原位质谱快检技术在自然灾害应急响应中食品农兽残检测的应用研究

收稿日期：2023-12-16

基金项目：国家市场监督管理总局科技计划项目（2022MK126）

作者简介：高鹏（1986—），男，甘肃景泰人，食品工程师，研究方向为食品检验及食品快检。

摘 要：深入研究了原位质谱快检技术在自然灾害应急响应中食品农兽药残留检测中的应用。原位质谱技术具有无损检测精度高的特点，在灾害应急响应中应用潜力较大。实验验证了原位质谱在食品农兽药残留检测中的准确性和可靠性，并探讨了其在实际应用中的优势及面临的挑战。

关键词：原位质谱；快检技术；自然灾害；应急响应；食品农兽药残留检测

中图分类号：O657.63 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–00-03

自然灾害如地震、洪水、飓风等不可预测的天灾，经常给人类社会带来深重的灾难。其中，一个常被忽视但至关重要的影响就是食品供应链的中断。当灾害袭来，交通受阻，原本稳定的食品生产、运输和销售链条被瞬间打破，灾区的食品供应立刻变得紧张起来。在这种紧急情况下，人们对食品的渴求使得任何可获得的食物都将变得珍贵。然而，正因为这种紧迫性，食品安全问题也随之浮出水面。尤其是农兽药残留问题。灾区的食品来源可能变得多样化，有捐赠的、有从废墟中抢救出来的，还有灾区民众自行采集的，这些食品是否含有过量的农兽药残留，成为灾区民众和救援人员关注的焦点。因此，一个能够快速、准确地检测食品中农兽药残留的技术显得至关重要。原位质谱快检技术，正是以其高精度、高效率、实时无损检测的独特优势而成为自然灾害应急响应中的一种食品安全保障。它能够迅速地为救援人员和灾区民众提供食品安全的准确信息，确保每口食物都是安全的，为灾区的稳定与恢复提供了有力的技术支撑。

1 原位质谱技术原理及特点

原位质谱技术是利用质谱原理开发出的一种无损检测手段，其工作原理是将待检测的样品直接放置在质谱仪中，利用特定的离子化技术，使样品中的分子转化为离子状态，从而在质谱仪内部精确地分离和检测离子的质荷比，再根据离子的质荷比进行精准的鉴别和分析。由于整个检测过程无须对样品进行复杂的预处理，且在整个检测过程中样品几乎没有任何损失，故该技术被称为无损检测。原位质谱技术在质谱分析中的优势在于可以对分子进行直接的质谱解析而不受样品制备工艺的影响。原位质谱技术具有极高的精确性和灵敏度，对样品中微量或痕量的化合物进行检测是轻而易举的事情，而且能够在极短的时间内完成检测任务，从而使工作效率得到较大的提升。

2 实验部分

2.1 材料与方法

模拟选取了受灾地区常见的食品样品，包括蔬菜、水果、肉类等。采用原位质谱技术检测样品中的农兽药残留，并与传统检测方法进行对比。

2.1.1 实验材料

受灾地区常见食品样品：菠菜（蔬菜代表）、苹果（水果代表）、鸡肉（肉类代表）。

2.1.2 实验方法

从受灾地区收集新鲜、未经处理的菠菜、苹果和鸡肉样品。将样品进行适当的清洗和切割，以备后续检测。将处理好的样品放置在质谱仪的样品台上，调整质谱仪参数，确保能够准确检测样品中的农兽药残留。经过质谱扫描，并记录质谱数据（表1）。

2.2 结果与分析

实验结果表明，在检测食品农畜药物残留时，原位质谱技术的精确度和可靠性都很高。原位质谱技术检测速度更快，灵敏度也比传统方法更高。此外，该技术还能对多种农畜药物残留进行同步检测，检测效率大大提高。

3 讨论

3.1 原位质谱技术在自然灾害应急响应中的优势

3.1.1 快速检测

质谱技术的核心优势体现在无须样本烦琐的前期加工或处理，去除了萃取、浓缩或衍生化等环节，极大缩减了检测前的准备工作时长。样品经过简单的处理后，可直接上机分析，省去了烦琐的前期准备步骤[1]。该技术综合运用了多种尖端离子化技术，如激光解吸电离（LDI）、二次离子质谱（SIMS）和解吸电喷雾电离（DESI）等。这些技术的结合使得试验分子迅速有效地转化为离子，从而为质谱检测提供了稳定且高效的离子发射环境。原位质谱仪扫描速度迅捷、分辨率极高。它能在极短的时间内完成对整个质量范围的扫描，并迅速且精准地识别出样品中的各种化合物，它出色的高速扫描能力，为快速获取检测结果提供了有力保障。现代原位质谱仪通常都装备了高度自动化的样品进样系统和先进的数据分析软件，这大幅降低了人工操作的复杂度，还显著提高了检测效率，同时借助智能化的数据分析软件，大量的质谱数据得以迅速处理，样品中的化合物也能被精确地识别，从而进一步缩短了检测时间。一些先进的原位质谱仪还配备了即时的反馈和报警系统[2]。一旦检测到农兽药残留或其他有害物质超标，系统会立刻启动报警机制，确保相关人员能够及时作出响应，并采取有效措施。

3.1.2 无损性

原位质谱技术对可能改变样品原状的样品，在进行检测时，不需要进行裁剪、研磨或其他任何处理。这一点与许多可能需要破碎、溶解或抽取样本来进行分析的其他分析技术有所不同。通过原位质谱可以直接检测样品，以保持其原始的形态和结构，从而避免可能发生的结构改变或因处理而损失样品的成分。样品的原始状态因检测过程的非破坏性而被完整地保留下来。这一点对后续可能需要进一步的分析或验证是必不可少的。例如，在一些科研试验中，研究人员希望在使用其他技术进行更深入研究前，先对样品进行原位质谱初步分析。使后续的分析结果因样本没有被破坏而更准确、更有效。保留样本的原始状态，不仅对保持样本的完整性和真实性有一定的帮助，还提供了更多的可能性进行后续分析。若需要更多的信息进行初步分析后，或者对初步分析结果存在怀疑，研究人员无须担心由于之前的测试而导致样品被破坏或改变，可以随时再次对同一样品进行检测。原位质谱技术由于避免了破坏性的处理而导致的误差，减少了处理后的不确定性。同时，不同的研究人员或实验室可以在不同时间重复检测同一样品，提高实验的可重复性。

3.1.3 高精度和高灵敏度

质谱技术凭借高检测效率，可以准确识别出样品中的农药与兽药残留。质谱仪卓越的质量分辨率及卓越的离子生成技术，让检测的灵敏度更高，即便是应用于含有多种成分的食品载体，该技术仍能轻易识别微量的遗留物质，这个功能对保障食品安全至关重要。准确测量离子质量与电荷的比例，现场质谱技术可以准确区分不同化合物，实现其精确的量化检测。因此，即使是极微量的农药和兽药残留也能被检出，这种技术可以精确保留并量化有害物质，消除了超标残留物对人类健康的隐性伤害[3]。农业与畜牧业药物残留监控是衡量重点，食品安全对人民健康构成坚实保护。现场质谱技术建立了食品保障稳固的技术防线，对农畜产品中微量药物残留进行准确检测。该技术助力监管部门快速而严格地鉴别并处理劣质食品，同时坚定不移地保障消费者的权益。不仅这样，现场质谱技术应用范围广泛，覆盖食品样本检测多个领域，包含蔬菜、水果和肉类等，对食品生产过程进行质量控制，在成品取样环节也发挥了重要作用，因其广泛应用场景而转变为关键的检测设备，在食品安全领域发挥着关键作用，它的重要性不言而喻。与依赖液相色谱—质谱联用的常规检测相比，现场质谱分析技术简化了前处理步骤，实现了快速测定，大幅降低了样品处理过程中的误差和被污染的概率。

3.2 面临的挑战

3.2.1 设备成本高

原位质谱快检技术的研发制造成本相对要高很多，因为它所需要的关键部件有高精度的分子真空泵质量分析器及复杂的电路设计等，而这类部件的制造和研发要投入大量的经费和技术[4]。此外，由于原位质谱快检技术设备的稳定性和精确性必须得到充分保证。因此，进行长时间的研发和试验也是一笔较大的成本支出。由于原位质谱快检技术的生产工艺要求较高的精密加工和装配工艺，造成生产效率相对较低，从而进一步提高了设备的生产成本。

3.2.2 操作人员技能要求高

质谱快速检测技术所用设备构造复杂精细，包括高精度质量评价、细致样品前处理和大量数据处理等关键部分[5]。操作者需要熟知设备各精密部分的职能，必须精确调节设备参数，以确保实验每次执行的高精确度与可重复性。在进行原位质谱检测前，样品需接受一系列精心设计的处理工序，涉及提取、纯化及浓缩等关键环节。面对烦琐的操作步骤，技术人员需精通化学实验技巧，能够依据样本属性和实验目标做出恰当的样本处理。此外，原位质谱快检技术所产生的数据量是比较大的。这就要求操作者既要有扎实的资料处理基础，又要有敏锐的资料分析能力，这样才能准确解读质谱图，才能从中提炼出有价值的信息，合理地解释和推断实验结果。操作员除具备以上专业技能外，还肩负着日常维护仪表、排除故障的重任。这不仅要求其深入了解仪器的工作原理、内部结构等，还要求他们在仪器出现故障时能够快速诊断和修复问题，掌握一定的维修技巧。原位质谱快检技术在高压、高温环境和可能产生的有害气体等使用过程中，存在一定的安全隐患。因此，操作者一定要有高度的安全防范意识，操作程序一定要严谨，才能保证整个试验过程安全、可靠。

3.3 应对措施

3.3.1 加强政府投入，降低设备成本

对企业或个人购置设备的经济负担，政府可采取财政补贴等方式直接减轻。例如，政府可提供一定比例的购机补贴，或对购机贷款实行贴息政策，以降低用户的购机成本，解决原位质谱快检技术装备的问题。通过减免购置或使用设备的有关税费，使设备整体费用得到有效降低。政府可以对购买增值税减免、所得税抵扣等高新技术检测设备的单位或个人给予税收优惠，鼓励更多的用户购买此类设备。对科研单位和企业进行技术创新和产品升级，政府可加大对原位质谱快检技术研发的投入力度。设备的生产成本有望通过技术进步和规模效应而降低，市场价格也将随之降低。

3.3.2 开展技术培训，提高操作人员技能水平

明确培训目标是技术培训的首要任务，即提高操作员的理论知识和实际操作能力，开展原位质谱快检技术的培训。这包括但不限于设备的基本操作、样品处理、资料解读，以及日常的维护保养和故障排除等方面的工作。训练内容既要涉及理论知识，又要涉及实际操作。理论知识部分包括基本原理、设备结构、原位质谱技术的工作流程等内容；具体操作步骤、样品处理技巧、资料处理方法等都涉及实际操作部分。通过理论与实践相结合的方式，使操作员全面认识和掌握原位质谱快速检验技术。初、中、高3个层次的培训可根据操作人员的技能水平和需求进行。初级班以新手为主，基本操作、器材基础知识介绍；中级训练则重点练习进阶技巧，如样本处理、资料分析等；高级进阶训练则以进阶应用、故障排除、装备优化为主要内容。采取讲课、案例分析、模拟操作、实地操作等培训方式，增强培训效果。讲课能系统地传授理论知识；案例分析可以使操作者掌握实际运用中可能遇到的问题和解决办法；模拟操作和现场操作则可以提高操作者对设备操作的认识和熟练程度。

3.3.3 加强与其他快速检测技术的结合，形成优势互补

质谱检测技术具有高精确度和高敏感性的优势，并已经在检验分析领域确立了地位。但技术的应用总会面临一定的边界条件，现场快速质谱检测同样难以规避这些限制。为了超越这些限制并进一步提升测试效能，可以将其与其他快速检测手段巧妙地结合。

例如，近红外光谱和荧光光谱等光学生态监测技术，以其非破坏性的分析手段广受欢迎。技术与在位质谱技术融合，样本保持原貌，识别样品化学组成及光谱特性，综合解析资料，为用户供应全方位的信息。此外，依赖于其灵敏度高、反应快等特点的电化学检测技术在分析检测中也占有举足轻重的地位，通过与原位质谱的联合应用，可以实时追踪反应中间体和产物在电化学反应中的变化，进而对反应的内在机理进行深入的研究和分析。

生物分子检测的重要手段是生物检测技术，如PCR、免疫学检测等。当这些生物检测技术与原位质谱技术相结合，无疑为生物医学研究注入了强劲动力，从而实现快速定性和定量分析生物分子。这种技术的集成不仅可以将多种信息汇集到单次实验中，减少重复实验，提高工作效率，还可以使检测的精确性大幅提升，利用不同的技术对不同的分析物进行灵敏度和特异性的分析。更重要的是，原本可能只适用于特定样本或分析物的单一技术，在这一组合中发现了更广泛的应用场景，从而使得原位质谱快检技术能够为更多种类的样本和分析物提供服务，从而实现对特定样本或分析。

4 结论

通过实验验证了原位质谱快检技术在自然灾害应急响应中食品农兽药残留检测的准确性和可靠性。该技术具有快速、无损、高精度和高灵敏度等特点，在灾区食品安全保障中具有重要应用价值。然而，该技术仍面临一些挑战，需要通过政府投入、技术培训等措施加以解决。总之，原位质谱快检技术在自然灾害应急响应中食品农兽药残留检测的应用前景广阔，值得进一步研究和推广。

参考文献

[1] 张季，凌蕾，侯睿，等.基于原位电离—高分辨质谱技术结合特征脂肪酸含量鉴别菜籽油掺假的研究[J].粮食与油脂，2023，36（10）：155-158.

[2] 黄绮敏，李美珍.食品质量安全检测中原位电离质谱技术的应用分析[J].食品安全导刊，2021（29）：167-168.

[3] 余灵.原位电离质谱技术在食品质量安全检测中的应用[J].食品安全导刊，2021（24）：144，146.

[4] 赖长江生，邱子栋，魏旭雅，等.基于原位质谱技术的中药质量评价策略的构建[J].中国中药杂志，2022，47（1）：279-284.

[5] 陈依琳.基于原位电离质谱技术的吡咯里西啶生物碱分析新方法[D].上海：上海中医药大学，2021.