孫 燕, 謝 昀, 許秀麗, 譚明乾, 張 峰,*

(1.中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院,北京 100176; 2.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧 大連 116034)

食品安全與質(zhì)量對全球經(jīng)濟(jì)、人類健康和國土安全至關(guān)重要。然而,由于食品種類的多樣性及化學(xué)成分的復(fù)雜性,微生物病原體、重金屬、食品添加劑、生物毒素、農(nóng)/獸藥,甚至食品包裝材料微塑料成分等多種痕量污染物的快速鑒別成為現(xiàn)代社會食品安全分析的一大挑戰(zhàn)[1]。除了食品化學(xué)污染外,食品還面臨著非法摻假、降解變質(zhì)等,雖然傳統(tǒng)技術(shù)(如色譜分析法、光譜分析法等)可以實(shí)現(xiàn)食品中目標(biāo)化合物的檢測,但繁瑣的樣品前處理過程(分離、提取、凈化、富集等)已不適用于當(dāng)代食品檢測學(xué)中對風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的快速高通量篩查[2]。

因此,針對復(fù)雜化學(xué)混合物中分子離子的篩選,離子遷移譜(ion mobility spectrometry,IMS)作為一種快速分離技術(shù),新增了一維離子淌度信息——碰撞橫截面積,其測量與氣態(tài)離子的大小、形狀和所帶電荷有關(guān),不受樣品基質(zhì)影響,檢測信噪比也有所提高,因此能夠有效分辨同分異構(gòu)體、多電荷態(tài)物質(zhì)等[3]。同時(shí)高分辨MS作為分析復(fù)雜樣品的常用設(shè)備,具有在原子和分子水平上進(jìn)行多組分分析的優(yōu)點(diǎn),且各種類型的離子碰撞解離技術(shù)極大地?cái)U(kuò)展了MS在食品分析方面的應(yīng)用[4]。一方面,質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法程序的應(yīng)用,大大提高了食品中未知風(fēng)險(xiǎn)成分的高分辨篩查與預(yù)測能力;另一方面,敞開式離子化質(zhì)譜法(ambient mass spectrometry,AMS)作為傳統(tǒng)MS的一個(gè)重要的創(chuàng)新突破,是一種快速有效的復(fù)雜樣品直接分析方法,因此成為高通量定性分析、無損反應(yīng)監(jiān)測的絕佳選擇[5]。

高分辨MS作為實(shí)驗(yàn)室儀器在分析應(yīng)用領(lǐng)域有著較大發(fā)展,但也存在體積龐大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、不能隨時(shí)移動(dòng)等局限性,因此無法在食品環(huán)境污染、食品風(fēng)險(xiǎn)因子、突發(fā)應(yīng)急監(jiān)測等需要進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測的領(lǐng)域得到有效應(yīng)用。目前質(zhì)譜儀器正向高效率、便攜化、可視化方面發(fā)展,出現(xiàn)了微型質(zhì)譜儀。未來開發(fā)無需樣品前處理、可由非專業(yè)人員操作、具備高分辨分離分析性能的微型質(zhì)譜儀,對滿足原位、實(shí)時(shí)、無損的食品現(xiàn)場快檢十分重要[6]。

本文重點(diǎn)概述了近十年高分辨分離分析技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的最新進(jìn)展與應(yīng)用,分別通過在線質(zhì)譜耦合技術(shù)、高分辨篩查技術(shù)以及微型質(zhì)譜儀3大領(lǐng)域展開介紹,并對食品安全檢測新裝置的前景進(jìn)行了展望。

1 在線質(zhì)譜耦合技術(shù)

MS是在線過程優(yōu)化和智能控制的基本儀器,在線質(zhì)譜法的優(yōu)勢是能夠表征化學(xué)反應(yīng)過程,如化學(xué)產(chǎn)物和雜質(zhì)的形成以及底物的消耗,在線質(zhì)譜技術(shù)作為一種高靈敏檢測技術(shù),已由推測化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究逐漸向痕量物質(zhì)的實(shí)時(shí)快速檢測和準(zhǔn)確定量方面應(yīng)用[7]。為了實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備與質(zhì)譜的在線聯(lián)用,最關(guān)鍵的問題是在兩個(gè)設(shè)備之間開發(fā)合適的接口,以解決大氣壓氣流對質(zhì)譜檢測器造成的真空沖擊。目前MS已實(shí)現(xiàn)與色譜分離技術(shù)(例如超高效液相色譜、氣相色譜、毛細(xì)管電泳、超臨界流體色譜)串聯(lián),但涉及富集提取-色譜分離-質(zhì)譜檢測的耗時(shí)過程[8]。然而,隨著IMS與AMS的出現(xiàn)與發(fā)展,在線質(zhì)譜法有了新的可供選擇的耦合方式,并已有成功應(yīng)用于小型化設(shè)備現(xiàn)場分析的案例[9]。

1.1 離子遷移譜法

IMS的分離原理是根據(jù)氣相離子的質(zhì)量、形狀、大小和電荷在電場中的遷移率不同來分離的。因此,結(jié)構(gòu)相似但具有不同電荷的離子可以通過IMS進(jìn)行分離。然而IMS仍然是一種低分辨率技術(shù),因此,越來越多的研究人員選擇將IMS與高分辨MS串聯(lián)使用,IMS-MS聯(lián)用技術(shù)最初在2000年左右出現(xiàn),但不同類型的IMS-MS測量離子遷移率的能力不同,大致分為漂移管離子遷移譜法(drift tube IMS,DTIMS)、吸入離子遷移譜法(aspiration IMS,AIMS)、行波離子遷移譜法(traveling wave IMS,TWIMS)、場不對稱形離子遷移譜法(field asymmetric IMS,FAIMS)和捕獲離子遷移譜法(trapped IMS,TIMS)。

1.1.1漂移管離子遷移譜法

DTIMS使用恒定電場來分離離子,缺點(diǎn)是靈敏度低,因此需要與MS串聯(lián)使用。IMS儀器的工作時(shí)間為毫秒,而MS的工作時(shí)間為秒,因此通常使用快速掃描質(zhì)譜儀,如飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(time of flight,TOF)作為耦合的高分辨MS。Gloess等[10]采用電暈放電電離-DTIMS-TOF聯(lián)用技術(shù),在正離子和負(fù)離子模式下監(jiān)測咖啡烘焙過程中形成的150多種揮發(fā)性有機(jī)化合物。結(jié)果表明,該在線監(jiān)測模式檢測到一些重要的香氣活性物質(zhì),如烷基吡嗪異構(gòu)體,其隨著焙燒過程的不同時(shí)間段表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度特征。由此可知,DTIMS-TOF在線耦合技術(shù)為這類含異構(gòu)體的香氣活性化合物的復(fù)雜化學(xué)分析提供了一個(gè)簡單快捷的高分辨率監(jiān)測策略,且DTIMS實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的遷移率趨勢有利于識別多種同分異構(gòu)體。

1.1.2吸入離子遷移譜法

AIMS目前已成功從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型為現(xiàn)場分析測試設(shè)備。Potter等[11]使用了氣相色譜-大氣壓化學(xué)電離-AIMS-TOF MS耦合系統(tǒng),對一系列市售食用油中的脂肪酸進(jìn)行特異性分離鑒別,并開發(fā)了一種全面指紋識別技術(shù)。這種技術(shù)與傳統(tǒng)使用火焰電離檢測或單四極桿質(zhì)譜檢測脂肪酸相比,無需衍生為脂肪酸甲酯來檢測,從而提高了脂肪酸鑒定的特異性和定量的可信度。由此可見,AIMS-MS串聯(lián)大大提高了化合物的選擇性,在研究食品來源、食品摻假等方面具有巨大的潛力。

1.1.3場不對稱形離子遷移譜法

FAIMS又稱差分遷移譜法,是利用離子遷移率從低電場到高電場的變化來分離離子,克服了離子遷移率相似的物質(zhì)無法分離的缺點(diǎn)。然而,FAIMS技術(shù)的分辨率較低,需依賴FAIMS-MS串聯(lián)技術(shù)提高分辨率。同時(shí)隨著FAIMS接口的小型化,與質(zhì)譜成像的耦合可以提高特定分子類別的檢測與成像。

Feider等[12]報(bào)道了解吸電噴霧電離和液體微臨界表面取樣探針與FAIMS裝置的耦合技術(shù),可增強(qiáng)生物組織樣品中的單電荷以及多電荷代謝物的成像。優(yōu)化后的FAIMS參數(shù)提高了代謝物空間分布的可視化,最重要的是可以監(jiān)測到單使用質(zhì)譜成像無法檢測到的成分種類。由此可知,FAIMS-質(zhì)譜成像耦合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)食品中多電荷脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分的檢測,且FAIMS和MS儀器的無縫集成極大地拓展了FAIMS在食品組學(xué)方面的應(yīng)用和前景。

1.1.4行波離子遷移譜法

TWIMS技術(shù)推動(dòng)了無損離子結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)的發(fā)展,同時(shí)TWIMS與TOF質(zhì)譜儀器聯(lián)用,對序列輸出離子的信噪比有顯著的提升。但單級TWIMS產(chǎn)生周期性選擇離子的連續(xù)輸出,也產(chǎn)生非選擇離子的脈沖輸出,導(dǎo)致背景信號增強(qiáng)。理論上,兩個(gè)TWIMS的正交聯(lián)用可以消除這種非選擇離子脈沖的輸出。

Vidal-de-Miguel等[13]介紹了一種兩級TWIMS與大氣壓界面質(zhì)譜耦合技術(shù),該技術(shù)可以連續(xù)輸出選定遷移率的離子。結(jié)果表明,采用了兩級TWIMS的過濾方式,可大大減少單級TWIMS分離產(chǎn)生的背景干擾,且IMS-IMS預(yù)過濾方法可作為提高樣品分離能力的一種非常有效的方法。

1.1.5捕獲離子遷移譜法

與其他IMS技術(shù)相比,TIMS除了分辨分離能力高和測量離子碰撞橫截面積準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)外,還具有在復(fù)雜樣品中靶向分析分子離子的優(yōu)勢,因此TIMS-MS多用于快速氣相色譜分離和分子結(jié)構(gòu)解析。Djambazova等[14]利用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像耦合TIMS技術(shù)對脂質(zhì)異構(gòu)體(手性異構(gòu)體、?；湲悩?gòu)體、雙鍵位置和立體異構(gòu)體)進(jìn)行分離和鑒定。結(jié)果表明,質(zhì)譜成像-TIMS耦合技術(shù)可以直接對脂質(zhì)異構(gòu)體進(jìn)行原位分離和空間分布可視化成像。由此可知,對于大分子、蛋白質(zhì)及其復(fù)合物的異構(gòu)化,TIMS-MS有表征化合物結(jié)構(gòu)多樣性的潛力。

1.2 敞開式離子化質(zhì)譜法

AMS是一種無需樣品預(yù)處理,直接進(jìn)行表面采樣,幾秒鐘內(nèi)即可進(jìn)行成分研究的實(shí)時(shí)解吸電離分析技術(shù),可以與大多數(shù)帶有大氣壓接口的高分辨率MS耦合并進(jìn)行精確的質(zhì)量分析,極大地?cái)U(kuò)展了食品現(xiàn)場快檢應(yīng)用領(lǐng)域。最早出現(xiàn)的AMS技術(shù)分別是2004年和2005年提出的解吸電噴霧電離和實(shí)時(shí)直接分析電離技術(shù),之后陸續(xù)出現(xiàn)了許多不同的AMS技術(shù),目前已有40多種類型。根據(jù)電離能源(如電、光、熱、聲等)的能量形式差異,AMS大致分為噴霧電離、電場電離(電暈/輝光放電、等離子體等)、光電離和熱電離[15]。

1.2.1噴霧電離

噴霧電離的機(jī)制是將樣品本身(切割后產(chǎn)生尖銳的尖端)作為固體底物,在樣品上施加高壓和一些溶劑,分析物溶解到溶劑中,接著液相分析物分子在高電場下直接電離,噴射并產(chǎn)生帶電液滴和離子,隨后進(jìn)入MS分析。由于實(shí)際樣品以固體、液體、氣體、膠體甚至非均相形式存在,為了適應(yīng)不同的樣品分析,以噴霧電離為基礎(chǔ)的各種AMS技術(shù)相繼出現(xiàn),如解吸電噴霧電離、萃取電噴霧電離、解吸聲波噴霧電離、氣流輔助電離、熔滴電噴霧電離、探針電噴霧電離、組織噴霧電離等。Cai等[16]采用納米萃取電噴霧電離與MS耦合技術(shù)對啤酒樣品中的組胺進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速檢測,無需繁瑣的樣品前處理操作。由此可見,噴霧電離的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)悠繁砻孢M(jìn)行電離,實(shí)現(xiàn)快速定性分析,并利用軟電離來限制目標(biāo)分析物的破碎程度;主要局限是當(dāng)使用不合適的溶劑系統(tǒng)時(shí),分析物的提取會減少,導(dǎo)致靈敏度降低。

1.2.2電場電離

電場電離的機(jī)制是利用大氣壓化學(xué)電離和大氣壓電暈放電與輝光放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行電離,常見技術(shù)如低溫等離子體電離、介質(zhì)阻擋放電電離和實(shí)時(shí)直接分析電離等。實(shí)時(shí)直接分析電離屬于輝光放電產(chǎn)生等離子體電離,原理是通過對氣體He或N2分子進(jìn)行放電形成等離子體激發(fā)態(tài),這些物質(zhì)被加熱的氣流帶到樣品中,從樣品中解吸和電離分析物,隨后進(jìn)入MS分析。實(shí)時(shí)直接分析電離作為一種氣相電離技術(shù),很少觀察到由液相電離技術(shù)形成的復(fù)雜簇離子、金屬加合物離子和多電荷離子等,但相對缺點(diǎn)是放電氣體對解吸分析物的稀釋以及高溫下不可避免的離子破碎,因此更適用于小分子化合物的快速電離。Crawford等[17]采用實(shí)時(shí)直接分析電離與MS串聯(lián)的方法,對食品包裝中鄰苯二甲酸鹽進(jìn)行快速定性分析。結(jié)果表明,該方法成功應(yīng)用于監(jiān)測各種食品包裝以及運(yùn)動(dòng)器材中鄰苯二甲酸鹽的存在,但其定量能力仍相對不足。

1.2.3光電離

光電離分為直接光電離(以紫外、紅外和激光為能量源)和基質(zhì)輔助激光電離,通常不需要高電壓、噴霧溶劑或氣體來幫助電離,并且功耗低。該技術(shù)可使樣品快速氣化和電離,常見光電離技術(shù)包括解吸常壓光電離、常壓激光基質(zhì)輔助解吸電離、常壓激光解吸電離等。Aiello等[18]報(bào)道了一種快速、靈敏的激光基質(zhì)輔助解吸電離與MS串聯(lián)的方法,并對藏紅花的真?zhèn)芜M(jìn)行了定性鑒別。研究選擇藏紅花素作為藏紅花真?zhèn)巫R別生物標(biāo)志物,并用姜黃素作摻假物對市售藏紅花的摻假率進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明,該方法是表征食品中真?zhèn)紊飿?biāo)志物的一種強(qiáng)有力的方法,具有很高的化學(xué)敏感性,可作為食品真?zhèn)巫R別工具。

實(shí)踐中，我們還驚奇地發(fā)現(xiàn)：即便學(xué)生已經(jīng)知道“相對面的點(diǎn)數(shù)和是7”，到發(fā)現(xiàn)“有幾顆，看不見的點(diǎn)子數(shù)就是幾個(gè)7減去最上面的數(shù)”還是要經(jīng)歷一段“曲折”的探索過程，而不是像我們想的那樣“很快”就能遷移過來了。這節(jié)課教學(xué)內(nèi)容簡單，如果學(xué)生已經(jīng)知道這個(gè)規(guī)律，解決問題無非就是“套用公式”，但是對“什么是教學(xué)”的思考，以及教學(xué)法的轉(zhuǎn)變讓我們感受到：如果給學(xué)生足夠的時(shí)間，讓學(xué)生在感到足夠安全的基礎(chǔ)上探索，這樣的實(shí)驗(yàn)課很有價(jià)值！

1.2.4熱電離

熱電離技術(shù)利用高溫和熱輻射光子的能量來誘導(dǎo)分析物電離。如熱解吸化學(xué)電離是通過可離子化試劑熱解產(chǎn)生高濃度試劑離子,然后與樣品中的待測分子發(fā)生碰撞進(jìn)行電離。該技術(shù)無需高壓氣體,且靈敏度高。其他常見的熱電離技術(shù)包括激光二極管熱解吸、常壓熱解吸電離、快速蒸發(fā)電離等。Balog等[19]提出了一種快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜法,能夠在小于5 s的時(shí)間內(nèi)記錄肉類標(biāo)本的質(zhì)譜剖面。結(jié)果表明,該方法對來自不同物種(馬、牛和鹿肉)肉類的混合肉餅鑒別具有較高的準(zhǔn)確性,且可以通過提供原位、實(shí)時(shí)的分子解析信息對肉制品進(jìn)行快速有效的質(zhì)量判定,檢測過程綠色無污染。

2 高分辨篩查技術(shù)

高分辨篩查技術(shù)一般分為靶向篩查和非靶向篩查,靶向篩查可減少一定干擾離子的存在,但不適合在復(fù)雜食品樣品中發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)化合物;非靶向篩查可獲得樣本所有離子的碎片信息,更適合復(fù)雜樣本的高通量篩查分析。但由于樣品制備、有機(jī)溶劑、采集方法和數(shù)據(jù)分析等差異,不同高分辨MS用于篩查風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的方法準(zhǔn)確性存在很大差異。因此,構(gòu)建高質(zhì)量質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫,盡可能去除不同儀器與實(shí)驗(yàn)操作的干擾,減少對參考標(biāo)準(zhǔn)品的依賴,對未知化合物的有效篩查至關(guān)重要。

2.1 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫

一直以來,在質(zhì)譜的特征二級碎片數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行食品未知成分碎片的相似性搜索很有意義。隨著質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫中化合物數(shù)量與種類的不斷擴(kuò)大,從文獻(xiàn)中獲得的二級質(zhì)譜信息對于建立一個(gè)龐大的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫非常有價(jià)值。Li等[20]使用全譜采集的氣相色譜-四極桿-TOF質(zhì)譜體系,建立了439種農(nóng)藥的TOF精確質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和圖譜庫。結(jié)果表明,該質(zhì)譜體系可實(shí)現(xiàn)果蔬中439種農(nóng)藥的快速分析,成為監(jiān)測水果和蔬菜中農(nóng)藥殘留的可靠分析方法。Li等[21]采用超高效液相色譜-三重四極桿/線性離子阱質(zhì)譜技術(shù),建立了豬肉中磺胺類、喹諾酮類、β-受體激動(dòng)劑、硝基咪唑等204種多殘留獸藥鑒定的方法。結(jié)果表明,該方法建立的204種獸藥二級質(zhì)譜碎片數(shù)據(jù)庫可加強(qiáng)對肉類食品中可疑風(fēng)險(xiǎn)物的定性篩查。但來源于文獻(xiàn)的信息包含了各種類型的MS儀器,不同的離子源、前體加合物和碰撞能的影響已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出質(zhì)譜碎片數(shù)據(jù)庫匹配的范圍,因此僅以保留時(shí)間以及特征二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配篩查會出現(xiàn)很多假陽性峰值。

為了進(jìn)一步提供結(jié)構(gòu)解析的準(zhǔn)確性,除了光譜特征和二級質(zhì)譜的特征質(zhì)荷比片段,中性丟失、母離子以及特征質(zhì)荷比之間差異的信息也作為分子結(jié)構(gòu)解析的考察點(diǎn)。因此研究不同種類化學(xué)物質(zhì)在不同離子源作用下的裂解規(guī)律非常重要。Guo等[22]采用敞開式電離-四極桿-軌道阱質(zhì)譜法(AI-Q-Orbitrap),根據(jù)酸性化合物的特征子離子和中性丟失的結(jié)構(gòu)信息,對不同酸性化合物的結(jié)構(gòu)相似性和多樣性進(jìn)行解析。該研究根據(jù)酸性化合物在二級質(zhì)譜高碰撞解離過程中的行為,提出了3種裂解規(guī)律:(1)電荷驅(qū)動(dòng)下的裂解和CO2的丟失;(2)六元環(huán)重排和Cα-Cβ裂解;(3)消除重排和H2O、CO2和CO的連續(xù)丟失,裂解途徑詳見圖1。結(jié)果表明,AI-Q-Orbitrap方法可用于酒和茶中的單酸、雙酸、多酸和酚酸等多類酸性化合物的高通量篩查與鑒定。

圖1 基于AI-Q-Orbitrap高碰撞解離的去質(zhì)子化檸檬酸的3種裂解途徑[22]

以上裂解規(guī)律的推理和特征質(zhì)荷比片段的分析主要是通過手動(dòng)管理非目標(biāo)數(shù)據(jù),即刪除重復(fù)特征和化學(xué)噪聲后整理成一個(gè)簡明的特征列表,這是一項(xiàng)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的工作。DeFelice等[23]設(shè)計(jì)了一個(gè)Web應(yīng)用程序MS-FLO,工作流程如圖2所示,該程序可作為一種自動(dòng)程序來識別峰值表中錯(cuò)誤數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)初始處理后特征列表的正確率,同時(shí)利用保留時(shí)間校準(zhǔn)、精確的質(zhì)量公差、Pearson相關(guān)分析和峰高相似性來識別離子加合物、重復(fù)峰報(bào)告和同位素特征峰。結(jié)果表明,MS-FLO自動(dòng)質(zhì)譜特征優(yōu)化程序可以提高后續(xù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度以及非靶標(biāo)篩查的效率。

圖2 質(zhì)譜特征列表優(yōu)化器用于生成和處理非靶向LC-MS代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫的工作流程[23]

2.2 質(zhì)譜預(yù)測

由于現(xiàn)有質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫和篩查模型的限制,在沒有參考標(biāo)準(zhǔn)品的情況下,對未知分子結(jié)構(gòu)的解析仍具有挑戰(zhàn)性。機(jī)器學(xué)習(xí)是對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí),從而讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自主挖掘數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和相似性,并進(jìn)行決策和預(yù)測的過程。這種高級算法技術(shù)可以用來監(jiān)管食品安全質(zhì)量,同時(shí)為食品質(zhì)量等級的標(biāo)準(zhǔn)制定做出重大貢獻(xiàn)。Gredell等[24]將機(jī)器學(xué)習(xí)與快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜法的數(shù)據(jù)相結(jié)合,比較了8種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對每個(gè)模型集的預(yù)測精準(zhǔn)度,包括:(1)具有線性核、徑向核和多項(xiàng)式核的支持向量機(jī),(2)隨機(jī)森林,(3)最近鄰算法,(4)線性判別分析,(5)懲罰判別分析,(6)極端梯度提升,(7)邏輯提升,(8)偏最小二乘判別分析。同時(shí)生成了預(yù)測模型,并以質(zhì)量等級、生產(chǎn)背景、品種類型和肌肉嫩度的標(biāo)準(zhǔn)對牛肉質(zhì)量進(jìn)行分類。結(jié)果表明,根據(jù)預(yù)測精準(zhǔn)度評估的最佳機(jī)器學(xué)習(xí)算法因不同的牛肉分類標(biāo)準(zhǔn)而有差異,這表明直接用快速蒸發(fā)電離——“一刀切”的方法來判斷肉類質(zhì)量是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。由此可?機(jī)器學(xué)習(xí)與MS數(shù)據(jù)相結(jié)合建立的預(yù)測模型補(bǔ)充了食品質(zhì)量分類分級標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 質(zhì)譜樹的3種預(yù)測方法示意圖[25]

3 微型質(zhì)譜儀

微型質(zhì)譜儀在保留完整質(zhì)譜功能的同時(shí),去除了繁瑣的樣品前處理過程,具有更低的功耗特性,也更具有價(jià)格優(yōu)勢。為了適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測的便攜性,分析儀器的小型化與AMS分離技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為許多科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn),讓大多數(shù)樣品在現(xiàn)場電離,更適用于非專業(yè)操作者使用。與實(shí)驗(yàn)室大型質(zhì)譜儀要求的高真空系統(tǒng)相比,微型質(zhì)譜儀既可以耦合非敞開式電離源,也可以耦合敞開式電離源[26]。因此真空系統(tǒng)和大氣壓接口的設(shè)計(jì)成為各種類型微型質(zhì)譜儀研制的關(guān)鍵。

Gerbig等[27]使用微型質(zhì)譜儀聯(lián)合3種AMS(電噴霧電離法、解吸電噴霧電離法和低溫等離子體電離法)測定了3種牛奶、5種魚類和2種咖啡的化學(xué)指紋圖譜。研究使用多元統(tǒng)計(jì)方法鑒定食品概況,評估了不同的數(shù)據(jù)處理方法獲得的指紋圖譜在食品認(rèn)證中的適用性。結(jié)果表明,微型質(zhì)譜儀-AMS和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法適用于食品的現(xiàn)場實(shí)時(shí)分析。Blokland等[28]評估了一些最新的AMS技術(shù)檢測食品污染物(如農(nóng)藥、獸藥和天然毒素)的潛力,目的是在保持質(zhì)譜最佳靈敏度和穩(wěn)健性的同時(shí)最小化檢測所需的樣品量。研究將基質(zhì)輔助電離、手持式解吸常壓化學(xué)電離、實(shí)時(shí)傳輸模式直接分析和涂層葉片噴霧分別耦合到臺式單四極桿、三重四極桿和Q-Orbitrap質(zhì)譜分析儀上。最終基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的考慮,微型離子阱或三重四極桿質(zhì)譜將成為未來食品安全快檢領(lǐng)域便攜式質(zhì)譜串聯(lián)的最低要求。

4 總結(jié)與展望

隨著多種MS新技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)庫以及機(jī)器預(yù)測范圍的大幅增加,未來研制出具備高分辨分離分析性能、集在線質(zhì)譜耦合技術(shù)與高分辨篩查技術(shù)于一身的微型質(zhì)譜儀十分可能。雖然微型質(zhì)譜儀已在食品安全、消費(fèi)品安全、公共安全等多個(gè)領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展,但仍然存在許多挑戰(zhàn),包括:(a)非均相樣品的采樣與分析;(b)復(fù)雜樣品成分導(dǎo)致的離子抑制影響定量準(zhǔn)確性;(c)大氣壓氣流對質(zhì)譜檢測器造成的真空沖擊;(d)檢測受到溫度、濕度、樣品接觸面積等因素影響較大。以上干擾均可能導(dǎo)致食品風(fēng)險(xiǎn)控制中假陽性結(jié)果的出現(xiàn)。因此,研發(fā)新型高選擇性表面功能化改性材料,定向偶聯(lián)到厘米級電離芯片上,實(shí)現(xiàn)微型質(zhì)譜儀富集-分離-電離的一體化,可有效消除基質(zhì)干擾,提高原位檢測的準(zhǔn)確性。同時(shí),研制具有穩(wěn)定梯度壓力分布的小型多級真空系統(tǒng)以及低氣壓下的高效離子傳輸與聚焦技術(shù),對實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高靈敏、高分辨率的小型原位裝置十分必要。

作者團(tuán)隊(duì)簡介

張峰首席專家團(tuán)隊(duì)設(shè)在中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院和國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(食品質(zhì)量與安全)。自2016年以來,團(tuán)隊(duì)得到了迅速發(fā)展。在首席專家的帶領(lǐng)下,研究組聚焦食品中未知有害物的質(zhì)譜偵測技術(shù)開發(fā)、食品實(shí)時(shí)質(zhì)譜檢測關(guān)鍵元件與技術(shù)開發(fā)、食品組學(xué)風(fēng)險(xiǎn)判定技術(shù)開發(fā)及食品安全質(zhì)譜成像技術(shù)開發(fā),承擔(dān)了多項(xiàng)國家級科研項(xiàng)目,并與國內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)建立了良好的合作關(guān)系。

課題組網(wǎng)站:https://www.caiq.org.cn/spaqyjs/index.shtml

人才隊(duì)伍

首席專家:張峰研究員,中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院副院長;國務(wù)院食品安全委員會專家委員會委員,中國檢驗(yàn)檢測學(xué)會副會長;國家“高層次人才特殊支持計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才

團(tuán)隊(duì)成員:研究員9人,副研究員5人,助理研究員及研究實(shí)習(xí)員14人,在站博士后2人,在讀博士、碩士研究生22人,共計(jì)52人

團(tuán)隊(duì)精神:敢于理論創(chuàng)新,勇于技術(shù)突破,保障國家利益

科研項(xiàng)目及成果

科研項(xiàng)目:“十三五”以來,主持歐盟“地平線2020”項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等25項(xiàng)

科研成果:制定國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30余項(xiàng),獲得發(fā)明專利授權(quán)30余件,近5年在AnalChem,JAgricFoodChem等期刊發(fā)表文章200余篇,主編著作10余部,獲得國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)2個(gè),獲得軟件著作權(quán)7項(xiàng)

獲獎(jiǎng)情況:以第一完成人獲得“國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)、國家質(zhì)檢總局“科技興檢獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)、“中國分析測試協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)(CAIA獎(jiǎng))”一等獎(jiǎng)、“全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)”(獲獎(jiǎng)人:張峰)等30余項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)

研究領(lǐng)域

儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室面積3 000 m2,擁有質(zhì)譜顯微鏡、三合一高分辨質(zhì)譜儀、環(huán)形離子淌度色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、同位素質(zhì)譜儀、高分辨靜電場軌道阱質(zhì)譜儀、高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、三重四極桿質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、氣相色譜儀、液相色譜儀、凝膠色譜儀、離子色譜儀等設(shè)備270余臺(套),原值超2億元人民幣