高分辨分離分析新技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用進展

孫 燕, 謝 昀, 許秀麗, 譚明乾, 張 峰,*

(1.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院,北京 100176; 2.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧 大連 116034)

食品安全與質(zhì)量對全球經(jīng)濟、人類健康和國土安全至關(guān)重要。然而,由于食品種類的多樣性及化學(xué)成分的復(fù)雜性,微生物病原體、重金屬、食品添加劑、生物毒素、農(nóng)/獸藥,甚至食品包裝材料微塑料成分等多種痕量污染物的快速鑒別成為現(xiàn)代社會食品安全分析的一大挑戰(zhàn)[1]。除了食品化學(xué)污染外,食品還面臨著非法摻假、降解變質(zhì)等,雖然傳統(tǒng)技術(shù)(如色譜分析法、光譜分析法等)可以實現(xiàn)食品中目標(biāo)化合物的檢測,但繁瑣的樣品前處理過程(分離、提取、凈化、富集等)已不適用于當(dāng)代食品檢測學(xué)中對風(fēng)險物質(zhì)的快速高通量篩查[2]。

因此,針對復(fù)雜化學(xué)混合物中分子離子的篩選,離子遷移譜(ion mobility spectrometry,IMS)作為一種快速分離技術(shù),新增了一維離子淌度信息——碰撞橫截面積,其測量與氣態(tài)離子的大小、形狀和所帶電荷有關(guān),不受樣品基質(zhì)影響,檢測信噪比也有所提高,因此能夠有效分辨同分異構(gòu)體、多電荷態(tài)物質(zhì)等[3]。同時高分辨MS作為分析復(fù)雜樣品的常用設(shè)備,具有在原子和分子水平上進行多組分分析的優(yōu)點,且各種類型的離子碰撞解離技術(shù)極大地擴展了MS在食品分析方面的應(yīng)用[4]。一方面,質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以及機器學(xué)習(xí)算法程序的應(yīng)用,大大提高了食品中未知風(fēng)險成分的高分辨篩查與預(yù)測能力;另一方面,敞開式離子化質(zhì)譜法(ambient mass spectrometry,AMS)作為傳統(tǒng)MS的一個重要的創(chuàng)新突破,是一種快速有效的復(fù)雜樣品直接分析方法,因此成為高通量定性分析、無損反應(yīng)監(jiān)測的絕佳選擇[5]。

高分辨MS作為實驗室儀器在分析應(yīng)用領(lǐng)域有著較大發(fā)展,但也存在體積龐大、價格昂貴、操作復(fù)雜、不能隨時移動等局限性,因此無法在食品環(huán)境污染、食品風(fēng)險因子、突發(fā)應(yīng)急監(jiān)測等需要進行現(xiàn)場快速檢測的領(lǐng)域得到有效應(yīng)用。目前質(zhì)譜儀器正向高效率、便攜化、可視化方面發(fā)展,出現(xiàn)了微型質(zhì)譜儀。未來開發(fā)無需樣品前處理、可由非專業(yè)人員操作、具備高分辨分離分析性能的微型質(zhì)譜儀,對滿足原位、實時、無損的食品現(xiàn)場快檢十分重要[6]。

本文重點概述了近十年高分辨分離分析技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的最新進展與應(yīng)用,分別通過在線質(zhì)譜耦合技術(shù)、高分辨篩查技術(shù)以及微型質(zhì)譜儀3大領(lǐng)域展開介紹,并對食品安全檢測新裝置的前景進行了展望。

1 在線質(zhì)譜耦合技術(shù)

MS是在線過程優(yōu)化和智能控制的基本儀器,在線質(zhì)譜法的優(yōu)勢是能夠表征化學(xué)反應(yīng)過程,如化學(xué)產(chǎn)物和雜質(zhì)的形成以及底物的消耗,在線質(zhì)譜技術(shù)作為一種高靈敏檢測技術(shù),已由推測化學(xué)反應(yīng)機理研究逐漸向痕量物質(zhì)的實時快速檢測和準(zhǔn)確定量方面應(yīng)用[7]。為了實現(xiàn)各種設(shè)備與質(zhì)譜的在線聯(lián)用,最關(guān)鍵的問題是在兩個設(shè)備之間開發(fā)合適的接口,以解決大氣壓氣流對質(zhì)譜檢測器造成的真空沖擊。目前MS已實現(xiàn)與色譜分離技術(shù)(例如超高效液相色譜、氣相色譜、毛細(xì)管電泳、超臨界流體色譜)串聯(lián),但涉及富集提取-色譜分離-質(zhì)譜檢測的耗時過程[8]。然而,隨著IMS與AMS的出現(xiàn)與發(fā)展,在線質(zhì)譜法有了新的可供選擇的耦合方式,并已有成功應(yīng)用于小型化設(shè)備現(xiàn)場分析的案例[9]。

1.1 離子遷移譜法

IMS的分離原理是根據(jù)氣相離子的質(zhì)量、形狀、大小和電荷在電場中的遷移率不同來分離的。因此,結(jié)構(gòu)相似但具有不同電荷的離子可以通過IMS進行分離。然而IMS仍然是一種低分辨率技術(shù),因此,越來越多的研究人員選擇將IMS與高分辨MS串聯(lián)使用,IMS-MS聯(lián)用技術(shù)最初在2000年左右出現(xiàn),但不同類型的IMS-MS測量離子遷移率的能力不同,大致分為漂移管離子遷移譜法(drift tube IMS,DTIMS)、吸入離子遷移譜法(aspiration IMS,AIMS)、行波離子遷移譜法(traveling wave IMS,TWIMS)、場不對稱形離子遷移譜法(field asymmetric IMS,FAIMS)和捕獲離子遷移譜法(trapped IMS,TIMS)。

1.1.1漂移管離子遷移譜法

DTIMS使用恒定電場來分離離子,缺點是靈敏度低,因此需要與MS串聯(lián)使用。IMS儀器的工作時間為毫秒,而MS的工作時間為秒,因此通常使用快速掃描質(zhì)譜儀,如飛行時間質(zhì)譜儀(time of flight,TOF)作為耦合的高分辨MS。Gloess等[10]采用電暈放電電離-DTIMS-TOF聯(lián)用技術(shù),在正離子和負(fù)離子模式下監(jiān)測咖啡烘焙過程中形成的150多種揮發(fā)性有機化合物。結(jié)果表明,該在線監(jiān)測模式檢測到一些重要的香氣活性物質(zhì),如烷基吡嗪異構(gòu)體,其隨著焙燒過程的不同時間段表現(xiàn)出不同的強度特征。由此可知,DTIMS-TOF在線耦合技術(shù)為這類含異構(gòu)體的香氣活性化合物的復(fù)雜化學(xué)分析提供了一個簡單快捷的高分辨率監(jiān)測策略,且DTIMS實驗中產(chǎn)生的遷移率趨勢有利于識別多種同分異構(gòu)體。

1.1.2吸入離子遷移譜法

AIMS目前已成功從實驗室轉(zhuǎn)型為現(xiàn)場分析測試設(shè)備。Potter等[11]使用了氣相色譜-大氣壓化學(xué)電離-AIMS-TOF MS耦合系統(tǒng),對一系列市售食用油中的脂肪酸進行特異性分離鑒別,并開發(fā)了一種全面指紋識別技術(shù)。這種技術(shù)與傳統(tǒng)使用火焰電離檢測或單四極桿質(zhì)譜檢測脂肪酸相比,無需衍生為脂肪酸甲酯來檢測,從而提高了脂肪酸鑒定的特異性和定量的可信度。由此可見,AIMS-MS串聯(lián)大大提高了化合物的選擇性,在研究食品來源、食品摻假等方面具有巨大的潛力。

1.1.3場不對稱形離子遷移譜法

FAIMS又稱差分遷移譜法,是利用離子遷移率從低電場到高電場的變化來分離離子,克服了離子遷移率相似的物質(zhì)無法分離的缺點。然而,FAIMS技術(shù)的分辨率較低,需依賴FAIMS-MS串聯(lián)技術(shù)提高分辨率。同時隨著FAIMS接口的小型化,與質(zhì)譜成像的耦合可以提高特定分子類別的檢測與成像。

Feider等[12]報道了解吸電噴霧電離和液體微臨界表面取樣探針與FAIMS裝置的耦合技術(shù),可增強生物組織樣品中的單電荷以及多電荷代謝物的成像。優(yōu)化后的FAIMS參數(shù)提高了代謝物空間分布的可視化,最重要的是可以監(jiān)測到單使用質(zhì)譜成像無法檢測到的成分種類。由此可知,FAIMS-質(zhì)譜成像耦合技術(shù)可實現(xiàn)食品中多電荷脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分的檢測,且FAIMS和MS儀器的無縫集成極大地拓展了FAIMS在食品組學(xué)方面的應(yīng)用和前景。

1.1.4行波離子遷移譜法

TWIMS技術(shù)推動了無損離子結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)的發(fā)展,同時TWIMS與TOF質(zhì)譜儀器聯(lián)用,對序列輸出離子的信噪比有顯著的提升。但單級TWIMS產(chǎn)生周期性選擇離子的連續(xù)輸出,也產(chǎn)生非選擇離子的脈沖輸出,導(dǎo)致背景信號增強。理論上,兩個TWIMS的正交聯(lián)用可以消除這種非選擇離子脈沖的輸出。

Vidal-de-Miguel等[13]介紹了一種兩級TWIMS與大氣壓界面質(zhì)譜耦合技術(shù),該技術(shù)可以連續(xù)輸出選定遷移率的離子。結(jié)果表明,采用了兩級TWIMS的過濾方式,可大大減少單級TWIMS分離產(chǎn)生的背景干擾,且IMS-IMS預(yù)過濾方法可作為提高樣品分離能力的一種非常有效的方法。

1.1.5捕獲離子遷移譜法

與其他IMS技術(shù)相比,TIMS除了分辨分離能力高和測量離子碰撞橫截面積準(zhǔn)確度高的優(yōu)點外,還具有在復(fù)雜樣品中靶向分析分子離子的優(yōu)勢,因此TIMS-MS多用于快速氣相色譜分離和分子結(jié)構(gòu)解析。Djambazova等[14]利用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像耦合TIMS技術(shù)對脂質(zhì)異構(gòu)體(手性異構(gòu)體、?；湲悩?gòu)體、雙鍵位置和立體異構(gòu)體)進行分離和鑒定。結(jié)果表明,質(zhì)譜成像-TIMS耦合技術(shù)可以直接對脂質(zhì)異構(gòu)體進行原位分離和空間分布可視化成像。由此可知,對于大分子、蛋白質(zhì)及其復(fù)合物的異構(gòu)化,TIMS-MS有表征化合物結(jié)構(gòu)多樣性的潛力。

1.2 敞開式離子化質(zhì)譜法

AMS是一種無需樣品預(yù)處理,直接進行表面采樣,幾秒鐘內(nèi)即可進行成分研究的實時解吸電離分析技術(shù),可以與大多數(shù)帶有大氣壓接口的高分辨率MS耦合并進行精確的質(zhì)量分析,極大地擴展了食品現(xiàn)場快檢應(yīng)用領(lǐng)域。最早出現(xiàn)的AMS技術(shù)分別是2004年和2005年提出的解吸電噴霧電離和實時直接分析電離技術(shù),之后陸續(xù)出現(xiàn)了許多不同的AMS技術(shù),目前已有40多種類型。根據(jù)電離能源(如電、光、熱、聲等)的能量形式差異,AMS大致分為噴霧電離、電場電離(電暈/輝光放電、等離子體等)、光電離和熱電離[15]。

1.2.1噴霧電離

噴霧電離的機制是將樣品本身(切割后產(chǎn)生尖銳的尖端)作為固體底物,在樣品上施加高壓和一些溶劑,分析物溶解到溶劑中,接著液相分析物分子在高電場下直接電離,噴射并產(chǎn)生帶電液滴和離子,隨后進入MS分析。由于實際樣品以固體、液體、氣體、膠體甚至非均相形式存在,為了適應(yīng)不同的樣品分析,以噴霧電離為基礎(chǔ)的各種AMS技術(shù)相繼出現(xiàn),如解吸電噴霧電離、萃取電噴霧電離、解吸聲波噴霧電離、氣流輔助電離、熔滴電噴霧電離、探針電噴霧電離、組織噴霧電離等。Cai等[16]采用納米萃取電噴霧電離與MS耦合技術(shù)對啤酒樣品中的組胺進行實時、快速檢測,無需繁瑣的樣品前處理操作。由此可見,噴霧電離的主要優(yōu)點是能夠?qū)悠繁砻孢M行電離,實現(xiàn)快速定性分析,并利用軟電離來限制目標(biāo)分析物的破碎程度;主要局限是當(dāng)使用不合適的溶劑系統(tǒng)時,分析物的提取會減少,導(dǎo)致靈敏度降低。

1.2.2電場電離

電場電離的機制是利用大氣壓化學(xué)電離和大氣壓電暈放電與輝光放電產(chǎn)生的等離子體進行電離,常見技術(shù)如低溫等離子體電離、介質(zhì)阻擋放電電離和實時直接分析電離等。實時直接分析電離屬于輝光放電產(chǎn)生等離子體電離,原理是通過對氣體He或N2分子進行放電形成等離子體激發(fā)態(tài),這些物質(zhì)被加熱的氣流帶到樣品中,從樣品中解吸和電離分析物,隨后進入MS分析。實時直接分析電離作為一種氣相電離技術(shù),很少觀察到由液相電離技術(shù)形成的復(fù)雜簇離子、金屬加合物離子和多電荷離子等,但相對缺點是放電氣體對解吸分析物的稀釋以及高溫下不可避免的離子破碎,因此更適用于小分子化合物的快速電離。Crawford等[17]采用實時直接分析電離與MS串聯(lián)的方法,對食品包裝中鄰苯二甲酸鹽進行快速定性分析。結(jié)果表明,該方法成功應(yīng)用于監(jiān)測各種食品包裝以及運動器材中鄰苯二甲酸鹽的存在,但其定量能力仍相對不足。

1.2.3光電離

光電離分為直接光電離(以紫外、紅外和激光為能量源)和基質(zhì)輔助激光電離,通常不需要高電壓、噴霧溶劑或氣體來幫助電離,并且功耗低。該技術(shù)可使樣品快速氣化和電離,常見光電離技術(shù)包括解吸常壓光電離、常壓激光基質(zhì)輔助解吸電離、常壓激光解吸電離等。Aiello等[18]報道了一種快速、靈敏的激光基質(zhì)輔助解吸電離與MS串聯(lián)的方法,并對藏紅花的真?zhèn)芜M行了定性鑒別。研究選擇藏紅花素作為藏紅花真?zhèn)巫R別生物標(biāo)志物,并用姜黃素作摻假物對市售藏紅花的摻假率進行了評價。結(jié)果表明,該方法是表征食品中真?zhèn)紊飿?biāo)志物的一種強有力的方法,具有很高的化學(xué)敏感性,可作為食品真?zhèn)巫R別工具。

實踐中，我們還驚奇地發(fā)現(xiàn)：即便學(xué)生已經(jīng)知道“相對面的點數(shù)和是7”，到發(fā)現(xiàn)“有幾顆，看不見的點子數(shù)就是幾個7減去最上面的數(shù)”還是要經(jīng)歷一段“曲折”的探索過程，而不是像我們想的那樣“很快”就能遷移過來了。這節(jié)課教學(xué)內(nèi)容簡單，如果學(xué)生已經(jīng)知道這個規(guī)律，解決問題無非就是“套用公式”，但是對“什么是教學(xué)”的思考，以及教學(xué)法的轉(zhuǎn)變讓我們感受到：如果給學(xué)生足夠的時間，讓學(xué)生在感到足夠安全的基礎(chǔ)上探索，這樣的實驗課很有價值！

1.2.4熱電離

熱電離技術(shù)利用高溫和熱輻射光子的能量來誘導(dǎo)分析物電離。如熱解吸化學(xué)電離是通過可離子化試劑熱解產(chǎn)生高濃度試劑離子,然后與樣品中的待測分子發(fā)生碰撞進行電離。該技術(shù)無需高壓氣體,且靈敏度高。其他常見的熱電離技術(shù)包括激光二極管熱解吸、常壓熱解吸電離、快速蒸發(fā)電離等。Balog等[19]提出了一種快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜法,能夠在小于5 s的時間內(nèi)記錄肉類標(biāo)本的質(zhì)譜剖面。結(jié)果表明,該方法對來自不同物種(馬、牛和鹿肉)肉類的混合肉餅鑒別具有較高的準(zhǔn)確性,且可以通過提供原位、實時的分子解析信息對肉制品進行快速有效的質(zhì)量判定,檢測過程綠色無污染。

2 高分辨篩查技術(shù)

高分辨篩查技術(shù)一般分為靶向篩查和非靶向篩查,靶向篩查可減少一定干擾離子的存在,但不適合在復(fù)雜食品樣品中發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險化合物;非靶向篩查可獲得樣本所有離子的碎片信息,更適合復(fù)雜樣本的高通量篩查分析。但由于樣品制備、有機溶劑、采集方法和數(shù)據(jù)分析等差異,不同高分辨MS用于篩查風(fēng)險物質(zhì)的方法準(zhǔn)確性存在很大差異。因此,構(gòu)建高質(zhì)量質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫,盡可能去除不同儀器與實驗操作的干擾,減少對參考標(biāo)準(zhǔn)品的依賴,對未知化合物的有效篩查至關(guān)重要。

2.1 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫

一直以來,在質(zhì)譜的特征二級碎片數(shù)據(jù)庫中進行食品未知成分碎片的相似性搜索很有意義。隨著質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫中化合物數(shù)量與種類的不斷擴大,從文獻中獲得的二級質(zhì)譜信息對于建立一個龐大的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫非常有價值。Li等[20]使用全譜采集的氣相色譜-四極桿-TOF質(zhì)譜體系,建立了439種農(nóng)藥的TOF精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和圖譜庫。結(jié)果表明,該質(zhì)譜體系可實現(xiàn)果蔬中439種農(nóng)藥的快速分析,成為監(jiān)測水果和蔬菜中農(nóng)藥殘留的可靠分析方法。Li等[21]采用超高效液相色譜-三重四極桿/線性離子阱質(zhì)譜技術(shù),建立了豬肉中磺胺類、喹諾酮類、β-受體激動劑、硝基咪唑等204種多殘留獸藥鑒定的方法。結(jié)果表明,該方法建立的204種獸藥二級質(zhì)譜碎片數(shù)據(jù)庫可加強對肉類食品中可疑風(fēng)險物的定性篩查。但來源于文獻的信息包含了各種類型的MS儀器,不同的離子源、前體加合物和碰撞能的影響已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出質(zhì)譜碎片數(shù)據(jù)庫匹配的范圍,因此僅以保留時間以及特征二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進行匹配篩查會出現(xiàn)很多假陽性峰值。

為了進一步提供結(jié)構(gòu)解析的準(zhǔn)確性,除了光譜特征和二級質(zhì)譜的特征質(zhì)荷比片段,中性丟失、母離子以及特征質(zhì)荷比之間差異的信息也作為分子結(jié)構(gòu)解析的考察點。因此研究不同種類化學(xué)物質(zhì)在不同離子源作用下的裂解規(guī)律非常重要。Guo等[22]采用敞開式電離-四極桿-軌道阱質(zhì)譜法(AI-Q-Orbitrap),根據(jù)酸性化合物的特征子離子和中性丟失的結(jié)構(gòu)信息,對不同酸性化合物的結(jié)構(gòu)相似性和多樣性進行解析。該研究根據(jù)酸性化合物在二級質(zhì)譜高碰撞解離過程中的行為,提出了3種裂解規(guī)律:(1)電荷驅(qū)動下的裂解和CO2的丟失;(2)六元環(huán)重排和Cα-Cβ裂解;(3)消除重排和H2O、CO2和CO的連續(xù)丟失,裂解途徑詳見圖1。結(jié)果表明,AI-Q-Orbitrap方法可用于酒和茶中的單酸、雙酸、多酸和酚酸等多類酸性化合物的高通量篩查與鑒定。

圖1 基于AI-Q-Orbitrap高碰撞解離的去質(zhì)子化檸檬酸的3種裂解途徑[22]

以上裂解規(guī)律的推理和特征質(zhì)荷比片段的分析主要是通過手動管理非目標(biāo)數(shù)據(jù),即刪除重復(fù)特征和化學(xué)噪聲后整理成一個簡明的特征列表,這是一項耗時且容易出錯的工作。DeFelice等[23]設(shè)計了一個Web應(yīng)用程序MS-FLO,工作流程如圖2所示,該程序可作為一種自動程序來識別峰值表中錯誤數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)初始處理后特征列表的正確率,同時利用保留時間校準(zhǔn)、精確的質(zhì)量公差、Pearson相關(guān)分析和峰高相似性來識別離子加合物、重復(fù)峰報告和同位素特征峰。結(jié)果表明,MS-FLO自動質(zhì)譜特征優(yōu)化程序可以提高后續(xù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及非靶標(biāo)篩查的效率。

圖2 質(zhì)譜特征列表優(yōu)化器用于生成和處理非靶向LC-MS代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫的工作流程[23]

2.2 質(zhì)譜預(yù)測

由于現(xiàn)有質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫和篩查模型的限制,在沒有參考標(biāo)準(zhǔn)品的情況下,對未知分子結(jié)構(gòu)的解析仍具有挑戰(zhàn)性。機器學(xué)習(xí)是對大量數(shù)據(jù)進行分析和學(xué)習(xí),從而讓計算機系統(tǒng)自主挖掘數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和相似性,并進行決策和預(yù)測的過程。這種高級算法技術(shù)可以用來監(jiān)管食品安全質(zhì)量,同時為食品質(zhì)量等級的標(biāo)準(zhǔn)制定做出重大貢獻。Gredell等[24]將機器學(xué)習(xí)與快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜法的數(shù)據(jù)相結(jié)合,比較了8種不同的機器學(xué)習(xí)算法對每個模型集的預(yù)測精準(zhǔn)度,包括:(1)具有線性核、徑向核和多項式核的支持向量機,(2)隨機森林,(3)最近鄰算法,(4)線性判別分析,(5)懲罰判別分析,(6)極端梯度提升,(7)邏輯提升,(8)偏最小二乘判別分析。同時生成了預(yù)測模型,并以質(zhì)量等級、生產(chǎn)背景、品種類型和肌肉嫩度的標(biāo)準(zhǔn)對牛肉質(zhì)量進行分類。結(jié)果表明,根據(jù)預(yù)測精準(zhǔn)度評估的最佳機器學(xué)習(xí)算法因不同的牛肉分類標(biāo)準(zhǔn)而有差異,這表明直接用快速蒸發(fā)電離——“一刀切”的方法來判斷肉類質(zhì)量是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。由此可?機器學(xué)習(xí)與MS數(shù)據(jù)相結(jié)合建立的預(yù)測模型補充了食品質(zhì)量分類分級標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 質(zhì)譜樹的3種預(yù)測方法示意圖[25]

3 微型質(zhì)譜儀

微型質(zhì)譜儀在保留完整質(zhì)譜功能的同時,去除了繁瑣的樣品前處理過程,具有更低的功耗特性,也更具有價格優(yōu)勢。為了適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測的便攜性,分析儀器的小型化與AMS分離技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為許多科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注點,讓大多數(shù)樣品在現(xiàn)場電離,更適用于非專業(yè)操作者使用。與實驗室大型質(zhì)譜儀要求的高真空系統(tǒng)相比,微型質(zhì)譜儀既可以耦合非敞開式電離源,也可以耦合敞開式電離源[26]。因此真空系統(tǒng)和大氣壓接口的設(shè)計成為各種類型微型質(zhì)譜儀研制的關(guān)鍵。

Gerbig等[27]使用微型質(zhì)譜儀聯(lián)合3種AMS(電噴霧電離法、解吸電噴霧電離法和低溫等離子體電離法)測定了3種牛奶、5種魚類和2種咖啡的化學(xué)指紋圖譜。研究使用多元統(tǒng)計方法鑒定食品概況,評估了不同的數(shù)據(jù)處理方法獲得的指紋圖譜在食品認(rèn)證中的適用性。結(jié)果表明,微型質(zhì)譜儀-AMS和統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法適用于食品的現(xiàn)場實時分析。Blokland等[28]評估了一些最新的AMS技術(shù)檢測食品污染物(如農(nóng)藥、獸藥和天然毒素)的潛力,目的是在保持質(zhì)譜最佳靈敏度和穩(wěn)健性的同時最小化檢測所需的樣品量。研究將基質(zhì)輔助電離、手持式解吸常壓化學(xué)電離、實時傳輸模式直接分析和涂層葉片噴霧分別耦合到臺式單四極桿、三重四極桿和Q-Orbitrap質(zhì)譜分析儀上。最終基于實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的考慮,微型離子阱或三重四極桿質(zhì)譜將成為未來食品安全快檢領(lǐng)域便攜式質(zhì)譜串聯(lián)的最低要求。

4 總結(jié)與展望

隨著多種MS新技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)庫以及機器預(yù)測范圍的大幅增加,未來研制出具備高分辨分離分析性能、集在線質(zhì)譜耦合技術(shù)與高分辨篩查技術(shù)于一身的微型質(zhì)譜儀十分可能。雖然微型質(zhì)譜儀已在食品安全、消費品安全、公共安全等多個領(lǐng)域取得了很大進展,但仍然存在許多挑戰(zhàn),包括:(a)非均相樣品的采樣與分析;(b)復(fù)雜樣品成分導(dǎo)致的離子抑制影響定量準(zhǔn)確性;(c)大氣壓氣流對質(zhì)譜檢測器造成的真空沖擊;(d)檢測受到溫度、濕度、樣品接觸面積等因素影響較大。以上干擾均可能導(dǎo)致食品風(fēng)險控制中假陽性結(jié)果的出現(xiàn)。因此,研發(fā)新型高選擇性表面功能化改性材料,定向偶聯(lián)到厘米級電離芯片上,實現(xiàn)微型質(zhì)譜儀富集-分離-電離的一體化,可有效消除基質(zhì)干擾,提高原位檢測的準(zhǔn)確性。同時,研制具有穩(wěn)定梯度壓力分布的小型多級真空系統(tǒng)以及低氣壓下的高效離子傳輸與聚焦技術(shù),對實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高靈敏、高分辨率的小型原位裝置十分必要。

作者團隊簡介

張峰首席專家團隊設(shè)在中國檢驗檢疫科學(xué)研究院和國家市場監(jiān)管重點實驗室(食品質(zhì)量與安全)。自2016年以來,團隊得到了迅速發(fā)展。在首席專家的帶領(lǐng)下,研究組聚焦食品中未知有害物的質(zhì)譜偵測技術(shù)開發(fā)、食品實時質(zhì)譜檢測關(guān)鍵元件與技術(shù)開發(fā)、食品組學(xué)風(fēng)險判定技術(shù)開發(fā)及食品安全質(zhì)譜成像技術(shù)開發(fā),承擔(dān)了多項國家級科研項目,并與國內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)機構(gòu)建立了良好的合作關(guān)系。

課題組網(wǎng)站:https://www.caiq.org.cn/spaqyjs/index.shtml

人才隊伍

首席專家:張峰研究員,中國檢驗檢疫科學(xué)研究院副院長;國務(wù)院食品安全委員會專家委員會委員,中國檢驗檢測學(xué)會副會長;國家“高層次人才特殊支持計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才

團隊成員:研究員9人,副研究員5人,助理研究員及研究實習(xí)員14人,在站博士后2人,在讀博士、碩士研究生22人,共計52人

團隊精神:敢于理論創(chuàng)新,勇于技術(shù)突破,保障國家利益

科研項目及成果

科研項目:“十三五”以來,主持歐盟“地平線2020”項目、國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目等25項

科研成果:制定國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30余項,獲得發(fā)明專利授權(quán)30余件,近5年在AnalChem,JAgricFoodChem等期刊發(fā)表文章200余篇,主編著作10余部,獲得國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)2個,獲得軟件著作權(quán)7項

獲獎情況:以第一完成人獲得“國家科技進步獎”二等獎、國家質(zhì)檢總局“科技興檢獎”一等獎、“中國分析測試協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎(CAIA獎)”一等獎、“全國創(chuàng)新爭先獎”(獲獎人:張峰)等30余項獎勵

研究領(lǐng)域

儀器設(shè)備

實驗室面積3 000 m2,擁有質(zhì)譜顯微鏡、三合一高分辨質(zhì)譜儀、環(huán)形離子淌度色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、同位素質(zhì)譜儀、高分辨靜電場軌道阱質(zhì)譜儀、高分辨飛行時間質(zhì)譜儀、三重四極桿質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀、凝膠色譜儀、離子色譜儀等設(shè)備270余臺(套),原值超2億元人民幣