样、柱上进样、分流/不分流进样等气相色谱的不同进样模式可改变样品在进样口端的保留时间，进样口玻璃衬管活性差异、被污染程度可能影响基质效应等。

 

2、基质效应的应用性研究

 

1、改进前处理净化方法

 

     净化基质可使目标农药最大限度地和基质分离，从而降低难挥发性化合物或热不稳定化合物对仪器的污染，以此来降低基质效应和减少仪器的维护频次。近年来，农药残留前处理净化方法有了不少提升和创新，如丙酮超声破碎法、加速溶剂萃取法、微波辅助萃取法、液液微萃取法、基质分散固相萃取法、固相微萃取法、超临界流体萃取法和QuEChERS等，尤其是 QuEChERS，该方法涵盖了常规样品的前处理过程，减少了一些常规操作步骤，降低了目标物的损失率，净化效果较为理想。

 

2、优化色谱条件

 

     色谱条件是农药残留测定的必设参数，色谱参数的优化调整可在一定程度上抑制基质效应。如采用气相色谱的脉冲不分流进样模式，进样时高载流可将样品迅速吹扫进色谱柱中，减少样品在进样口停留的时间，使得基质效应减弱。黄霞认为提高进样口温度可在一方面减少农药的吸附，有利于吸附在衬管中的农药释放，降低基质效应，另一方面可能加速分解热不稳定农药。程序升温汽化进样（PTV）技术能在一定程度上减弱基质效应，该方法利用进样衬管容量小（仅为热不分流进样器的十分之一）的特点，可快速改变进样衬管容量空间温度，从而减少了热不稳定性农药的分解，同时较高的载气流量使农药在衬管中的停留时间减少，抑制了衬管内的活性位点，进而使基质效应减弱。DI JKMAN 等采用LC测定水中的酸性除草剂，并在单柱、柱前切换和双柱等3种分离模式下研究了基质效应，结果发现，采用单柱模式时色谱信号显著降低，而柱前切换和双柱模式，尤其是双柱模式对基质效应的消除非常显著。李丹等在采用LC-MS/MS测定人血浆中氨氯地平的试验中发现，梯度洗脱比等度洗脱更有利于降低基质效应，刘冰洁等和曾实等在各自的研究中也有类似发现，并提出流动相的种类、酸度以及流量也会影响基质效应。可见，优化色谱条件对抑制基质效应具有良好的作用，气相色谱进样口条件及液相色谱的流动相配比、酸度、流量等都能得以进行优化利用。

 

3、选择农药标准品保护剂

 

     保护剂法则是通过使用合适的试剂来阻止活性位点与待测农药发生相互作用，最大限度地提高纯溶剂中农药标准品的响应值，使之达到与基质中农药同等的响应值，常见的保护剂主要有山梨醇、L-古洛糖酸-γ-内酯、3-乙氧基-1，2-丙二醇、D-核糖酸-γ-内酯、木糖等。LEHOTAY团队的研究指出，3-乙氧基 -1，2-丙二醇可作为挥发性农药的保护剂、古洛糖酸γ-内酯可作为半挥发性农药的保护剂、山梨醇可以作为低挥发性农药的保护剂，三者的混合物可实现对性质差异较大农药标准品的保护。张丽莉等的研究表明，山梨醇、果糖、木糖均能对甲胺磷、乙酰甲胺磷、三唑磷在气相色谱中的响应显示出良好的基质补偿效果，尤其对极性较强的农药。和种类繁多的农药相比，可选择的保护剂相对较少，而且理想的分析保护剂还应具有不与待测农药发生化学反应、达到分析保护作用浓度水平的保护剂时能溶于上机溶液中、在仪器系统中不残留、无毒、性价比高等特点。

 

4、选择匹配基质

 

      为平衡基质效应的影响，检测人员在建立标准曲线时，会采用空白基质加标法及基质校准法等，尽可能将标准溶液的溶剂组分与样品待测液组分保持一致。空白基质加标法即将不含农药的空白基质样品作为溶剂来配制一系列浓度梯度的标准溶液，建立工作曲线来进行校正和定量未知样品，此方法目前应用最广。基质校准法是尽可能地用与样品溶液中组分相同的溶液来配制标准溶液系列的一类方法，也是欧盟委员会指令推荐使用的方法。该方法需要有与每种类型的样品都严格匹配的基质，但对处理样品类型复杂多样的常规实验室来说是不可行的，因此需要找到一种可校准所有样品的通用基质。对此，HILL等在研究中提出，可以样品中水分、糖、脂肪和（或）脂肪酸的含量为主要依据来选择不同类型农作物样品的通用基质。MARTÍNEZ VIDAL等建议，若找不到相匹配的基质，则应尽量选择斜率与基质校准法斜率相一致的通用基质，如蔬菜的通用基质可选择黄瓜，水果的通用基质可选择西瓜。美国食品药品监督管理局（FDA）建议使用代表根类作物的胡萝卜、代表高含糖量作物的草莓和代表高叶绿素作物的莴苣作为混合通用基质。吴淑春等的研究表明，白菜基质可改善蔬菜基质的中等和强基质效应，但对于受基质影响显著的农药则建议用同种样品基质匹配标准溶液进行定量分析。许炳雯等发现以西葫芦为基质可抑制 GC-MS/MS对水果蔬菜中的农药残留检测的基质效应，所建立的方法能准确测定30种（11类）常见果蔬基质中61种农药的含量。

 

5、改进定量方法

 

     改进定量方法，如标准加入法、同位素内标法、微量叠加法等也是克服基质效应的一种常用措施。标准加入法即是将一定量的待测农药的标准品加入到样品提取液的平行样中，并将所有平行样稀释至相同体积，上机分析，建立标准曲线来定量分析未知农药。同位素内标法利用同位素标记的待测农药与标准品在前处理和色谱检测过程中受基质效应影响相一致的原理进行定量，当同位素内标出峰时间和待测农药的相近且同位素内标不妨碍对其他待测物的定性与定量时，可以有效解决基质效应干扰，且二者的浓度差通常越小，基质抑制效果越好。在待测样品中叠加一定量的目标农药来代替外标法，以农药的叠加浓度水平以及产生的色谱峰面积增加值对待测样品中残留农药进行定量即微量叠加法。汪传炳等采用微量叠加法来消除色谱分析蔬菜中农药残留的基质效应，并考察了叠加浓度水平对基质效应的影响。结果表明，微量叠加法能有效减小色谱检测中的基质效应，提高检测结果的准确度。改进的定量方法还有校正因子校准法和回声峰技术等，校正因子校准法是利用纯溶剂标准曲线来校正基质匹配标准曲线，并用纯溶剂曲线来计算出基质提取液中待测农药的准确含量，此方法的关键在于仪器性能保持稳定。回声峰技术在液相色谱分析中使用较多，即在样品进样后的短时间内再进标准品，使得样品和标准品中的待测农药相邻出峰，在同样的基质环境中进样可补偿因存在的基质而产生的误差，但这种方法要求样品相对纯净，待测农药不能过多，以免标准品的出峰位置受干扰。

 

3、结语与展望

 

      目前，对影响基质效应因素的研究仍停留在统计学意义量的层面上，如农药或基质的结构、种类、浓度水平，前处理方法、色谱条件等，研究量大且面广，但是均未真正揭示基质效应产生的机理。基质效应的应用性研究较多，从前处理到后续进样分析，从保护标准品、匹配基质和改进定量方法等，但每种方法也都有其局限性，如同位素内标法要求每种易受基质效应影响的目标物都要加入内标物；保护剂法对不同农药的基质效应补偿作用差异明显；空白基质加标法处理不同样品时需要用不同的空白样品溶液作稀释剂，既增加了工作量和有机试剂使用量，也增加了仪器维护频次；校正因子校准法则严格要求进样时保持系统和仪器环境稳定，该要求在实际检测时很难做到。影响基质效应的因素是多种多样的，检验人员在应对基质效应时应综合考虑，结合实验室情况选择适合的处理方法，但每个方法都有优缺点，能否得到理想的试验结果还有待考究。

 

      基质效应是现阶段农药残留分析时的热点话题，也是必须同时面对、克服和加以利用的问题，虽然基质效应的研究成果越来越多，并在某些领域得到了良好应用，提高了检测结果的准确度，但基质效应产生的机理仍不明朗。面对复杂多变的样品，建议从待测组分和基质主成分的空间结构关系方面进行研究，深入剖析其机理将是基质效应研究的重点。随着仪器和材料技术的不断发展、检测技术的提升，基质效应机理性研究也必将有所突破。

 

作者：王家瑶，朱杰丽，柴振林，甘美娇，杨柳

 

单位：浙江省林业科学研究院

 

来源：《理化检验-化学分册》2024年第6期

来源：理化检验化学分册

关键词： 农药残留量