實(shí)時(shí)直接分析-高分辨質(zhì)譜法快速篩查乳粉中抗生素殘留

楊 帆，張璐琪，張鴻偉，紀(jì)仁春，張曉梅，許 輝，王鳳美，王妍婷，宮小明，徐 杰

(1.中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2.青島海關(guān)技術(shù)中心，山東 青島 266002；3. 西雙版納海關(guān)綜合技術(shù)中心，云南 景洪 666100；4.濰坊海關(guān)技術(shù)中心，山東 濰坊 261041)

獸藥被廣泛用于動(dòng)物疾病的預(yù)防和治療、促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)等方面，其種類繁多，抗生素是獸藥殘留分析中最常見的殘留類別[1]。乳粉中含有大量對(duì)人體生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用的營(yíng)養(yǎng)元素，是生活中常見的食品，嬰幼兒、兒童和老人是乳粉的主要受眾群體。乳粉中抗生素殘留一直是食品安全關(guān)注的重點(diǎn)，長(zhǎng)期食用含有抗生素殘留的乳粉會(huì)使人體內(nèi)產(chǎn)生耐藥菌株[2]，降低機(jī)體免疫力[3-4]，給消費(fèi)者帶來健康隱患。在乳粉抗生素殘留分析中，磺胺類、喹諾酮類及大環(huán)內(nèi)酯類藥物類屬高頻次檢測(cè)項(xiàng)目[5]，建立這些藥物殘留的快速篩查分析方法有利于提高日常篩查分析通量，增進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)效能，完善乳粉產(chǎn)品質(zhì)量安全控制的技術(shù)支持體系。

實(shí)時(shí)直接分析(direct analysis in real time, DART)是一種新型的敞開式常壓原位電離技術(shù)，可在大氣壓和開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不改變被分析物本身性質(zhì)的前提下，直接完成對(duì)樣品的離子化以及進(jìn)樣分析[6-8]。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于大幅簡(jiǎn)化樣品制備過程，使無樣品制備而直接分析成為可能。DART已經(jīng)被成功應(yīng)用于藥物研發(fā)與監(jiān)管[9-10]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[11]、化妝品監(jiān)測(cè)[12-13]、食品分析[14-15]、復(fù)雜樣品分析及法證科學(xué)等領(lǐng)域[16-17]。在食品分析領(lǐng)域，Al-Balaa等[18]利用實(shí)時(shí)直接分析-飛行時(shí)間質(zhì)譜(DART-TOF MS)快速定性和半定量分析干雞蛋和雞蛋面食中膽固醇；Farre等[19]利用實(shí)時(shí)直接分析-高分辨質(zhì)譜(DART-HRMS)法實(shí)現(xiàn)了蘋果、梨、檸檬果皮上的氧化劑、殺菌劑以及糖類物質(zhì)殘留的定性定量分析；李偉麗等[20]利用直接分析質(zhì)譜(DART-MS/MS)法快速檢測(cè)辣椒及其制品中的辣椒素類物質(zhì)，并進(jìn)行了方法學(xué)驗(yàn)證。在化學(xué)危害物殘留分析領(lǐng)域，齊春艷等[21]利用實(shí)時(shí)直接分析-四極桿-離子回旋軌道阱質(zhì)譜(DART-Q-Orbitrap MS)法檢測(cè)了南美白對(duì)蝦中15種磺胺類藥物；Vaclavik等[22]利用實(shí)時(shí)直接分析-飛行時(shí)間質(zhì)譜法檢測(cè)了奶粉、煉乳、乳酪等奶制品中三聚氰胺和氰尿酸；Zhang等[23]利用實(shí)時(shí)直接分析-四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜(DART-Q-TOF MS/MS)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶粉中雙氰胺的定性定量分析。

本實(shí)驗(yàn)擬將DART離子源與四極桿-離子回旋軌道阱高分辨質(zhì)譜儀(DART-Q-Orbitrap HRMS)聯(lián)用，快速篩查乳粉中磺胺類、喹諾酮類和大環(huán)內(nèi)酯類等16種常見抗生素的殘留，并對(duì)分析條件進(jìn)行優(yōu)化，希望建立相關(guān)藥物殘留的篩查方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

DART實(shí)時(shí)直接分析離子源：美國(guó)IonSense公司產(chǎn)品；Q-Exactive Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀：美國(guó)Thermo Scientific公司產(chǎn)品，配有Xcalibur1.2工作站；CR22G Ⅱ高速冷凍離心機(jī)：日本日立公司產(chǎn)品；Mettler PL202-L型電子分析天平：瑞士美特勒-托利多公司產(chǎn)品；Turbo Vap?LV型高通量水浴氮吹濃縮儀：美國(guó)Caliper公司產(chǎn)品；MMV-1000W站立式振蕩器：日本EYELA公司產(chǎn)品；MS3型渦旋混勻器：美國(guó)IKA公司產(chǎn)品；KQ-100E臺(tái)式超聲波儀：昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；Captiva ND lipids固相萃取柱、EMR-Lipid凈化管：美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品。

1.2 主要材料與試劑

乙腈(質(zhì)譜純)：美國(guó)Fisher Scientific公司產(chǎn)品；甲酸(質(zhì)譜純)：美國(guó)Fluka公司產(chǎn)品。

磺胺嘧啶、磺胺-5-(對(duì))甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺吡啶、甲氨芐啶(純度≥99.0%)：德國(guó)Dr.Ehrenstorfer公司產(chǎn)品；磺胺二甲嘧啶(純度≥98.0%)：美國(guó)Sigma Aldrich公司產(chǎn)品；丹諾沙星、西諾沙星、雙氟沙星、司帕沙星、萘啶酸、氟甲喹、奧比沙星(純度≥98.0%)、替米考星、交沙霉素(純度≥80.0%)：中國(guó)First Standard公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

1.3.1DART離子源條件 正離子模式，載氣為氦氣，選擇QuickStrip (QS)樣品卡模塊進(jìn)樣，進(jìn)樣速度1 mm/s，離子化溫度400 ℃。

1.3.2質(zhì)譜條件 采集方式：Full MS-ddMS2(正離子模式掃描)，其中Full MS母離子掃描質(zhì)譜分辨率設(shè)定為70 000，子離子質(zhì)譜依賴性掃描分辨率設(shè)定為17 500(3級(jí)碰撞能量分別設(shè)定20、40、60 eV)；噴霧電壓3.0 kV；毛細(xì)管溫度350 ℃；鞘氣流速30 L/min；輔助氣流速3.3 L/min；反吹氣流量0；質(zhì)量掃描范圍m/z100～500。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液與混合標(biāo)準(zhǔn)工作液的配制

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 g/L)的配制：分別稱取10 mg(精確到0.1 mg)標(biāo)準(zhǔn)品于10 mL容量瓶中，用乙腈溶解并定容，-20 ℃可保存6個(gè)月。

混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液(1 mg/L)的配制：分別移取10 μL相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于10 mL容量瓶中，用50%乙腈-水溶液定容，-20 ℃可保存1個(gè)月。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

稱取(2.00±0.02) g乳粉于50 mL離心管中，用4 mL水溶解，混勻，加入12 mL乙腈，渦旋振蕩10 min，以10 000 r/min離心10 min，取4 mL上清液，過Captiva ND lipids固相萃取柱，收集濾出液，40 ℃下氮吹至近干，準(zhǔn)確加入2 mL 0.3%甲酸-5%乙腈-水溶液復(fù)溶殘?jiān)?，渦旋并超聲5 min，過0.22 μm濾膜，作為待測(cè)液備用。

吸取4 μL待測(cè)液，將其滴至QS樣品卡的金屬篩網(wǎng)進(jìn)樣點(diǎn)處，放置在通風(fēng)櫥中使其蒸發(fā)至近干，然后將其固定在DART離子源和Q-Exactive Orbitrap高分辨質(zhì)譜儀之間的滑動(dòng)軌道上進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 載氣類型和進(jìn)樣模塊的選擇

高純度的氮?dú)夂秃馐荄ART離子源最常用的載氣，氦氣由于其激發(fā)態(tài)離子能量比氮?dú)飧咔异`敏度高，因此能電離的化合物較多。由于氦氣可電離大分子質(zhì)量化合物，且副反應(yīng)較小，可用于相對(duì)較大的大分子質(zhì)量抗生素的檢測(cè)[24]，因此本實(shí)驗(yàn)選擇氦氣作為載氣。但由于氦氣和氮?dú)庀啾葍r(jià)格昂貴，故在樣品分析前后和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備期間選擇氮?dú)庾鳛檩o助氣體。

本實(shí)驗(yàn)嘗試了用Dip-It玻棒模塊進(jìn)樣，但出現(xiàn)了掛在玻棒上的樣品液滴不穩(wěn)定，導(dǎo)致質(zhì)譜峰響應(yīng)低且出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，因此選用QS樣品卡模塊進(jìn)樣。

2.2 載氣溫度的選擇

對(duì)于DART離子源，溫度對(duì)其敏感度的影響很大。本實(shí)驗(yàn)分別考察了300、350、400 ℃下氦氣的離子化效果，并與扣除空氣背景后的質(zhì)譜圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果示于圖1?？梢?，離子化溫度過低，會(huì)減少離子進(jìn)入質(zhì)譜儀的數(shù)量；離子化溫度越高，離子化效果越好，背景干擾越小，靈敏度越高。實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了450 ℃的離子化效果，發(fā)現(xiàn)出峰率和響應(yīng)較低，離子化效果不理想，這是由于溫度過高容易使殘留藥物分子分解，液體樣品揮發(fā)過快而導(dǎo)致目標(biāo)物在進(jìn)樣模塊網(wǎng)格中擴(kuò)散。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇400 ℃作為載氣溫度。

圖1 在300、350、400 ℃溫度下，各目標(biāo)分析物的離子化效果對(duì)比圖Fig.1 Ionization effect of the analytes in DART ion source at the temperature of 300, 350, 400 ℃

2.3 進(jìn)樣速度的選擇

QS樣品卡的移動(dòng)速度對(duì)DART離子源靈敏度的影響較大，本實(shí)驗(yàn)分別考察進(jìn)樣速度為0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mm/s時(shí)的離子化效果。經(jīng)分析可知，進(jìn)樣速度過慢時(shí)，質(zhì)譜峰會(huì)有峰型拖尾、出現(xiàn)雙峰或三峰的情況；進(jìn)樣速度過快時(shí)，離子進(jìn)入質(zhì)譜的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致響應(yīng)過低甚至無響應(yīng)。因此本實(shí)驗(yàn)選擇1.0 mm/s的速度進(jìn)樣。

需要指出的是，采用DART-Q-Orbitrap HRMS分析時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，使用優(yōu)化的進(jìn)樣速度和載氣溫度，點(diǎn)樣時(shí)把握好液滴在樣品卡上的位置和液滴大小，控制液滴干燥程度不要過干，可以有效地避免雙峰、拖尾及影響目標(biāo)分析物響應(yīng)等現(xiàn)象。

2.4 方法驗(yàn)證

2.4.1定性分析指標(biāo) 本研究以目標(biāo)分析物的準(zhǔn)分子離子峰作為篩查定性離子，采用準(zhǔn)分子離子和高分辨碎片離子庫匹配的方式進(jìn)行準(zhǔn)確定性，具體如下：1) 準(zhǔn)分子離子峰的質(zhì)量準(zhǔn)確度≤5×10-6；2) 具有與準(zhǔn)分子離子峰相似的同位素分布；3) 與標(biāo)準(zhǔn)品譜庫相比存在2個(gè)質(zhì)量準(zhǔn)確度≤5×10-6的特征碎片離子[25-26]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)空白樣品進(jìn)行添加(100 μg/kg)，使用DART-Q-Orbitrap HRMS系統(tǒng)進(jìn)行正離子一級(jí)質(zhì)譜全掃描，檢測(cè)得到了16種目標(biāo)分析物的準(zhǔn)分子離子峰質(zhì)量數(shù)與理論值，以及主要特征碎片離子，列于表1?？芍?，相對(duì)誤差均在5×10-6以下，特征碎片離子與實(shí)驗(yàn)室利用標(biāo)準(zhǔn)溶液自建的數(shù)據(jù)庫匹配較好，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)殘留物質(zhì)的準(zhǔn)確定性分析。

2.4.2篩查限濃度水平和回收率 選取20個(gè)空白乳粉樣品，每個(gè)樣品各稱取4份，1份作為空白樣品，另3份作為加標(biāo)樣品，加標(biāo)水平分別為10、50、100 μg/kg，每個(gè)樣品均進(jìn)行平行測(cè)定，各分析目標(biāo)物前體離子在空白樣品中響應(yīng)的最大值不小于加標(biāo)樣品中響應(yīng)的最小值時(shí)為假陰性。在100 μg/kg濃度水平下，除雙氟沙星和替米考星外，其余所有分析物的假陰性率均為零，雙氟沙星和替米考星在20次測(cè)定中各有1次出現(xiàn)了提取前體離子窗口無響應(yīng)的情況，推測(cè)這兩種分析物對(duì)點(diǎn)樣要求較高，液滴過干會(huì)影響其響應(yīng)，將添加回收樣品重新點(diǎn)樣后響應(yīng)正常，因此實(shí)驗(yàn)要控制樣滴在樣品卡上的干燥情況，結(jié)果列于表2。根據(jù)歐盟關(guān)于篩查方法在篩查限濃度水平下假陰性率的要求[27]，本實(shí)驗(yàn)各目標(biāo)分析物在100 μg/kg濃度下的假陰性率均≤5%，故將本方法的篩查限濃度水平確定為100 μg/kg。鑒于高分辨質(zhì)譜無法使用信噪比推算分析物的方法檢出限(LOD)，因此，各分析物的檢出限按照加標(biāo)水平提取離子的響應(yīng)情況(在相應(yīng)加標(biāo)水平的所有樣品中有明顯且穩(wěn)定的響應(yīng))進(jìn)行標(biāo)示，結(jié)果列于表3。

按1.5節(jié)方法對(duì)乳粉空白基質(zhì)進(jìn)行前處理，獲得基質(zhì)空白提取液，制備相當(dāng)于樣品分析物水平為20、50、100、150、200 μg/kg的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并進(jìn)行6個(gè)重復(fù)樣品的添加回收實(shí)驗(yàn)，使用制備的基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量分析，標(biāo)準(zhǔn)曲線決定系數(shù)r2為0.992 1～0.998 8，各分析目標(biāo)物的回收率在72.5%～106.7%之間，典型的離子流圖示于圖2。

需要指出的是，回收率不是篩查方法必須考察的指標(biāo)，回收率的引入可作為后續(xù)確證定量分析濃度范圍的參考。

2.5 實(shí)際樣品檢測(cè)

使用本方法快速篩查193份市售乳粉產(chǎn)品中16種常見抗生素，結(jié)果篩查出1例甲氧芐啶陽性樣品，其一級(jí)全掃描離子流圖和二級(jí)質(zhì)譜圖分別示于圖3和圖4。

由圖3可見，在DART-Q-Orbitrap HRMS一級(jí)質(zhì)譜正離子全掃描模式下，發(fā)現(xiàn)存在m/z291.145[M+H]+準(zhǔn)分子離子峰，其質(zhì)譜依賴性二級(jí)質(zhì)譜子離子掃描得到了m/z123.066、261.097特征碎片離子，對(duì)照已建立的甲氧芐啶二級(jí)高分辨質(zhì)譜信息庫，確定樣品中含有甲氧芐啶。

表2 16種目標(biāo)分析物殘留篩查測(cè)定假陰性率Table 2 False negative rates of 16 analytes with optimized method

表3 16種目標(biāo)分析物在篩查限濃度水平下的平均回收率及檢出限Table 3 Average recoveries of 16 analytes at the level of screening concentration and limits of detection

圖2 空白加標(biāo)回收乳粉樣品中16種目標(biāo)分析物殘留的提取離子流圖Fig.2 Extracted ion chromatograms of 16 analytes residues in the spiked milk powder samples

圖3 市售51號(hào)乳粉樣品中目標(biāo)化合物的檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Analysis result of No.51 milk powder sample

3 結(jié)論

本研究建立了敞開式常壓離子化技術(shù)-實(shí)時(shí)直接分析離子源結(jié)合四極桿-回旋軌道阱高分辨質(zhì)譜法快速篩查乳粉樣品中16種常見抗生素殘留。通過優(yōu)化DART離子源參數(shù)，借助Q-Orbitrap質(zhì)譜儀高分辨率及Full MS-ddMS2數(shù)據(jù)采集方法，使用高通量通用性前處理有效地控制乳粉樣品的基質(zhì)影響，實(shí)現(xiàn)乳粉中16種常見抗生素殘留的快速有效篩查。

通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)確定了方法的篩查限濃度水平、假陰性率等關(guān)鍵指標(biāo)，并使用基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線考察方法在篩查限濃度水平的回收率，方法指標(biāo)滿足篩查分析要求，實(shí)際樣品檢測(cè)結(jié)果表明，該方法可有效完成乳粉中相關(guān)殘留的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)分析。雖然該方法存在篩查限濃度水平相對(duì)較高的情況，但對(duì)于相關(guān)抗生素高水平風(fēng)險(xiǎn)殘留有實(shí)際的篩查意義和效果，且其前處理簡(jiǎn)單、定性分析準(zhǔn)確、假陰性率低，可為風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)提供一種快速可靠的篩查分析技術(shù)。

圖4 51號(hào)乳粉樣品(a)和甲氧芐啶標(biāo)準(zhǔn)品(b)的二級(jí)質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectra of No.51 milk powder sample (a) and trimethoprim standard (b)