高通量快速檢測技術在食品安全中的應用進展

◎ 楊佳瑋

（南京師范大學，江蘇 南京 210097）

食品是人類維持生存和正常生活所不可缺少的，食品安全直接關系人類的身體健康。隨著經濟全球化和貿易自由化的深入發展，食品安全更是上升為飽受廣泛關注的全球性問題。因此，食品安全一方面直接聯系著廣大群眾的自身利益，另一方面也關系著我國的經濟、政治、社會、國際貿易以及在國際市場中的競爭力等。食品安全是指在食品生產、加工、運輸、消費等各過程中均應保證安全[1]，符合國家制定的要求和標準，不允許存在有毒有害物質。然而，一些黑心商家為獲得最大利益，采取了許多不道德的手段降低成本，造成近年來我國食品安全事件頻發。在這種背景下，先進健全的食品安全檢測技術在食品監管中正發揮著越來越重要的作用。

食品是一個復雜的混合物體系，其中的有害物質往往具有類型多樣、來源廣泛、數量痕微等特征，使得常規檢測方法和普通儀器分析都難以得到滿意的檢測結果，這給食品安全檢測帶來了巨大挑戰。質譜技術是生化領域多組分分析中常用的技術，其高靈敏度、高通量、快速等特點使其在目前眾多食品分析方法中占據了重要地位[2]。在食品安全檢測中，應用最廣、最具說服有力的分析方法是色譜-質譜聯用技術[3]。

隨著近年儀器分析技術飛速發展，高分辨質譜技術得到了極大進步，在檢測食品中的食品添加劑、獸藥、農藥殘留、摻雜摻假及生物毒素等方面發揮著舉足輕重的作用。本文主要就近年來高分辨質譜技術中的飛行時間質譜和靜電場軌道質譜的原理和發展及其在食品安全檢測中的應用進展進行綜述。

1 高通量快速檢測技術

高分辨質譜是目前食品檢測中的一種高通量快速檢測技術[4]，根據質量分析器的差異，可分為飛行時間質譜（time-of-flight mass spectrometry）、靜電場軌道質譜（orbitrap mass spectrometry）、磁質譜（magnetic sector）和傅立葉變換離子回旋共振質譜（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry）。其分辨率不低于10 000，質量準確度小于5mg/L，可對未知物進行準確篩查[5]。

對篩查出來的目標物，高分辨質譜能多級掃描，結合譜庫檢索，再與二級質譜圖進行比對，可確證化合物[4]。此外，高分辨質譜不需標準物即可對分析物測定條件逐一優化；可有效區分混合物，大大降低前處理的復雜度，與其他檢測器相比，對色譜分離要求更低，可同時對數百種化合物進行分析[4]，從而實現了高通量檢測。

1.1 飛行時間質譜技術

質荷比不同的離子以相同動能在恒定電場中運動時，通過相同距離所需的時間是不同的。飛行時間質譜利用了這一原理，從而實現了對物質成分或結構的鑒定[6]。在恒定電場中運動時，質量輕的離子飛行速率快，相反質量重的離子飛行速率慢。這樣，由于飛行時間不同，它們將會先后到達檢測器產生不同信號[6]。飛行時間質譜的分辨率、靈敏度及離子化程度決定了其在分析領域可以應用的程度，伴隨著分辨率、靈敏度及離子化程度不斷革新，飛行時間質譜也變得日漸成熟，應用愈發廣泛。

Stenphens于1946年首次提出飛行時間質譜的概念，Groudsmit于1948年提出并于1951年首次制造完成虛擬的飛行時間質譜。但在初始階段由于技術限制，TOF-MS分辨率極低。后來，隨著雙柵極結構、延遲引進技術、脈沖場聚焦及離子鏡等技術的出現和使用，TOF-MS技術的分辨率得以提高[6]。20世紀70年代中期，由于TOF-MS激光離子化技術的革新，世界上第一臺激光探針質譜分析器誕生了。軟電離技術的引入又極大拓寬了TOF-MS技術的應用范圍。Fenn提出的ESI技術和Tanaka及Hillenkanmp提出的MALDI技術是最近幾年最成功的離子化技術研發成果[6]。

1.2 靜電場軌道質譜技術

軌道阱質量分析器在早期Kindon阱基礎上發展而來，離子可在阱內直接產生，或從阱外產生后垂直于絲點極方向被引入阱內，離子在阱內特定軌道上做圍繞電極的旋轉運動，端蓋電極上產生的電壓使離子在軸向保持穩定；1981年，Knight重新設計了Kingdon阱的形狀，除了徑向的對數項，增加了軸向的四極項[7]。Knight阱被用于監測脈沖激光消融的離子。也有其他人對Kingdon阱進行了改裝。俄國科學家Makarov在這一技術上作出突破性貢獻，發明了最成熟的質量分析器，即軌道阱。其中離子的運動頻率與離子能量無關，所以軌道阱具有高分辨和高準確度的特點。目前，軌道阱質量分析器已成功商品化，也出現了多款基于軌道阱的質譜儀器[8]。

2 高通量檢測技術在食品檢測中的應用

2.1 在食品殘余農獸藥檢測中的應用

獸藥殘留的檢測基質主要是動物源食品，如肉、內臟、奶、毛發等。水果和蔬菜是常見的農藥殘留檢測基質。高通量檢測技術的應用，大大提高了篩查效率和準確率。Abdallah等用QuEChERS（quick、easy、cheap、effective、rugged、safe）法在動物組織中建立了在半小時內測定出22種磺胺類藥物及其代謝產物的線性離子阱-靜電場軌道阱（LTQ-Orbitrap）方法。Gómez-Pérez等分析了肉源、魚源、植物源的嬰兒食品，改良創造了新型Orbitrap法，達到了能測定多種農藥、獸藥殘留的目的，在14 min內即可完成對300 種化合物的測定，具有極大的優越性。Alder等同樣用QuEChERS法對茶、面粉、黃瓜、檸檬、葡萄干等進行分析，發現了同時測定580種農藥及其代謝物的orbitrap法，分析時間35 min。

2.2 在食品生物毒素檢測中的應用

生物毒素包括植物毒素、真菌毒素和海洋生物毒素。食品中常混有多種毒素污染，因此同時檢測多種毒素是近年的研究發展趨勢。黎永樂等建立了食用油中黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2的LTQ-Orbitrap測定方法，該方法檢出限低于國家標準，靈敏度高，且高分辨質譜的應用降低了檢測過程中的干擾，結果準確度好。Sirhan等建立了LC-ESI-Q-TOF-MS方法，能對小麥、玉米、花生等易受黃曲霉污染的食品中的4種黃曲霉毒素進行檢測，其最低定量限為0.8μg/kg。鄭翠梅建立了全面研究糧油原料中真菌毒素污染情況的方法；其運用了固相萃取技術結合LC-Q-TOF-MS技術，實現了對小麥、玉米中黃曲霉毒素、伏馬毒素等5類13種重要真菌毒素的快速篩查和確證檢測。

2.3 在食品非法添加劑檢測中的應用

食品添加劑作為國家允許添加于食品中用于改善食品某些方面品質以滿足廣大群眾需求的化合物，其使用必須符合國家安全標準。然而，濫用食品添加劑仍是近幾年來國內市場面臨的一大難題，因此對食品中非法添加劑的快速篩查是必不可少的。陳馳基于LC-TOF-MS技術，創建了食品中多種非法添加著色劑的篩查數據庫。趙延勝建立的HPLC-Q/TOF-MS方法實現了有效篩查奶酪中29種非法添加合成色素的目的。張東雷等發明了檢測肉類食品中10種非食用堿性工業染料的UFLC-IT-TOF-MS方法。近年有不法商家將工業用塑化劑鄰苯二甲酸酯作為食品添加劑加入食品。鄰苯二甲酸酯主要被這些不法分子用作起云劑，以期改善飲料的顏色、香味和口感，蒙騙消費者。通過LTQ-Orbitrap組合式高分辨質譜，王曉兵等建立了食品材料中11種鄰苯二甲酸酯的檢測確證方法。在結合DART的情況下，Self等運用ExactiveOrbitrap質譜技術，完成了鄰苯二甲酸酯類化合物的多項快速檢測。

3 結語與展望

對復雜的食品體系中痕量有害物的高通量檢測是一項極具挑戰的課題。TOF-MS技術具有高分辨率、高準確度和高靈敏度，在食品有害殘留物的檢測中具有突出優勢，可以預見將會成為食品分析中的熱點研究方向[8]；Orbitrap技術對于復雜體系中目標物的檢測具有良好效果，但還需要強大的軟件工具和物質質譜圖數據庫的支撐。