常压离子化质谱技术及其在食品检测中的应用研究进展

贺志乔，韩岩君，贾婧怡

（1.滨州市检验检测中心，山东 滨州 256600；2.国家食品质量安全监督检验中心，北京 100094）

新时代社会经济快速发展，食品工业也随之发生变化：食品原料、加工工艺日益复杂，食品种类不断增加，带来新的食品检测及监管挑战[1]。食品安全事关人民生活和健康，也影响社会和经济发展[2]。提升食品安全监管能力，提高检验检测技术水平是保障食品安全的重要保证[3]。食品安全领域常用的检测技术有生物技术、色谱技术、光谱技术及质谱技术等[4]。质谱技术尤其是色谱质谱联用技术在食品安全检测领域中的应用日益广泛，其重要性也日益凸显[5-6]。其中，常压离子化质谱技术近年来发展迅速，以其前处理过程简单、可直接分析样品等优势在食品检测领域中引起关注。本文针对常压离子化质谱技术在食品检测中的应用进行梳理、概述，以期为相关研究及食品检测提供参考。

1 质谱法概述

1.1 质谱分析

质谱（mass spectrometry，MS）技术以其分析速度快、特异性强、灵敏度高等特点，在食品安全领域得到有效应用[7-12]。质谱分析法采用质谱仪对待测物离子的质荷比（m/z）进行测定从而进行分析。基本原理为样品中组分在离子源中被离子化，生成质荷比不同的带电离子，因不同离子在电磁场中的运行差异实现分离和分析，得到质谱图，获得待测物的相对分子质量和结构信息，实现定性和定量分析[9，13]。

1.2 质谱离子源的发展

质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器和检测器组成，核心部件是离子源，其常被称为质谱仪的“心脏”。离子源的迅猛发展和革新推动着质谱技术跨越式的发展[10-11]。从1886年Goldstein通过低压放电试验发现正电荷离子；1898年Wen发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转；1910年现代质谱学之父Thomson制成第一台质谱仪；到1920年Aston引入“质谱”术语，奠定了质谱发展的基础。最初的质谱技术仅能分析无机元素及同位素。20世纪初，电子离子化源（electron ionization，EI）为有机化合物的质谱分析提供了可能，EI源是一种“硬电离”源，用高能量的电子束直接轰击待测物分子，产生碎片离子，其需要严格的真空条件。1942年第一台商品质谱仪问世。1966年Munson和Field在EI源基础上进行改进，提出化学电离源（chemical ionization，CI），CI源开启了质谱“软电离”革命，不再是待测物分子与电子直接作用，其采用电子束与反应气发生作用使之电离，然后反应气离子再与待测物分子进行反应，生成准分子离子。CI源较EI源更易控制离子化反应，得到较多化合物分子量信息。20世纪60年代和70年代，四极杆质谱仪和三重四极杆质谱仪相继问世。1974年Horning等发明了大气压化学电离源（atmospheric pressure chemical ionization，APCI）。1987年，田中耕一等发明了基质辅助激光解析电离源（matrix assisted laser desorption ionization，MALDI）；1988 年，Fenn 建立电喷雾电离源（electrospray ionization，ESI），实现了生物大分子的质谱分析，两人共同获得2002年诺贝尔化学奖[8，11，13-14]。质谱离子化技术的发展使得质谱分析得到更加广泛的应用。

2 常压离子化质谱技术

食品检测中的样品往往基质复杂，即样品中待测物之外的所有其他组分及溶剂的组成复杂。复杂的基质干扰待测物的分析，易造成仪器污染，影响测定结果准确性，产生基质效应。因此，对样品进行“净化”前处理尤为必要。通常传统质谱技术应用前的样品前处理比较复杂，耗时费力，也会造成样品一定程度的损失[14]。传统离子化质谱技术需要高真空封闭环境，样品前处理复杂繁琐，应用领域有限。因此，减少复杂基质样品的预处理，实现快速、无损的常压环境下直接分析技术，是食品检测领域质谱技术应用的研究热点和方向。

2.1 常压离子化技术的发展

常压离子化（ambient ionization，AI）技术，又称为敞开式离子化技术，其特点是在大气压环境下，无需或者只需极少的样品前处理过程，可对样品直接进行解吸附和离子化，从而提供快速、实时、表面、原位、非破坏、高通量的分析，实现直接分析复杂基质样品，原位分析生物组织样本，快速分析物体表面等。

2004年Takáts等[15]以ESI源为基础研发的解吸附电喷雾离子化（desorption electrospray ionization，DESI），和2005年Cody等[16]以APCI源为基础研发的实时直接分析离子化（direct analysis in real time-mass spectrometry，DART），被认为是常压离子化质谱技术的研发开端[9，17-18]。此后，关于常压敞开式离子源的研究迅猛发展，据统计该类离子源已有40余种[10-11]。这些常压离子化技术基本上都是在DESI和DART的基础上建立的，林子青[13]归纳总结了大部分常压离子化源的种类名称、英文缩写和发表年份。

2.2 常压离子化技术的基本原理与分类

常压离子化的关键步骤为解吸附和离子化。解吸附有动量转移解吸附（momenturn desorption，MD），以液滴溅射、气流为载体；瞬时能量激活（energy-sudden activation，EA），采用激光解吸附；热脱附（thermal desorption，TD），载体为加热的气体。离子化过程包括电喷雾离子化（ESI）、化学电离（CI）、光致电离（photoionization，PI）等[12-13]。组合不同的解吸附和离子化方式，形成各具特色的常压离子源，据此将各种常压离子化方式进行综合分类。

按离子化机理分类，常压离子源主要分为电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）两大种类。采用ESI为机理的常压离子化技术，解吸附原理包括激光（laser）和动量转移（MD），离子形成过程包括“溶剂蒸发”、“库伦爆炸”等；代表离子源有解吸附电喷雾离子化（DESI）、电喷雾辅助激光剥蚀离子化（electrospray laser desorption/ionization，ELDI）、电喷雾萃取离子化（extractive electrospray ionization，EESI）等。采用 APCI为机理的离子化技术，包括光致电离（PI）、离子蒸发（ion evaporation，IE）、等离子体（plasma）和电晕放电（corona）等电离方法和“质子转移”、“电子转移”等离子分子反应；代表离子源有实时直接分析、大气压固体探针（ambient solid analysis probe，ASAP）、介质阻挡放电离子化（dielectric barrier discharge ionization，DBDI）等[8，11，13]。

栗则等[7]将敞开式离子源按照离子化过程和机理分为直接电离常压离子源（direct ionization ambient mass spectrometry ionization sources）、直接解吸电离常压离子源（direct desroption ionization ambient mass spectrometry ionization sources）和解吸后电离常压离子源（desorption and ionization ambient mass spectrometry ionization sources）。直接电离离子源为样品直接进入强电场而被电离，是在ESI源基础上发展而来，如直接电喷雾探针（direct electrospray probe，DEP）、探针电喷雾电离（probe electrospray ionization，PESI）；直接解吸电离源为同时解吸附和电离，典型代表为DESI源、DBDI源；解吸后电离源为先解吸附再进行电离，代表离子源有 EESI、ASAP、DART 等。

宋庆浩等[17]、张佳玲等[18]将常压直接质谱离子化技术分为3类：基于喷射装置的常压直接离子化技术，如解吸常压光离子化（desorption atmospheric pressure photoionization，DAPPI）；基于放电的常压直接离子化技术，包括DBDI、ASAP等，以及基于气体、热能或激光辅助解吸的常压直接离子化技术，表面解吸和电离过程相分离，如ELDI。

张逸寒等[19]按照常压离子化技术发展历程将其划分为3个阶段。第一阶段为直接电离，以光、电、热等某种能量直接将待测物分子电离，或电离产生的初级离子在同一区域将待测物分子电离。第二阶段为直接解吸/电离，初级反应离子将待测物分子解吸并发生反应而生成待测物分子离子，待测物分子的解吸和电离同时发生。第三阶段为辅助解吸/电离，产生初级反应离子的同时，待测物分子被光照、液滴、加热等作用辅助解吸，反应离子与待测物分子发生电离。

3 常压离子化技术在食品检测中的应用

3.1 解吸附电喷雾离子化

解吸附电喷雾离子化（desorption electrospray ionization，DESI）是应用较为广泛的常压离子化方式。陈焕文等[20]研究了电喷雾解吸电离质谱法分析辣椒面、番茄酱、火腿肠及鸡蛋饼中的苏丹红类染料，无需样品前处理，单个样品的分析时间约为1 min，检出限为0.01 pg/mm2～1.0 pg/mm2。张新忠等[21]采用 DESI技术对蔬菜表面的除草剂莠去津进行快速检测，检出限为2.50 pg/mm2。薛岚等[22]对乙酰甲胺磷、甲拌磷、乐果等6种有机磷农药进行分析，并检测了9种果蔬表面的有机磷农药残留，果蔬表面未经预处理，质量浓度范围0.1 mg/L～1.0 mg/L，相关系数均大于0.99，方法检出限为 5.0×10-10g/cm2～1.0×10-8g/cm2。薛岚等[23]采用解吸附电喷雾质谱技术对3种感官相似的红茶茶水进行分析，得到含有茶氨酸和咖啡碱的质子化分子离子[M+H]+峰的质谱图，并采用主成分分析得到三维载荷图以区分不同红茶品种。

解吸附电喷雾离子化技术对食品样品表面进行分析，对于样品的状态无特殊要求，可分析食品中食品添加剂、非法添加物、农药残留等物质，具有取样量少、检出限低、分析时间短的特点。表1归纳总结了其在食品检测中的应用。

表1 解吸附电喷雾离子化的应用Table 1 Application of desorption electrospray ionization（DESI）

3.2 实时直接分析离子化

实时直接分析离子化（direct analysis in real timemass spectrometry，DART-MS）属于非表面接触的常压电离技术，在常压开放环境下实现快速高效分析[24]。赵靖等[25]对近十年来实时直接分析质谱技术在食品质量安全检测领域内的应用进行概括综述。DART在食品质量检测中可分析黄酮类、酚类等物质，区分不同品质的乳制品、动物油脂、调味料（八角、肉桂）、啤酒、橄榄油、浆果等。在食品安全检测中可分析真菌毒素（如黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素M1、赭曲霉素等），非法添加物质（如三聚氰胺、甜味剂、苏丹红染料、吗啡、罂粟碱、蒂巴因、那可丁、可待因等），有害物质（如咖啡因、杀菌剂、抗氧化剂、兽药、农药等）及其他食品污染物（如邻苯二甲酸酯、多环芳烃、丙烯酰胺、有毒甘醇类等）。其分析食品样品范围广、检测物质种类多，在近十年来发展迅速，得到广泛应用。

DART技术可用于食品中农兽药残留的检测。季佳华等[26]对国内外关于实时直接分析质谱在农药检测中的应用进行归纳总结，得出DART技术高效、快速、无需样品前处理或简单前处理，对果蔬表面、酒水和食品中的农药检测可获得较高响应的结论。宫小明等[27]结合QuEChERS简单、快速的前处理方式，采用DART质谱对茶叶中常见9种农药残留进行分析，得到线性关系、回收率良好、灵敏度高的试验方法。此外，Liu等[28]研究了其他前处理方式与DART质谱的联用。齐春艳等[29]采用DART结合四极杆/静电轨道离子阱高分辨质谱法对南美白对虾中的磺胺类药物进行快速筛查。实时直接分析质谱在农兽残检测中表现突出，前处理过程简单快速，定性定量准确，有较高灵敏度和回收率。

此外，实时直接分析质谱在食品品质鉴别评价中也有广泛应用。刘佳蓉[30]建立鱼肉中6种生物胺的实时直接分析质谱定性方法，以判断鱼肉的新鲜程度。张丽等[31]采用无需前处理的实时直接分析质谱对碧螺春红茶中香气物质进行快速鉴别，鉴定出7种酯类、5种酮类、6种酚类、3种醇类、4种烷烃类、2种醛类和1种含氮类化合物，离子种类越丰富，离子相对丰度越高，红茶级别越高。DART技术也被用于快速检测茶叶中10种γ-氨基丁酸（功能性活性物质）[32]。李伟丽等[33]采用DART质谱，以辣椒素总量（辣椒素和二氢辣椒素）表征辣度，对辣椒及其制品中的辣度进行快速评价。胡谦等[34]采用DART串联四极杆飞行时间质谱对油茶籽油真伪进行快速鉴别。

实时直接分析离子化质谱技术在食品检测领域的应用相当广泛，既可用于食品安全指标的检测，也可用于食品品质的评价，分析速度快、定性定量准确，与QuEChERS等前处理方式结合可有效提高食品检测的效率，表2归纳总结了实时直接分析离子化在食品检测中的应用。

表2 实施直接分析离子化的应用Table 2 Application of direct analysis in real time-mass spectrometry（DART）

3.3 电喷雾萃取离子化

电喷雾萃取离子化（extractive electrospray ionization，EESI）可分析液体、气体或气溶胶等样品，其优势是耐受复杂基质，基质效应低，稳定且灵敏度高，适于分析生物样品[14，35]。

Zhu等[36]采用微波辅助电喷雾萃取离子化技术对生牛奶和小麦蛋白中的三聚氰胺进行快速检测。李操[37]将电喷雾萃取离子化质谱用于真假酒的快速分析。薛阿辉等[38]对桂花中原儿茶酸、p-香豆酸、咖啡酸等8种多酚类化合物进行分析和鉴定。高原远[39]对油菜蜜、枣花蜜、椴树蜜等5种蜂蜜中的7种氨基酸、7种有机酸和7种有机化合物进行分析，以研究蜂蜜植物溯源及化学组成。可见EESI在食品品质研究中发挥了重要作用。

经加装改造后的EESI源在食品安全检测、品质评价和掺假鉴别中有更多应用。电喷雾萃取电离技术常与中性解吸气体结合使用，得到中性解吸-电喷雾萃取电离技术（neutral desorption-extractive electrospray ionizatin mass spectrometry，ND-EESI-MS），应用于蜂蜜中氯霉素[40]、四环素[41]、敌敌畏[42]、多农残[43-44]的检测，以及蜂蜜的掺假鉴别，如洋槐蜜中掺入油菜蜜的鉴别[45]。欧阳永中等[46]采用ND-EESI质谱研究乌鸡蛋品质，以区分不同饲料饲喂而得的乌鸡蛋。内部萃取电喷雾离子化（internal extractive electrospray ionization，iEESI）是采用石英毛细管插入样品组织内部并通过毛细管注入萃取溶剂的方式进行样品离子化的萃取电喷雾装置。其在分析红辣椒[47]、脐橙[48]并得到化学指纹谱图数据，研究牛油果营养成分和成熟度[49]，以及检测肉制品中瘦肉精（克伦特罗、沙丁胺醇、丙卡特罗）[50-51]等方面得到应用。

电喷雾萃取离子化质谱技术需对样品进行简单前处理得到适于直接分析的液体或气体样品，可得到食品样品的指纹图谱用于食品品质评价和掺伪鉴别，也可分析食品样品中的有害物质用于食品安全检测，灵敏度高、基质效应较低，其与中性解吸气体或样品内部萃取相结合能得到更为广泛的应用，表3总结归纳了EESI技术在食品检测中的应用。

表3 电喷雾萃取离子化的应用Table 3 Application of extractive electrospray ionization（EESI）

3.4 大气压固体探针

大气压固体探针（ambient solid analysis probe，ASAP）是能与多数商业化质谱仪联用的离子化设备，其优势为操作简单，不干扰同一仪器上APCI源或ESI源的使用，可随时切换，适用于极性和非极性物质[52]。

沃特世公司将ASAP源用于食品中三聚氰胺、香豆素的快速筛查以及香料成分的指纹检测，检测时间小于3 min[53-55]。黄宝勇等[56]采用大气压固体探针技术对蔬菜中13种农药残留进行检测，在5 μg/L～500 μg/L浓度范围内线性关系良好，R2均大于0.995，检出限为0.04 μg/kg～0.89 μg/kg。刘斌等[57-59]对生活饮用水中的农药残留进行检测，莠去津、乐果及灭草松在0.6 μg/L～100.0 μg/L浓度范围内线性良好，r大于0.99，检出限0.2 μg/L～0.5 μg/L。大气压固体探针离子化技术也应用于食用油中抗氧化剂及塑化剂的分析[60]。

ASAP源适用于液体样品或经简单前处理可得到萃取液的样品或待测物质，其特点为取样量少、分析速度快、灵敏度高、定性定量准确，表4总结归纳了大气压固体探针离子源技术在食品检测中的应用。

表4 大气压固体探针离子化的应用Table 4 Application of ambient solid analysis probe（ASAP）

4 结语

常压离子化技术经过十几年的发展，逐渐成熟，以其快速、实时、表面、原位、非破坏、高通量的特点和优势在多领域得到广泛应用，推动着质谱技术的快速发展。在食品检测领域中，常压离子化技术被应用于食品成分分析、有害物质检测、非法添加物检测、食品品质分析和食品掺伪研究等方面，优势为无需样品前处理或所需极少样品前处理，常压环境下进行快速、准确、高通量的分析，可与高分辨质谱联用进行确证分析或真伪掺假鉴别。目前，在常压离子化技术的实际应用中也存在某些制约，例如样品表面的均匀性、复杂样品的基质效应等，其分析结果的准确性也很大程度上依赖于良好的温、湿度环境，操作人员的经验和熟练程度以及样品状态等。针对食品检测样品成分复杂、需快速定性和准确定量等特点，常压离子化技术需根据不同样品状态发展有针对性的适合离子源，缩短检验时间，缩小仪器体积以满足快速、准确、高通量的要求，且其电离反应机理还有待更深入的研究。常压离子化是质谱技术未来发展的趋势，随着技术的提高，机理研究的深入以及应用的普及，其在食品检测中将发挥更加重要的作用，提高食品质谱检测的效率，准确性及便捷度。