飛行時間質譜技術及其在食品安全檢測中的應用

吳煒亮 李曉明 朱文亮 龍順榮 崔海萍 黃翠莉（1.國家食品質量監督檢驗中心（廣東），廣東 佛山 528300；2.廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300）

在食品生產加工過程中產生的或來自于食品包裝材料的食品污染物及其殘留，如農藥殘留、獸藥殘留、違法添加的非食用物質及有機污染物等，對食品質量安全產生嚴重的威脅。食品基質的復雜性及食品污染物種類的多樣性，也對食品檢測技術提出了更高的要求。

由于具有高靈敏度檢測，快速、高通量分析以及專一的結構信息等特點，質譜技術在目前眾多的分析方法中占據了獨特、重要的地位［1］。飛行時間質譜技術（TOF—MS）作為擁有獨特性能的質譜分析系統已廣泛應用于食品安全領域，該技術可以高通量快速篩查食品中可能影響食品質量安全的化學物質，如食品添加劑、污染物、違法添加的非食用物質、農藥殘留及獸藥殘留等［2，3］。為了使TOF—MS技術可在食品安全檢測領域發揮更大的作用，文章主要對TOF—MS技術的原理、分類及應用進行綜述，旨在為相關的檢測研究工作提供參考。

1 TOF—MS技術

1.1 TOF—MS技術的原理

從分析化學的角度敘述，對于已知化合物，質譜可以對其進行鑒定和檢測；對于未知化合物，質譜可以獲知其分子質量、元素組成式及推斷其結構；對于復雜體系中的痕量物質，可以對其進行定量分析。TOF—MS技術通過質荷比不同的離子在動能相同的情況下于恒定電場運動，經過相同的距離而所需的時間不同的原理，對物質成分或結構進行測定。經典的飛行時間質譜主要由離子源、圓筒式飛行管、檢測器和記錄系統4個部分構成［1，4－6］。

根據離子運動的動能來自加速電壓，可得到

式中：

m/e——離子質荷比；

V——加速電壓，kV；

t——離子的飛行時間，μs；

s——離子的飛行距離，cm。

式（1）表明，離子質荷比與時間的平方成正比，因此測定離子的飛行時間后，即可得到其質荷比。在檢測時，較輕的離子具有較高的速率，而較重的離子速率較小，它們先后達到檢測器產生信號。通常，離子的飛行時間為微秒數量級。

1.2 TOF技術的發展

TOF—MS在分析領域的應用由其分辨率、靈敏度及離子化技術決定，而其各階段的技術改進伴隨著分辨率、靈敏度的提高及離子化技術的革新。TOF—MS的概念由Stephens于1946年提出，而Goudsmit則于1948年提出了在恒定磁場中引入加速離子的虛擬TOF—MS，離子在此條件下，其螺旋形軌跡角速度與離子初速度及釋放角度無關，從而降低了離子不同的初始位置及能量對分析準確度的干擾，此虛擬TOF—MS最終于1951年制造完成［7］。由于電子技術及儀器設計的落后，早期的TOF—MS并未能保證飛行區中離子初始條件的一致性，而造成了離子之間位置、時間、初動能的差異，使得質譜峰擴寬。初始階段的TOF—MS其分辨率不到100。

隨著雙柵級結構、延遲引出技術、脈沖場聚焦及離子鏡等技術的使用，TOF—MS的分辨率得到了較大的改善，如Wolff和Stephens于1953年制造出首臺應用脈沖離子引出技術的TOF—MS；Wiley和 McLaren采用了新型二級離子槍以增強離子的聚焦，同時還將標志性的離子延遲聚焦技術應用于TOF—MS分辨能力的改善，此項技術最終于1956年由 Bendix公司商業化［1，4，5，7］。

TOF—MS的離子化技術于20世紀60年代開始不斷發展，在此期間一系列光學電離源應用于TOF—MS以實現分析物的離子化，如氙脈沖管等［8］；70年代中期，隨著TOF—MS激光離子化技術的巨大進步，促進了激光微探針質譜分析器的誕生。軟電離技術的引入使得TOF—MS的應用得到了顯著的拓寬，使其適用于低揮發性分析物的分析，如生物大分子，其中由 Macfarlane研發的californium－252PD是首款成功用于分析生物大分子的軟電離技術［9］。近年最成功的離子化技術研發成果，無疑是由Fenn提出的ESI技術及Tanaka與Hillenkamp提出的MALDI技術，這兩種電離技術使TOF—MS的應用得到幾何級數的增長［7］。時至今日，TOF—MS技術的應用更為活躍，已廣泛應用于食品科學、生命科學、分析化學、表面科學、原子物理學及工藝過程監控等諸多領域，用于研究基因組及蛋白組學、反應動力學、材料表面成分或物理化學變化過程。

1.3 TOF—MS的分類

質譜及色譜均有各自的優勢，將兩者揉合為一套分析系統，可獲得最佳的分析手段。根據連接的色譜或光譜對TOF—MS進行分類，可將其分為液相色譜—飛行時間質譜（LC—TOF—MS）、氣相色譜—飛行時間質譜（GC—TOF—MS）、全二維氣相色譜—飛行時間質譜（GC×GC—TOF—MS）、電感耦合等離子體直角時間飛行質譜儀（ICP—oa—TOF—MS）等［10］。將LC和 MS進行連接，接口技術是關鍵。根據接口及離子化技術的不同，TOF—MS主要可分為電噴霧離子源（ESI）和TOF—MS組成的ESI—TOF—MS，大氣壓化學電離源（APCI）和TOF—MS組成的 APCI—TOF—MS、大氣壓光致電離源（APPI）和TOF—MS組成的APPI—TOF—MS及基質輔助激光解析（MALDI）和TOF—MS組成的MALDI—TOF—MS。將質譜進行串聯可實現多級質譜分析，是20世紀70年代末興起的質譜技術，根據串聯質譜的不同對TOF—MS進行分類，主要有四極桿質譜（quadruple MS）和TOF—MS組成的Q—TOF—MS，離子阱質譜（IT）和TOF—MS組成的IT—TOF—MS［10］。

2 TOF—MS在食品質量安全檢測中的應用

2.1 食品添加劑

食品添加劑是國家允許使用于食品以改善食品品質的各種化合物，其在中國食品中的使用量需嚴格執行GB 2760—2011《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》的規定，但食品添加劑的濫用仍是目前影響食品質量安全的重要因素之一，因此對食品中是否存在濫用添加劑進行快速篩查確證顯得尤為重要。陳馳［3］基于LC—TOF—MS建立了食品中多種非法添加的著色劑及易濫用的食品著色劑的篩查方法并構建了相應的篩查數據庫。趙延勝等［11］建立的HPLC—Q/TOF—MS方法在篩查奶酪中29種非法添加和限用的合成色素時，具有篩查范圍廣泛，對含有蛋白質、脂肪等基質的食品具有較好的適用性等優點。對于GB 2760—2011中常用的食品添加劑，液相色譜或氣相色譜已可滿足對其是否規范使用的日常檢測要求，而對某一類食品添加劑進行檢測或篩查時，使用TOF—MS等質譜技術則具有快速、篩查范圍廣及靈敏度高等優點。

2.2 食品污染物

王敏等［12，13］建立了LC—IT—TOF—MS分析方法用于同時檢測肉制品中14種雜環胺的殘留量，并在此方法的基礎上開發了同時測定葡萄酒中14種雜環胺的方法。兩種方法分析時間短，可在食品安全檢測過程中對雜環胺進行快速篩查。Dasgupta等［14］則建立了檢測葡萄及葡萄酒中12種多氯聯苯、12種多環芳烴及雙酚A等持久性環境污染物的GC×GC—TOF—MS分析方法，可對檢測對象進行很好地分離，降低了低殘留濃度下出現假陰性結果的可能性。食用油脂在精煉過程中可能產生3－氯－1，2－丙二醇酯及縮水甘油酯等有機污染物，一般使用間接法對此兩種污染物進行檢測，但易產生不一致的檢測結果，而 Haines等［15，16］建立的LC—TOF—MS法可直接對食用油脂中的3－氯－1，2－丙二醇酯及縮水甘油酯進行檢測，其高分辨率可大大降低雜質的干擾，從而提高了檢測食用油脂中污染物的靈敏度。Ha等［17］建立了檢測肉制品及部分氫化食用油中兩種反式油酸（18∶1trans－11及18∶1trans－9）的 GC×GC—TOF—MS方法，可完全區分上述兩種反式脂肪酸的色譜峰，從而得出兩者之間的比值，用于判別反式脂肪酸的來源。

2.3 違法添加的非食用物質

在食品生產加工過程中，常需要添加各種食品添加劑以改善食品的各種性質及品質，但某些不法食品生產企業為了降低生產成本，在加工過程中使用工業加工助劑或非食用物質（如工業染料、工業火堿等）替代食品添加劑，嚴重影響食品的安全性，威脅消費者的健康。由于工業中使用的加工助劑種類眾多，給快速篩查及鑒定食品中是否添加某種加工助劑的檢測工作帶來一定的困難，開發基于TOF—MS技術的快速篩查方法可有效解決此難題。

在中國，張東雷等［18］建立了同時檢測肉制品中10種違法添加的非食用堿性工業染料的UFLC—IT—TOF—MS檢測方法。郝紅元等［19］使用IT—TOF—MS對禽肉中的非法添加物羅丹明B進行檢測，并對其進行了多級質譜分析。林慧等［20］利用Q—TOF—MS檢測可能違法添加于牛肉中的工業染料剛果紅，為牛肉及其他肉制品中剛果紅的定性、定量分析提供了良好的解決方案。除了肉制品中常出現違法添加非食用物質的現象外，調味料及乳制品也是非食用物質添加的重災區，因此TOF—MS也常被用于此兩類食品的安全檢測，如黃麗英等［21］建立了適用于檢測辣椒醬、干辣椒、花椒等醬類和香辛料類中9種酸性工業染料的LC—IT—TOF—MS通用方法；趙延勝等［22，23］建立了人造奶油中蘇丹紅類染料化合物的LC—Q—TOF—MS檢測方法，并進一步研究了奶酪中29種禁用和限用合成色素的方法。兩種方法對含有蛋白質、脂肪等基質的食品具有較好的適用性。此外，工業染料還被用于水果表皮的染色，以達到色澤鮮艷的目的，胡莉等［24］為此使用UPLC—DAD—IT—TOF—MS對染色水果中的未知染色劑進行定性分析，為食品中使用工業染料的定性提供了一個有效的思路和方法。

在國外，Calbiani等［25］對紅辣椒食品建立了精確檢測其中可能添加4種蘇丹紅染色劑的Micro LC—Q—TOF—MS方法，而Rebane等［26］則綜述了檢測食品中蘇丹紅染色劑的各種檢測方法，并比較了 Micro LC—ESI—Q—TOF—MS檢測方法在內的各種方法的最低檢出限，得出TOF—MS技術具有更高的靈敏度及分辨率。此外，Soltzberg等［27］利用MALDI—TOF—MS鑒定了不同種類的顏料和染料，而Djelal等［28］則使用TOF—MS技術分析了食品中違法添加染料的氧化中間產物。

與國外的研究相比較，中國的研究主要集中在開發與建立對食品中違法添加的非食用物質的TOF—MS快速檢測與篩查，而國外在研究開發方法的同時還利用TOF—MS技術分析染料在加工過程中產生的中間產物。

2.4 農藥殘留

在農作物種植過程中，為減少其病蟲害，可科學地使用相關農藥，但是由于中國對農藥的使用未進行嚴格管理，而導致出現使用違禁農藥或濫用農藥的現象，這使得初級農產品或以初級農產品為原料制造的預包裝食品中農藥殘留量過高而成為潛在的食品安全危害。因此，當今對食品農藥殘留的檢測越來越受到重視。然而，中國GB 2763—2012《食品安全國家標準食品中農藥最大殘留限量》規定了322種允許使用的農藥在不同農作物中的最大殘留量，為農作物或預包裝食品中多種農藥殘留的定性篩查技術提出了較高的要求，而TOF—MS技術的高分辨率及高靈敏度，則可很好地滿足快速定性篩查食品中多種農藥殘留的要求。

姚勁挺等［29］使用IT—TOF—MS對大米和菠菜樣品中的19種農藥殘留進行定性分析，并通過軟件譜圖對比功能對19種農藥進行了鑒定，發現TOF—MS的多級質譜圖有效提高了分子式預測結果的準確性；孫碧霞等［30］則利用LC—IT—TOF—MS建立了快速篩查蔬菜中可能殘留的188種農藥的方法，方法檢出限為0.02～5.50μg/kg。

國外使用TOF—MS對食品中農藥殘留的檢測研究開展得更為系統和成熟。Cervera等［31］對GC—TOF—MS用于定量分析農藥殘留的能力進行了評估，并建立了一種多級分析方法用于快速掃描水果及蔬菜中的農藥殘留，此方法可以對分析對象進行檢測、鑒別及定量；Cajka等［32］使用程序升溫蒸發進樣串聯低壓氣相色譜—高分辨飛行質譜儀（PTV—LP—GC—HR—TOF—MS）開發了一種用于檢測水果基嬰兒食品中農藥殘留的質譜方法，除個別農藥殘留外，此方法的檢出限可達到歐盟對谷物食品及嬰兒食品規定的農藥最大殘留量。由于經過深加工，以農作物為原料的預包裝食品中的農藥殘留較初級農產品會大大降低，而相對于檢測方法的靈敏度則需進一步提高，而TOF—MS技術可完全滿足此方面的需求。如Ferrer等［33］針對預包裝食品（橄欖油）中的除草劑建立了相關的LC—IT—TOF—MS檢測方法，并同時獲得碎片的精確質量數和特征同位素分布，從而有助于檢測食品中微量的農藥殘留；Sobhanzadeh等［34］建立了一種高效富集及純化棕櫚油中多種農藥殘留的前處理方法，并使用LC—TOF—MS對其進行定量檢測。此外，國外還利用TOF—MS技術開展針對食品及飲用水中農殘分解產物的研究［35］及大米種植區域內地表水與土壤中包括農藥殘留在內的多種有機污染物的檢測［36］。

2.5 獸藥殘留

與植物源食品中農藥殘留相比較，動物源食品則存在使用獸藥后蓄積或存留于畜禽機體或產品（蛋奶制品及肉制品）中的原型藥物或其代謝產物［37］。隨著人們對動物源食品由需求型向質量型的轉變，動物源食品中的獸藥殘留已逐漸成為全世界關注的焦點之一。由于多種獸藥可在動物源食品的養殖及生產過程中使用，從而要求檢測動物源食品中獸藥殘留的技術從單一化合物的檢測向多種不同化合物的同時定性和定量分析發展［38－40］。集高靈敏度、高分辨率及精確分子量測定等優勢于一身的TOF—MS技術，極大地提升了對動物源食品中痕量獸藥殘留的定性、定量能力［37－40］。

嚴麗娟等［41］利用UPLC—Q—TOF—MS與獸藥殘留數據庫相結合，建立了乳制品中20種鎮靜劑的高通量篩查方法。張曉波等［42］針對嬰幼兒配方乳粉中可能殘留的12種雌孕激素建立了UFLC—IT—TOF—MS測定方法，方法采用負離子模式對雌激素進行分析，正離子模式對孕激素進行分析。王美玲等［43］針對保健食品中的雌激素、雄激素、糖皮質激素和二羥基苯甲酸內酯類藥物等21種激素成分，使用HPLC—IT—TOF—MS的精確質量數匹配及自建標準譜庫檢索對其進行檢測分析。

國外開展利用TOF—MS檢測食品中獸藥殘留的有關研究較中國早，Kaufmann等［44］使用液—液—固萃取技術純化、富集肉制品中的極性、中極性及非極性獸藥殘留后，使用UPLC—TOF—MS方法對其進行同時定量檢測，方法可對超過100種的不同種類獸藥殘留進行篩查。Peters等［45］則建立了可用于檢測蛋、魚及肉等3種動物源食品中100種獸藥殘留的HRLC—TOF—MS篩查方法。牛奶是受世界各國消費者青睞的動物源食品，由于養殖過程中奶牛服用的獸藥可能通過代謝途徑而殘留于生奶中，因此牛奶中的獸藥殘留檢測是檢測技術研究的重點之一，Ortelli等［46］利用UPLC—TOF—MS對牛奶中可能殘留的150種獸藥進行快速掃描，而 Romero－Gonzáleza等［47］則對比了軌道阱質譜、Q—TOF—MS及三重四極桿質譜等高分辨率質譜用于快速掃描篩查牛奶中獸藥殘留的性能。

2.6 真菌毒素

真菌毒素是一類由絲狀真菌在適宜的環境條件下產生的次級有毒代謝產物，被認為是較合成污染物、植物毒素、食品添加劑或農藥殘留更重要的食源性風險因子，目前已確認化學結構的真菌毒素多達400多種，若建立檢測方法快速掃描食品中可能存在的微量真菌毒素則有助于保障食品的質量安全。

鄭翠梅［48］應用固相萃取技術結合LC—Q—TOF—MS技術，建立了小麥和玉米中單端孢霉烯族毒素、黃曲霉毒素、伏馬毒素、赭曲霉毒素A和玉米赤霉烯酮5類13種重要真菌毒素的快速篩查和確證檢測方法，該方法可為全面了解糧食中真菌毒素的污染狀況提供可靠的技術支持；Sirhan等［49］建立的LC—ESI—Q—TOF—MS方法則可對易受黃曲霉污染的5種食品（大麥、小麥、玉米、花生及花生醬等）中的4種黃曲霉毒素進行檢測，其最低定量限為0.8μg/kg；Luo Xiaohu等［50］則利用TOF—MS技術解析黃曲霉毒素B1在臭氧水中的降解產物結構及其毒性。

3 展望

近年來，中國的食品質量與安全已成為公眾關注的焦點之一，各種檢測手段應用于食品安全領域，以保障食品質量安全及消費者健康。然而，食品基質的復雜性及食品污染物種類的多樣性為檢測技術提出了更為嚴苛的要求，因此高效的檢測技術需進一步研發，并將其應用于食品中已知及未知成分的分析。質譜技術作為一種高端檢測技術具有較高的定性、定量分析選擇性，從而有利于縮短樣品的前處理過程，TOF—MS技術因具有高靈敏度及高分辨率的特點已在食品安全領域得到廣泛的應用，如檢測食品添加劑、食品污染物、違法添加的非食用物質、農藥殘留、獸藥殘留及真菌毒素等危害因素。

然而，TOF—MS技術并不能僅局限于在上述的范圍內應用，應在更多層面上發揮其作用，如TOF—MS可應用于確證食品危害因素在體內的代謝產物結構，并對其毒性構效關系進行研究，有利于豐富食品風險評估的內容；將TOF—MS應用于食品生產加工過程中，以監測其中可能產生的痕量污染物，有助于企業改進生產工藝以控制污染物的生成而達到保障食品安全的目的；TOF—MS技術對食品相關產品向食品遷移的危害因子進行快速篩查，有利于詳盡了解食品相關產品中易遷移至食品的危害因子的特性，有助于及時預警；將TOF—MS作為一種手段應用于蛋白質結構的鑒定，可有效了解食品中過敏原蛋白的構象，為獲得消除過敏原蛋白活性的途徑提供參考；在保健食品領域，TOF—MS技術可用于對其中的有效成分進行結構鑒定，以防止保健食品中摻假行為的發生。

雖然TOF—MS技術在諸多食品安全檢測方面已顯現優勢，但是在復雜的食品樣品中檢測未知或非目標物質對TOF—MS分析來說仍然是一個挑戰，而食品中化學污染物及成分數據庫的建立可為篩查提供有效的幫助。綜上所述，高級質譜技術，尤其是TOF—MS，已成為分析食品中的化學污染物或生物成分必不可少的手段。

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