飞行时间质谱技术及其在食品安全检测中的应用

吴炜亮 李晓明 朱文亮 龙顺荣 崔海萍 黄翠莉（1.国家食品质量监督检验中心（广东），广东 佛山 528300；2.广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300）

在食品生产加工过程中产生的或来自于食品包装材料的食品污染物及其残留，如农药残留、兽药残留、违法添加的非食用物质及有机污染物等，对食品质量安全产生严重的威胁。食品基质的复杂性及食品污染物种类的多样性，也对食品检测技术提出了更高的要求。

由于具有高灵敏度检测，快速、高通量分析以及专一的结构信息等特点，质谱技术在目前众多的分析方法中占据了独特、重要的地位［1］。飞行时间质谱技术（TOF—MS）作为拥有独特性能的质谱分析系统已广泛应用于食品安全领域，该技术可以高通量快速筛查食品中可能影响食品质量安全的化学物质，如食品添加剂、污染物、违法添加的非食用物质、农药残留及兽药残留等［2，3］。为了使TOF—MS技术可在食品安全检测领域发挥更大的作用，文章主要对TOF—MS技术的原理、分类及应用进行综述，旨在为相关的检测研究工作提供参考。

1 TOF—MS技术

1.1 TOF—MS技术的原理

从分析化学的角度叙述，对于已知化合物，质谱可以对其进行鉴定和检测；对于未知化合物，质谱可以获知其分子质量、元素组成式及推断其结构；对于复杂体系中的痕量物质，可以对其进行定量分析。TOF—MS技术通过质荷比不同的离子在动能相同的情况下于恒定电场运动，经过相同的距离而所需的时间不同的原理，对物质成分或结构进行测定。经典的飞行时间质谱主要由离子源、圆筒式飞行管、检测器和记录系统4个部分构成［1，4－6］。

根据离子运动的动能来自加速电压，可得到

式中：

m/e——离子质荷比；

V——加速电压，kV；

t——离子的飞行时间，μs；

s——离子的飞行距离，cm。

式（1）表明，离子质荷比与时间的平方成正比，因此测定离子的飞行时间后，即可得到其质荷比。在检测时，较轻的离子具有较高的速率，而较重的离子速率较小，它们先后达到检测器产生信号。通常，离子的飞行时间为微秒数量级。

1.2 TOF技术的发展

TOF—MS在分析领域的应用由其分辨率、灵敏度及离子化技术决定，而其各阶段的技术改进伴随着分辨率、灵敏度的提高及离子化技术的革新。TOF—MS的概念由Stephens于1946年提出，而Goudsmit则于1948年提出了在恒定磁场中引入加速离子的虚拟TOF—MS，离子在此条件下，其螺旋形轨迹角速度与离子初速度及释放角度无关，从而降低了离子不同的初始位置及能量对分析准确度的干扰，此虚拟TOF—MS最终于1951年制造完成［7］。由于电子技术及仪器设计的落后，早期的TOF—MS并未能保证飞行区中离子初始条件的一致性，而造成了离子之间位置、时间、初动能的差异，使得质谱峰扩宽。初始阶段的TOF—MS其分辨率不到100。

随着双栅级结构、延迟引出技术、脉冲场聚焦及离子镜等技术的使用，TOF—MS的分辨率得到了较大的改善，如Wolff和Stephens于1953年制造出首台应用脉冲离子引出技术的TOF—MS；Wiley和 McLaren采用了新型二级离子枪以增强离子的聚焦，同时还将标志性的离子延迟聚焦技术应用于TOF—MS分辨能力的改善，此项技术最终于1956年由 Bendix公司商业化［1，4，5，7］。

TOF—MS的离子化技术于20世纪60年代开始不断发展，在此期间一系列光学电离源应用于TOF—MS以实现分析物的离子化，如氙脉冲管等［8］；70年代中期，随着TOF—MS激光离子化技术的巨大进步，促进了激光微探针质谱分析器的诞生。软电离技术的引入使得TOF—MS的应用得到了显著的拓宽，使其适用于低挥发性分析物的分析，如生物大分子，其中由 Macfarlane研发的californium－252PD是首款成功用于分析生物大分子的软电离技术［9］。近年最成功的离子化技术研发成果，无疑是由Fenn提出的ESI技术及Tanaka与Hillenkamp提出的MALDI技术，这两种电离技术使TOF—MS的应用得到几何级数的增长［7］。时至今日，TOF—MS技术的应用更为活跃，已广泛应用于食品科学、生命科学、分析化学、表面科学、原子物理学及工艺过程监控等诸多领域，用于研究基因组及蛋白组学、反应动力学、材料表面成分或物理化学变化过程。

1.3 TOF—MS的分类

质谱及色谱均有各自的优势，将两者揉合为一套分析系统，可获得最佳的分析手段。根据连接的色谱或光谱对TOF—MS进行分类，可将其分为液相色谱—飞行时间质谱（LC—TOF—MS）、气相色谱—飞行时间质谱（GC—TOF—MS）、全二维气相色谱—飞行时间质谱（GC×GC—TOF—MS）、电感耦合等离子体直角时间飞行质谱仪（ICP—oa—TOF—MS）等［10］。将LC和 MS进行连接，接口技术是关键。根据接口及离子化技术的不同，TOF—MS主要可分为电喷雾离子源（ESI）和TOF—MS组成的ESI—TOF—MS，大气压化学电离源（APCI）和TOF—MS组成的 APCI—TOF—MS、大气压光致电离源（APPI）和TOF—MS组成的APPI—TOF—MS及基质辅助激光解析（MALDI）和TOF—MS组成的MALDI—TOF—MS。将质谱进行串联可实现多级质谱分析，是20世纪70年代末兴起的质谱技术，根据串联质谱的不同对TOF—MS进行分类，主要有四极杆质谱（quadruple MS）和TOF—MS组成的Q—TOF—MS，离子阱质谱（IT）和TOF—MS组成的IT—TOF—MS［10］。

2 TOF—MS在食品质量安全检测中的应用

2.1 食品添加剂

食品添加剂是国家允许使用于食品以改善食品品质的各种化合物，其在中国食品中的使用量需严格执行GB 2760—2011《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》的规定，但食品添加剂的滥用仍是目前影响食品质量安全的重要因素之一，因此对食品中是否存在滥用添加剂进行快速筛查确证显得尤为重要。陈驰［3］基于LC—TOF—MS建立了食品中多种非法添加的着色剂及易滥用的食品着色剂的筛查方法并构建了相应的筛查数据库。赵延胜等［11］建立的HPLC—Q/TOF—MS方法在筛查奶酪中29种非法添加和限用的合成色素时，具有筛查范围广泛，对含有蛋白质、脂肪等基质的食品具有较好的适用性等优点。对于GB 2760—2011中常用的食品添加剂，液相色谱或气相色谱已可满足对其是否规范使用的日常检测要求，而对某一类食品添加剂进行检测或筛查时，使用TOF—MS等质谱技术则具有快速、筛查范围广及灵敏度高等优点。

2.2 食品污染物

王敏等［12，13］建立了LC—IT—TOF—MS分析方法用于同时检测肉制品中14种杂环胺的残留量，并在此方法的基础上开发了同时测定葡萄酒中14种杂环胺的方法。两种方法分析时间短，可在食品安全检测过程中对杂环胺进行快速筛查。Dasgupta等［14］则建立了检测葡萄及葡萄酒中12种多氯联苯、12种多环芳烃及双酚A等持久性环境污染物的GC×GC—TOF—MS分析方法，可对检测对象进行很好地分离，降低了低残留浓度下出现假阴性结果的可能性。食用油脂在精炼过程中可能产生3－氯－1，2－丙二醇酯及缩水甘油酯等有机污染物，一般使用间接法对此两种污染物进行检测，但易产生不一致的检测结果，而 Haines等［15，16］建立的LC—TOF—MS法可直接对食用油脂中的3－氯－1，2－丙二醇酯及缩水甘油酯进行检测，其高分辨率可大大降低杂质的干扰，从而提高了检测食用油脂中污染物的灵敏度。Ha等［17］建立了检测肉制品及部分氢化食用油中两种反式油酸（18∶1trans－11及18∶1trans－9）的 GC×GC—TOF—MS方法，可完全区分上述两种反式脂肪酸的色谱峰，从而得出两者之间的比值，用于判别反式脂肪酸的来源。

2.3 违法添加的非食用物质

在食品生产加工过程中，常需要添加各种食品添加剂以改善食品的各种性质及品质，但某些不法食品生产企业为了降低生产成本，在加工过程中使用工业加工助剂或非食用物质（如工业染料、工业火碱等）替代食品添加剂，严重影响食品的安全性，威胁消费者的健康。由于工业中使用的加工助剂种类众多，给快速筛查及鉴定食品中是否添加某种加工助剂的检测工作带来一定的困难，开发基于TOF—MS技术的快速筛查方法可有效解决此难题。

在中国，张东雷等［18］建立了同时检测肉制品中10种违法添加的非食用碱性工业染料的UFLC—IT—TOF—MS检测方法。郝红元等［19］使用IT—TOF—MS对禽肉中的非法添加物罗丹明B进行检测，并对其进行了多级质谱分析。林慧等［20］利用Q—TOF—MS检测可能违法添加于牛肉中的工业染料刚果红，为牛肉及其他肉制品中刚果红的定性、定量分析提供了良好的解决方案。除了肉制品中常出现违法添加非食用物质的现象外，调味料及乳制品也是非食用物质添加的重灾区，因此TOF—MS也常被用于此两类食品的安全检测，如黄丽英等［21］建立了适用于检测辣椒酱、干辣椒、花椒等酱类和香辛料类中9种酸性工业染料的LC—IT—TOF—MS通用方法；赵延胜等［22，23］建立了人造奶油中苏丹红类染料化合物的LC—Q—TOF—MS检测方法，并进一步研究了奶酪中29种禁用和限用合成色素的方法。两种方法对含有蛋白质、脂肪等基质的食品具有较好的适用性。此外，工业染料还被用于水果表皮的染色，以达到色泽鲜艳的目的，胡莉等［24］为此使用UPLC—DAD—IT—TOF—MS对染色水果中的未知染色剂进行定性分析，为食品中使用工业染料的定性提供了一个有效的思路和方法。

在国外，Calbiani等［25］对红辣椒食品建立了精确检测其中可能添加4种苏丹红染色剂的Micro LC—Q—TOF—MS方法，而Rebane等［26］则综述了检测食品中苏丹红染色剂的各种检测方法，并比较了 Micro LC—ESI—Q—TOF—MS检测方法在内的各种方法的最低检出限，得出TOF—MS技术具有更高的灵敏度及分辨率。此外，Soltzberg等［27］利用MALDI—TOF—MS鉴定了不同种类的颜料和染料，而Djelal等［28］则使用TOF—MS技术分析了食品中违法添加染料的氧化中间产物。

与国外的研究相比较，中国的研究主要集中在开发与建立对食品中违法添加的非食用物质的TOF—MS快速检测与筛查，而国外在研究开发方法的同时还利用TOF—MS技术分析染料在加工过程中产生的中间产物。

2.4 农药残留

在农作物种植过程中，为减少其病虫害，可科学地使用相关农药，但是由于中国对农药的使用未进行严格管理，而导致出现使用违禁农药或滥用农药的现象，这使得初级农产品或以初级农产品为原料制造的预包装食品中农药残留量过高而成为潜在的食品安全危害。因此，当今对食品农药残留的检测越来越受到重视。然而，中国GB 2763—2012《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》规定了322种允许使用的农药在不同农作物中的最大残留量，为农作物或预包装食品中多种农药残留的定性筛查技术提出了较高的要求，而TOF—MS技术的高分辨率及高灵敏度，则可很好地满足快速定性筛查食品中多种农药残留的要求。

姚劲挺等［29］使用IT—TOF—MS对大米和菠菜样品中的19种农药残留进行定性分析，并通过软件谱图对比功能对19种农药进行了鉴定，发现TOF—MS的多级质谱图有效提高了分子式预测结果的准确性；孙碧霞等［30］则利用LC—IT—TOF—MS建立了快速筛查蔬菜中可能残留的188种农药的方法，方法检出限为0.02～5.50μg/kg。

国外使用TOF—MS对食品中农药残留的检测研究开展得更为系统和成熟。Cervera等［31］对GC—TOF—MS用于定量分析农药残留的能力进行了评估，并建立了一种多级分析方法用于快速扫描水果及蔬菜中的农药残留，此方法可以对分析对象进行检测、鉴别及定量；Cajka等［32］使用程序升温蒸发进样串联低压气相色谱—高分辨飞行质谱仪（PTV—LP—GC—HR—TOF—MS）开发了一种用于检测水果基婴儿食品中农药残留的质谱方法，除个别农药残留外，此方法的检出限可达到欧盟对谷物食品及婴儿食品规定的农药最大残留量。由于经过深加工，以农作物为原料的预包装食品中的农药残留较初级农产品会大大降低，而相对于检测方法的灵敏度则需进一步提高，而TOF—MS技术可完全满足此方面的需求。如Ferrer等［33］针对预包装食品（橄榄油）中的除草剂建立了相关的LC—IT—TOF—MS检测方法，并同时获得碎片的精确质量数和特征同位素分布，从而有助于检测食品中微量的农药残留；Sobhanzadeh等［34］建立了一种高效富集及纯化棕榈油中多种农药残留的前处理方法，并使用LC—TOF—MS对其进行定量检测。此外，国外还利用TOF—MS技术开展针对食品及饮用水中农残分解产物的研究［35］及大米种植区域内地表水与土壤中包括农药残留在内的多种有机污染物的检测［36］。

2.5 兽药残留

与植物源食品中农药残留相比较，动物源食品则存在使用兽药后蓄积或存留于畜禽机体或产品（蛋奶制品及肉制品）中的原型药物或其代谢产物［37］。随着人们对动物源食品由需求型向质量型的转变，动物源食品中的兽药残留已逐渐成为全世界关注的焦点之一。由于多种兽药可在动物源食品的养殖及生产过程中使用，从而要求检测动物源食品中兽药残留的技术从单一化合物的检测向多种不同化合物的同时定性和定量分析发展［38－40］。集高灵敏度、高分辨率及精确分子量测定等优势于一身的TOF—MS技术，极大地提升了对动物源食品中痕量兽药残留的定性、定量能力［37－40］。

严丽娟等［41］利用UPLC—Q—TOF—MS与兽药残留数据库相结合，建立了乳制品中20种镇静剂的高通量筛查方法。张晓波等［42］针对婴幼儿配方乳粉中可能残留的12种雌孕激素建立了UFLC—IT—TOF—MS测定方法，方法采用负离子模式对雌激素进行分析，正离子模式对孕激素进行分析。王美玲等［43］针对保健食品中的雌激素、雄激素、糖皮质激素和二羟基苯甲酸内酯类药物等21种激素成分，使用HPLC—IT—TOF—MS的精确质量数匹配及自建标准谱库检索对其进行检测分析。

国外开展利用TOF—MS检测食品中兽药残留的有关研究较中国早，Kaufmann等［44］使用液—液—固萃取技术纯化、富集肉制品中的极性、中极性及非极性兽药残留后，使用UPLC—TOF—MS方法对其进行同时定量检测，方法可对超过100种的不同种类兽药残留进行筛查。Peters等［45］则建立了可用于检测蛋、鱼及肉等3种动物源食品中100种兽药残留的HRLC—TOF—MS筛查方法。牛奶是受世界各国消费者青睐的动物源食品，由于养殖过程中奶牛服用的兽药可能通过代谢途径而残留于生奶中，因此牛奶中的兽药残留检测是检测技术研究的重点之一，Ortelli等［46］利用UPLC—TOF—MS对牛奶中可能残留的150种兽药进行快速扫描，而 Romero－Gonzáleza等［47］则对比了轨道阱质谱、Q—TOF—MS及三重四极杆质谱等高分辨率质谱用于快速扫描筛查牛奶中兽药残留的性能。

2.6 真菌毒素

真菌毒素是一类由丝状真菌在适宜的环境条件下产生的次级有毒代谢产物，被认为是较合成污染物、植物毒素、食品添加剂或农药残留更重要的食源性风险因子，目前已确认化学结构的真菌毒素多达400多种，若建立检测方法快速扫描食品中可能存在的微量真菌毒素则有助于保障食品的质量安全。

郑翠梅［48］应用固相萃取技术结合LC—Q—TOF—MS技术，建立了小麦和玉米中单端孢霉烯族毒素、黄曲霉毒素、伏马毒素、赭曲霉毒素A和玉米赤霉烯酮5类13种重要真菌毒素的快速筛查和确证检测方法，该方法可为全面了解粮食中真菌毒素的污染状况提供可靠的技术支持；Sirhan等［49］建立的LC—ESI—Q—TOF—MS方法则可对易受黄曲霉污染的5种食品（大麦、小麦、玉米、花生及花生酱等）中的4种黄曲霉毒素进行检测，其最低定量限为0.8μg/kg；Luo Xiaohu等［50］则利用TOF—MS技术解析黄曲霉毒素B1在臭氧水中的降解产物结构及其毒性。

3 展望

近年来，中国的食品质量与安全已成为公众关注的焦点之一，各种检测手段应用于食品安全领域，以保障食品质量安全及消费者健康。然而，食品基质的复杂性及食品污染物种类的多样性为检测技术提出了更为严苛的要求，因此高效的检测技术需进一步研发，并将其应用于食品中已知及未知成分的分析。质谱技术作为一种高端检测技术具有较高的定性、定量分析选择性，从而有利于缩短样品的前处理过程，TOF—MS技术因具有高灵敏度及高分辨率的特点已在食品安全领域得到广泛的应用，如检测食品添加剂、食品污染物、违法添加的非食用物质、农药残留、兽药残留及真菌毒素等危害因素。

然而，TOF—MS技术并不能仅局限于在上述的范围内应用，应在更多层面上发挥其作用，如TOF—MS可应用于确证食品危害因素在体内的代谢产物结构，并对其毒性构效关系进行研究，有利于丰富食品风险评估的内容；将TOF—MS应用于食品生产加工过程中，以监测其中可能产生的痕量污染物，有助于企业改进生产工艺以控制污染物的生成而达到保障食品安全的目的；TOF—MS技术对食品相关产品向食品迁移的危害因子进行快速筛查，有利于详尽了解食品相关产品中易迁移至食品的危害因子的特性，有助于及时预警；将TOF—MS作为一种手段应用于蛋白质结构的鉴定，可有效了解食品中过敏原蛋白的构象，为获得消除过敏原蛋白活性的途径提供参考；在保健食品领域，TOF—MS技术可用于对其中的有效成分进行结构鉴定，以防止保健食品中掺假行为的发生。

虽然TOF—MS技术在诸多食品安全检测方面已显现优势，但是在复杂的食品样品中检测未知或非目标物质对TOF—MS分析来说仍然是一个挑战，而食品中化学污染物及成分数据库的建立可为筛查提供有效的帮助。综上所述，高级质谱技术，尤其是TOF—MS，已成为分析食品中的化学污染物或生物成分必不可少的手段。

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