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食品中有毒物质的检测方法 精选

已有 2270 次阅读 2018-12-17 12:13 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

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质谱技术是20 世纪发展起来的最重要的分析技术之一,其原理可以追溯到1906 年诺贝尔物理学奖得主Joseph John Thomson 的工作,他发现了电荷在气体中的运动现象,并于1910 年获得了第一张质谱图。其后,1922 年Francis William Aston 因采用质谱技术发现了同位素而获得诺贝尔化学奖,1989 年诺贝尔物理学奖颁给了两位发明离子阱质谱技术的科学家,Wolfgang Paul 和Hans Georg Dehmelt。2002 年的诺贝尔化学奖则是颁给了发明电喷雾电离技术的John Bennet Fenn 和发明基质辅助激光解吸电离技术的田中耕一。此外,Ernest Orlando Lawrence 因为发明回旋加速器而获得了1939 年的诺贝尔物理学奖,后来人们利用测量离子的回旋共振频率发明了世界上最高分辨率的FT-ICR 质谱。还有,从1911 年诺贝尔物理学奖的成果“热辐射规律”、1943 年诺贝尔物理学奖的成果“分子束”到1986 年诺贝尔化学奖的成果“交叉分子束”,以及1996 年诺贝尔化学奖的成果“发现碳60”,均与质谱密切相关。今天,质谱既可用于分析无机元素,包括同位素,又可用于分析有机小分子,还可用于分析生物大分子,在生命科学、材料科学、环境科学、药物研发和精准药疗、食品安全和石油化工等领域发挥着巨大而不可替代的作用。随着科学技术的发展,质谱的分析能力越来越强大,在方方面面的应用也越来越普遍。


一种功能强大的分析仪器——质谱仪


质谱仪(Mass Spectrometer)是一种分析质量(Mass)的仪器,可进而鉴定分子结构及定量分析。纵观其发展历程,质谱的发展速度近似于指数曲线,近年来越来越快速地成长,已成为当今分析化学功能强大的设备。


质谱仪的基本原理与构造


顾名思义,质谱仪是测定物质质量的仪器,基本原理为将分析样品(气、液、固相)电离(Ionization)为带电离子(Ion),带电离子在电场或磁场的作用下可以在空间或时间上分离:




这些离子被检测器(Detector)检测后即可得到其质荷比(Mass-to-Charge Ratio,m/z)与相对强度(Relative Intensity)的质谱图(Mass Spectrum),进而推算出分析物中分子的质量。透过质谱图或精确的分子量测量可以对分析物做定性分析,利用检测到的离子强度可做准确的定量分析。


质谱仪的种类很多,但是基本结构相同。如图1-1 所示,质谱仪的基本构造主要分成五个部分:样品导入系统(Sample Inlet)、离子源(IonSource)、质量分析器(Mass Analyzer)、检测器(Detector)及数据分析系统(Data Analysis System)。

 

纯物质与成分简单的样品可直接经接口导入质谱仪;样品为复杂的混合物时,可先由液相或气相色谱仪分离样品组分,再导入质谱仪。当分析样品进入质谱仪后,首先在离子源对分析样品进行电离,以电子、离子、分子或光子将样品转换为气相的带电离子,分析物依其性质成为带正电的阳离子或带负电的阴离子。产生气相离子后,离子即进入质量分析器[图1-1(a)]进行质荷比的测量。在电场、磁场等物理作用下,离子运动的轨迹会受场力的影响而产生差异,检测器则可将离子转换成电子信号,处理并储存于计算机中,再以各种方式转换成质谱图。此方法可测得不同离子的质荷比,进而从电荷推算出分析物中分子的质量。此外,质谱仪还需要一个高真空系统,维持在10-4torr至10-10torr 的低压环境中,让样品离子不会因碰撞而损失或测量到的m/值有偏差。


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图1-1 质谱仪的硬件组成:(a)质谱仪基本构造;(b)串联质谱仪


除了质量的测量,质谱仪也可以利用串联质谱(Tandem MassSpectrometry,MS/MS)技术,更有效地鉴定化合物的分子结构。顾名思义,串联质谱仪(Tandem Mass Spectrometer)是由两个以上的质量分析器[图1-1(b)]连接在一起所组成的质谱仪。当分析物经过离子源电离后,第一个质量分析器可以从混合物中选择及分离特定的离子,以外力(碰撞气体、光子、电子等)使该离子解离,并产生碎片离子,再由第二个质量分析器进行碎片离子的质量分析。这些碎片信息可以用来鉴定小分子及蛋白质、核酸等生物分子的结构。当样品复杂度很高时,可在样品进样区前串联一液相色谱(Liquid Chromatography,LC)或气相色谱(Gas Chromatography,GC)系统,帮助样品预分离(Pre-separation)以提高质谱分析的效率。


质谱应用于食品中有毒物质的分析


近年来,因为食品中毒与食物中含违禁添加物事件时有发生,所以针对食物中所含的有毒物质与违法添加物进行有效且快速的筛检,对于评估食品安全是一项相当重要的工作。对于食品中微量有害成分的检测,不仅能保障食品的食用安全,更能用于厘清食品食用后造成健康损害的原因。但食品中有毒成分含量低,因此不易检测。


食品中有毒物质的检测方法


针对食品中有毒物质或违法添加物的分析,早期主要是以薄层色谱法(Thin-Layer Chromatography,TLC)进行分析,此方法的优点为操作简单,但是灵敏度不佳,且分析时易受到基质中其他化合物的干扰,造成分析上的误差,无法准确分析复杂基质中所含的微量有毒化合物。


免疫分析法(Immunoassay)与酶联免疫吸附分析法(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay,ELISA),也曾因为选择性高,被应用于食品中微量毒素的检测。使用免疫分析法进行检测,通常针对具有某单一特定结构或官能团的化合物进行筛检,其优点为分析快速,因此适合高通量(High-Throughput)检测。但采用免疫分析法时,样品中基质会与免疫试剂之间产生交叉反应(Cross-Reactivity)而产生误差,导致假阳性(False Positive)或假阴性(False Negative)分析结果。


由于上述几种分析方法并无法有效检测复杂食品基质中的微量毒素,因此现今针对食品中微量成分的检测,是以色谱技术作为主要方法,如气相色谱(Gas Chromatography,GC)与高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)。


一般气相色谱用于食品分析时,主要应用于中低极性且具挥发性或半挥发性的化合物分析,所使用的检测器为火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector,FID)或电子捕获检测器(Electron Capture Detector,ECD)。


使用火焰离子化检测器分析,虽然操作较简便,但因其选择性较差,所以无法针对复杂样品中微量成分进行有效分析。


电子捕获检测器虽然对于含卤素化合物具有高灵敏度的特性,但并不是对每种化合物均有高灵敏度,且该检测器具有放射性电离源,因此需有相关许可才能使用。


因此,近年来气相色谱-质谱(Gas Chromatography Mass Spectrometry,GC-MS)或气相色谱-串联质谱(Gas Chromatography Tandem Mass Spectrometry,C-MS/MS),已逐渐取代气相色谱用于复杂基质中微量物质的分析。固相微萃取(Solid Phase Microextraction,SPME)结合气相色谱-质谱,已被应用于复方中药制剂中所含微量十九种有机氯农药(Organochlorine Pesticides)的检测。此方法对复方中药制剂残留有机氯农药的检测限(Limit of Detection,LOD)达到十亿分之一(Parts Per Billion,ppb,ng/mL 或ng/g)量级。但气相色谱或气相色谱-质谱分析具有极性、不易挥发化合物时,大都需要经过衍生化(Derivatization)的步骤,如酯化(Esterfication)反应、酰化(Acylation)反应或硅烷化(Silylation)反应等[2],以降低分析物的极性并增加挥发性与稳定性,提高分析物检测的灵敏度与分辨率。然而衍生化反应通常需要使用昂贵的衍生化试剂,反应费时且会造成分析物的损失,所以当分析中含有高极性、不易挥发的化合物时,通常用高效液相色谱进行分析,其最主要的优点为不需要经过衍生化步骤,即可进行微量毒素的分离。

 

采用液相色谱分析时,检测方法大多以紫外-可见光检测器(UV-Vis Detector)与荧光检测器(Fluorescence Detector)为主。紫外-可见光检测器的主要缺点为选择性较差,所以样品基质中其他物质容易对检测造成干扰,造成灵敏度降低。虽然荧光检测器的选择性较紫外-可见光检测器佳,但是以荧光检测器分析时,如果分析物不具有荧光性质,需进行衍生化使分析物发射荧光,但多出的这一步骤会造成时间与金钱的浪费。近年来,液相色谱-质谱(Liquid Chromatography Mass Spectrometry,LC-MS)或液相色谱-串联质谱(Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry,LC-MS/MS),逐渐被应用于食品中微量有毒化合物的分析。其主要原因为液相色谱法分析高极性化合物时,不需经由任何衍生化的步骤即可直接进行分析,可节省衍生化步骤所需的时间、人力与花费,避免因为衍生化步骤所造成的误差。此外,加上质谱技术具有高灵敏度与高选择性,因此目前液相色谱-质谱法已被广泛应用于食品分析,特别是在快速检测食品中所含微量有毒物质的应用上。在台湾食品药物管理局公告的检验方法中,目前也有多项检测项目是采用液相色谱-串联质谱为仪器检测方法,如食品中四环素类(Tetracycline)、氯霉素(Chloramphenicol)等抗生素,以及真菌毒素(Mycotoxin)的检验,甚至最近几年受到社会关注的三聚氰胺、增塑剂(Plasticizer)、瘦肉精等的检测,也是采用液相色谱-串联质谱仪进行分析,所得到的检测限均在数ng/g 至数十ng/g 之间。



本文摘编自台湾质谱学会编著《质谱分析技术原理与应用》文前及第1章、第9章,内容略有删节,标题为编者所加。


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质谱分析技术原理与应用

台湾质谱学会  编著

责任编辑:刘冉

北京:科学出版社  2019.01

ISBN 9787030592040


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《质谱分析技术原理与应用》是台湾质谱学会集结众学者之力,编撰的一本质谱分析技术的入门教科书。全书包括质谱分析技术基本原理和质谱分析技术应用两部分。第1章对质谱仪进行概述;第2~8章为第一部分,从离子化方法,质量分析器,串联质谱分析,质谱与分离技术的结合,真空、检测与仪器控制系统,质谱数据解析,定量分析等方面阐明质谱分析技术基本原理;第9~13章为第二部分,讨论质谱分析技术在食品安全分析、蛋白质组学/代谢组学、环境与地球科学、药物与毒物分析以及医学上的应用。


(本期编辑:安 静)


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