CN103515185B - 一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置及检测方法，属于离子分析技术领域。该方法采用离子液体作为离子化试剂，通过加热产生高浓度的初级试剂离子，与样品中的待测物分子发生碰撞，并进行能量与电荷交换，从而使中性样品分子离子化，以供后续质谱分析使用。该离子化装置包括一U形电离室，电离室一端有样品引入口和载气口，另一端有离子输出口，电离室外壁环绕电阻丝；电离室置在一绝热外壳中。本发明具有无需样品预处理、操作简单、分析速度快、基质耐受力强等优势，且避免了有毒化学试剂和高压电场对样品的污染和损伤、是一种绿色、高效的新型离子化方法，尤其适合粘稠果汁中农残的快速检测。

Description

一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置及检测方法

技术领域

本发明涉及质谱分析及离子化技术，具体应用于食品安全检测领域，涉及到一种质谱检测果汁样品中农残的离子化方法及其装置。

背景技术

果汁是目前市场上最受欢迎的饮料产品之一，但农药的过量使用或滥用，使得果汁产品中出现不同程度的农药残留，引发了一系列食品安全问题，直接威胁着人们的身体健康，甚至生命安全，引起了世界各国的严重关切。离子化质谱检测分析技术因具有检测精确度高、分析速度快、所需样品和试剂少的优点，已成为果汁中痕量农残的重要分析工具之一。现有的果汁中农药残留的检测方法，主要包括液相色谱质谱法、气相色谱质谱法、液液微萃取色谱法、固相萃取-在线凝胶渗透色谱-气相色谱/质谱法等。然而，这些传统的检测方法都需要复杂的预处理过程，具有分析时间长、操作复杂、效率低下等缺点，难以满足市场上大批量复杂的实际果汁样品快速分析的需要。

同时，果汁比较粘稠，基质比较复杂，在使用质谱方法进行检测时，需首先经过溶解、富集、萃取、色谱分离等多道工序，以获得纯净的检测试样，进而才能进行离子化用于质谱分析，因而存在耗时长、操作复杂、检测准确度较差等缺陷，一般色谱分离单个样品的时间至少1个小时左右，这对仅能对“纯净样品”进行分析的传统离子化技术，如电子轰击电离源技术（EI），电喷雾电离技术（ESI）等提出了严重的挑战。传统的离子化技术，对果汁这样粘稠的复杂基质样品进行分析，还会使用到有毒的有机试剂，同时粘稠基质也会对仪器产生较为严重的残留。因此，研制一种绿色高效的检测果汁中农残的离子化技术和质谱分析方法，对推动我国果汁等饮料产业的健康发展，保证广大消费者的健康具有重要的意义。

发明内容

为解决当前果汁中农残难于检测的一系列问题，本发明提出一种质谱检测果汁样品中农残的离子化方法及其装置。

本发明目的之一在于提供一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置。该离子化装置，包括一中空的U形电离室，在U形电离室外壁上环绕有若干圈电阻丝，所述电阻丝的两端接在一加热电源上，所述U形电离室的和电阻丝都套装在一绝热外壳中。

所述U形电离室的一端设置有进样口，连接进样器；另一端为封闭端；在接近进样口一端的U形电离室侧壁上，开设有载气口，在接近封闭端一侧的U形电离室侧壁上，开设有对位质谱仪入口的离子输出口（离子输出口与对接质谱仪进口之间的水平距离为1.5～3.0cm，离子输出口的内侧底线与质谱仪的入口中心线在一条直线上）。

所述若干圈电阻丝由一根电阻丝连续缠绕而成。

所述进样口采用橡胶类弹性材料，进样时在进样口上插入取样针，拔出取样针后进样口自行关闭。

本发明另一目的在于提供的一种质谱检测果汁样品中农残的离子化方法。该方法包括以下步骤：首先将一定比例的果汁样品与离子液体的混合液体通入上述电离室进行加热，加热到一定温度时的离子液体解离产生大量的初级试剂离子，然后与果汁样品中的待测成分（农残成分）中性分子发生碰撞，并进行能量与电荷的交换，从而使果汁样品中的中性分子离子化，得到待测成分离子束，以输入至与其有一间距的质谱仪中供后续的质谱分析使用。

本发明的离子化方法，所述离子液体根据待测样品的物理和化学特性选择，选取离子液体的准则为：选取的离子液体受热形成气态离子的温度不能高于待测成份分子的分解温度；离子液体形成离子的质荷比不能与待测成分的形成离子的质荷比相同；本发明离子液体可选自但不限于氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氢盐、氯化1-甲基咪唑、六氟磷酸二烷基咪唑等其中的一种。

本发明的离子化方法，所述离子液体与待测样品按体积比为2：1的比例混合。

本发明的离子化方法，所述电离室加热温度的高低根据待测样品和离子液体的物理化学特性进行均匀调节。

本发明的离子化方法，还包括通入载气使样品与离子液体的混合液体运动，所述载气是氮气、氩气、氖气中的一种气体。

本发明还一目的在于提供一种检测果汁样品中农残的质谱分析系统。该质谱分析系统包括所述的离子化装置和一质谱仪，所述离子化装置的离子输出口的内侧底线与质谱仪入口的中心线在一条直线上，离子输出口与质谱仪进口之间的水平距离为1.5～3.0cm。

利用以上质谱分析系统或离子化装置及离子化方法对果汁样品中农残的质谱分析方法也属于本发明。

该质谱分析方法中，首先用离子化装置将果汁样品中待测物（农残成分）离子化形成离子束，离子输出口与质谱仪进口对位，用质谱仪对该离子束进行质谱分析，得到果汁样品中待测物的浓度，即农残含量。

该质谱分析方法中，根据离子液体加热解离的信号强度，优化调节电离室温度、电离室离子输出口与质谱仪进样口的水平距离和垂直距离、设置质谱仪的离子检测模式、质量扫描范围。

所述离子输出口与质谱仪的水平距离为1.5～3.0cm。

本发明与现有方法相比，具有无需样品预处理、基质耐受力强、操作简单、分析速度快等优点，利用离子液体代替高压电场和有机化学试剂产生初级试剂离子，避免了有机化学试剂和高压电场对样品的污染和损伤，是一种绿色环保的新型离子化分离方法，非常适合于粘稠果汁样品中农药残留的快速检测，在食品安全的实时、在线质量控制方面具有非常大的潜在应用价值，该方法和装置体现了绿色、高效、简便、快速的优势。

附图说明

图1为本发明一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置的结构示意图；

图2A为本发明装置耦合LTQ-XL质谱仪检测标准品乐果的一级质谱图；

图2B为本发明装置耦合LTQ-XL质谱仪检测标准品乐果的二级质谱图；

图3A为本发明装置耦合LTQ-XL质谱仪检测实际样品果汁中乐果的一级质谱图；

图3B为本发明装置耦合LTQ-XL质谱仪检测实际样品果汁中乐果的二级质谱图；

图4为本发明装置耦合LTQ-XL质谱仪检测果汁中梯度浓度的乐果，其浓度与信号强度间线性关系。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明不仅仅局限于以下实施例，凡是符合本发明技术方案的实施例，均应属于本发明的保护范围之内。

图1是体现本发明离子化方法工作原理的一种装置结构。

该装置主要包括一中空的U形电离室1，和在电离室外壁上缠绕的若干圈电阻丝3。电阻丝3的两端接在一均衡稳定的加热电源4上，通过加热电源4提供电压使电阻丝3变热，继而均匀控制电离室的温度。

缠绕着电阻丝3的U形电离室1套装在一绝热外壳2中，使电离室减少热损失而保持一种恒定的温度，促进液体分子的加热电离。

中空的U形电离室1的一端端口上设置有进样口6，连接进样器；进样口6采用橡胶类弹性材料，进样时在进样口6上插入取样针，拔出取样针后进样口6自行关闭。U形电离室1的另一端端口为封闭端。在接近进样口6一端的U形电离室侧壁上，开设有载气口5，用于引入氮气、氩气、氖气等辅助气体，可有助于待测成分分子的离子化，促使尽可能多的待测成分离子进入质谱仪进行分析。在接近封闭端一侧的U形电离室侧壁上开设有离子输出口7，并对位质谱仪入口8，离子输出口7与质谱仪入口8之间的位置和距离可以优化，一般来说，离子输出口7的内侧底线与质谱仪入口8的中心线在一条直线上，离子输出口7与质谱仪入口8两端面的水平距离d在1.5～3.0cm范围内较佳。

使用本发明离子化装置，离子液体与待测物（如果汁样品）以一定比例混合，从进样口6加入到电离室1中，通过电阻丝3加热使离子液体产生初级试剂离子，在U形管腔内，初级离子与待测成分分子相互作用，使待测成分分子电离形成离子，由离子输出口7输出形成待测成分离子束，经由质谱仪入口8进入质谱仪以进行质谱分析。

本发明电离室1采用U形设计主要是（1）方便样品液体的注入；（2）增大其受热面积；（3）U形管在密闭空间可增加初级离子与待测物成分分子碰撞几率，有助于形成待测成分离子。本发明利用离子液体代替高压电场和有机化学试剂产生初级试剂离子，从而使待测成分分子（农残待测成分）离子化，是一种绿色、环保的新型离子化方法。

离子化过程需注意以下几个方面：

一、离子液体的选择。要根据待测物的物理和化学特性（如热稳定性、极性、溶解度、沸点等），选择合适的离子液体，一般应选择与待测物极性相似、溶解度和沸点相差不大的离子液体。选取离子液体的准则有：（1）.选取的离子液体受热形成气态离子的温度不能高于待测成份分子的分解温度；（2）.离子液体形成离子的质荷比不能与待测成分的形成离子的质荷比相同。可选用的离子液体包括但不限于氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氢盐、氯化1-甲基咪唑、六氟磷酸二烷基咪唑等。

二、离子液体与待测物要按一定比例混合，一般体积比为2：1。

三、利用该离子化装置进行质谱分析中，根据离子液体加热解离的信号强度（质谱仪器一般检测到的信号强度为10¹到10⁷的，是单位时间内检测到的离子数量），来优化调节离子输出口与质谱仪进样口的水平距离和垂直距离、设置质谱仪的离子的检测模式（正离子模式或负离子模式）、质谱仪的质量扫描范围（不同的样品有不同的相对分子质量，样品分子带上电荷后有不同的质荷比，质量扫描范围就是质荷比的范围）、以及离子化装置的电离室温度等仪器参数。离子液体加热解离的信号强度由质谱仪器来测，离子化装置与质谱仪的距离d能影响离子信号检测的强度，离子信号越强质谱检测的灵敏度越高。

四、依据待测物和离子液体的物理和化学性质，逐渐将U形电离室均匀加热到相应的温度。加热温度的高低主要根据待测物和离子液体的物理化学特性（如热稳定性、极性、溶解度、沸点等）进行均匀调节，不能高于待测样品受热分解的温度，通常在400摄氏度左右。

下面是利用本发明离子化装置进行果汁样品质谱检测的实例：

实验仪器：将本发明的离子化装置和美国Finnigan公司的LTQ-XL型线性离子阱质谱仪耦合，数据处理系统为美国Finnigan公司的Xcalibur数据处理系统。

检测样品：1）乐果浓度为10^-9g/ml的水溶液；2）乐果浓度为10^-9g/ml的橘子汁；3）乐果浓度分别为0.01ng/ml、0.1ng/ml、1.0ng/ml、10ng/ml和100ng/ml的橘子汁；4）乐果浓度为1×10^-11g/mL的标准溶液（水溶液）。

乐果是有机磷内吸性杀虫剂，是目前用途广、产量较大的农药品种之一，其主要成分的分子式为C₅H₁₂NO₃PS₂（待测成分）。乐果在果汁中的残留较为常见。乐果具有较强的毒性，即使在食物和环境中少量的残留，也会对人体的健康产生极大的危害。为确保食品的安全，欧盟最新制定的食品安全规定中，果汁中乐果的最大残留极限不能高于0.02mg/kg。

离子液体：氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液，以离子液体中的1-丁基-3-甲基咪唑阳离子为试剂离子。

实验条件：根据乐果待测成分的相对分子量、离子特性和热稳定性，质谱仪选择正离子检测模式，质量数扫描范围m/z50～m/z600，毛细管电压和温度、透镜电压等质谱仪中的参数都依据仪器使用说明进行选择，毛细管温度为180℃，毛细管电压45V，透镜电压62，V其他条件由LTQ-XL系统自动优化；U形电离室离子输出口内侧底线与质谱口的中心轴在一条直线上，U形电离室离子输出口末端与质谱仪入口的距离d=0.35cm，U形电离室的温度设为162.5摄氏度。此条件下乐果待测成分的离子信号强度最大。

实验步骤：以氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液(即离子液体)中的1-丁基-3-甲基咪唑阳离子为试剂离子，利用本发明的离子化装置耦合LTQ-XL质谱仪，在常压和无需样品预处理的条件下，直接对各种溶液中痕量农残乐果进行分析。操作步骤：

1）将检测样品10ml与离子液体20ml混合；

2）从离子化装置的进样口6上插入取样针，将混合液体通过取样针注入U形电离室；

3）调节U形电离室与质谱仪的水平和垂直距离；

4）打开LTQ-XL质谱仪，同时对U形电离室逐渐进行均匀加热，按照上述设定的质谱条件进行扫描。

实验结果：图2A和图2B为正离子模式下水溶液中乐果（浓度为：10^-9g/ml）的一级和二级串联标准质谱图。该实验中，取m/z139碎片峰为电离试剂1-丁基-3-甲基咪唑阳离子质谱峰，m/z230为乐果的分子离子峰［M+H］⁺。为了避免实验的假阳性，选择m/z230分子离子峰进行了二级质谱研究，分别丢失CH₃NH₂和CH₃SH，得到乐果的主要特征离子m/z199和m/z182。此结果与乐果的电喷雾质谱分析结果一致，证明了本发明的离子化装置的可靠性。

图3A和图3B为对实际样品橘子汁中痕量（浓度为：10^-9g/ml）乐果的快速检测所得图谱，与同浓度乐果的水溶液谱图（图2A和图2B）及ESI-MS/MS（电喷雾离子源联用串联质谱）结果一致，其中果汁中乐果的一级质谱中的m/z261分子离子峰，可能为果汁基体中的化合物。图3A、图3B和图2A、图2B的质谱图都能得到乐果较强的离子信号，与经典离子源相比，本发明的优势在于，不需要样品预处理过程、且无需高压电场和有毒有机试剂，可直接利用离子液体，就可以得到与传统离子源同样稳定和可靠的质谱信号。

图4为本发明的质谱方法检测橘子汁中乐果的工作曲线（工作曲线是指在定量检测时，需要用梯度浓度的标准溶液做曲线，来比对检测到的盲样信号，从而得到盲样的浓度值，C是橘子汁中乐果的浓度，I是得到的质谱信号强度）。将橘子汁中不含乐果的空白样品（即在质谱分析中未观察到乐果分子离子的特征碎片离子峰m/z199,182的溶液），配制成五个不同浓度的乐果橘子汁溶液（乐果浓度分别为0.01ng/ml、0.1ng/ml、1.0ng/ml、10ng/ml，和100ng/ml），在上述相同的检测条件下进行多次检测，选择乐果母离子（母离子是质谱中的专业术语，表示初次电离生成的离子，与之对应的是在二级碰撞诱导电离（CID）过程中生成的子离子或者碎片离子）m/z230的二级质谱中的特征碎片离子m/z199为定量测定用离子，用实验测得的二级质谱信号扣除背景后在m/z199处的净响应信号强度表示，每个浓度的标准溶液测定6次，所得净响应信号强度的平均值及相应相对标准偏差(括号内的百分比)依次为1.23(8.6%)，1.62（7.2%）2.45(7.7%)，3.72(3.5%)和5.63(4.5%)。将信号强度与样品浓度分别取对数，绘制工作曲线，在10^-7g/mL～10^-11g/mL范围内，离子强度的对数(y)与浓度的对数(x)具有较好的线性关系，回归方程为y=0.177x+1.978，相关系数的平方R²=0.985。说明本发明装置及方法能够对实际样品进行较为准确度定量检测。

对乐果浓度为1×10^-11g/mL的标准溶液进行测定农药乐果，获得的净响应信号强度为1.23(n=6)，测得空白样品的3倍标准偏差为10.775(S/N>3，n=10)，由此计算得到本方法对乐果的检出限为8.76×10^-11g/ml，该检出限能够满足基体中痕量乐果的检测分析，低于欧盟对蔬菜中农残的最新检测标准（LOD：0.01mg/kg～2mg/kg），可用于果汁中乐果的定量分析。

实际样品的检测：从超市购买5个不同种类的橘子，在不清洗的情况下，带皮直接压榨成橘子汁，按上述实验方法进行乐果农药的检测，结果见表1。

参照按照上述标准工作曲线溶液配制的方法，配制1.0ng/ml和10.0ng/ml两种不同浓度的溶液，直接添加到5种实际果汁样品中进行检测，检测结果见表1，并计算回收率。

结果显示，其中样品2中未检出乐果，另外四种样品测出乐果，乐果的含量最高为0.00228mg/kg，远远低于欧盟的最低检测限（0.02mg/kg），表明实际样品农药不超标。表1结果还显示，外加标准溶液后检测，得到91.3～96.1%的回收率。

表1.实际果汁中农药残留乐果的定量分析结果

实验证明，本发明的离子化装置及离子化方法，可实现不同复杂基质的果汁样品中农药残留的定性定量分析，尤其适合于粘稠果汁中痕量农残的快速检测分析。

Claims (10)

1.一种质谱检测果汁样品中农残的离子化装置，其特征在于：包括一中空的外覆有电加热的U形电离室，所述U形电离室的一端设置有连接进样器的进样口，且在接近进样口的侧壁上开设有载气口，U形电离室另一端为封闭端，在接近封闭端的侧壁上开设有与质谱仪入口对位的离子输出口；在U形电离室外壁上环绕有若干圈加热电阻丝，所述U形电离室的和电阻丝都套装在一绝热外壳中。

2.根据权利要求1所述的离子化装置，其特征在于：所述若干圈电阻丝由一根电阻丝连续缠绕而成。

3.根据权利要求1或2所述的离子化装置，其特征在于：所述进样口由橡胶类弹性材料制成，进样时在进样口上插入取样针，拔出取样针后进样口自行关闭。

4.一种质谱检测果汁样品中农残的离子化方法，其特征在于，使用权利要求1至3任一所述的离子化装置，实施以下操作：将果汁样品与离子液体的混合液从进样口通入到电离室，将载气从载气口通入电离室，加热电离室使离子液体产生初级试剂离子并进而促使果汁样品中待测成分中性分子离子化，从离子输出口引出离子束。

5.根据权利要求4所述的离子化方法，其特征在于，选取离子液体的准则为：选取的离子液体受热形成气态离子的温度不能高于待测成份分子的分解温度，且离子液体形成离子的质荷比不能与待测成分的形成离子的质荷比相同；所述离子液体可选自氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氢盐、氯化1-甲基咪唑和六氟磷酸二烷基咪唑中的一种。

6.根据权利要求4或5所述的离子化方法，其特征在于，所述离子液体与检测样品按体积比2：1的比例混合。

7.根据权利要求4或5所述的离子化方法，其特征在于，所述载气为氮气、氩气和氖气中一种。

8.根据权利要求6所述的离子化方法，其特征在于，所述载气为氮气、氩气和氖气中一种。

9.一种检测果汁样品中农残的质谱分析系统，其特征在于，包括权利要求1至3任一所述的离子化装置和一质谱仪，所述离子化装置的离子输出口的内侧底线与质谱仪入口的中心线在一条直线上，离子输出口与质谱仪进口之间的水平距离为1.5～3.0cm。

10.一种检测果汁样品中农残的质谱分析方法，其特征在于，利用权利要求9所述质谱分析系统，先用离子化装置将果汁样品中待测成分离子化，将离子输出口形成的离子束输入到质谱仪进口，再用质谱仪对该离子束进行质谱分析，得到果汁样品中待测成分的浓度即农残含量。