图1 双柱模式涡流色谱技术原理图[[2277]]
Fig.1 Turboflow technology in a coupled-column mode[27]
毛 婷，路 勇，姜 洁，张卫民，冯 楠
（北京市食品安全监控和风险评估中心，北京 100041）
摘 要：食品安全未知化学性风险，指食品安全标准规定之外的、尚未被认知的化学性风险隐患，是当前影响食品安全的重要问题，也是食品安全监管的重点。本文从通用型前处理技术、高通量仪器筛查确证技术以及筛查确证数据库三方面，系统阐述食品安全未知化学性风险快速筛查确证技术的现状和成果，并对该领域未来的研究趋势作出展望。
关键词：食品安全未知化学性风险；通用型前处理技术；高通量仪器筛查确证技术；数据库
引文格式：
毛婷,路勇,姜洁,等.食品安全未知化学性风险快速筛查确证技术研究进展[J].食品科学,2016,37(5):245-253.
MAO Ting,LU Yong,JIANG Jie,et al.Recent advances in rapid screening and confirmation methods for the risk of unknown chemical substances in foods[J].Food Science,2016,37(5):245-253.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605043.http://www.spkx.net.cn
食品安全未知化学性风险指食品安全标准规定之外的、尚未被认知的化学性风险隐患。其主要来源有三方面：一是食品行业诚信道德体系建设滞后，某些从业者在食品生产加工过程中添加非食用物 质、滥用农兽药和食品添加剂等；二是食品新原料、新添加剂、新包装材料、新生产技术工艺的不合理应用、不可预测的环境污染以及食品技术性制假售假手段的不断翻新，带来新的食品安全问题；三是食品供应链的全球化、复杂化大大增加了引入新食品安全风险的可能性[1]。食品安全未知化学性风险不可预测、复杂多变，有的甚至发展为区域性、系统性和全行业风险，严重影响社会经济稳定，如“三聚氰胺事件”、“台湾塑化剂事件”、“新西兰奶粉双氰胺事件”等。对食品安全未知化学性风险实施有效监控成为各国食品安全监管部门工作的重点和难点，也是衡量一个国家食品安全科技发展水平的重要标志。
食品安全未知化学性风险快速筛查确证技术是利用检验检测手段，快速筛查并精准确认出未知风险涉及的有毒有害化学物质，由此实施相应控制行为，避免风险的蔓延。近年来，国内外不少研究者以实现高通量、高灵敏度、高准确性的筛查确证为主线，通过学科融合和协同创新，综合运用分析化学、数学统计学、信息学等多学科前沿手段，加大对通用型前处理技术、高通量仪器筛查确证技术和针对性强、信息量大的筛查确证数据库的攻关，促使食品安全未知化学性风险筛查确证手段更加先进、方法更加完善、效能更加突出。本文全面分析和评价了国内外现有食品安全未知化学性风险快速筛查确证技术，对该领域未来的研究趋势提出建议并作出展望，为使政府相关部门能更加高效监控食品安全未知化学性风险提供一定的参考意见。
食品安全未知化学性风险涉及的有害物质往往是尚未被监测到的、不在食品检测标准范围内的化学物质，故前处理技术必须具备通用性，确保尽可能多的不同种类、不同理化性质的物质被提取、净化。目前这类通用型技术主要包括快速、简便、便宜、高效、耐用及安全的样品处理技术（quick,easy,cheap,effective,rugged,and safe，QuEChERS）[2-3]、分级提取净化技术[4]、固相微萃取技术（solid phase microextraction，SPME）[5]、在线固相萃取技术（on-line solid-phase extraction，on-line SPE）[6]以及涡流色谱技术（turbulent flow chromatography，TFC）[7]。
QuEChERS方法是在基质固相分散萃取方法基础上建立的一种更通用的方法。传统的QuEChERS方法一般采用乙腈、乙酸乙酯等提取样品，加入硫酸镁、氯化钠、氯化镁等或盐类混合物促使样品盐析分层，上清液加入N-丙基乙二胺（primary secondary amine，PSA）、C18、佛罗里硅土、石墨化炭黑等吸附剂和无水硫酸镁净化分离后进行仪器分析。QuEChERS方法广泛应用于蔬菜、水果、谷物等食品中农药多残留的检测，可对数百种农残进行同步分离净化[8-9]，并成为美国分析化学家协会（Association of Official Analytical Chemists，AOAC）的官方检测方法和欧洲标准化委员会的标准方法。
近年来，QuEChERS方法运用范围得到进一步拓展，可同步筛查牛奶、鸡肉、鱼肉、虾肉、动物组织等样品中十几种至数十种兽药，覆盖磺胺类、喹诺酮类、四环素类、苯并咪唑类、阿维菌素类、激素类等[3,10-13]。动物源性样品基质复杂，其中脂肪、蛋白质含量高，一些样品中还存在阳离子等杂质，干扰较大。因此，在运用QuEChERS方法进行兽药多残留提取净化时，通常需结合实际样品情况对提取或净化程序加以改进，以确保不同类别、理化性质存在差异的物质均有较好回收率。研究表明，控制pH值对提取步骤非常重要，在酸性条件下提取，可提高兽药的回收率[10]。对于乳制品，使用加入Na2EDTA的酸性乙腈（含体积分数为1%的甲酸）作为提取液，既不影响磺胺类、喹诺酮类等兽药提取效率，还可抑制四环素类与样品中阳离子的螯合，增强土霉素、金霉素和四环素的提取效果[11]。而乙腈中加水则可加大均质样品的分散程度，提高回收率[3]。Abdallah等[3]用QuEChERS方法对动物组织中22 种极性差别较大的磺胺类药物及其代谢物进行提取时，比较了酸化水、乙腈、甲醇和三者的混合物的提取效果，最终确定乙腈和水体积比为75∶25时，磺胺类药物及其代谢物均有较好的回收率。在净化剂选取方面，PSA通常用于去除提取液中的脂类和糖类物质；C18及中性氧化铝具有良好的除脂能力，但C18对一些兽药如喹诺酮类有吸附作用；石墨化炭黑用于去除叶绿素和类胡萝卜素等色素成分，对含苯环官能团的化合物有较强的吸附作用，较少用于动物源性样品[12]。研究者可根据样品基质和目标化合物情况，开展优化实验，选取单一净化剂或净化剂组合以到达最佳效果。此外，β-受体激动剂类兽药在动物组织中呈结合态和游离态2 种形态，需采用酶解方法使结合态转化为游离态从而测定残留总量。对于这类兽药，运用QuEChERS方法受到一定限制。
除农兽药残留外，QuEChERS方法还被报道用于检测水产品中多环芳烃类、贝类毒素和婴幼儿谷基辅助食品中真菌毒素等多残留检测[2,14-15]。提取剂以乙腈或乙腈-水体系效果较好，真菌毒素在碱性溶剂中稳定性变差，其提取液为酸性时可进一步增加回收率[15]；净化时通常选用C18吸附剂，而对脂肪含量高的样品则采用Florisil和C18的混合萃取剂效果更佳[2]。
分级提取净化技术主要利用不同性质的溶剂和净化方法对样品进行分级提取和净化，涵盖了由非极性到强极性的化合物提取范围。研究者一般按照弱极性、中等极性、强极性3 个组别，在提取方面，采用亲脂性溶剂（正己烷等）、中等极性溶剂（乙腈乙酸、乙腈等）、亲水性溶剂（甲醇-氨水、有机溶剂含量较低的水溶液等）逐一提取；在净化方面，每一级对应的净化手段也不尽相同。根据该级提取物化学性质的特点，选取凝胶渗透色谱净化、固相萃取等不同方式，使各级净化方法适用于化合物范围的并集，以避免净化过程造成未知添加物的丢失[4,16]。与QuChERS方法相比较，分级提取净化技术更适合同步分析极性范围差别大的多种化合物，如禁、限用合成色素、动物源性食品中有机小分子污染物等[4,16-17]。
SPME是在一根纤细的熔融石英纤维表面涂布一层高分子聚合物作为萃取介质，将萃取头直接浸入样品溶液或插入密闭样品瓶中顶空进行萃取[5]。现有研究多采用顶空固相微萃取与气相色谱质谱联用法同步分析复杂基体中多类挥发性或半挥发性物质，也可用于食品包装材料中挥发性未知物的筛查[18-19]。磁力搅拌棒吸附萃取（stir bar sorptive extraction，SBSE）是在SPME基础上发展的一项新技术，具有更大的固定相体积、更低的检出限和更高的回收率[18]，已运用于果蔬、婴幼儿食品、饮料、果酱等食品样品中挥发性化合物、农药和防腐剂的检测[20-23]。受限于商业化涂层，该技术现阶段主要用于非极性和弱极性化合物的吸附萃取，还需进一步研发新的涂层、萃取模式和装置，以适用于极性物质的分析，以及不同性质（如沸点、极性） 物质的同步分析[21,24]。
on-line SPE是通过阀切换实现的一种样品在线富集和净化技术，通常配有两个泵。样品先通过自动进样器连续注入到在线固相萃取小柱上，用于样品的萃取富集和净化，再用上样泵流动相进行梯度净化后，通过阀切换用分析泵流动相将待测物冲洗至分析柱上进行分析[25]。该法常与液相色谱、液相色谱串联质谱、气相色谱-质谱联用，主要用于饮用水、饮料等液体样品中农残、环境污染物的高通量分析，也用于牛排、猪排等熟食中多环芳烃和醛类的分析[6,25-26]。on-line SPE主要有减少操作步骤、缩短分析时间、提高方法的重现性和灵敏度等优点，适用于萃取条件较成熟的前处理方法，不适于条件还需优化、过程需人工干预的情况。
TFC技术进一步发展了on-line SPE，其运用涡流扩散和化学作用相结合的原理，排除大分子干扰物，目标分析物被保留在固相萃取柱上，最终洗脱至液相系统进行分离测定或直接进质谱测定。该技术应用模式有：单柱模式、双柱模式和多柱模式，以双柱模式较多[7,27]（图1）。该技术最先运用于生物样品的前处理[28]，现已逐步运用于牛奶、蜂蜜等样品中兽药残留、多酚物质的检测[27,29-30]。王彩娟[7]建立了一种基于涡流色谱净化原理的在线分析方法，用于牛奶中磺胺类、大环内酯类、喹诺酮类、β-内酰胺类、苯并咪唑类、四环素类、镇静剂类和激素类等共88 种药物的同时检测。研究中详细讨论了吸附剂、上样溶剂、上样流速、洗脱溶剂优化选择过程，采用Cyclone（50.0 mm×1.0 mm）柱为净化柱；上样溶剂为水；上样流速为4 mL/min；洗脱溶剂为体积分数0.1%的甲酸-乙腈（体积比为4∶6）时分析物均得到最好的保留和提取。
图1 双柱模式涡流色谱技术原理图[[2277]]
Fig.1 Turboflow technology in a coupled-column mode[27]
在未知化学性风险快速筛查实际工作中往往联合使用上述方法，对样品进行全面的、非选择性的提取，防止未知物的丢失，但同时也带来了基质效应，使分析背景更为复杂。因此，在后续进行的仪器分析方面，需采用高通量高分辨检测技术，既可同时筛查多类物质，也能降低样品基质的干扰。
传统的用于未知物鉴别的方法包括红外光谱法、紫外光谱法、质谱法以及核磁共振技术（nuclear magneticresonance，NMR）。红外光谱、紫外光谱虽然在食品掺假和食品中未知物质筛查方面有一定运用[31-34]，但总体而言受基质干扰较为明显，痕量成分分析时的可靠性、灵敏度和选择性有待提高[33]。高分辨质谱质量范围宽、分辨率和质量测量精度较高，并且在全扫描的模式下，也有极高的灵敏度，在一次运行中可实现几百种甚至上千种物质的筛查[35]，成为食品安全化学性未知风险快速筛查的重要手段。此外，核磁共振技术特别是核磁共振氢谱在测定有机化合物结构信息时，具有无破坏性、无偏向性以及测定快速等特点[36]，这种无歧视的测量允许检验人员在筛查样品时事先假设样品中存在任何性质的污染。因此，该方法被一些学者结合模式识别的方法用来检测恶意和意外污染[37]。故有必要对质谱以及核磁共振技术进行探讨。
2.1质谱技术
2.1.1 基于飞行时间质谱（time-of-flight mass spectrometry，TOF-MS）的快速筛查确证技术
TOF-MS分辨率在10 000 FWHM以上，超高分辨的TOF-MS产品的分辨率能达到60 000 FWHM。TOF-MS质量精度在3×10－6以内。但仅使用TOF-MS获得的化合物碎片信息有限，影响了对复杂基质中未知物的结构解析[35]。因此，常用飞行时间质谱与四极杆质谱、离子阱质谱联用，进一步 获得MS2甚至MSn信息，提高未知物鉴定的可靠性。
四极杆飞行时间质谱（quadrupole-TOF-MS）是将四极杆质谱与飞行时间质谱进行串联，在选择性离子检测模式下，四极杆将单一选择性目标离子送入两质谱间的碰撞活化室，通过碰撞诱导解离（collision-induced dissociation，CID），加速后进入TOF离子漂移管，实现质量分离[38]。Thurman等[39]首次建立了联合使用高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（LC-Q-TOF-MS）和高效液相色谱-离子阱质谱（high performance liquid chromatography-ion trap mass spectrometry，HPLC-IT-MS），结合商业化数据库（如默克索引或ChemIndex数据库）对西红柿中未知农药筛查鉴定的方法。其实验步骤为：1）利用Q-TOF-MS在全扫描模式下获得未知物的准确质量数和元素组成信息，利用软件推断出质量误差3×10－6内的分子式，并结合元素组成和同位素丰度进一步缩小候选物范围；2）根据分子式利用商业化数据库进行比对检索，初步锁定化合物；3）利用HPLC-IT-MS获得碎片离子的裂解途径信息，与Q-TOF-MS的CID质谱图比对，以验证Q-TOF-MS检测结果的合理性；4）综合分析上述结果确定物质结构。Picó等[40]采用超高效液相色谱串联四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）对梨提取物中的多菌灵、抑霉唑和乙氧喹进行了筛查和确证分析，通过精确质量数测定和碎片离子信息确认实现了目标化合物的准确鉴定。在筛查分析时还发现了塑料和乳胶添加剂，该化合物可能来源于包装材料的迁移，展现了Q-TOF-MS对未知物和代谢物的分析能力。Nerin等[19]利用UPLC-Q-TOF-MS对食品包装材料中未知风险进行筛查。在低碰撞能量下获取物质母离子信息，推断准确质量数，与ChemSpider商业化谱库检索比对，并结合高碰撞能量下该物质二级质谱图中化合物碎片信息确认未知物为可能来自胶黏剂的环内酯物质。
总体而言，影响Q-TOF-MS定性准确性的因素包括电离方式、离子化参数如锥孔电压、临界电压、碰撞能量及质量窗口范围[19]、质量误差等。在定量方面，Q-TOF-MS曾被诟病动态范围较窄，仅在两个数量级内保持良好的线性[40]。随着Q-TOF-MS技术进一步完善和发展，目前Q-TOF-MS能在4～5 个数量级内保持良好的线性，对大多数物质的检出限可达μg/kg。但与三重四极杆质谱相比，Q-TOF-MS定量灵敏度稍差一些。
离子阱飞行时间质谱（IT-TOF-MS）将离子阱质谱与飞行时间质谱进行串联，把离子阱多级碎裂功能与飞行时间质谱高分辨率、高质量精度相结合，对复杂基质中的未知化合物具有较强的结构鉴定能力。胡莉等[41]联合运用紫外-可见分光光度计、超快速液相色谱仪-二极管阵列检测器-离子阱-飞行时间串联质谱仪（UFLCPDA-MS-IT-TOF）对“染色橙子”中的未知着色剂进行鉴定。首先通过紫外光谱获得未知着色剂特征吸收波长信息。结合该信息，利用液相色谱分离，二极管阵列检测器（photo-diode array，PDA）分析可知其出峰时间。以此为基础，质谱检测判断未知着色剂与其他干扰物质是否分离。在确定分离后，对未知着色剂进行多级质谱分析，得到其分子离子峰和五级质谱碎片，推导获得该物质裂解途径，并使用分子式软件预测未知着色剂分子式。综合分析上述结果，最后定性用于“染色橙子”的未知着色剂为“橘红2号”。
2.1.2 基于静电场轨道阱高分辨质谱（orbitrap mass spectrometry，orbitrap-MS）的快速筛查确证技术
对于基质复杂的样品如肉制品等进行筛查时，复杂背景的干扰和一些等压物的共流出，影响了未知化合物的质量测量准确度，需要分辨率更高的检测手段[42]。Orbitrap-MS是一种新型的高分辨质量分析器，其分辨率超过100 000 FWHM，质量精度在2×10－6以内[43-46]。相较TOF-MS，Orbitrap-MS能够更好地区分背景基质干扰物，降低对样品前处理的要求，故越来越多的研究者致力于运用其开展肉制品、乳制品和蜂蜜等样品中未知风险快速筛查确证技术的研究[42,47]。目前运用较多的Orbitrap-MS主要有四极杆静电场轨道阱组合质谱（Q exactive orbitrap MS）和线性离子阱静电场轨道阱组合质谱（linear-ion trap/orbitrap high resolution mass specyrometry，LTQ orbitrap MS）。
Q Exactive Orbitrap系统是将四极杆质谱的离子过滤与Orbitrap高分辨准确质量数测量技术相结合，在一定程度上改善了高分辨质谱的定量效果，同时提供高达140 000 FWHM的分辨率，不仅可对复杂基质中未知化合物和代谢物进行筛选、鉴定，还可获得有较高灵敏度的定量结果[48]。对于未知物的鉴定，可先采用Q Exactive的正负切换不分段全扫描模式，一次进样同时采集不同离子化极性下的数据，以兼顾各种不同的化合物，采集尽可能多的物质。再由高能诱导裂解（higher energy collision induced dissociation，HCD）碎裂后获得丰富的碎片离子信息，用于结构鉴定。根据精确质量数、同位素分布、二级质谱图相关性等，多角度对未知物进行定性分析[46]。然而，在优化质谱条件时，分辨率太高会使灵敏度受到影响。因此，分析样品时，分辨率的选择上应与灵敏度平衡，一般在70 000 FWHM时即可获得高分辨率，又能达到较高的灵敏度。
不少研究者将Q Exactive Orbitrap用于农兽药及其代谢物的快速筛查确证中。Jia Wei等[49]利用液相色谱-电喷雾-四极杆-Orbitrap高分辨率质谱（UPLC-ESI-QOrbitrap）建立了同时分析婴儿食品中333 种农药和药物残留的方法，并利用基质加标曲线消除了基质对盐酸左旋咪唑、阿苯达唑等物质的影响，该方法线性范围为0.1～1 000 μg/kg，最低检出限为0.01～5.35 μg/kg。利用该方法在一些样品中筛查出替米考星、芬苯达唑、酒石酸泰乐菌素和噻菌灵。Vanhaecke等[42]建立了利用Q Exactive Orbitrap筛查肉制品中合成类固醇类激素的方法，认为在50 000 FWHM时该方法的灵敏度、检出限接近运用三重四极杆质谱（triple quadrupole mass spectroscopy，QqQ-MS）的检测结果。一些研究者还注意到Q Exactive Orbitrap分析时会出现离子抑制现象，主要由于其离子源后起离子聚焦作用的C-trap捕捉到大量基质中的多电荷蛋白质而过饱和，引起低质量离子的损失[50-51]。这种现象可通过优化前处理过程或利用基质曲线校正解决。Bignardi等[52]运用UPLC-ESI-Q-Orbitrap对聚碳酸酯塑料制成的食品接触材料中有毒有害物质进行目标分析和非目标分析，识别降解产物、有机着色剂等。为达到分析目的，采用数据依赖性采集下正负切换全扫描模式，识别溶剂黄184、溶剂黄232、溶剂红179和溶剂红135这4 种有机染料以及双酚A聚碳酸酯溶解产物。
LTQ Orbitrap兼有离子阱和高分辨质谱检测的能力，离子阱的多级质谱可得到结构碎片，高分辨谱图可得到分子式，对于异构体和结构类似物的鉴定提供了全面的数据[45]。故LTQ-Orbitrap-MS 在同分异构体的确证上具有突出优势。Lehner等[53]运用LTQ-Orbitrap分析婴幼儿食品中真菌毒素并同时筛选200 种代谢物，还针对大量的潜在代谢物开发了同时筛选方法，展示了LTQ-Orbitrap在分析未知物方面的能力。
2.1.3 未知化学性风险质谱筛查确证工作流程
对样品中未知化学性风险进行质谱筛查确证时，通常工作流程为：1）利用通用型前处理技术对样品提取净化后，采用高分辨质谱在全扫描方式下得到未知化合物的一级质谱图，包含精确分子质量、同位素分布（如碳、氯、溴、硫等元素）等信息；2）采取CID模式，进一步获得未知化合物的二级质谱，包含碎片离子信息。根据一级质谱结果结合保留时间、同位素分布、化合物裂解规律等，与商业化谱库或自建数据库检索比对，对复杂背景下未知化合物进行快速筛查和精准确认，具体流程见图2。
图2 食品安全未知化学性风险质谱快速筛查确证工作流程
Fig.2 Work flow of rapid screening and confirmation methods by MASS for the risk of unknown chemical substances in foods
上述工作中有几个环节至关重要。一是高分辨质谱的质量精度和分辨率，应能够将待测物与相同质量的基质中其他物质或代谢物区分；二是数据采集技术能够准确、全面获得足够的碎片离子信息，如采用数据依赖采集、碰撞能量梯度采集等采集方式。
2.2核磁共振技术
核磁共振技术是最常用于物质结构鉴定的一种有效手段，20世纪80年代开始用于食品安全领域，近年来随着高磁场核磁共振商业化仪器设备以及数据分析收集手段的不断改进，核磁共振氢谱（1H-NMR）和核磁共振碳谱（13C-NMR）已广泛用于食品质量控制、食品溯源和蜂蜜、橄榄油、饮料等食品真伪的鉴别研究[54-56]。
在食品有毒有害物质筛查方面，核磁共振技术主要存在两个方面瓶颈：一是食品中毒害物质浓度非常低，即使使用高分辨核磁共振技术来分析，灵敏度有时仍然难以满足需求；二是核磁共振技术对样品纯度要求高，食品基质复杂，应用1H-NMR 技术测定复杂混合物的化学信息时，所获得的图谱中信号往往严重重叠，不利于结构鉴定。目前，尚不能利用核磁共振技术直接鉴定食品混合物中单个组分的结构，只能获得某些物质的特征结构信息，结合其他设备如高分辨质谱分析结果，综合判定或者结合模式识别的方法，从复杂的数据中提取关键信息，识别污染物。
Charlton等[37]运用布鲁克500 MHz超导核磁共振谱仪利用氢核磁共振技术对碳酸饮料的组分进行全面的分析并将所获得的信息转化为数据矩阵，再进一步采用簇类独立软模式法识别的方法（soft independent modeling of class analogy，SIMCA）对数据进行分析，识别出碳酸饮料中含有百草枯、对甲苯酚、草甘膦等污染物。这种评估复杂矩阵构成，识别化合物的模式也适合快速检测未知的污染物。Anibal等[54]利用高分辨氢核磁共振技术和偏最小二乘判别分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）模式识别的方法来筛查咖喱、姜黄、辣椒粉等商业烹饪调料中是否掺有苏丹染料（苏丹Ⅰ～Ⅳ）。
随着核磁共振技术的进一步发展，很多分离手段能与NMR技术联用，如高效液相色谱-核磁共振联用（HPLC-NMR）、液相色谱-质谱-核磁共振波谱（HPLCMS-NMR）联用、超临界流体萃取-核磁共振（SFENMR）联用等[57]，这些技术实现了复杂样品中化合物的分离纯化和分析，有助于未知成分鉴定。此外，超低温探头的出现将核磁共振技术检出限大幅降低[57]，将有力促进核磁共振技术在食品中有毒有害物质筛查领域的运用。
由于食品基质复杂、干扰性大、可能引入其他物质多、添加浓度范围宽，即使是高分辨质谱、核磁共振分析仪对食品中未知物进行准确鉴定仍是一项具有挑战性的工作。采集后的数据处理非常重要，除了需要研究人员具有丰富的化学结构鉴定知识外，还需借助智能化软件对数据进行深度分析以提高鉴定工作效率和准确度。
目前，高分辨质谱的商业化软件如Agilent MassHunter、Waters MassLynx、Thermo Scientific Mass Frontier等普遍具备构建谱图、谱图树、结构、裂解机理、实验条件等数据库功能，对数据可进行智能化比较和快速筛选，并允许用户创建自定义的谱图库和实现多用户共享谱图库。同时，这些软件还具有去卷积功能，有效扣除背景，对分析鉴定低浓度物质有很大帮助。还有一些数据分析技术，可针对性的检测到微量代谢物和碎片离子，便于推断碎裂途径而最终确定物质结构。
为使未知化学性风险快速筛查确证工作更有针对性、科学性和实效性，食品安全技术保障部门和研究者在转化、运用高分辨质谱筛查技术时，结合监管工作实际和监管重点，利用软件对质谱谱图相关信息和化合物基础信息等进行编辑，建立了基于高分辨质谱的具有实用性、可重复性的数据库，提供快速信息化检索和比对，提升鉴定未知化合物的速度和准确性。质谱谱图相关信息包括运用标准物质在仪器上获得的一级和二级质谱图，并带有保留时间、离子采集模式、碰撞能量、离子源等信息。化合物基础信息包括化合物的化学物质登录号（chemical abstracts service，CAS）、中英文名、分子式、精确分子质量、化学结构式等信息[55]。筛查时在设好保留时间与质量数偏差阈值的基础上，利用软件从精确分子、离子质量、同位素分布、保留时间、碎片离子质量及裂解方式四方面比较未知化合物和数据库已有信息而自动鉴定[13]。表1列出了国内外筛查确证数据库研究进展[58-62]。这些数据库均以农兽残留、药物、非法添加物、工业染料等高风险物质筛查为重点，以智能化分析处理技术为手段，同时考虑到数据库的开放性，利用先进的信息技术，将谱库进一步拓展，与Chemspider等商业检索数据库对接，增加了数据的信息量。
表1 国内外筛查确证数据库研究进展
Table 1 Advances in databases for screening and confirmation of unknown chemical substances in foods in China and abroad
数据库筛选的准确性取决于窗口的正确设定，需要既满足质量准确度和保留时间准确度要求，又有足够误差范围，能够找到99%的化合物。Thurman等[63]通过液相色谱-飞行时间质谱在正离子模式下全扫描精确质谱测定，建立了利用分子特征（molecular feature，MF）算法进行数据库检索的方法，用于筛选食品提取物中600 种农药及其降解产物。数据库检索将实际化合物检测和鉴定中得到的离子的精确质量数收集起来，并且将它们与数据库中化合物的单一同位素的准确质量数进行比较。筛选标准包括：±5×10－6精确质量窗口；±0.2 min保留时间窗口；最小峰面积计数1 000（信噪比约为10∶1）。利用该数据库可以在几分钟内灵敏快速地筛选几百种化合物。
近年来，我国在食品安全未知化学性风险快速筛查确证技术方面取得显著进展，但仍然存在一些关键技术和瓶颈亟待突破。结合食品安全技术保障工作实际，以下两方面工作的发展将有效提升食品安全未知化学性风险快速筛查确证能力：
一是进一步加强核磁共振技术的运用。核磁共振技术现已一定程度上运用于食品未知成分鉴定，取得了较好的效果。但该技术对样品纯度要求高，食品基质复杂，干扰较大，还需进一步结合有效的分离手段，促进鉴定能力的提升和运用范围的扩展。下一步，通过联合色谱分离技术、在线富集技术和核磁共振技术，融合高效分离和丰富结构信息获取功能，建立基于液相-固相萃取-核磁共振联用技术的食品中未知化合物在线鉴定方法，实现混合物体系中多个未知成分分子结构的同步快速、准确定性分析。同时以在线定性分析为基础，利用高灵敏度宽带超低温正相核磁探头检测技术，结合液相紫外光谱和核磁结构信息，提升混合物中微量未知成分鉴定的灵敏度。
二是进一步拓展高分辨质谱筛查确证数据库。高分辨质谱鉴定的成功与筛查确证数据库的全面性密切相关。如果数据库信息容量不足，缺乏新化合物、农兽药代谢物、药物杂质等数据，导致检索不到匹配的物质，将使整个鉴定工作受到影响[39]。因此，更全面地收集新化合物、代谢物的结构信息，并将其纳入数据库中，对确证未知风险具有重要意义。
参考文献：
[1]罗季阳,张晓娟,王欣,等.突发食品安全风险的早期识别[J].食品工业科技,2012,33(20):53-55.DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2012.20.040.
[2]郭萌萌,吴海燕,杨帆,等.改进的QuEChERS-高效液相色谱法测定水产品中16种多环芳烃[J].环境化学,2013,32(6):1025-1031.DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2013.06.016.
[3]ABDALLAH H,ARNAUDGUILHEM C,JABER F,et al.Multiresidue analysis of 22 sulfonamides and their metabolites in animal tissues using quick,easy,cheap,effective,rugged,and safe extraction and high resolution mass spectrometry(hybrid linear ion trap-Orbitrap)[J].Journal of Chromatography A,2014,1355:61-72.DOI:10.1016/j.chroma.2014.05.078.
[4]赵延胜,董英,张峰,等.食品中46 种禁限用合成色素的分级提取净化体系研究[J].分析化学,2012,40(2):249-256.DOI:10.3724/SP.J.1096.2012.10443.
[5]李颖,李宗.顶空固相微萃取技术及其在中药分析领域的应用[J].中国实验方剂学杂志,2008,14(7):76-79.DOI:10.13422/j.cnki.syfjx.2008.07.028.
[6]杨蕴嘉,牛宇敏,杨奕,等.在线固相萃取-液相色谱串联质谱法测定饮用水中的双酚A和壬基酚[J].卫生研究,2013,42(1):127-132.
[7]王彩娟.TurboFlow在线固相萃取-液质联用全自动技术在药物残留检测中的应用研究[D].郑州:郑州大学,2013:32-50.
[8]KOESUKWIWAT U,LEHOTAY S J,MIAO S,et al.High throughput analysis of 150 pesticides in fruits and vegetables using QuEChERS and low-pressure gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2010,1217(43):6692-6703.DOI:10.1016/j.chroma.2010.05.012.
[9]HOU X,HAN M,DAI X H,et al.A multi-residue method for the determination of 124 pesticides in rice by modified QuEChERS extraction and gas chromatography-tandem mass spectrometry[J].Food Chemistry,2013,138(2/3):1198-1205.DOI:10.1016/j.foodchem.2012.11.089.
[10]STUBBINGS G,BIGWOOD T.The development and validation of a multiclass liquid chromatography tandem mass spectrometry(LCMS/MS)procedure for the determination of veterinary drug residues in animal tissue using a QuEChERS(Quick,Easy,Cheap,Effective,Rugged and Safe)approach[J].Analytica Chimica Acta,2009,637(1/2):68-78.DOI:10.1016/j.aca.2009.01.029.
[11]高馥蝶,赵妍,邵兵,等.超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱法快速筛查牛奶中的农药和兽药残留[J].色谱,2012,30(6):560-567.DOI:10.3724/SP.J.1123.2012.02021.
[12]罗辉泰,黄晓兰,吴惠勤,等.QuEChERS/液相色谱-串联质谱法同时测定鱼肉中30种激素类及氯霉素类药物残留[J].分析测试学报,2011,30(12):1329-1337.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2011.12.001.
[13]卜明楠,石志红,康健,等.QuEChERS结合LC-MS/MS同时测定虾肉中72种兽药残留[J].分析测试学报,2012,31(5):552-558.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2012.05.008.
[14]韩深,王珮玥,刘萤,等.QuEChERS 净化技术结合超高效液相色谱-串联质谱法筛查食用贝类中的3 种原多甲藻酸贝类毒素[J].色谱,2013,31(10):939-945.DOI:10.3724/SP.J.1123.2013.03042.
[15]胡文彦,许磊,杨军,等.基于QuEChERS 提取的快速液相色谱-串联质谱法测定婴幼儿谷基辅助食品中的9 种真菌毒素[J].色谱,2014,32(2):133-138.DOI:10.3724/SP.J.1123.2013.10014.
[16]赵延胜.食品中外源添加物的筛查分析技术研究[D].镇江:江苏大学,2012:5-50.
[17]湛嘉.动物源性食品中多类别有机小分子污染物的快速筛查技术的研究[D].杭州:浙江大学,2014:68-137.
[18]RIDGWAY K,LALLJIE S P D,SMITH R M,et al.Sample preparation techniques for the determination of trace residues and contaminants in foods[J].Journal of Chromatography A,2007,1153(1/2):36-53.DOI:10.1016/j.chroma.2007.01.134.
[19]NERIN C,ALFARO P,AZNAR M,et al.The challenge of identifying non-intentionally added substances from food packaging materials:a review[J].Analytica Chimica Acta,2013,775(2):14-24.DOI:10.1016/j.aca.2013.02.028.
[20]贾玮,储晓刚,凌云,等.粮油作物及茶叶中农药多残留检测的前处理技术进展[J].分析测试学报,2014,33(6):732-738.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2014.06.021.
[21]HU Y L,LI J W,HU Y F,et al.Development of selective and chemically stable coating for stir bar sorptive extraction by molecularly imprinted technique[J].Talanta,2010,82(2):464-470.DOI:10.1016/j.talanta.2010.04.057.
[22]SANDRA P,TIENPONT B,DAVID F.Multi-residue screening of pesticides in vegetables,fruits and baby food by stir bar sorptive extraction-thermal desorption-capillary gas chromatography-mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2003,1000(1/2):299-309.DOI:10.1016/S0021-9673(03)00508-9.
[23]陈琦,凌云,张峰,等.搅拌棒吸附萃取结合气相色谱/质谱/质谱法同时测定饮料和果酱中的7种防腐剂[J].分析化学,2010,38(8):1156-1160.DOI:10.3724/SP.J.1096.2010.01156.
[24]胡骢.新型搅拌棒吸附萃取涂层的研制及其在环境、食品分析中的应用[D].武汉:武汉大学,2013:11-26.
[25]张雁,何咏,杨晓芳,等.在线固相萃取技术在环境分析领域中的应用[C]//中国环境科学学会学术年会论文集.北京:中国环境科学学会,2013:2259-2263.
[26]GOSETTI F,CHIUMINATTO U,MAZZUCCO E,et al.Simultaneous determination of thirteen polycyclic aromatic hydrocarbons and twelve aldehydes in cooked food by an automated on-line solid phase extraction ultra high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2011,1218(37):6308-6318.DOI:10.1016/j.chroma.2011.06.085.
[27]LOPEZ-GUTIERREZ N,AGUILERA-LUIZ M D M,ROMERO-GONZALEZ R,et al.Fast analysis of polyphenols in royal jelly products using automated TurboFlowTM-liquid chromatography-Orbitrap high resolution mass spectrometry[J].Journal of Chromatography B,2014,973:17-28.DOI:10.1016/j.jchromb.2014.09.038.
[28]刘朋,周建良,安婧婧,等.涡流色谱技术在生物样品分析中的应用[J].色谱,2010,128(2):168-174.DOI:10.3724/SP.J.1123.2010.00618.
[29]MARAZUELA M D,BOGIALLI S.A review of novel strategies of sample preparation for the determination of antibacterial residues in foodstuffs using liquid chromatography-based analytical methods[J].Analytica Chimica Acta,2009,645(1/2):5-17.DOI:10.1016/j.aca.2009.04.031.
[30]MOTTIER P,HAMMEL Y A,GREMAUD E,et al.Quantitative high-throughput analysis of 16(fluoro)quinolones in honey using automated extraction by turbulent flow chromatography coupled to liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2008,56(1):35-43.DOI:10.1021/jf072934d.
[31]姚家彪,赵颖.红外光谱在食品安全检测中的应用[J].现代仪器,2006(2):20-22.
[32]姚炜,夏彩云.红外光谱技术在食品安全检测中的应用[J].中国卫生检验杂志,2009,19(6):1451-1452.
[33]ZHANG J,ZHANG X S,DEDIU L,et al.Review of the current application of fingerprinting allowing detection of food adulteration and fraud in China[J].Food Control,2011,22(8):1126-1135.DOI:10.1016/j.foodcont.2011.01.019.
[34]邵兵,张晶,高馥蝶,等.化学性食物中毒因子检测技术研究进展[J].食品安全质量检测学报,2013,4(3):625-632.
[35]GARCIA-REYES J F,HERNANDO M D,MOLINA-DIAZ A,et al.Comprehensive screening of target,non-target and unknown pesticides in food by LC-TOF-MS[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry,2007,26(8):828-841.DOI:10.1016/j.trac.2007.06.006.
[36]邓志威,李璟,许美凤,等.核磁共振技术在药物分析鉴定中的应用[J].分析测试学报,2012,31(9):1081-1088.DOI:10.3969/j.issn.1004-4957.2012.09.010.
[37]CHARLTON A J,ROBB P,DONARSKI J A,et al.Non-targeted detection of chemical contamination in carbonated soft drinks using NMR spectroscopy,variable selection and chemometrics[J].Analytica Chimica Acta,2008,618(2):196-203.DOI:10.1016/j.aca.2008.04.050.
[38]张晓波,黄丽英,陈万勤,等.应用飞行时间质谱测定食品中多种真菌毒素的研究进展[J].浙江农业科学,2013(7):849-852.
[39]THURMAN E M,FERRER I,FERNANDEZ-ALBA A R.Matching unknown empirical formulas to chemical structure using LC/MS TOF accurate mass and database searching:example of unknown pesticides on tomato skins[J].Journal of Chromatography A,2005,1067(1/2):127-134.DOI:10.1016/j.chroma.2004.11.007.
[40]PICŁ Y,FARRE M I,SOLER C,et al.Identification of unknown pesticides in fruits using ultra-performance liquid chromatographyquadrupole time-of-flight mass spectrometry:imazalil as a case study of quantification[J].Journal of Chromatography A,2007,1176(1/2):123-134.DOI:10.1016/j.chroma.2007.10.071.
[41]胡莉,雷绍荣,郭灵安,等.液相色谱-离子阱-飞行时间质谱法定性分析未知着色剂[J].分析化学,2013,41(1):110-114.DOI:10.3724/SP.J.1096.2013.20235.
[42]VANHAECKE L,MEULEBROEK L V,CLERCQ N D,et al.High resolution orbitrap mass spectrometry in comparison with tandem mass spectrometry for confirmation of anabolic steroids in meat[J].Analytica Chimica Acta,2013,767(5):118-127.DOI:10.1016/j.aca.2013.01.009.
[43]SENKO M W,REMES P M,CANTERBURY J D,et al.Novel parallelized quadrupole/linear ion trap/Orbitrap tribrid mass spectrometer improving proteome coverage and peptide identification rates[J].Analytical Chemistry,2013,85(24):11710-11714.DOI:10.1021/ac403115c.
[44]GUO C C,SHI F,JIANG S Y,et al.Simultaneous identification,confirmation and quantitation of illegal adulterated antidiabetics in herbal medicines and dietary supplements using high-resolution benchtop quadrupole-Orbitrap mass spectrometry[J].Journal of Chromatography B,2014,967:174-182.DOI:10.1016/j.jchromb.2014.07.032.
[45]王勇为.确证定量分析新工具-Thermo Scientific Q Exactive台式四极杆-轨道阱高分辨质谱仪[J].现代科学仪器,2011(5):138-140.
[46]郭延垒,吴明军,李文娟,等.Q Exactive四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱系统对丹皮酚经大鼠肝微粒体体外代谢产物的分析[J].分析化学,2013,41(7):1074-1079.DOI:10.3724/SP.J.1096.2013.20976.
[47]GOMEZ-PEREZ M L,PLAZA-BOLANOS P,ROMEROGONZALEZ R,et al.Comprehensive qualitative and quantitative determination of pesticides and veterinary drugs in honey using liquid chromatography-Orbitrap high resolution mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2012,1248:130-138.DOI:10.1016/j.chroma.2012.05.088.
[48]陈达炜,高洁,吕冰,等.超高效液相色谱-高分辨质谱法快速筛查土豆中的多种农药残留[J].分析化学,2014,42(4):579-584.DOI:10.3724/SP.J.1096.2014.30989.
[49]JIA W,CHU X G,LING Y,et al.High-throughput screeningof pesticide and veterinary drug residues in baby food by liquid chromatography coupled to quadrupole Orbitrap mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2014,1347(20):122-128.DOI:10.1016/j.chroma.2014.04.081.
[50]夏曦,李晓薇,丁双阳,等.液相色谱-高分辨质谱在兽药残留分析中的应用进展[J].质谱学报,2011,32(6):333-339.
[51]冯红,潘桂湘.高分辨质谱在中药化学成分分析中的应用[J].辽宁中医药大学学报,2012,14(8):40-42.DOI:10.13194/j.jlunivtcm.2012.08.42.fengh.084.
[52]BIGNARDI C,CAVAZZA A,CORRADINI C,et al.Targeted and untargeted data-dependent experiments for characterization of polycarbonate food-contact plastics by ultra high performance chromatography coupled to quadrupole orbitrap tandem mass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2014,1372:133-144.DOI:10.1016/j.chroma.2014.10.104.
[53]LEHNER S M,NEUMANN N K N,SULYOK M,et al.Evaluation of LC-high-resolution FT-Orbitrap MS for the quantification of selected mycotoxins and the simultaneous screening of fungal metabolites in food[J].Food Additives & Contaminants,Part A,Chemistry,Analysis,Control,Exposure & Risk Assessment,2011,28(10):1457-1468.DOI:10.1080/19440049.2011.599340.
[54]ANIBAL C V D,RUISANCHEZ I,CALLAO M P.High-resolution1H nuclear magnetic resonance spectrometry combined with chemometric treatment to identify adulteration of culinary spices with Sudan dyes[J].Food Chemistry,2011,124(3):1139-1145.DOI:10.1016/j.foodchem.2010.07.025.
[55]LAGHI L,PICONE G,CAPOZZI F.Nuclear magnetic resonance for foodomics beyond food analysis[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry,2014,59(7):93-102.DOI:1016/j.trac.2014.04.009.
[56]谭和平,谭福元,邹燕,等.核磁共振技术在茶叶生化成分鉴定中的应用[J].中国测试,2009,35(6):70-73.
[57]王桂芳,马廷灿,刘买利.核磁共振波谱在分析化学领域应用的新进展[J].化学学报,2012,70(19):2005-2011.DOI:10.6023/A12060339.
[58]郭娟.有毒有害物质液相色谱质谱数据库的构建及应用[D].南昌:南昌大学,2012:12-22.
[59]刘畅.食品中兽药残留高通量筛查与检测平台的建立及膳食暴露评估研究[D].上海:第二军医大学,2013:29-45.
[60]钱疆,杨方,陈弛,等.超高效液相色谱飞行时间质谱测定食品中36种合成色素[J].食品科学,2013,34(6):215-218.
[61]康健.动物源性食品中兽药多残留快速检测技术及精确质量数据库的建立[D].秦皇岛:燕山大学,2014:90-115.
[62]陈济朋.新加坡采用食品安全检测新技术[EB/OL].(2012-11-27).http://news.xinhuanet.com/world/2012-11/27/c_113817443.htm.
[63]THURMAN E M,FERRER I,ZWEIGENBAUM J A.LC/TOF MS分子特征数据库检索方法进行食品中600种农药的自动筛选[J].食品安全质量检测学报,2010,27(3):140-148.
MAO Ting,LU Yong,JIANG Jie,ZHANG Weimin,FENG Nan
(Beijing Municipal Center for Food Safety Monitoring and Risk Assessment,Beijing 100041,China)
Abstract:The risk of unknown chemical substances in foods is the unanticipated risk outside the food safety regulations,which is a significant public health issue for food safety monitoring authorities and has attracted more public concern in recent years.In many cases,we should identify such substances rapidly in order to take measures and means to prevent the spread of the risk.Thus,the demand for the development and the applications of more efficient and more powerful tools to analyze unknown chemical contaminants in foods is increasing.In this article,based on the general sample preparation techniques,comprehensive screening and confirmation methods and the databases for screening and confirmation,the advantages and limitations of the rapid screening and confirmation methods for the risk of unknown chemical substances in foods are discussed.The general sample preparation techniques such as QuEChERS,solid phase microextraction(SPME)and turbulent flow chromatography(TFC)ensure that different types,different materials are extracted and purified as much as possible.The comprehensive screening and confirmation methods for the applications of different types of high-resolution mass spectrometry and nuclear magnetic resonance enable the screening of several hundreds of compounds with high sensitivity within one run.The databases allows automated screening and confirmation of unknown chemical substances.The future research trends in this field are also introduced.
Key words:risk of unknown chemical substances in foods; general sample preparation techniques; comprehensive screening and confirmation technologies; database
中图分类号：S859.84
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）05-0245-09
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605043 10.7506/spkx1002-6630-201605043.http://www.spkx.net.cn
作者简介：毛婷（1980—），女，高级工程师，博士，研究方向为食品检验。E-mail：frances228@126.com
基金项目：北京市科学技术委员会市委、市政府重点工作及区县政府应急项目预启动专项课题（Z131100006113022）；北京市科学技术委员会首都食品安全科技创优培育专项课题（Z141100002614009）
收稿日期：2015-03-26