常壓離子化質(zhì)譜技術(shù)及其在食品檢測中的應(yīng)用研究進展

賀志喬，韓巖君，賈婧怡

（1.濱州市檢驗檢測中心，山東 濱州 256600；2.國家食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗中心，北京 100094）

新時代社會經(jīng)濟快速發(fā)展，食品工業(yè)也隨之發(fā)生變化：食品原料、加工工藝日益復(fù)雜，食品種類不斷增加，帶來新的食品檢測及監(jiān)管挑戰(zhàn)[1]。食品安全事關(guān)人民生活和健康，也影響社會和經(jīng)濟發(fā)展[2]。提升食品安全監(jiān)管能力，提高檢驗檢測技術(shù)水平是保障食品安全的重要保證[3]。食品安全領(lǐng)域常用的檢測技術(shù)有生物技術(shù)、色譜技術(shù)、光譜技術(shù)及質(zhì)譜技術(shù)等[4]。質(zhì)譜技術(shù)尤其是色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，其重要性也日益凸顯[5-6]。其中，常壓離子化質(zhì)譜技術(shù)近年來發(fā)展迅速，以其前處理過程簡單、可直接分析樣品等優(yōu)勢在食品檢測領(lǐng)域中引起關(guān)注。本文針對常壓離子化質(zhì)譜技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用進行梳理、概述，以期為相關(guān)研究及食品檢測提供參考。

1 質(zhì)譜法概述

1.1 質(zhì)譜分析

質(zhì)譜（mass spectrometry，MS）技術(shù)以其分析速度快、特異性強、靈敏度高等特點，在食品安全領(lǐng)域得到有效應(yīng)用[7-12]。質(zhì)譜分析法采用質(zhì)譜儀對待測物離子的質(zhì)荷比（m/z）進行測定從而進行分析。基本原理為樣品中組分在離子源中被離子化，生成質(zhì)荷比不同的帶電離子，因不同離子在電磁場中的運行差異實現(xiàn)分離和分析，得到質(zhì)譜圖，獲得待測物的相對分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)信息，實現(xiàn)定性和定量分析[9，13]。

1.2 質(zhì)譜離子源的發(fā)展

質(zhì)譜儀一般由進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器和檢測器組成，核心部件是離子源，其常被稱為質(zhì)譜儀的“心臟”。離子源的迅猛發(fā)展和革新推動著質(zhì)譜技術(shù)跨越式的發(fā)展[10-11]。從1886年Goldstein通過低壓放電試驗發(fā)現(xiàn)正電荷離子；1898年Wen發(fā)現(xiàn)正電荷粒子束在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)；1910年現(xiàn)代質(zhì)譜學(xué)之父Thomson制成第一臺質(zhì)譜儀；到1920年Aston引入“質(zhì)譜”術(shù)語，奠定了質(zhì)譜發(fā)展的基礎(chǔ)。最初的質(zhì)譜技術(shù)僅能分析無機元素及同位素。20世紀初，電子離子化源（electron ionization，EI）為有機化合物的質(zhì)譜分析提供了可能，EI源是一種“硬電離”源，用高能量的電子束直接轟擊待測物分子，產(chǎn)生碎片離子，其需要嚴格的真空條件。1942年第一臺商品質(zhì)譜儀問世。1966年Munson和Field在EI源基礎(chǔ)上進行改進，提出化學(xué)電離源（chemical ionization，CI），CI源開啟了質(zhì)譜“軟電離”革命，不再是待測物分子與電子直接作用，其采用電子束與反應(yīng)氣發(fā)生作用使之電離，然后反應(yīng)氣離子再與待測物分子進行反應(yīng)，生成準(zhǔn)分子離子。CI源較EI源更易控制離子化反應(yīng)，得到較多化合物分子量信息。20世紀60年代和70年代，四極桿質(zhì)譜儀和三重四極桿質(zhì)譜儀相繼問世。1974年Horning等發(fā)明了大氣壓化學(xué)電離源（atmospheric pressure chemical ionization，APCI）。1987年，田中耕一等發(fā)明了基質(zhì)輔助激光解析電離源（matrix assisted laser desorption ionization，MALDI）；1988 年，F(xiàn)enn 建立電噴霧電離源（electrospray ionization，ESI），實現(xiàn)了生物大分子的質(zhì)譜分析，兩人共同獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎[8，11，13-14]。質(zhì)譜離子化技術(shù)的發(fā)展使得質(zhì)譜分析得到更加廣泛的應(yīng)用。

2 常壓離子化質(zhì)譜技術(shù)

食品檢測中的樣品往往基質(zhì)復(fù)雜，即樣品中待測物之外的所有其他組分及溶劑的組成復(fù)雜。復(fù)雜的基質(zhì)干擾待測物的分析，易造成儀器污染，影響測定結(jié)果準(zhǔn)確性，產(chǎn)生基質(zhì)效應(yīng)。因此，對樣品進行“凈化”前處理尤為必要。通常傳統(tǒng)質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用前的樣品前處理比較復(fù)雜，耗時費力，也會造成樣品一定程度的損失[14]。傳統(tǒng)離子化質(zhì)譜技術(shù)需要高真空封閉環(huán)境，樣品前處理復(fù)雜繁瑣，應(yīng)用領(lǐng)域有限。因此，減少復(fù)雜基質(zhì)樣品的預(yù)處理，實現(xiàn)快速、無損的常壓環(huán)境下直接分析技術(shù)，是食品檢測領(lǐng)域質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用的研究熱點和方向。

2.1 常壓離子化技術(shù)的發(fā)展

常壓離子化（ambient ionization，AI）技術(shù)，又稱為敞開式離子化技術(shù)，其特點是在大氣壓環(huán)境下，無需或者只需極少的樣品前處理過程，可對樣品直接進行解吸附和離子化，從而提供快速、實時、表面、原位、非破壞、高通量的分析，實現(xiàn)直接分析復(fù)雜基質(zhì)樣品，原位分析生物組織樣本，快速分析物體表面等。

2004年Takáts等[15]以ESI源為基礎(chǔ)研發(fā)的解吸附電噴霧離子化（desorption electrospray ionization，DESI），和2005年Cody等[16]以APCI源為基礎(chǔ)研發(fā)的實時直接分析離子化（direct analysis in real time-mass spectrometry，DART），被認為是常壓離子化質(zhì)譜技術(shù)的研發(fā)開端[9，17-18]。此后，關(guān)于常壓敞開式離子源的研究迅猛發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計該類離子源已有40余種[10-11]。這些常壓離子化技術(shù)基本上都是在DESI和DART的基礎(chǔ)上建立的，林子青[13]歸納總結(jié)了大部分常壓離子化源的種類名稱、英文縮寫和發(fā)表年份。

2.2 常壓離子化技術(shù)的基本原理與分類

常壓離子化的關(guān)鍵步驟為解吸附和離子化。解吸附有動量轉(zhuǎn)移解吸附（momenturn desorption，MD），以液滴濺射、氣流為載體；瞬時能量激活（energy-sudden activation，EA），采用激光解吸附；熱脫附（thermal desorption，TD），載體為加熱的氣體。離子化過程包括電噴霧離子化（ESI）、化學(xué)電離（CI）、光致電離（photoionization，PI）等[12-13]。組合不同的解吸附和離子化方式，形成各具特色的常壓離子源，據(jù)此將各種常壓離子化方式進行綜合分類。

按離子化機理分類，常壓離子源主要分為電噴霧電離（ESI）和大氣壓化學(xué)電離（APCI）兩大種類。采用ESI為機理的常壓離子化技術(shù)，解吸附原理包括激光（laser）和動量轉(zhuǎn)移（MD），離子形成過程包括“溶劑蒸發(fā)”、“庫倫爆炸”等；代表離子源有解吸附電噴霧離子化（DESI）、電噴霧輔助激光剝蝕離子化（electrospray laser desorption/ionization，ELDI）、電噴霧萃取離子化（extractive electrospray ionization，EESI）等。采用 APCI為機理的離子化技術(shù)，包括光致電離（PI）、離子蒸發(fā)（ion evaporation，IE）、等離子體（plasma）和電暈放電（corona）等電離方法和“質(zhì)子轉(zhuǎn)移”、“電子轉(zhuǎn)移”等離子分子反應(yīng)；代表離子源有實時直接分析、大氣壓固體探針（ambient solid analysis probe，ASAP）、介質(zhì)阻擋放電離子化（dielectric barrier discharge ionization，DBDI）等[8，11，13]。

栗則等[7]將敞開式離子源按照離子化過程和機理分為直接電離常壓離子源（direct ionization ambient mass spectrometry ionization sources）、直接解吸電離常壓離子源（direct desroption ionization ambient mass spectrometry ionization sources）和解吸后電離常壓離子源（desorption and ionization ambient mass spectrometry ionization sources）。直接電離離子源為樣品直接進入強電場而被電離，是在ESI源基礎(chǔ)上發(fā)展而來，如直接電噴霧探針（direct electrospray probe，DEP）、探針電噴霧電離（probe electrospray ionization，PESI）；直接解吸電離源為同時解吸附和電離，典型代表為DESI源、DBDI源；解吸后電離源為先解吸附再進行電離，代表離子源有 EESI、ASAP、DART 等。

宋慶浩等[17]、張佳玲等[18]將常壓直接質(zhì)譜離子化技術(shù)分為3類：基于噴射裝置的常壓直接離子化技術(shù)，如解吸常壓光離子化（desorption atmospheric pressure photoionization，DAPPI）；基于放電的常壓直接離子化技術(shù)，包括DBDI、ASAP等，以及基于氣體、熱能或激光輔助解吸的常壓直接離子化技術(shù)，表面解吸和電離過程相分離，如ELDI。

張逸寒等[19]按照常壓離子化技術(shù)發(fā)展歷程將其劃分為3個階段。第一階段為直接電離，以光、電、熱等某種能量直接將待測物分子電離，或電離產(chǎn)生的初級離子在同一區(qū)域?qū)⒋郎y物分子電離。第二階段為直接解吸/電離，初級反應(yīng)離子將待測物分子解吸并發(fā)生反應(yīng)而生成待測物分子離子，待測物分子的解吸和電離同時發(fā)生。第三階段為輔助解吸/電離，產(chǎn)生初級反應(yīng)離子的同時，待測物分子被光照、液滴、加熱等作用輔助解吸，反應(yīng)離子與待測物分子發(fā)生電離。

3 常壓離子化技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用

3.1 解吸附電噴霧離子化

解吸附電噴霧離子化（desorption electrospray ionization，DESI）是應(yīng)用較為廣泛的常壓離子化方式。陳煥文等[20]研究了電噴霧解吸電離質(zhì)譜法分析辣椒面、番茄醬、火腿腸及雞蛋餅中的蘇丹紅類染料，無需樣品前處理，單個樣品的分析時間約為1 min，檢出限為0.01 pg/mm2～1.0 pg/mm2。張新忠等[21]采用 DESI技術(shù)對蔬菜表面的除草劑莠去津進行快速檢測，檢出限為2.50 pg/mm2。薛嵐等[22]對乙酰甲胺磷、甲拌磷、樂果等6種有機磷農(nóng)藥進行分析，并檢測了9種果蔬表面的有機磷農(nóng)藥殘留，果蔬表面未經(jīng)預(yù)處理，質(zhì)量濃度范圍0.1 mg/L～1.0 mg/L，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，方法檢出限為 5.0×10-10g/cm2～1.0×10-8g/cm2。薛嵐等[23]采用解吸附電噴霧質(zhì)譜技術(shù)對3種感官相似的紅茶茶水進行分析，得到含有茶氨酸和咖啡堿的質(zhì)子化分子離子[M+H]+峰的質(zhì)譜圖，并采用主成分分析得到三維載荷圖以區(qū)分不同紅茶品種。

解吸附電噴霧離子化技術(shù)對食品樣品表面進行分析，對于樣品的狀態(tài)無特殊要求，可分析食品中食品添加劑、非法添加物、農(nóng)藥殘留等物質(zhì)，具有取樣量少、檢出限低、分析時間短的特點。表1歸納總結(jié)了其在食品檢測中的應(yīng)用。

表1 解吸附電噴霧離子化的應(yīng)用Table 1 Application of desorption electrospray ionization（DESI）

3.2 實時直接分析離子化

實時直接分析離子化（direct analysis in real timemass spectrometry，DART-MS）屬于非表面接觸的常壓電離技術(shù)，在常壓開放環(huán)境下實現(xiàn)快速高效分析[24]。趙靖等[25]對近十年來實時直接分析質(zhì)譜技術(shù)在食品質(zhì)量安全檢測領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進行概括綜述。DART在食品質(zhì)量檢測中可分析黃酮類、酚類等物質(zhì)，區(qū)分不同品質(zhì)的乳制品、動物油脂、調(diào)味料（八角、肉桂）、啤酒、橄欖油、漿果等。在食品安全檢測中可分析真菌毒素（如黃曲霉毒素B1、黃曲霉毒素M1、赭曲霉素等），非法添加物質(zhì)（如三聚氰胺、甜味劑、蘇丹紅染料、嗎啡、罌粟堿、蒂巴因、那可丁、可待因等），有害物質(zhì)（如咖啡因、殺菌劑、抗氧化劑、獸藥、農(nóng)藥等）及其他食品污染物（如鄰苯二甲酸酯、多環(huán)芳烴、丙烯酰胺、有毒甘醇類等）。其分析食品樣品范圍廣、檢測物質(zhì)種類多，在近十年來發(fā)展迅速，得到廣泛應(yīng)用。

DART技術(shù)可用于食品中農(nóng)獸藥殘留的檢測。季佳華等[26]對國內(nèi)外關(guān)于實時直接分析質(zhì)譜在農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用進行歸納總結(jié)，得出DART技術(shù)高效、快速、無需樣品前處理或簡單前處理，對果蔬表面、酒水和食品中的農(nóng)藥檢測可獲得較高響應(yīng)的結(jié)論。宮小明等[27]結(jié)合QuEChERS簡單、快速的前處理方式，采用DART質(zhì)譜對茶葉中常見9種農(nóng)藥殘留進行分析，得到線性關(guān)系、回收率良好、靈敏度高的試驗方法。此外，Liu等[28]研究了其他前處理方式與DART質(zhì)譜的聯(lián)用。齊春艷等[29]采用DART結(jié)合四極桿/靜電軌道離子阱高分辨質(zhì)譜法對南美白對蝦中的磺胺類藥物進行快速篩查。實時直接分析質(zhì)譜在農(nóng)獸殘檢測中表現(xiàn)突出，前處理過程簡單快速，定性定量準(zhǔn)確，有較高靈敏度和回收率。

此外，實時直接分析質(zhì)譜在食品品質(zhì)鑒別評價中也有廣泛應(yīng)用。劉佳蓉[30]建立魚肉中6種生物胺的實時直接分析質(zhì)譜定性方法，以判斷魚肉的新鮮程度。張麗等[31]采用無需前處理的實時直接分析質(zhì)譜對碧螺春紅茶中香氣物質(zhì)進行快速鑒別，鑒定出7種酯類、5種酮類、6種酚類、3種醇類、4種烷烴類、2種醛類和1種含氮類化合物，離子種類越豐富，離子相對豐度越高，紅茶級別越高。DART技術(shù)也被用于快速檢測茶葉中10種γ-氨基丁酸（功能性活性物質(zhì)）[32]。李偉麗等[33]采用DART質(zhì)譜，以辣椒素總量（辣椒素和二氫辣椒素）表征辣度，對辣椒及其制品中的辣度進行快速評價。胡謙等[34]采用DART串聯(lián)四極桿飛行時間質(zhì)譜對油茶籽油真?zhèn)芜M行快速鑒別。

實時直接分析離子化質(zhì)譜技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，既可用于食品安全指標(biāo)的檢測，也可用于食品品質(zhì)的評價，分析速度快、定性定量準(zhǔn)確，與QuEChERS等前處理方式結(jié)合可有效提高食品檢測的效率，表2歸納總結(jié)了實時直接分析離子化在食品檢測中的應(yīng)用。

表2 實施直接分析離子化的應(yīng)用Table 2 Application of direct analysis in real time-mass spectrometry（DART）

3.3 電噴霧萃取離子化

電噴霧萃取離子化（extractive electrospray ionization，EESI）可分析液體、氣體或氣溶膠等樣品，其優(yōu)勢是耐受復(fù)雜基質(zhì)，基質(zhì)效應(yīng)低，穩(wěn)定且靈敏度高，適于分析生物樣品[14，35]。

Zhu等[36]采用微波輔助電噴霧萃取離子化技術(shù)對生牛奶和小麥蛋白中的三聚氰胺進行快速檢測。李操[37]將電噴霧萃取離子化質(zhì)譜用于真假酒的快速分析。薛阿輝等[38]對桂花中原兒茶酸、p-香豆酸、咖啡酸等8種多酚類化合物進行分析和鑒定。高原遠[39]對油菜蜜、棗花蜜、椴樹蜜等5種蜂蜜中的7種氨基酸、7種有機酸和7種有機化合物進行分析，以研究蜂蜜植物溯源及化學(xué)組成?？梢奅ESI在食品品質(zhì)研究中發(fā)揮了重要作用。

經(jīng)加裝改造后的EESI源在食品安全檢測、品質(zhì)評價和摻假鑒別中有更多應(yīng)用。電噴霧萃取電離技術(shù)常與中性解吸氣體結(jié)合使用，得到中性解吸-電噴霧萃取電離技術(shù)（neutral desorption-extractive electrospray ionizatin mass spectrometry，ND-EESI-MS），應(yīng)用于蜂蜜中氯霉素[40]、四環(huán)素[41]、敵敵畏[42]、多農(nóng)殘[43-44]的檢測，以及蜂蜜的摻假鑒別，如洋槐蜜中摻入油菜蜜的鑒別[45]。歐陽永中等[46]采用ND-EESI質(zhì)譜研究烏雞蛋品質(zhì)，以區(qū)分不同飼料飼喂而得的烏雞蛋。內(nèi)部萃取電噴霧離子化（internal extractive electrospray ionization，iEESI）是采用石英毛細管插入樣品組織內(nèi)部并通過毛細管注入萃取溶劑的方式進行樣品離子化的萃取電噴霧裝置。其在分析紅辣椒[47]、臍橙[48]并得到化學(xué)指紋譜圖數(shù)據(jù)，研究牛油果營養(yǎng)成分和成熟度[49]，以及檢測肉制品中瘦肉精（克倫特羅、沙丁胺醇、丙卡特羅）[50-51]等方面得到應(yīng)用。

電噴霧萃取離子化質(zhì)譜技術(shù)需對樣品進行簡單前處理得到適于直接分析的液體或氣體樣品，可得到食品樣品的指紋圖譜用于食品品質(zhì)評價和摻偽鑒別，也可分析食品樣品中的有害物質(zhì)用于食品安全檢測，靈敏度高、基質(zhì)效應(yīng)較低，其與中性解吸氣體或樣品內(nèi)部萃取相結(jié)合能得到更為廣泛的應(yīng)用，表3總結(jié)歸納了EESI技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用。

表3 電噴霧萃取離子化的應(yīng)用Table 3 Application of extractive electrospray ionization（EESI）

3.4 大氣壓固體探針

大氣壓固體探針（ambient solid analysis probe，ASAP）是能與多數(shù)商業(yè)化質(zhì)譜儀聯(lián)用的離子化設(shè)備，其優(yōu)勢為操作簡單，不干擾同一儀器上APCI源或ESI源的使用，可隨時切換，適用于極性和非極性物質(zhì)[52]。

沃特世公司將ASAP源用于食品中三聚氰胺、香豆素的快速篩查以及香料成分的指紋檢測，檢測時間小于3 min[53-55]。黃寶勇等[56]采用大氣壓固體探針技術(shù)對蔬菜中13種農(nóng)藥殘留進行檢測，在5 μg/L～500 μg/L濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，R2均大于0.995，檢出限為0.04 μg/kg～0.89 μg/kg。劉斌等[57-59]對生活飲用水中的農(nóng)藥殘留進行檢測，莠去津、樂果及滅草松在0.6 μg/L～100.0 μg/L濃度范圍內(nèi)線性良好，r大于0.99，檢出限0.2 μg/L～0.5 μg/L。大氣壓固體探針離子化技術(shù)也應(yīng)用于食用油中抗氧化劑及塑化劑的分析[60]。

ASAP源適用于液體樣品或經(jīng)簡單前處理可得到萃取液的樣品或待測物質(zhì)，其特點為取樣量少、分析速度快、靈敏度高、定性定量準(zhǔn)確，表4總結(jié)歸納了大氣壓固體探針離子源技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用。

表4 大氣壓固體探針離子化的應(yīng)用Table 4 Application of ambient solid analysis probe（ASAP）

4 結(jié)語

常壓離子化技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，逐漸成熟，以其快速、實時、表面、原位、非破壞、高通量的特點和優(yōu)勢在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動著質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展。在食品檢測領(lǐng)域中，常壓離子化技術(shù)被應(yīng)用于食品成分分析、有害物質(zhì)檢測、非法添加物檢測、食品品質(zhì)分析和食品摻偽研究等方面，優(yōu)勢為無需樣品前處理或所需極少樣品前處理，常壓環(huán)境下進行快速、準(zhǔn)確、高通量的分析，可與高分辨質(zhì)譜聯(lián)用進行確證分析或真?zhèn)螕郊勹b別。目前，在常壓離子化技術(shù)的實際應(yīng)用中也存在某些制約，例如樣品表面的均勻性、復(fù)雜樣品的基質(zhì)效應(yīng)等，其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性也很大程度上依賴于良好的溫、濕度環(huán)境，操作人員的經(jīng)驗和熟練程度以及樣品狀態(tài)等。針對食品檢測樣品成分復(fù)雜、需快速定性和準(zhǔn)確定量等特點，常壓離子化技術(shù)需根據(jù)不同樣品狀態(tài)發(fā)展有針對性的適合離子源，縮短檢驗時間，縮小儀器體積以滿足快速、準(zhǔn)確、高通量的要求，且其電離反應(yīng)機理還有待更深入的研究。常壓離子化是質(zhì)譜技術(shù)未來發(fā)展的趨勢，隨著技術(shù)的提高，機理研究的深入以及應(yīng)用的普及，其在食品檢測中將發(fā)揮更加重要的作用，提高食品質(zhì)譜檢測的效率，準(zhǔn)確性及便捷度。