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新烟碱类杀虫剂的研究进展与分析方法概述_陈一萍.pdf

1、第1期新烟碱类杀虫剂的研究进展与分析方法概述陈一萍1,2,3,王志德1,2,3,傅洪涛1,2,3,廖丽萍1,2,3,陈颖1,2,3,刘小锋1,2,3(1.湖南化工研究院有限公司 国家农药创制工程技术研究中心,湖南 长沙 410014;2.农用化学品湖南省重点实验室,湖南 长沙 410014;3.湖南化研院检测技术有限公司,湖南 长沙 410014)摘要:综述了新烟碱杀虫剂的发展历程、结构种类、作用机制及其分析方法,并对新烟碱类杀虫剂的检测分析方法进行了展望,以期为新烟碱类杀虫剂的分析检测提供参考。关键词:新烟碱类杀虫剂;作用机制;样品前处理;检测方法中图分类号:S482.3文献标志码:A文章编

2、号:1009-9212(2023)01-0001-09DOI:10.19342/ki.issn.1009-9212.2023.01.001Analytical Methods and Research Progress of Neonicotinoid InsecticidesCHEN Yi-ping1,2,3,WANG Zhi-de1,2,3,FU Hong-tao1,2,3,LIAO Li-ping1,2,3,CHEN Ying1,2,3,LIU Xiao-feng1,2,3(1.National Engineering Research Center for Agrochemicals,

3、Hunan Research Institute of Chemical IndustryCo.,Ltd.,Changsha 410014,China;2.Agrochemical Key Laboratory of Hunan Province,Changsha 410014,China;3.Hunan Research Institute of Chemical Industry Testing Technology Co.,Ltd.,Changsha 410014,China)Abstract:The development,structure,mechanism and analyti

4、cal methods of neonicotinoid insecticides arereviewed,and in order to provide support for the research of detection methods of neonicotinoid insecticides,thedetection and analysis methods of neonicotinoid insecticides were also prospected.Key words:neonicotinic insecticides;functional mechanism;samp

5、le pretreatment;detection method作者简介:陈一萍(1992),女,湖南衡阳人,工程师,硕士研究生,研究方向:农药与化工产品分析(E-mail:)。收稿日期:2022-10-20综述与专论自20世纪80年代以来,新烟碱类杀虫剂因其广谱性好、水溶性强、选择性高等特点而成为取代有机磷、氨基甲磺酸、有机氯类等高毒高残留杀虫剂的优势药剂之一。随着新烟碱农药的品种增多与适用范围扩大,它在环境水体、大气及食品中不断被检出。新烟碱农药在环境与农作物中的残留会对非目标生物及人类健康造成潜在安全风险,使其开始逐渐被关注研究。基于此情况,全世界范围内针对新烟碱类杀虫剂的使用采取了一系

6、列的限制措施。因此,开发快速、高效和准确的新烟碱类杀虫剂分析方法意义重大。本文将对新烟碱杀虫剂的研发历程、结构分类、药效基团、作用机制以及检测分析方法等进行梳理总结。1新烟碱类杀虫剂的发展1.1新烟碱类杀虫剂的研发历程新烟碱类杀虫剂的研究历史最早可追溯到19世纪20年代,人们从烟草中提取出天然烟碱并确定其结构1,并将其应用于果树及蔬菜害虫防治,但因其选择性差和对水生、哺乳动物存在高毒性阻碍了其进一步发展。1974年,Shell公司筛选出一系列硝基亚甲基杂环化合物,并挑选出其中活性最高的硝虫噻嗪(Nithiazine,SKI-71),这也标志着烟碱类杀虫剂的诞生。1984年Bayer公司与日本特

7、殊农药公司以Nithiazine为先导,衍生出氯吡啶硝基亚甲基化合物(NTN32692),虽然较大程度提高了第53卷第1期2023年2月精 细 化 工 中 间 体FINE CHEMICAL INTERMEDIATESVol.53 No.1Feb.2023第53卷精细化工中间体杀虫活性,但光稳定性不好。在此基础上,该杀虫剂通过碳氮双键(C=N)替代碳碳双键(C=C),研究开发出第一个新烟碱类杀虫剂产品吡虫啉(Imidacloprid),为兼顾活性同时改善稳定性2-3。研发过程见图1,至此,Bayer公司于1985 年获得吡虫啉专利,并于1991年首次推出上市,标志第一个商品化新烟碱类杀虫剂问世。

8、1.2新烟碱类杀虫剂的结构与药效基团继吡虫啉成功研发应用之后,国内外科研机构与农药公司对新烟碱类杀虫剂的合成、结构和生物活性等各方面进行了系统研究,新烟碱杀虫剂的化学结构由4部分组成(图2)4-5。1)杂环(Het):多为五元及六元杂环,主要有吡啶、噻唑、四氢呋喃、苯环和嘧啶等。其中,氯吡啶、氯噻唑和四氢呋喃环活性最高。活性大小为:6-氯吡啶-3-基2-氯噻唑-5-基四氢呋喃-3-基6。2)桥键:通常由烷基链组成。研究表明烷基链的长度影响活性大小,2个杂环之间只有1个亚甲基相连时活性最高;2个杂环直接相连或中间由2个亚甲基相连时活性较低。此外,将杂原子(N、O等原子)作为桥链的新烟碱化合物也具

9、有较高活性7-8。3)功能基团:也称药效基团9,此处主要为吸电子基团。它作为药效基团-N-C(E)=X-Y 的重要组成部分对化合物的杀虫活性有较大影响。一般来说,药效基团为硝基烯胺(硝基亚甲基)、硝基胍或硝基脒杀虫剂活性最高。此外,药效基团还会影响分子的光稳定性、土壤降解及生物代谢毒性等。传统新烟碱中通常含有硝基(C=CH-NO2、C=N-NO2)或氰基(C=N-CN)结构,近年开发的新烟碱杀虫剂具有不同药效基团,如亚砜亚胺类杀虫剂-氟啶虫胺氰、丁烯酸内酯类杀虫剂-氟吡呋喃酮以及介离子类杀虫剂-三氟苯嘧啶等。4)氢化杂环/胍/脒部分:此部分为正电子中心,一般形成含N、含N和S的杂环结构以及含N

10、的开环结构等。其中R1和R2多为一个或多个碳的脂肪链或环状链,以五元环或六元环活性最高10。同时,开环结构的啶虫脒与烯啶虫胺具有较高的活性,可见化合物的活性往往受到其结构上取代基的影响。随着对吡虫啉的深入研究,通过分子结构基团交换与生物活性的探索改进,近20年来研发出其他13种商品化的新烟碱杀虫剂(表1),极大丰富了农药市场的需求。新烟碱类杀虫剂也基于环境友好等需求得到进一步完善发展。1.3新烟碱类杀虫剂的分类基于不同分类标准,新烟碱类杀虫剂分类不同,如根据杂环(Het)可分为氯代吡啶、氯代噻唑及其他杂环衍生物三类11。其中氯代吡啶类包括吡虫啉、烯啶虫胺、噻虫啉和啶虫脒。氯代噻唑类则用氯代噻唑

11、基团取代了吡啶基团,包括噻虫嗪和噻虫胺等。其他杂环衍生物类的代表,如呋虫胺,其结构特征由四氢呋喃基团代替了吡啶基团。随着新烟碱类杀虫剂的进一步研究与发展,也逐渐出现一些不同结构特征的种类。其中氟啶虫胺腈、氟吡呋喃酮和三氟苯嘧啶就因其结构特异性而与其他新烟碱杀虫剂不同而区分开来,也因此被世界杀虫剂抗性行动委员会(IRAC)分别归类于 4C、4D和4E三个不同类别组。氟啶虫胺腈属于亚砜亚胺类杀虫剂;氟吡呋喃酮属于丁烯酸内酯类杀虫剂;三氟苯嘧啶归属于介离子类杀虫剂等。2新烟碱类杀虫剂的作用机制与脊椎动物一样,昆虫中的乙酰胆碱受体被图1吡虫啉的研发过程Fig.1The development of i

12、midacloprid图2新烟碱类杀虫剂化学结构特征Fig.2Chemical structure features of neonicotinoids2第1期陈一萍,等:新烟碱类杀虫剂的研究进展与分析方法概述表1商品化的新烟碱杀虫剂Table 1Commercialized neonicotinoid insecticide环氧虫啶(Cycloxaprid)氯噻啉(Imidaclothiz)氟啶虫胺腈(Sulfoxaflor)氟吡呋喃酮(Flupyradifurone)中文名称/通用名三氟苯嘧啶(Triflumezopyrim)哌虫啶(Paichongding)化学式化学式中文名称/通用名啶

13、虫脒(Acetamiprid)烯啶虫胺(Nitenpyram)噻虫嗪(Thiamethoxam)噻虫啉(Thiacloprid)噻虫胺(Clothianidin)呋虫胺(Dinotefuran)登记上市年份199519951998200020012002开发机构/公司日本曹达日本武田瑞士先正达日本武田德国拜耳日本三井登记上市年份200220122015201720172018开发机构/公司南通江山农药化工股份有限公司美国陶氏益农德国拜耳美国杜邦华东理工大学、江苏克胜华东理工大学、上海生农生化、美国富美实分为两个不同的类别:烟碱型乙酰胆碱(nAchRs)和毒蕈碱型乙酰胆碱(mAchRs),二者作

14、用于乙酰胆碱激活两种不同的细胞表面受体,描述乙酰胆碱的不同生理作用。nAchRs是配体门控离子通道超家族的成员,主要分布在神经节与神经骨骼肌连接处;而mAchRs则是G蛋白偶联受体12,大多分布于哺乳动物中枢神经系统,是调节神经系统功能的重要靶器官。研究发现,新烟碱类杀虫剂对蚜虫、粉虱和飞虱以及一些鞘翅目害虫表现出很强的杀虫活性主要与nAchRs的激活有关13。大多数新烟碱类杀虫剂是昆虫nAchRs的有效选择性的激动剂,与以往的杀虫剂作用机制不同,在昆虫中,nAChRs广泛且主要分布于中枢神经系统的神经膜区域。它不仅负责快速神经传递,而且也是杀虫剂作用的重要靶点。新烟碱杀虫剂作为受体激动剂通过

15、与乙酰胆碱结合从而刺激神经递质。乙碱胆碱(ACh)突触的神经传递分 2 步进行:首先,ACh通过胞吐从突触前膜释放,与位于nAChR离子复合通道体胞外区的结合位点相互作用;其次,受体分子发生构象变化导致离子通道开放,促进细胞外钠离子(Na+)的内流和细胞内(K-)的外流,使细胞膜内外的电位的平衡状态发生变化,从而导致害虫神经麻痹而死亡(图3)14-15。吡虫啉是由烟碱与硝基亚甲基杂环结构组成,昆虫与哺乳动物的乙酰胆碱受体的亚基特性与结构差异是新烟碱杀虫剂拥有高选择性的重要原因。事实上,戊吡虫胍(Guadipyr)2017中国农业大学3第53卷精细化工中间体对于新烟碱类杀虫剂的不同品种,其作用机

16、制不完全相同,如环氧虫啶,通过电生理和同位素标记物取代实验表明环氧虫啶与烟碱乙酰胆碱受体具有高亲和力,同时能够抑制激动剂乙酰胆碱反应,表明环氧虫啶可能是nAChRs的拮抗剂,它与烟碱乙酰胆碱受体的激动剂的作用机理不同,因而不容易与其他吡虫啉等新烟碱类杀虫剂产生交互抗性16。除此以外,戊吡虫胍的作用机制也兼具新烟碱类与钠离子通道抑制制剂两种杀虫剂活性特点17。3新烟碱类杀虫剂的分析检测方法随着新烟碱类杀虫剂在农业生产中应用的快速增长,因其具有结构稳定,高水溶性与环境持久不易降解等特点,其残留对非靶标生物的行为(如蜜蜂、蚯蚓等无脊椎动物、鸟类等脊椎动物)产生较高的生理毒性与生殖毒性,对生态环境造成

17、潜在危害18-19。它在环境土壤、水体、大气及食品中也不断被检测出,在农作物与环境中的残留以及人体膳食健康的有害影响也逐渐被关注研究20-21。人类通过饮用水或食物链摄入的新烟碱类残留会引起急性中毒,导致出现记忆力障碍,手指震颤与心悸等症状22,暴露积累会引起人体肺功能障碍等不良影响23。全世界范围内针对新烟碱类杀虫剂的使用采取了一系列的限制措施,2021年,我国农业部更新了食品安全国家标准GB27632021 食品中农药最大残留量,其中明确了11种新烟碱类杀虫剂的最大残留量。氟啶虫胺腈、氟吡呋喃酮、哌虫啶和环氧虫啶四种新烟碱杀虫剂也被规范了临时限量24。同时,新烟碱类杀虫剂残留的分析检测方法

18、也发展快速。新烟碱类杀虫剂的分析方法主要包括样品前处理与仪器分析测定。其中常用前处理方法有固相萃取(SPE)、分散固相萃取(d-SPE)和分散液液微萃取(DLLME)等。而仪器分析方法主要有色谱法、质谱法、免疫分析法、光学分析法和电化学分析法等。3.1前处理方法由于杀虫剂残留往往微量存在于在蔬果、农业产品、环境水体与土壤等复杂基质中,样品前处理是分析检测的关键。它一般包括提取、分离和浓缩等步骤。其中萃取净化步骤往往直接影响定量检测结果。以下三种前处理方法使用较多,为了达到较好的分离净化效果,通常几种前处理方法结合使用。3.1.1固相萃取法固相萃取法(SPE)是由层析柱发展而来,基于选择性吸附和

19、洗脱的液-固色谱原理的前处理分离方法,是发展较早的一种分离方法。主要用于样品的分离、富集与净化以降低基质干扰及提高灵敏度。固相萃取法因容量大和回收率高等优点被广泛应用于食品、医药和农药等检测领域。目前我国农残多项检测标准都采用固相萃取法25,例如冯楠等26利用样品乙腈提取浓缩后,经Florisil固相萃取柱净化建立了葱中啶虫脒残留量的气相色谱检测方法。葱样品中啶虫脒回收率为 86%107%。LIU等27用HLB小柱净化和甲醇洗脱,通过超高效液相色谱结合电喷雾电离三重四极杆串联质谱(UPLC-MS/MS)在多反应监测(MRM)模式下同时定量食品中的七种新烟碱类化合物。新烟碱类化合物的定量下限(L

20、OQ)范围为0.16.0 g/kg,七种新烟碱类农药回收率为 65%120%。FIDENTE等28利用含硅藻土的SPE柱分离净化和二氯甲烷洗脱,使蜂蜜中的四种新烟碱类杀虫剂获得较好的准确度,平均回收率在76%99%。3.1.2分散固相萃取法分散固相萃取(d-SPE)是近年来在农残检测应用较多的一种前处理方法,利用吸附剂填料吸附样品杂质而实现净化分离目的。与SPE法相比,它不需要淋洗和洗脱等步骤。其中最有代表性的是QuEChERS法,它是ANASTASSIADES等29于2003图3烟碱乙酰胆碱受体作用机理Fig.3Mechanism of nAChRs4第1期陈一萍,等:新烟碱类杀虫剂的研究进

21、展与分析方法概述年研发使用的一种快速、简单、便宜、高效且耐用和安全的农残样品快速前处理技术。样品经乙腈提取和无机盐除水等步骤,上清液经分散固相萃取净化。KAMEL等30将样品用 2%三乙胺的乙腈溶液萃取,然后进行盐析和QuEChERS法净化,并使用LC-MS/MS进行蜜蜂及蜂产品中新烟碱类农药残留检测,获得良好的回收率(70%120%)。MORAIS等31基于QuEChERS法优化并验证了一种通过LC-MS/MS测定甜青椒中新烟碱类杀虫剂吡虫啉等多残留成分,回收率在70%120%。3.1.3分散液液微萃取法分散液液微萃取(DLLME)是由 REZAEE 等32于2006年开发用于水样中提取和预

22、浓缩有机物的一种类似新型液-液微萃取的前处理方法,该方法除加入萃取剂与水相之外,另增加了分散溶剂。分散剂提高了有机萃取剂在水相中的溶解并增大了接触面积,只需少量的有机溶剂即实现快速转移,其萃取过程如图4所示。该方法在过去十几年中得到了发展,与其他液相甚至固相提取法相比,它显示出的高富集因子与低溶剂消耗而被广泛应用 于 农 药 残 留 前 处 理 与 食 品 等 其 他 领 域33。WATANABE 等34应用分散液-液微萃取来提取土壤中生物可利用的新烟碱类物质,以二氯甲烷(提取剂)/乙腈(分散剂)(6 1,V/V)分离浓缩,检测出土壤中噻虫胺与吡虫啉的降解情况。VICHAPONG等35利用低密

23、度低毒性有机溶剂液-液微萃取技术开发出对水果中七种新烟碱类杀虫剂的分离液相色谱分析方法,获得0.82.5 g/kg的定量限并具有较好的回收率(90%112%)。3.1.4其他前处理方法分子印迹技术(MIT)是模拟抗原抗体和受体配体等识别体系,制备出空间结构和识别位点与目标物特异性结合的高分子聚合物技术。通过模板剂与功能单体自聚,在交联剂作用下形成更加稳固的高聚物。洗脱去除模板分子后,在高度交联的聚合物基质中形成形状、大小和化学功能与模板分子互补的识别腔,该识别腔可以选择性地重新结合其他模板分子(图5)36。针对一些特异性差和基质干扰的新烟碱类杀虫剂残留检测问题,分子印迹技术能有效提高检测效率与

24、准确性。例如 CHEN 等37利用合成分子印聚合物作为分散剂测定大米中吡虫啉,实现了水稻中吡虫啉的选择性提取,同时消除了样品基质的干扰。通过优化提取条件得到了满意的吡虫啉回收率,吡虫啉在大米样品中的线性范围为101 000 ng/g,检测限为 2.4 ng/g,日内和日间测试的相对标准偏差分别为 4.5%5.9%和 4.8%7.1%。该方法用于8份大米样品中吡虫啉的测定,回收率在84%93%。XIAO等38基于亚临界水萃取-超高效液相色谱串联质谱法新技术测定鳗鱼中七种新烟碱类杀虫剂的残留量,样品中七种分析物的平均回收率介 于 85%102%。其 检 测 限(LOD)和 定 量 限(LOQ)范围

25、在 0.120.36 g/kg和0.421.12 g/kg。该方法适用于水产品中杀虫剂残留的高通量监测。3.2仪器分析方法前处理方法一般与仪器分析相辅相成。为提高准确度,在进入仪器分析之前样品将进行提纯与分离富集等前处理步骤,减少杂质干扰,提高图5分子印迹聚合物的制备与识别Fig.5The preparation and recognition of molecularlyimprinted polymers图4分散液-液微萃取过程Fig.4The process of dispersive liquid-liquid microextraction5第53卷精细化工中间体灵敏度与准确度。检测

26、新烟碱类杀虫剂的仪器分析方法目前有色谱法、质谱法、免疫分析法、光学分析法和电化学分析法等。其中,色谱法包括气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、气相色谱-质谱联用(GC/MS)和液相色谱-质谱联用(LC/MS)等。3.2.1气相色谱法张贵群等39以弹性石英毛细管柱为分析柱,采用气相色谱-电子捕获检测器测定甘蓝与土壤环境中的烯啶虫胺残留量,最低检出限为0.02 mg/kg。许秀莹等40以乙腈超声提取,经Polymer Trap SPE柱净化,用气相色谱-质谱联用测定大米中六种烟碱类杀虫剂残留,平均回收率为 83.1%101.4%,最低检测浓度为0.05 mg/kg。ROSSI等41运用液相色谱与气

27、相色谱法对比测定玉米播种中不同基质中的吡虫啉残留,液相法的检测限与分析时长明显优于气相,由于复杂基质效应,通过气相色谱-质谱优化之后具有一定优势,但作者还是提出液相色谱-质谱法具有前景。气相色谱法广泛应用于热稳定性好、易气化和相对分子质量较少的农残样品组分,具有操作简便,灵敏度高,分离度好等优点,但不适合直接检测新烟碱杀虫剂这类极性强,挥发性低的农残类型,因而应用气相色谱与气相色谱-质谱连用的检测方法相对较少。3.2.2液相色谱法与气相色谱相比,液相色谱法更适用于沸点高、分子量大和热稳定性差的有机物,具有高灵敏度,高分离效能,高选择性等优点。因此,液相色谱法也是新烟碱类杀虫剂的主要检测方法,其

28、中包括高效液相色谱(HPLC)42-46和液相色谱-质谱法(UPLC-MS)47-50等。WANG等51建立了分散固相萃取-分散液-液微萃取净化后高效液相色谱法(HPLC)测定糙米、玉米、小米和燕麦等谷物中七种新烟碱类杀虫剂残留量的方法,回收率为76%123%,并可达到 0.0020.005 mg/kg的低检测限和 0.0070.018 mg/kg定量限。金苗等52利用在线固相萃取-超高效液相色谱/串联质谱法(UPLC-MS/MS)建立测定水中啶虫脒等七种新烟碱类杀虫剂检测方法,在线富集水样中新烟碱类杀虫剂在5.0200 ng/L 范围线性关系良好,检出限为 0.302.92 ng/L。3.2

29、.3其他方法随着仪器检测技术的发展,除了传统的色谱法之外,近年来出现了一些新的检测技术,如电化学传感器法53、光学分析法54、表面增强拉曼光谱法55、毛细管电泳法56以及免疫分析法57。ZHANG 等58基于-环糊精-石墨烯(-CD-rGO/GCE)修饰玻碳电极的电化学传感器测定谷物中新型新烟碱类杀虫剂哌虫啶(IPP)的含量。制备流程见图6,在0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液中,rGO/GCE相比于裸GCE电极,IPP在-CD-rGO/GCE上的峰电流显著增加,且低温条件下的峰电流更强和测定灵敏度更高。线性扫描伏安法测得峰电流与浓度在110 mol/L和1055 mol/L范围内呈线性关系,检

30、出限为0.11 mol/L,定量限为0.37 mol/L,在小麦,小米,大米三种谷物中的回收率为90%100%。该传感器已成功用于粮食样品中 IPP的测定,结果与HPLC法一致。此外,免疫分析法中酶联免疫法的应用也较为广泛,例如LIU59等基于多克隆抗体开发了一种酶联免疫吸附法用于分析农业样品中的噻虫啉。在优化最佳条件下,ELISA 显示 50%抑制浓度(IC50)值为 0.01 mg/L,检测限(IC10)为 0.47 g/L。与新烟碱类杀虫剂的其他结构类似物没有明显的交叉反应,对噻虫啉具有高度特异性。在水、土壤、梨和番茄的平均加标回收率为80%119%。结果经高效液相色谱法证实,两种方法结

31、果的相关性在加标样品(土壤、梨和番茄)中具有0.99(n=3)的高相关系数,并成功应用于农业样品中噻虫啉残留的测定。免疫亲和技术是通过物质抗原与抗体间的特异性作用的一种检测方法,应用于定性或半定量分析。该方法操作简便、检测速度快和选择性好,适合大容量样品分析。虽然该方法易受到某些样品基质干扰以及可能会与结构相关的类似物发生交叉反应等,容易出现假阳性的可能60-61,但其在农药残留快速筛查中仍然发挥着比较重要的作用。4结论与展望新烟碱类杀虫剂的分析方法主要包括样品前处理与仪器分析测定。常用前处理方法有固相萃6第1期陈一萍,等:新烟碱类杀虫剂的研究进展与分析方法概述图6-CD-rGO/GCE的制备

32、方法和提高电化学IPP检测灵敏度的思路Fig.6Schematic procedure for the preparation of-CD-rGO/GCE and the concept for enhancingthe sensitivity of electrochemical IPP detection取、分散固相萃取和分散液液微萃取等。仪器分析方法主要有色谱法、质谱法、免疫分析法、光学分析法和电化学分析法等。可基于检测目的选择合适的分析方法。建立准确高效的多种新烟碱类杀虫剂高通量分离与分析技术可能会成为未来的发展方向之一,其中前处理技术也将更倾向以消除复杂基质干扰效应和提高目标物的选择

33、性为重要目标。对于需要快速检测的农作物或环境样品可通过显色反应或试纸卡达到快速定性或粗定量的作用,以便有助于快速评估新烟碱类杀虫剂的环境风险。参考文献:1KIRBY E J.Alkaloids of TobaccoJ.Chemical Reviews,1941,29:123-197.2KAGABU S,MEDEJ S.Stability comparison of imidacloprid andrelatedcompoundsundersimulatedsunlight,hydrolysisconditions,and to oxygenJ.Journal of the Agricultur

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