Thermo Fisher应用实例解析食品安全法

前言

新版的《中华人民共和国食品安全法》于2015年10月1日正式开始实施。该版本食品安全法被称为史上最严的安全法，对于食品的生产、流通、销售、监管及检测都提出了更高的要求，对于分析检测领域，新食品安全法的挑战可以归结为3个方面：（1）化合物检测灵敏度要求提高；（2）同时检测化合物的数量增加；（3）样品的种类增加、样品基质更趋复杂。相应的，这些挑战就成为各种分析仪器的要求，需要分析仪器能够实现更灵敏、分析速度更快、分辨率更高的检测性能，最后提供更全面准确的分析测定结果，为食品安全的风险评估及监督监管提供更有力的证据。

Thermo Fisher的超高效液相色谱-四极杆串联静电场轨道阱质谱仪（即UHPLC-Q Exactive，简称UHPLC-QE）是一款运用了最新的质量分析器技术的串联质谱仪【1，2，3】，可以在实际的实验中相比与其他类型质谱同时获得高灵敏度，即ng/L至ug/L的检出限度【4，5，6】、更高的分辨率，分辨率达到140，000 FWHM【7】及更准确的质荷比信息【1，2，3】。这些性能特点可以实现高灵敏度准确定量【4，5，6】的同时实现准确可靠的化合物筛查与确证【8，9】。

静电场轨道阱检测原理

静电场轨道阱是Thermo Fisher公司的，Makarov在kingdom阱的基础上发明的新型的分析器【10】，离子进入轨道阱中的运动轨迹可以用三个特征频率描述，包括：轴旋转频率 ω_φ 、径向振荡频率 ω_r和轴向振荡频率 ω_z，其中轴向振荡频率 ω_z与离子能量和离子的空间位置完全无关，轨道阱作为分析器的同时，最为作为检测器测定离子旋转过程中产生的镜像电流，对阱内离子进行检测，再通过傅里叶变换将得到的时域信号转换为频域信号。通过公式

可以获得准确的离子质荷比信息，轴向频率与离子能量和离子的空间位置完全无关，所以轨道阱具有高分辨率和高质量准确度，而镜像电流的大小与离子强度相关，因此静电场轨道阱可以同时提供高灵敏的定量信息。

图1 静电场轨道阱检测原理示意图

UHPLC-QE食品安全解决方案

基于UHPLC-QE优秀的技术特点，Thermo Fisher对食品安全检测提供了一套全面的解决方案，以应对食品安全领域目前以及将来可能遇到的各种挑战。该方案包括：

图2 UHPLC-QE食品安全全面解决方案

1）   高灵敏的目标化合物定量分析，适用于目前国家标准要求的兽药残留、农药残留、食品添加剂、生物毒素以及各种食品及保健品中非法添加物等定量分析。该方法无需质谱方法的优化，可以实现一次进样同时定量分析成百上千个化合物，而且，由于仪器具有极高的灵敏度与分辨率，可以应对最复杂基质及最严格的灵敏度要求。

2）    半未知化合物筛查与确证分析，该方法利用UHPLC-QE获得的高灵敏度、高质量精度和高分辨的样品测试数据，通过Thermo Fisher专业的TraceFinder软件，结合公司提供的专用的数据库和谱库，对化合物进行筛查与确证。目前数据库涵盖食品安全、环境安全及司法毒物筛查三个领域。由于UHPLC-QE能够提供更高灵敏度，因此样品中痕量的化合物也可以被检测出来，同时更高质量精度和更高分辨的样品测试原始数据可以有效减少或避免假阳性结果的产生。

3）    全未知化合物分析，通过UHPLC-QE获得的高分辨母离子质荷比与碎片离子信息，通过网络数据库mzCloud检索或Compound Discoverer软件进行化合物的结构分析，可以获得全新化合物或未知化合物的结构信息。

检测灵敏度

       UHPLC-QE硬件设计中高效的离子产生和聚焦，C-trap独特的离子储存和推送技术以及真空度达到1e^-10mbar的静电场轨道阱高灵敏检测（如图3），使仪器的检测具有极高的灵敏度，同时，由于测定的数据具有精确的质量，在离子提取时可以设定低至1ppm的质量窗口，可以极大减小背景离子的强度，提高化合物的检测灵敏度，而且，设定更小的质量窗口，可以有效减少假阳性的结果（如图4）。

图3 QE仪器结构示意图

图4 不同质量提取窗口对干扰及灵敏度的影响

       实际的基质样品中的测定结果显示，UHPLC-QE能够获得远优于标准限度要求的检测灵敏度，表1为猪肉基质中不同兽药残留的检测限。

表1猪肉基质中不同兽药残留的检测限

分辨率与结果准确性

       在复杂的基质检测过程中，即使样品经过超高效液相色谱的分离，还是难以避免化合物共流出，这些共流出的化合物如果具有相近的质荷比，就需要仪器具有相应的质量分辨率使共流出的化合物在质量分析器中得到分离并被准确计算质荷比（如图6）。如果仪器仅具有有效的分辨率，则无法区分相应的共流出化合物，相应化合物的质荷比信息就无法获得准确计算，因此将获得错误的化合物筛查信息，最为困扰的是由于错误的质荷比信息无法匹配数据库的化合物数据，风险化合物可能因此被漏检而得到假阴性的结果（如图7）。

图6 超高分辨率下共流出物质荷比结果

图7 有限分辨率下共流出物质荷比结果

TraceFinder质谱控制、筛查及定量软件

TraceFinder软件可以实现自动化的定量分析与定性筛查与确证分析（如图8），在结果浏览界面中，可以可视化的浏览筛查与确证的情况，如同位素匹配、二级质谱图匹配等，同时可以浏览定量计算的结果信息，包括计算结果，标准曲线信息。该软件允许对结果进行任意条件的过滤，以方便实验人员查看关注的结果信息。

图8 TraceFinder软件定量分析与定性筛查与确证结果浏览界面

重复性、定量线性与范围

       UHPLC-QE除了具有高灵敏度、高质量精度与超高分辨率外，同时还具有优越的检测重复性和定量线性与范围，以确保食品安全分析实验结果的可靠性，图9和表2分别显示了利血平标准溶液的测定结果，结果显示在10ppt至1ppm的5个数量级浓度范围内，定量标准曲线线性可以达到R²=0.9992。

图9 利血平标准曲线

而且，重复测试10ppt的利血平溶液，连续进样的利血平峰面积重复性RSD=2.44%。

表2 不同浓度点利血平溶液标准曲线结果表

参考文献

【1】       Qizhi Hu，J. Mass Spectrom. 2005; 40: 430–443

【2】       Richard H. Perry， Mass Spectrometry Reviews, 2008, 27, 661– 699

【3】       Roman A. Zubarev and Alexander Makarov， Anal. Chem. 2013, 85, 5288?5296

【4】       Ganna Fedorova， Rapid Commun. Mass Spectrom. 2013, 27, 1751–1762

【5】       Lukas Vaclavik，  Analytica Chimica Acta 810 (2014) 45– 60

【6】       A. Kaufmann，Analytica Chimica Acta 820 (2014) 56–68

【7】       Eduard Denisov，International Journal of Mass Spectrometry  2012,  325–327,   80–85

【8】       F. Shi, et al., J. Chromatogr. A (2013)，1334，91-98

【9】       Philippe Lebel，Journal of Chromatography A，2014，1343, 143–151

【10】   Alexander Makarov， Anal. Chem. 2000, 72, 1156-1162

（郑传奇 江铮：Thermo Fisher色谱质谱部）