岳振峰¹

摘 要 本项目以食品中化学性有害物为研究目标，阐明了182 种化学性有害物的质谱软电离裂解机理，在质谱检测机理方面取得突破；针对化学性有害物发掘技术缺失的问题，开创了基于标志性中性丢失/碎片质谱扫描的发掘技术；开发了高选择性富集材料、试剂和设备，实现了检测灵敏度、特异性、准确度、重复性、再现性和速度的显著提升。该项目研发的质谱软电离裂解机理、有害物发掘技术、精准检测等关键技术达到国际先进水平，在应对“供港生猪瘦肉精”“臭脚盐”“输欧牛肝菌尼古丁”等突发事件中发挥了关键作用，有效支撑了科学监管，增强了我国进出口食品安全监管科技水平和技术能力，取得了显著的经济和社会效益。

关键词 化学性有害物；检测；关键技术；创新；应用

 Key Technology Innovation and Application for Detection of Chemical Hazardous Substances in Food

YUE Zhen-Feng¹

Abstract In this project, the chemical hazardous substances in food are taken as the research object, and the mass spectrometry soft ionization cracking mechanism of 182 chemical hazardous substances is clarified, which has made a breakthrough in the detection theory of MS. In order to solve the problem of the lack of harmful chemical substance detection technology, the landmark neutral loss or fragment mass spectrometry scanning detection technology was created. The high selective enrichment materials, reagents and equipment have been developed to significantly improve sensitivity, specificity, accuracy, repeatability, reproducibility and speed of the detection. The key technologies developed by the project, such as Mechanism of MS soft ionization cracking, harmful substance exploring technology and precise detection, have reached the international advanced level. They have played a key role in responding to emergencies such as "Beta-agonists in pigs supply for Hong Kong", "smelly foot salt" and "nicotine in Boletus exported to EU". They have effectively supported scientific supervision and enhanced the technical level and technology of China's import and export food safety supervision. It has achieved remarkable economic and social benefits.

Keywords chemical hazardous substances; detection; key technology; innovation; application

引言

食品安全事关人民群众身体健康和生命安全，事关经济健康发展与社会和谐稳定。保障食品安全是建设健康中国、增进人民福祉的重要内容。要严防、严管、严控不安全的、有害的、有毒的食品，确保人民群众吃得放心、安心，这也凸显了食品安全的极端重要性。化学性有害物是影响食品安全的重要因素，党和国家高度重视食品安全工作，将多达2000余种化学性有害物纳入监管目录^[1]。食品中化学性有害物检测技术需求和难点主要体现在两个方面^[2]：一是食品中未知或新型化学性有害物的鉴别和发掘技术；二是化学性有害物的精准确证技术和快速检测技术。近年来，国际国内由非法添加和化学物质滥用引发的食品安全突发事件处于高发态势，如“孔雀石绿水产品”“苏丹红鸡蛋”“瘦肉精猪肉”“三聚氰胺奶粉” “氟虫腈鸡蛋”等，严重威胁到广大人民群众的饮食安全和生命健康，并给相关食品农产品企业带来巨大经济损失，给政府食品安全管理能力和信誉造成不利影响。造成这些食品安全突发事件的核心元素都属于法规禁止或未批准用于食品的化学性有害物质，不法企业在使用这些化学物质时隐蔽性强，而且食品种类繁多、基质复杂，采用常规检测技术难以从食品中检测到未知的化学性有害物。目前，国际上对于食品中未知化学性有害物的检测尚无有效的技术手段，因此，创新食品中化学性有害物鉴别和发掘关键技术成为食品安全监管的迫切需求。

1  项目研究重点

针对食品中化学有害物检测的技术难点，该项目进行了食品中未知有害物发掘技术的理论创新，首次在国际上按照结构类别对食品中苯乙醇胺类等12 类不同结构（182 种）重要化学性有害物阐明了质谱软电离裂解机理，构建了包含1092个软电离质谱碎片精确质量数的质谱信息及机理库；开创了标志性中性丢失（或碎片）质谱扫描发掘技术，筛选出可标识同类结构的中性丢失（或碎片）52 种，从食品中首次发现了新型杂环胺等22 种有害物；开发了高选择性富集材料和快检设备，研发了系列快速检测技术及产品，获发明专利20项，其他专利16 项；建立了食品中化学性有害物检测方法国家标准34项、行业标准16 项，推动了食品安全科技的进步。

1.1 化学性有害物的质谱软电离裂解机理研究

引入高分辨率质谱技术，推导并验证了β-内酰胺结构中四元内酰胺环开环反应、苯乙醇胺结构碱性β-羟基侧链脱水中性丢失等关键裂解机理，率先在国际上系统阐明了苯乙醇胺类、β-内酰胺类、双酚类、芳氧丙醇胺类等12 类不同结构（182 种）化学性有害物的质谱软电离裂解机理（图1），如中性丢失、开环反应、α-断裂、重排反应等，获得了多级质谱裂解碎片的精确质量数，构建了质谱信息特别是中性丢失（或碎片）库，为同类结构新型有害物的发掘提供了理论依据。

引入飞行时间质谱、四级杆串联静电场轨道阱质谱等高分辨率质谱技术，首次得到苯乙醇胺类、β-内酰胺类、肉桂酸酯类、杂环胺类、双酚类、芳氧丙醇胺等12 类结构（182 种）化学性有害物，获得了多级质谱裂解碎片的精确质量数，实现了正负离子模式下（[M+H]⁺、[M+NH4]⁺、[M-H]^-等）碎片离子质量数的精准检测，质量数精确到0.0001 Da，与理论值偏差小于0.5 ppm，解决了质量数相近而碎片结构难以准确解析的问题。构建了包含1092 个软电离质谱碎片精确质量数的质谱信息及机理库，为同类结构有害物的发掘提供了理论依据。

1.2 标志性中性丢失（或碎片）质谱扫描发掘技术研发及应用

食品中化学性有害物的发掘技术在国际上尚属空白，只能等到事件爆发、损害发生后，根据健康损害的症状和生产链条的排查去猜测。食品中化学性有害物虽然数量庞大、全部检测不具有现实的可能性，但是按照结构分类却是有限的，同类结构的物质往往具有相同的质谱行为，因此，挖掘同类结构物质的质谱标志性中性丢失（碎片）、建立标志性中性丢失（碎片）质谱扫描技术，可以用于推断是否存在同类结构的新型有害物。

该项目首次研究了β-内酰胺类抗生素、香豆素类添加剂、双酚类化学污染物等12 类化学性有害物的质谱软电离裂解机理和规律，筛选出各类化合物的标志性中性丢失（碎片）CO (m/z 27.99)、CO₂ (m/z 43.99)、C₅H₅N⁺ (m/z79.04)、C₈H₁₀N₃O₃S (m/z 228.04)等52 种，建立了标志性中性丢失（碎片）数据库。所筛选的标志性中性丢失（碎片）具有三大基本特征：(1)在同类结构的已知有害物中的检出率为100%；(2)在同类结构化学性有害物质谱裂解碎片中的丰度范围51%～98%；(3)质量精度小于1 ppm。

应用研发的中性丢失（碎片）质谱扫描技术，从食品中首次发现了22 种新型有害物：(1)应用β-内酰胺类标志性碎片质谱扫描方法，对510个市售动物源性食品中β-内酰胺类抗生素残留量进行了检测和新型β-内酰胺类抗生素的发掘，在国际上首次发现了法规禁止使用的新型β-内酰胺类抗生素——头孢他啶（ceftazidime）；(2)应用香豆素类标志性中性丢失（碎片）质谱扫描技术，建立了4 种典型食品及相关产品（牛奶、咖啡、茶叶）中7种香豆素及其7种衍生物的液相色谱-四级杆质谱扫描方法，并从市售的460个实际样品中检测出禁用香豆素，最高含量达到23.88 mg/kg；(3)应用肉桂酸酯类添加剂标志性中性丢失（碎片）质谱扫描技术，应用于380个市售样品中新型有害物的发掘，在12 个样品中均检出肉桂酸酯类的添加剂。

1.3 高选择性富集材料、快检设备和系列快速检测技术及产品的研发

研制了氨基糖苷类抗生素的分子印迹聚合物富集材料，以链霉素为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，采用热引发聚合方式得到有固定孔穴大小和形状的目标分子印迹聚合物（MIPs），将其作为富集材料，用于动物源性食品，如蜂蜜中链霉素类残留检测的富集净化。MIPs 对链霉素、二氢链霉素、庆大霉素、大观霉素的回收率分别是98.7%、94.7%、100.8%和93.7%。与传统富集材料相比，MIPs 对氨基糖苷类的富集效果提升了近两倍。

针对食品中的黄曲霉毒素，设计合成了特有的显色试剂及显色反应，研发了简便的现场检测方法。利用黄曲霉毒素的香豆素内酯环结构，设计了一个针对黄曲霉毒素的两步显色反应，加入常见的两种试剂（氢氧化钠和2,6-二溴苯醌氯亚胺），将黄曲霉毒素转变成特殊的绿色靛酚类产物，用于大米中黄曲霉毒素快速测定，检出限为3.9 μg/kg，利用黄曲霉毒素与汞离子（Hg²⁺）特异配位能阻断纳米金的团聚，进而引起明显颜色变化的对应关系，实现了黄曲霉毒素的快速定量测定，检出限为1.1 μg/kg（图2）。

针对食品中的品质成分及重金属，研发了可准确捕获分子指纹信息的激光拉曼成像技术和在线检测仪器，在10 s内实现了乳粉快速检测（图3）。可准确捕获乳制品中的分子指纹信息，并实现相应组分的唯一性识别，适合对所有牛奶原料做准确的多组分在线分析。能够消除牛奶水分及基质干扰，并实现多个指标同时检测，覆盖法规规定的检测项目（包括脂肪、蛋白质、钠、钾、钙、磷、铅、砷、汞、铬、三聚氰胺、硫氰酸钠等），将传统48~72 h的分析时间缩短至几十秒。

1.4 食品中化学性有害物检测方法系列标准的建立

针对食品中杂环胺类、氨基酸类有机磷除草剂、阿布拉霉素等检测方法标准缺乏的现状，系统地开发了食品中农药残留（除害剂）、兽药残留、增塑剂等化学性有害物检测方法，并对方法稳定性、特异性、灵敏度等指标进行了全面的测试评价，共制定了34 项国家标准和16 项行业标准，促进了该项目研发技术的推广应用，解决了食品中化学性有害物标准缺失的问题。

2  项目关键技术

2.1 为发掘新型有害物提供理论依据

质谱电离技术发展迅速，包括电子轰击电离（EI）等硬电离技术和电喷雾电离（ESI）等软电离技术，其中化学性有害物的硬电离裂解机理已经基本阐明，但软电离的裂解机理尚不明确。该项目首次在国际上阐明了化学性有害物的质谱软电离裂解机理，为食品中同类结构新型有害物的发掘提供了理论依据。该项目按照结构类别对食品中苯乙醇胺类等12 类不同结构（182 种）重要化学性有害物阐明了质谱软电离裂解机理，构建了包含1092 个软电离质谱碎片精确质量数的质谱信息及机理库，被两位食品安全领域的中国工程院院士评价为：实现了食品安全理论上的突破。

2.2 开创标志性中性丢失质谱扫描发掘技术

由于同类结构的物质通常具有类似的质谱裂解机理，因此筛选同类结构物质的质谱标志性中性丢失（或碎片），建立标志性中性丢失（或碎片）质谱扫描技术，可用于发掘同类结构的新型有害物。本项目基于上述原理，开创了标志性中性丢失（或碎片）质谱扫描发掘技术，筛选出可标识同类结构的中性丢失（或碎片）52 种，从食品中首次发现了新型杂环胺等22 种有害物，填补了食品中新型化学性有害物的质谱发掘技术的国际空白。

2.3 研发快速检测技术和建立系列检测标准

针对所发掘有害物的检测技术灵敏度低、速度慢的问题，开发了高选择性富集材料和快检设备，研发了系列快速检测技术及产品，开发了分子印迹材料，与传统富集材料相比灵敏度提升了近两倍；开发了基于新原理的电渗析离子色谱，灵敏度较常规的离子色谱提升5～10 倍，重现性优良；研制了可准确捕获分子指纹信息的激光拉曼成像检测仪，检测速度实现了从“小时”到“秒”的跨越。针对食品中化学性有害物精准检测方法标准不足的现状，建立了食品中化学性有害物检测方法系列标准。

3  业内评价

3.1 同行评价

(1)美国食品药品监督管理局食品安全与应用营养中心Perry G. Wang 博士在成果鉴定意见中指出：“该项目在国际上首次阐明了12 类化学性有害物的质谱软电离裂解机理，在该裂解机理的基础上建立了标志性中性丢失（或碎片）质谱扫描发掘技术，在国际上首次实现了食品中化学性有害物新型结构类似物的扫描发掘，并首次报道了食品中新型杂环胺等有害物。”

(2)“食品组学”开创者、西班牙国家科学研究委员会（CSIC）Alejandro Cifuentes 研究员在成果鉴定意见中指出：“项目系统开发了农药、兽药、添加剂和生物毒素的检测方法，灵敏度和准确度达到并超过国际水平。”

(3)爱尔兰皇家科学院院士、国际食品科学院院士Sun Dawen在国际权威学术期刊《Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety》（IF=7.028）上正面评价其研究成果，指出：“该项目建立了一种灵敏的混合物拉曼光谱分析技术，结合遗传算法，提高了模型准确性。”^[3]

(4)国际权威学术期刊《Trends in Analytical Chemistry》（IF=7.034）这样评价：“该项目建立了一种UPLC-Q/TOF-MS 筛查和确证方法，可在6 分钟内分离食品中12 种β-受体激动剂（苯乙醇胺类），且关键的一对同分异构体可达到完全分离。”^[4]并对该项目研究工作给予高度评价；国际权威学术期刊《Analytical Chemistry》（IF=6.042）也评价该项目相关成果，指出：“拉曼光谱是一种有效的生物传感器，能满足食品检测的需求”^[5]，说明该项目采用的拉曼光谱成像技术具备良好的创新性。

3.2 第三方客观评价

经国际查新，未见与本项目相同的研究成果公开报道；经第三方成果评价，评价专家组一致认为，项目总体达到国际先进水平，为食品中化学性有害物的检测提供了先进手段。该项目成果获“中国分析测试协会科学技术奖（CAIA 奖）”一等奖3项。

4   结语

在国家科技计划支持下，该项目开展了一系列创新工作，阐明了近200种化学性有害物的质谱软电离裂解机理，开创了食品中有害物标志性中性丢失（碎片）质谱扫描发掘技术，开发了高灵敏、高精准、高速度检测技术，实现了食品中有害物监管从事后被动应对到事前主动预防的技术跨越。

该项目成果在我国食品安全监管中发挥了重要作用，成功应对了“臭脚盐”“供港生猪瘦肉精”“输欧牛肝菌尼古丁”等重大突发事件，突破了发达国家设置的技术壁垒，社会效益显著。该成果成功应用于我国市场监管、卫生、农业、海关等系统的年度监督抽检计划和风险监测计划，提高了国家食品安全监管能力。所研制的检测产品及设备进行了转化推广，服务于政府监管，满足了食品行业的产品质量控制需求，近三年应用单位超过38 家，获得直接经济效益3.89 亿元，社会经济效益巨大。

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项目名称：食品中化学性有害物检测关键技术创新及应用，获2019年度国家科学技术进步奖二等奖

作者简介：岳振峰，男，博士，深圳海关食品检验检疫技术中心副主任、研究员，从事食品检验及质量控制技术研究

1. 深圳海关食品检验检疫技术中心  深圳  518045

1. Food Inspection and Quarantine Technology Center of Shenzhen Customs District, Shenzhen  518045

中国口岸科学技术

图1 典型的化学性有害物软电离质谱裂解机理

Fig.1 The fragmentation mechanism of typical chemical hazardous substances by soft ionization mass spectrometry

（1）特异性显色试剂及反应

（2）黄曲霉毒素与Hg²⁺特异性反应

图2 黄曲霉毒素快速检测技术

Fig.2 Rapid detection technology of aflatoxin

图3 激光拉曼成像技术及产品

Fig.3 Laser Raman imaging technology and products

参考文献

[1] 陈芳. 加强学科交叉，提升食品化学安全研究水平[J]. 食品安全质量检测学报, 2014, 11: 3580-3581.

[2] 张峰. 基于质谱裂解规律的食品有害物筛查技术[C]. 第三届全国质谱分析学术报告会, 2017.

[3] Weihong Hu, Da-Wen Sun, Hongbin Pu, etc. Recent Developments in Methods and Techniques for Rapid Monitoring of Sugar Metabolism in Fruits[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2016, 15 (6):1067-1079.

[4] Wei Zhang, Peilong Wang, Xiaoou Su. Current advancement in analysis of -agonists[J]. Trends in Analytical Chemistry, 2016, 85: 1-16.

[5] Dagan Zhang, Biao Ma, Litianyi Tang, etc. Toward Quantitative Chemical Analysis Using a Ruler on Paper: An Approach to transduce color to length based on coffee-ring effect[J]. Analytical Chemistry, 2018, 90: 1482-1486.

（文章类别：CPST-D）