常壓離子化質譜技術及其在食品檢測中的應用研究進展

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.國家食品質量安全監督檢驗中心，北京 100094）

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

1 質譜法概述

1.1 質譜分析

質譜（mass spectrometry，MS）技術以其分析速度快、特異性強、靈敏度高等特點，在食品安全領域得到有效應用[7-12]。質譜分析法采用質譜儀對待測物離子的質荷比（m/z）進行測定從而進行分析?；驹頌闃悠分薪M分在離子源中被離子化，生成質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分離和分析，得到質譜圖，獲得待測物的相對分子質量和結構信息，實現定性和定量分析[9，13]。

1.2 質譜離子源的發展

質譜儀一般由進樣系統、離子源、質量分析器和檢測器組成，核心部件是離子源，其常被稱為質譜儀的“心臟”。離子源的迅猛發展和革新推動著質譜技術跨越式的發展[10-11]。從1886年Goldstein通過低壓放電試驗發現正電荷離子；1898年Wen發現正電荷粒子束在磁場中發生偏轉；1910年現代質譜學之父Thomson制成第一臺質譜儀；到1920年Aston引入“質譜”術語，奠定了質譜發展的基礎。最初的質譜技術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，產生碎片離子，其需要嚴格的真空條件。1942年第一臺商品質譜儀問世。1966年Munson和Field在EI源基礎上進行改進，提出化學電離源（chemical ionization，CI），CI源開啟了質譜“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氣發生作用使之電離，然后反應氣離子再與待測物分子進行反應，生成準分子離子。CI源較EI源更易控制離子化反應，得到較多化合物分子量信息。20世紀60年代和70年代，四極桿質譜儀和三重四極桿質譜儀相繼問世。1974年Horning等發明了大氣壓化學電離源（atmospheric pressure chemical ionization，APCI）。1987年，田中耕一等發明了基質輔助激光解析電離源（matrix assisted laser desorption ionization，MALDI）；1988 年，Fenn 建立電噴霧電離源（electrospray ionization，ESI），實現了生物大分子的質譜分析，兩人共同獲得2002年諾貝爾化學獎[8，11，13-14]。質譜離子化技術的發展使得質譜分析得到更加廣泛的應用。

2 常壓離子化質譜技術

食品檢測中的樣品往往基質復雜，即樣品中待測物之外的所有其他組分及溶劑的組成復雜。復雜的基質干擾待測物的分析，易造成儀器污染，影響測定結果準確性，產生基質效應。因此，對樣品進行“凈化”前處理尤為必要。通常傳統質譜技術應用前的樣品前處理比較復雜，耗時費力，也會造成樣品一定程度的損失[14]。傳統離子化質譜技術需要高真空封閉環境，樣品前處理復雜繁瑣，應用領域有限。因此，減少復雜基質樣品的預處理，實現快速、無損的常壓環境下直接分析技術，是食品檢測領域質譜技術應用的研究熱點和方向。

2.1 常壓離子化技術的發展

常壓離子化（ambient ionization，AI）技術，又稱為敞開式離子化技術，其特點是在大氣壓環境下，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，實現直接分析復雜基質樣品，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源為基礎研發的解吸附電噴霧離子化（desorption electrospray ionization，DESI），和2005年Cody等[16]以APCI源為基礎研發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譜技術的研發開端[9，17-18]。此后，關于常壓敞開式離子源的研究迅猛發展，據統計該類離子源已有40余種[10-11]。這些常壓離子化技術基本上都是在DESI和DART的基礎上建立的，林子青[13]歸納總結了大部分常壓離子化源的種類名稱、英文縮寫和發表年份。

2.2 常壓離子化技術的基本原理與分類

常壓離子化的關鍵步驟為解吸附和離子化。解吸附有動量轉移解吸附（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）和大氣壓化學電離（APCI）兩大種類。采用ESI為機理的常壓離子化技術，解吸附原理包括激光（laser）和動量轉移（MD），離子形成過程包括“溶劑蒸發”、“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，包括光致電離（PI）、離子蒸發（ion evaporation，IE）、等離子體（plasma）和電暈放電（corona）等電離方法和“質子轉移”、“電子轉移”等離子分子反應；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源基礎上發展而來，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]將常壓直接質譜離子化技術分為3類：基于噴射裝置的常壓直接離子化技術，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，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，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發展歷程將其劃分為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，或電離產生的初級離子在同一區域將待測物分子電離。第二階段為直接解吸/電離，初級反應離子將待測物分子解吸并發生反應而生成待測物分子離子，待測物分子的解吸和電離同時發生。第三階段為輔助解吸/電離，產生初級反應離子的同時，待測物分子被光照、液滴、加熱等作用輔助解吸，反應離子與待測物分子發生電離。

3 常壓離子化技術在食品檢測中的應用

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種有機磷農藥進行分析，并檢測了9種果蔬表面的有機磷農藥殘留，果蔬表面未經預處理，質量濃度范圍0.1 mg/L～1.0 mg/L，相關系數均大于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譜技術對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子化分子離子[M+H]+峰的質譜圖，并采用主成分分析得到三維載荷圖以區分不同紅茶品種。

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

表1 解吸附電噴霧離子化的應用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，在常壓開放環境下實現快速高效分析[24]。趙靖等[25]對近十年來實時直接分析質譜技術在食品質量安全檢測領域內的應用進行概括綜述。DART在食品質量檢測中可分析黃酮類、酚類等物質，區分不同品質的乳制品、動物油脂、調味料（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（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（如咖啡因、殺菌劑、抗氧化劑、獸藥、農藥等）及其他食品污染物（如鄰苯二甲酸酯、多環芳烴、丙烯酰胺、有毒甘醇類等）。其分析食品樣品范圍廣、檢測物質種類多，在近十年來發展迅速，得到廣泛應用。

DART技術可用于食品中農獸藥殘留的檢測。季佳華等[26]對國內外關于實時直接分析質譜在農藥檢測中的應用進行歸納總結，得出DART技術高效、快速、無需樣品前處理或簡單前處理，對果蔬表面、酒水和食品中的農藥檢測可獲得較高響應的結論。宮小明等[27]結合QuEChERS簡單、快速的前處理方式，采用DART質譜對茶葉中常見9種農藥殘留進行分析，得到線性關系、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質譜的聯用。齊春艷等[29]采用DART結合四極桿/靜電軌道離子阱高分辨質譜法對南美白對蝦中的磺胺類藥物進行快速篩查。實時直接分析質譜在農獸殘檢測中表現突出，前處理過程簡單快速，定性定量準確，有較高靈敏度和回收率。

此外，實時直接分析質譜在食品品質鑒別評價中也有廣泛應用。劉佳蓉[30]建立魚肉中6種生物胺的實時直接分析質譜定性方法，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譜對碧螺春紅茶中香氣物質進行快速鑒別，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）[32]。李偉麗等[33]采用DART質譜，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串聯四極桿飛行時間質譜對油茶籽油真偽進行快速鑒別。

實時直接分析離子化質譜技術在食品檢測領域的應用相當廣泛，既可用于食品安全指標的檢測，也可用于食品品質的評價，分析速度快、定性定量準確，與QuEChERS等前處理方式結合可有效提高食品檢測的效率，表2歸納總結了實時直接分析離子化在食品檢測中的應用。

表2 實施直接分析離子化的應用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，其優勢是耐受復雜基質，基質效應低，穩定且靈敏度高，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組成?？梢奅ESI在食品品質研究中發揮了重要作用。

經加裝改造后的EESI源在食品安全檢測、品質評價和摻假鑒別中有更多應用。電噴霧萃取電離技術常與中性解吸氣體結合使用，得到中性解吸-電噴霧萃取電離技術（neutral desorption-extractive electrospray ionizatin mass spectrometry，ND-EESI-MS），應用于蜂蜜中氯霉素[40]、四環素[41]、敵敵畏[42]、多農殘[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質譜研究烏雞蛋品質，以區分不同飼料飼喂而得的烏雞蛋。內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]并得到化學指紋譜圖數據，研究牛油果營養成分和成熟度[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]等方面得到應用。

電噴霧萃取離子化質譜技術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評價和摻偽鑒別，也可分析食品樣品中的有害物質用于食品安全檢測，靈敏度高、基質效應較低，其與中性解吸氣體或樣品內部萃取相結合能得到更為廣泛的應用，表3總結歸納了EESI技術在食品檢測中的應用。

表3 電噴霧萃取離子化的應用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）是能與多數商業化質譜儀聯用的離子化設備，其優勢為操作簡單，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[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對蔬菜中13種農藥殘留進行檢測，在5 μg/L～500 μg/L濃度范圍內線性關系良好，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也應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簡單前處理可得到萃取液的樣品或待測物質，其特點為取樣量少、分析速度快、靈敏度高、定性定量準確，表4總結歸納了大氣壓固體探針離子源技術在食品檢測中的應用。

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

4 結語

常壓離子化技術經過十幾年的發展，逐漸成熟，以其快速、實時、表面、原位、非破壞、高通量的特點和優勢在多領域得到廣泛應用，推動著質譜技術的快速發展。在食品檢測領域中，常壓離子化技術被應用于食品成分分析、有害物質檢測、非法添加物檢測、食品品質分析和食品摻偽研究等方面，優勢為無需樣品前處理或所需極少樣品前處理，常壓環境下進行快速、準確、高通量的分析，可與高分辨質譜聯用進行確證分析或真偽摻假鑒別。目前，在常壓離子化技術的實際應用中也存在某些制約，例如樣品表面的均勻性、復雜樣品的基質效應等，其分析結果的準確性也很大程度上依賴于良好的溫、濕度環境，操作人員的經驗和熟練程度以及樣品狀態等。針對食品檢測樣品成分復雜、需快速定性和準確定量等特點，常壓離子化技術需根據不同樣品狀態發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、準確、高通量的要求，且其電離反應機理還有待更深入的研究。常壓離子化是質譜技術未來發展的趨勢，隨著技術的提高，機理研究的深入以及應用的普及，其在食品檢測中將發揮更加重要的作用，提高食品質譜檢測的效率，準確性及便捷度。