一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置及檢測方法
【專利摘要】本發明一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置及檢測方法，屬于離子分析【技術領域】。該方法采用離子液體作為離子化試劑，通過加熱產生高濃度的初級試劑離子，與樣品中的待測物分子發生碰撞，并進行能量與電荷交換，從而使中性樣品分子離子化，以供后續質譜分析使用。該離子化裝置包括一U形電離室，電離室一端有樣品引入口和載氣口，另一端有離子輸出口，電離室外壁環繞電阻絲；電離室置在一絕熱外殼中。本發明具有無需樣品預處理、操作簡單、分析速度快、基質耐受力強等優勢，且避免了有毒化學試劑和高壓電場對樣品的污染和損傷、是一種綠色、高效的新型離子化方法，尤其適合粘稠果汁中農殘的快速檢測。
【專利說明】一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及質譜分析及離子化技術，具體應用于食品安全檢測領域，涉及到一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]果汁是目前市場上最受歡迎的飲料產品之一，但農藥的過量使用或濫用，使得果汁產品中出現不同程度的農藥殘留，引發了一系列食品安全問題，直接威脅著人們的身體健康，甚至生命安全，引起了世界各國的嚴重關切。離子化質譜檢測分析技術因具有檢測精確度高、分析速度快、所需樣品和試劑少的優點，已成為果汁中痕量農殘的重要分析工具之一?，F有的果汁中農藥殘留的檢測方法，主要包括液相色譜質譜法、氣相色譜質譜法、液液微萃取色譜法、固相萃取-在線凝膠滲透色譜-氣相色譜/質譜法等。然而，這些傳統的檢測方法都需要復雜的預處理過程，具有分析時間長、操作復雜、效率低下等缺點，難以滿足市場上大批量復雜的實際果汁樣品快速分析的需要。
[0003]同時，果汁比較粘稠，基質比較復雜，在使用質譜方法進行檢測時，需首先經過溶解、富集、萃取、色譜分離等多道工序，以獲得純凈的檢測試樣，進而才能進行離子化用于質譜分析，因而存在耗時長、操作復雜、檢測準確度較差等缺陷，一般色譜分離單個樣品的時間至少I個小時左右，這對僅能對“純凈樣品”進行分析的傳統離子化技術，如電子轟擊電離源技術(EI)，電噴霧電離技術(ESI)等提出了嚴重的挑戰。傳統的離子化技術，對果汁這樣粘稠的復雜基質樣品進行分析，還會使用到有毒的有機試劑，同時粘稠基質也會對儀器產生較為嚴重的殘留。因此，研制一種綠色高效的檢測果汁中農殘的離子化技術和質譜分析方法，對推動我國果汁等飲料產業的健康發展，保證廣大消費者的健康具有重要的意義。
【發明內容】
[0004]為解決當前果汁中農殘難于檢測的一系列問題，本發明提出一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化方法及其裝置。
[0005]本發明目的之一在于提供一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置。該離子化裝置，包括一中空的U形電離室，在U形電離室外壁上環繞有若干圈電阻絲，所述電阻絲的兩端接在一加熱電源上，所述U形電離室的和電阻絲都套裝在一絕熱外殼中。
[0006]所述U形電離室的一端設置有進樣口，連接進樣器；另一端為封閉端；在接近進樣口一端的U形電離室側壁上，開設有載氣口，在接近封閉端一側的U形電離室側壁上，開設有對位質譜儀入口的離子輸出口(離子輸出口與對接質譜儀進口之間的水平距離為1.5?
3.0cm,離子輸出口的內側底線與質譜儀的入口中心線在一條直線上)。
[0007]所述若干圈電阻絲由一根電阻絲連續纏繞而成。
[0008]所述進樣口采用橡膠類彈性材料，進樣時在進樣口上插入取樣針，拔出取樣針后進樣口自行關閉。
[0009]本發明另一目的在于提供的一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化方法。該方法包括以下步驟:首先將一定比例的果汁樣品與離子液體的混合液體通入上述電離室進行加熱，加熱到一定溫度時的離子液體解離產生大量的初級試劑離子，然后與果汁樣品中的待測成分(農殘成分)中性分子發生碰撞，并進行能量與電荷的交換，從而使果汁樣品中的中性分子離子化，得到待測成分離子束，以輸入至與其有一間距的質譜儀中供后續的質譜分析使用。
[0010]本發明的離子化方法，所述離子液體根據待測樣品的物理和化學特性選擇，選取離子液體的準則為:選取的離子液體受熱形成氣態離子的溫度不能高于待測成份分子的分解溫度；離子液體形成離子的質荷比不能與待測成分的形成離子的質荷比相同；本發明離子液體可選自但不限于氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氫鹽、氯化1-甲基咪唑、六氟磷酸二烷基咪唑等其中的一種。
[0011]本發明的離子化方法，所述離子液體與待測樣品按體積比為2:1的比例混合。
[0012]本發明的離子化方法，所述電離室加熱溫度的高低根據待測樣品和離子液體的物理化學特性進行均勻調節。
[0013]本發明的離子化方法，還包括通入載氣使樣品與離子液體的混合液體運動，所述載氣是氮氣、IS氣、氖氣中的一種氣體。
[0014]本發明還一目的在于提供一種檢測果汁樣品中農殘的質譜分析系統。該質譜分析系統包括所述的離子化裝置和一質譜儀，所述離子化裝置的離子輸出口的內側底線與質譜儀入口的中心線在一條直線上，離子輸出口與質譜儀進口之間的水平距離為1.5?3.0cm0
[0015]利用以上質譜分析系統或離子化裝置及離子化方法對果汁樣品中農殘的質譜分析方法也屬于本發明。
[0016]該質譜分析方法中，首先用離子化裝置將果汁樣品中待測物(農殘成分)離子化形成離子束，離子輸出口與質譜儀進口對位，用質譜儀對該離子束進行質譜分析，得到果汁樣品中待測物的濃度，即農殘含量。
[0017]該質譜分析方法中，根據離子液體加熱解離的信號強度，優化調節電離室溫度、電離室離子輸出口與質譜儀進樣口的水平距離和垂直距離、設置質譜儀的離子檢測模式、質量掃描范圍。
[0018]所述離子輸出口與質譜儀的水平距離為1.5?3.0cm0
[0019]本發明與現有方法相比，具有無需樣品預處理、基質耐受力強、操作簡單、分析速度快等優點，利用離子液體代替高壓電場和有機化學試劑產生初級試劑離子，避免了有機化學試劑和高壓電場對樣品的污染和損傷，是一種綠色環保的新型離子化分離方法，非常適合于粘稠果汁樣品中農藥殘留的快速檢測，在食品安全的實時、在線質量控制方面具有非常大的潛在應用價值，該方法和裝置體現了綠色、高效、簡便、快速的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置的結構示意圖；
[0021]圖2A為本發明裝置耦合LTQ-XL質譜儀檢測標準品樂果的一級質譜圖；
[0022]圖2B為本發明裝置耦合LTQ-XL質譜儀檢測標準品樂果的二級質譜圖；
[0023]圖3A為本發明裝置耦合LTQ-XL質譜儀檢測實際樣品果汁中樂果的一級質譜圖；
[0024]圖3B為本發明裝置耦合LTQ-XL質譜儀檢測實際樣品果汁中樂果的二級質譜圖；[0025]圖4為本發明裝置耦合LTQ-XL質譜儀檢測果汁中梯度濃度的樂果，其濃度與信號強度間線性關系。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明不僅僅局限于以下實施例，凡是符合本發明技術方案的實施例，均應屬于本發明的保護范圍之內。
[0027]圖1是體現本發明離子化方法工作原理的一種裝置結構。
[0028]該裝置主要包括一中空的U形電離室1，和在電離室外壁上纏繞的若干圈電阻絲
3。電阻絲3的兩端接在一均衡穩定的加熱電源4上，通過加熱電源4提供電壓使電阻絲3變熱，繼而均勻控制電離室的溫度。
[0029]纏繞著電阻絲3的U形電離室I套裝在一絕熱外殼2中，使電離室減少熱損失而保持一種恒定的溫度，促進液體分子的加熱電離。
[0030]中空的U形電離室I的一端端口上設置有進樣口 6，連接進樣器；進樣口 6采用橡膠類彈性材料，進樣時在進樣口 6上插入取樣針，拔出取樣針后進樣口 6自行關閉。U形電離室I的另一端端口為封閉端。在接近進樣口 6—端的U形電離室側壁上，開設有載氣口5，用于引入氮氣、氬氣、氖氣等輔助氣體，可有助于待測成分分子的離子化，促使盡可能多的待測成分離子進入質譜儀進行分析。在接近封閉端一側的U形電離室側壁上開設有離子輸出口 7，并對位質譜儀入口 8，離子輸出口 7與質譜儀入口 8之間的位置和距離可以優化，一般來說，離子輸出口 7的內側底線與質譜儀入口 8的中心線在一條直線上，離子輸出口 7與質譜儀入口 8兩端面的水平距離d在1.5?3.0cm范圍內較佳。
[0031]使用本發明離子化裝置，離子液體與待測物(如果汁樣品)以一定比例混合，從進樣口 6加入到電離室I中，通過電阻絲3加熱使離子液體產生初級試劑離子，在U形管腔內，初級離子與待測成分分子相互作用，使待測成分分子電離形成離子，由離子輸出口 7輸出形成待測成分離子束，經由質譜儀入口 8進入質譜儀以進行質譜分析。
[0032]本發明電離室I采用U形設計主要是(I)方便樣品液體的注入；(2)增大其受熱面積；(3) U形管在密閉空間可增加初級離子與待測物成分分子碰撞幾率，有助于形成待測成分離子。本發明利用離子液體代替高壓電場和有機化學試劑產生初級試劑離子，從而使待測成分分子(農殘待測成分)離子化，是一種綠色、環保的新型離子化方法。
[0033]離子化過程需注意以下幾個方面:
[0034]一、離子液體的選擇。要根據待測物的物理和化學特性(如熱穩定性、極性、溶解度、沸點等)，選擇合適的離子液體，一般應選擇與待測物極性相似、溶解度和沸點相差不大的離子液體。選取離子液體的準則有:(I).選取的離子液體受熱形成氣態離子的溫度不能高于待測成份分子的分解溫度；(2).離子液體形成離子的質荷比不能與待測成分的形成離子的質荷比相同?？蛇x用的離子液體包括但不限于氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氫鹽、氯化1-甲基咪唑、六氟磷酸二烷基咪唑等。
[0035]二、離子液體與待測物要按一定比例混合，一般體積比為2:1。
[0036]三、利用該離子化裝置進行質譜分析中，根據離子液體加熱解離的信號強度(質譜儀器一般檢測到的信號強度為IO1到IO7的，是單位時間內檢測到的離子數量)，來優化調節離子輸出口與質譜儀進樣口的水平距離和垂直距離、設置質譜儀的離子的檢測模式(正離子模式或負離子模式)、質譜儀的質量掃描范圍(不同的樣品有不同的相對分子質量，樣品分子帶上電荷后有不同的質荷比，質量掃描范圍就是質荷比的范圍)、以及離子化裝置的電離室溫度等儀器參數。離子液體加熱解離的信號強度由質譜儀器來測，離子化裝置與質譜儀的距離d能影響離子信號檢測的強度，離子信號越強質譜檢測的靈敏度越高。
[0037]四、依據待測物和離子液體的物理和化學性質，逐漸將U形電離室均勻加熱到相應的溫度。加熱溫度的高低主要根據待測物和離子液體的物理化學特性(如熱穩定性、極性、溶解度、沸點等)進行均勻調節，不能高于待測樣品受熱分解的溫度，通常在400攝氏度左右。
[0038]下面是利用本發明離子化裝置進行果汁樣品質譜檢測的實例:
[0039]實驗儀器:將本發明的離子化裝置和美國Finnigan公司的LTQ-XL型線性離子阱質譜儀稱合，數據處理系統為美國Finnigan公司的Xcalibur數據處理系統。
[0040]檢測樣品:1)樂果濃度為10_9g/ml的水溶液；2)樂果濃度為10_9g/ml的橘子汁；
3)樂果濃度分別為 0.01ng/ml、0.lng/ml、l.0ng/ml、10ng/ml 和 lOOng/ml 的橘子汁；4)樂果濃度為lX10_ng/mL的標準溶液(水溶液)。
[0041]樂果是有機磷內吸性殺蟲劑，是目前用途廣、產量較大的農藥品種之一，其主要成分的分子式為C5H12NO3PS2 (待測成分)。樂果在果汁中的殘留較為常見。樂果具有較強的毒性，即使在食物和環境中少量的殘留，也會對人體的健康產生極大的危害。為確保食品的安全，歐盟最新制定的食品安全規定中，果汁中樂果的最大殘留極限不能高于0.02mg/kg。
[0042]離子液體:氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液，以離子液體中的1-丁基-3-甲基咪唑陽離子為試劑離子。
[0043]實驗條件:根據樂果待測成分的相對分子量、離子特性和熱穩定性，質譜儀選擇正離子檢測模式，質量數掃描范圍m/z50?m/z600，毛細管電壓和溫度、透鏡電壓等質譜儀中的參數都依據儀器使用說明進行選擇，毛細管溫度為180°C，毛細管電壓45V，透鏡電壓62，V其他條件由LTQ-XL系統自動優化；U形電離室離子輸出口內側底線與質譜口的中心軸在一條直線上，U形電離室離子輸出口末端與質譜儀入口的距離d=0.35cm，U形電離室的溫度設為162.5攝氏度。此條件下樂果待測成分的離子信號強度最大。
[0044]實驗步驟:以氯化1- 丁基-3-甲基咪唑溶液(即離子液體)中的1- 丁基-3-甲基咪唑陽離子為試劑離子，利用本發明的離子化裝置耦合LTQ-XL質譜儀，在常壓和無需樣品預處理的條件下，直接對各種溶液中痕量農殘樂果進行分析。操作步驟:
[0045]I)將檢測樣品IOml與離子液體20ml混合；
[0046]2)從離子化裝置的進樣口 6上插入取樣針，將混合液體通過取樣針注入U形電離室;
[0047]3)調節U形電離室與質譜儀的水平和垂直距離；
[0048]4)打開LTQ-XL質譜儀，同時對U形電離室逐漸進行均勻加熱，按照上述設定的質譜條件進行掃描。
[0049]實驗結果:圖2A和圖2B為正離子模式下水溶液中樂果(濃度為:10_9g/ml)的一級和二級串聯標準質譜圖。該實驗中，取m/zl39碎片峰為電離試劑1-丁基-3-甲基咪唑陽離子質譜峰，m/z230為樂果的分子離子峰[M+H]+。為了避免實驗的假陽性，選擇m/z230分子離子峰進行了二級質譜研究，分別丟失CH3NH2和CH3SH,得到樂果的主要特征離子m/zl99和m/zl82。此結果與樂果的電噴霧質譜分析結果一致，證明了本發明的離子化裝置的可靠性。
[0050]圖3A和圖3B為對實際樣品橘子汁中痕量(濃度為:10_9g/ml)樂果的快速檢測所得圖譜，與同濃度樂果的水溶液譜圖(圖2A和圖2B)及ES1-MS/MS (電噴霧離子源聯用串聯質譜)結果一致，其中果汁中樂果的一級質譜中的m/z261分子離子峰，可能為果汁基體中的化合物。圖3A、圖3B和圖2A、圖2B的質譜圖都能得到樂果較強的離子信號，與經典離子源相比，本發明的優勢在于，不需要樣品預處理過程、且無需高壓電場和有毒有機試劑，可直接利用離子液體，就可以得到與傳統離子源同樣穩定和可靠的質譜信號。
[0051]圖4為本發明的質譜方法檢測橘子汁中樂果的工作曲線(工作曲線是指在定量檢測時，需要用梯度濃度的標準溶液做曲線，來比對檢測到的盲樣信號，從而得到盲樣的濃度值，C是橘子汁中樂果的濃度，I是得到的質譜信號強度)。將橘子汁中不含樂果的空白樣品(即在質譜分析中未觀察到樂果分子離子的特征碎片離子峰m/zl99，182的溶液)，配制成五個不同濃度的樂果橘子汁溶液(樂果濃度分別為0.01ng/ml、0.lng/ml、l.0ng/ml、10ng/ml,和100ng/ml)，在上述相同的檢測條件下進行多次檢測，選擇樂果母離子(母離子是質譜中的專業術語，表示初次電離生成的離子，與之對應的是在二級碰撞誘導電離(CID)過程中生成的子離子或者碎片離子)m/z230的二級質譜中的特征碎片離子m/zl99為定量測定用離子，用實驗測得的二級質譜信號扣除背景后在m/zl99處的凈響應信號強度表示，每個濃度的標準溶液測定6次，所得凈響應信號強度的平均值及相應相對標準偏差(括號內的百分比)依次為 1.23 (8.6%)，1.62 (7.2%) 2.45 (7.7%)，3.72 (3.5%)和 5.63 (4.5%)。將信號強度與樣品濃度分別取對數，繪制工作曲線，在10_7g/mL?10_ng/mL范圍內，離子強度的對數(y)與濃度的對數(X)具有較好的線性關系，回歸方程為y=0.177X+1.978，相關系數的平方R2=0.985。說明本發明裝置及方法能夠對實際樣品進行較為準確度定量檢測。
[0052]對樂果濃度為I X 10-ng/mL的標準溶液進行測定農藥樂果，獲得的凈響應信號強度為1.23 (n=6)，測得空白樣品的3倍標準偏差為10.775 (S/N>3, n=10)，由此計算得到本方法對樂果的檢出限為8.76X10-ng/ml，該檢出限能夠滿足基體中痕量樂果的檢測分析，低于歐盟對蔬菜中農殘的最新檢測標準(LOD:0.01mg/kg?2mg/kg),可用于果汁中樂果的定量分析。
[0053]實際樣品的檢測:從超市購買5個不同種類的橘子，在不清洗的情況下，帶皮直接壓榨成橘子汁，按上述實驗方法進行樂果農藥的檢測，結果見表I。
[0054]參照按照上述標準工作曲線溶液配制的方法，配制1.0ng/ml和10.0ng/ml兩種不同濃度的溶液，直接添加到5種實際果汁樣品中進行檢測，檢測結果見表1，并計算回收率。
[0055]結果顯示，其中樣品2中未檢出樂果，另外四種樣品測出樂果，樂果的含量最高為
0.00228mg/kg,遠遠低于歐盟的最低檢測限(0.02mg/kg),表明實際樣品農藥不超標。表I結果還顯示,外加標準溶液后檢測,得到91.3?96.1%的回收率。
[0056]表1.實際果汁中農藥殘留樂果的定量分析結果
[0057]
【權利要求】
1.一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化裝置，其特征在于:包括一中空的外覆有電加熱的U形電離室，所述U形電離室的一端設置有連接進樣器的進樣口，且在接近進樣口的側壁上開設有載氣口，U形電離室另一端為封閉端，在接近封閉端的側壁上開設有與質譜儀入口對位的離子輸出口。
2.根據權利要求1所述的離子化裝置，其特征在于:在U形電離室外壁上環繞有若干圈加熱電阻絲，所述U形電離室的和電阻絲都套裝在一絕熱外殼中。
3.根據權利要求2所述的離子化裝置，其特征在于:所述若干圈電阻絲由一根電阻絲連續纏繞而成。
4.根據權利要求1或2或3所述的離子化裝置，其特征在于:所述進樣口由橡膠類彈性材料制成，進樣時在進樣口上插入取樣針，拔出取樣針后進樣口自行關閉。
5.一種質譜檢測果汁樣品中農殘的離子化方法，其特征在于，使用權利要求1至4任一所述的離子化裝置，實施以下操作:將果汁樣品與離子液體的混合液從進樣口通入到電離室，將載氣從載氣口通入電離室，加熱電離室使離子液體產生初級試劑離子并進而促使果汁樣品中待測成分中性分子離子化，從離子輸出口引出離子束。
6.根據權利要求5所述的離子化方法，其特征在于，選取離子液體的準則為:選取的離子液體受熱形成氣態離子的溫度不能高于待測成份分子的分解溫度，且離子液體形成離子的質荷比不能與待測成分的形成離子的質荷比相同；所述離子液體可選自氯化1-丁基-3-甲基咪唑、1-甲基咪唑磷酸二氫鹽、氯化1-甲基咪唑和六氟磷酸二烷基咪唑等中的一種。
7.根據權利要求5或6所述的離子化方法，其特征在于，所述離子液體與檢測樣品按體積比2:1的比例混合。
8.根據權利要求5或6或7所述的離子化方法，其特征在于，所述載氣可為氮氣、氬氣和氖氣等中一種。
9.一種檢測果汁樣品中農殘的質譜分析系統，其特征在于，包括權利要求1至4任一所述的離子化裝置和一質譜儀，所述離子化裝置的離子輸出口的內側底線與質譜儀入口的中心線在一條直線上，離子輸出口與質譜儀進口之間的水平距離為1.5?3.0cm0
10.一種檢測果汁樣品中農殘的質譜分析方法，其特征在于，利用權利要求9所述質譜分析系統，先用離子化裝置將果汁樣品中待測成分離子化，將離子輸出口形成的離子束輸入到質譜儀進口，再用質譜儀對該離子束進行質譜分析，得到果汁樣品中待測成分的濃度即農殘含量。
【文檔編號】G01N27/62GK103515185SQ201310429968
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】歐陽永中, 洪鋒, 王玲鈺, 陳煥文 申請人:東華理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
