联苯菊酯残留分析高纯度有证标准物质的研制与计量学表征

《Microchemical Journal》：Development and metrological characterization of a high-purity certified reference material for bifenthrin residue analysis

　　

• 开发了一种具有计量溯源性的高效氟氯氰菊酯认证标准物质（CRM）。
• 通过己烷重结晶获得纯度为99.51 ± 0.51%认证纯度的高效氟氯氰菊酯。
• 多技术表征证实了其身份和理化性质。
• 系统地评估了均一性、稳定性和测量不确定度。
• 该CRM可实现高效氟氯氰菊酯测量的可靠校准和质量控制。

引言

在农业领域，农药在提高作物产量方面一直发挥着至关重要的作用。保护的可靠性取决于产品的质量，因为优质的农药产品需要能够有效地控制害虫和植物病害。然而，制造商在国外或当地生产的农业产品可能质量不尽如人意，也可能被降解、过期或其他劣质产品使用。在此背景下，掺假也是一个值得关注的问题[1]。不幸的是，在许多情况下，当地配方者未能确保适当的质量，尽管这可能对他们有利，特别是在经验不足、基础设施不足或缺乏技术专长的地方。因此，需要定期对农药产品进行质量控制，这不仅是为了安全和功效，也是为了确保农业生产率，同时保护农民、消费者和环境。

农药的使用对于实现农业部门的最大作物产量至关重要。它们使用不同类别的农药，如有机磷、有机氯和拟除虫菊酯。拟除虫菊酯是其中最著名的，在控制害虫方面尤为突出。它们特别适用于防治刺吸式害虫，如蚜虫、蓟马和粉虱。这些是主要的刺吸式害虫，影响棉花作物，造成高达40%的产量损失。研究表明，拟除虫菊酯与昆虫神经、骨骼肌细胞和心脏中的电压敏感钠通道结合并打开。这会破坏神经的正常功能，导致麻痹并最终死亡。拟除虫菊酯对哺乳动物和鸟类的毒性相对较低，因此对非靶标生物相对无害。常见的拟除虫菊酯类杀虫剂包括高效氟氯氰菊酯、氰戊菊酯、溴氰菊酯和氯氰菊酯等。高效氟氯氰菊酯是其中之一，是一种第三代合成拟除虫菊酯，已证明对棉花、蔬菜和水果作物的害虫有效。高效氟氯氰菊酯已被环境保护局批准用于控制观赏植物和棉花作物的害虫。被认为是一种相当稳定的活性成分，在阳光存在下仍然有效。在大鼠中，口服毒性（LD50）在54至70 mg/kg之间。高效氟氯氰菊酯对靶标生物的神经系统有效。高效氟氯氰菊酯可能导致皮肤刺激，持续时间可达12小时。高效氟氯氰菊酯是一种常用的拟除虫菊酯类杀虫剂。在10 EC剂型下使用时，它对蚜虫、蓟马和粉虱表现出良好的防治效果，死亡率分别为97.9%、85.9%和86%。此外，高效氟氯氰菊酯对疟疾媒介非常有效，因为它能阻止蚊子吸血[2]。

高效氟氯氰菊酯对水生生物毒性很大。它在低浓度下也用于家庭应用。该化合物在水中溶解度适中，主要残留在土壤中。高效氟氯氰菊酯外观为白色，有轻微的甜味，质地为蜡状固体。它不是天然存在的，而是以不同的剂型生产，如颗粒、颗粒和粉末。高效氟氯氰菊酯具有手性，有两个主要对映异构体，一个是1S-cis-高效氟氯氰菊酯，另一个是1R-cis-高效氟氯氰菊酯。其中，1R-cis-高效氟氯氰菊酯有效得多，比1S-cis异构体有效约300倍。毒理学研究将拟除虫菊酯分为两类：含有α-氰基的和不含α-氰基的。α-氰基拟除虫菊酯可能导致哺乳动物和昆虫的钠通道长期阻断。相反，非α-氰基拟除虫菊酯，包括高效氟氯氰菊酯，对钠通道的作用短暂，不会引起静息膜电位的变化。与其他拟除虫菊酯相比，高效氟氯氰菊酯会引起钠通道的暂时性开放。虽然在哺乳动物中的作用机制与无脊椎动物类似，但由于对钠通道的低结合亲和力、较大的体质量和较高的体温，对哺乳动物的影响较小[3]。

高效氟氯氰菊酯是一种用于保护作物和植物免受昆虫侵害的拟除虫菊酯类农药。通常用作喷雾或表面涂覆，以确保昆虫不进入或破坏处理过的表面。其使用情况可能间接反映在其他地方，如干粮仓库中缺乏苍蝇可能意味着使用了驱虫化学物质。美国环保署将高效氟氯氰菊酯列为可能的人类致癌物。此外，高效氟氯氰菊酯暴露与炎症效应相关，可能是哮喘和关节炎等免疫相关疾病的原因之一。因此，在食品相关环境中使用或存在的高效氟氯氰菊酯可能对人体健康构成重大威胁[4]。

农药的过度使用引发了与食品中农药污染相关的严重问题，涉及人类健康和环境问题。因此，控制食品中的农药残留对确保消费者安全至关重要。为了监测这些残留物，已开发出基于不同原理的各种分析检测方法。然而，为了提高这些分析技术的准确性、可靠性和可比性，开发合适的参考物质变得至关重要[5]。

为实现全球分析质量的一致性和保证，发展了关于参考物质（RM）和认证标准物质（CRM）开发与使用的广泛指南体系，如欧盟委员会通过其联合研究中心开发的指南。这些指南基于国际共识措施，如ISO 17034，强调均一性、稳定性和正确表征等重要质量特性[6]。

为此，本研究旨在开发高效氟氯氰菊酯的认证标准物质（CRM）。制备的参考物质分装入容器后，通过气相色谱（GC）分析，确定其均一性、稳定性和保质期。结果表明，开发的参考物质在室温下至少两年稳定，适合常规分析应用[7]。

农药产品是全球关注的重要安全问题。不当的剂量和低质量农药的过度使用可能导致终端农药残留物在土壤中的积累，特别是在发展中国家。据报道，许多地区，特别是非洲，市场上约有30%的农药不符合国际公认的质量标准，这造成了严重的环境和健康风险。在此背景下，农药中的配方分析也是制造、质量保证等过程中非常关键的步骤。它保证农药制剂的效力、稳定性、安全性和合规性。全球监管机构对监测农药质量，特别是活性成分含量，给予极大关注。对于含有多种活性成分和添加剂的复杂制剂，往往需要借助色谱、光谱和质谱等先进分析技术获得准确和完整的结果。在此类分析中，参考物质用于提供准确性、可靠性和纯度确认的保证[1]。

参考物质（RMs）在分析测试中起着至关重要的作用。它们广泛用于方法验证、质量控制分析、仪器校准和确保分析结果的准确性和溯源性[8]。参考物质是一种在一种或多种规定性质方面足够均一且稳定的物质，已知适用于其在测量过程中使用的目的。参考物质的性质可以是定量或定性的，例如物质的身份、纯度或浓度。这些物质还用于为其他物质赋值和评估分析方法的性能[9]。

拟除虫菊酯活性成分的认证标准物质的可获得性有限，尽管已报道了其他几种农药残留物和基质材料。此外，对于高效氟氯氰菊酯纯化的基于方法的纯化策略系统评估和计量溯源性建立研究不足，而以前的报道主要关注制造效率和工艺优化。

因此，需要开发一种集成解决方案，在单一框架内实现纯化、完整表征、均一性评估、稳定性测试和不确定度评估，以认证技术级高效氟氯氰菊酯参考物质。

本研究的创新性在于通过比较两种基于溶剂的不同纯化程序，开发具有计量溯源性的高效氟氯氰菊酯认证标准物质（CRM）的批量生产，按照ISO Guide 35建议进行表征、多技术利用和不确定度评估。这种集成方法为生产高纯度农药参考物质和可溯源分析测量提供了良好的平台。

化学身份：通用名：高效氟氯氰菊酯；IUPAC名：(2-甲基联苯-3-基甲基)(Z)-(1RS,3RS)-3-(2-氯-3,3,3-三氟丙-1-烯基)-2,2-二甲基-环丙烷甲酸酯；CAS号：顺式-82657-04-3；反式-83322-02-5；分子式：C??H??ClF?O?；分子量：~433.88 g·mol?1（图1）。

拟除虫菊酯类杀虫剂的生物活性主要通过相互作用昆虫的神经系统，特别是电压门控钠通道。拟除虫菊酯对正常钠通道门控动力学的作用导致通道保持开放时间更长，导致昆虫反复放电神经，损害冲动传导，使其麻痹并陷入死亡陷阱。钠通道的修饰程度和变化持续时间反映了拟除虫菊酯的化学结构，并在确定单个化合物的生物活性中起重要作用[10]。最近，高效氟氯氰菊酯已被证明在生物活性上具有立体特异性。不同立体异构体的杀虫活性、环境归趋和毒性截然不同。这些发现说明在评估拟除虫菊酯类杀虫剂的杀虫特性和毒性时需要考虑立体化学，因为观察到1R-cis和1S-cis立体异构体之间存在显著的毒性差异[11]。然而，最近的毒理学研究表明，拟除虫菊酯在特定的暴露持续时间和浓度下可能引起发育、生殖、神经和内分泌效应。结果证实了精确监测农药残留物和可靠评估可能暴露的重要性。在食品安全评估、环境监测和法规合规方面，认证标准物质（CRMs）是关键角色，确保农药残留物测量准确，符合计量溯源性标准，并具有可比性。法规和残留物问题的日益重要性也突显了对表征良好的可溯源质量控制材料（CRMs）的需求，以验证分析方法、校准仪器，并为重新风险评估提供可信支持[12]。

化学试剂

为合成商业级高效氟氯氰菊酯前体材料，使用2-甲基联苯-3-甲醇（氰戊菊酯酸），硫酰氯，2-甲基联苯-3-甲醇（高效氟氯氰菊酯醇），氰化钠，以及分析级惰性有机溶剂、催化剂和酸结合剂。

合成——本发明描述了高效氟氯氰菊酯的两步合成和纯化过程。第一步，在惰性有机溶剂和催化剂存在下，氰戊菊酯酸与硫酰氯反应。

仪器和分析方法

使用多种分析技术对高效氟氯氰菊酯进行了全面表征，确认了其身份、结构完整性、纯度和批次一致性[16]、[17]。

在氮气气氛下使用TGA/DSC仪器（型号：NEXTA 300，日立）进行热重分析（TGA）。热重图表明高效氟氯氰菊酯在约200°C以下保持热稳定，超过此温度后在较高温度下观察到显著的热分解。

X射线衍射（XRD）

高效氟氯氰菊酯（PS3）是结晶样品，如XRD图谱图2（a）所示，在2θ范围为10°至60°内有多个尖锐且强烈的衍射峰。主要峰出现在18°–30°，特别是在24°–25°范围内，这表明材料高度结晶且晶体结构有序。没有显著的非晶宽峰，表明非晶含量低且相纯度高。

XRD数据的整体结果表明了精纯联苯菊酯的测量不确定度评估。联苯菊酯参考物质的测量不确定度评估已按照EURACHEM/GUM指南，将测量不确定度的主要贡献者敏锐地纳入了联苯菊酯测定中合成不确定度的计算。对于适用于检测方法的分析步骤的每个环节都要求进行不确定度估计，这对实现检测方法的认可至关重要。该方程采用EURACHEM/GUM方法，是基于标准化的定量分析方法，以确保结果的准确性。结论：在本研究中，成功开发了一种联苯菊酯的认证参考物质（CRM），采用从纯化到CRM表征、分析方法验证、均匀性和稳定性研究以及测量不确定度评估的一体化工作流程。确定重结晶溶剂中能获得最高纯度和可接受回收率的溶剂为正己烷，所得联苯菊酯的纯度和回收率分别为99.83%。CRediT作者贡献声明：Mamta：撰写——初稿，软件，方法学，研究，形式分析。Shrawan Kumar：撰写——审阅与编辑。Indraj Singh：撰写——审阅与编辑。Nahar Singh：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。致谢：作者感谢印度科学和工业研究委员会-国家物理实验室（CSIR-NPL）主任Venu Gopal Achanta教授对本研究的支持和发表许可。作者感谢Sumit Mohan先生进行XRD表征，N. Vijayan博士进行TGA表征，Pooja Semalti博士进行TEM表征。此外，作者Mamta Sharma感谢AcSIR在整个研究过程中提供的坚定技术支持。特别感谢位于新德里的Bharat Rasayan有限公司对本研究的赞助。Mamta | Shrawan Kumar | Indraj Singh | Nahar Singh