质谱仪

质谱仪在食品、化工等领域的应用

1.质谱仪在食品领域的应用

目前食品质量控制、食品营养标签以及食品中有毒有害残留物的分析已成为大众关心的热点问题。食品安全问题涉及的主要方面有：农药残留、兽药残留、违规食品添加剂、重金属污染及微生物污染等。因此，建立新的分析检测方法来应对越来越复杂的非法添加物、农药残留和兽药残留，已成为消费者和检测实验室的迫切需要，因此各种新的分析技术不断出现。食品中有毒有害物质最显著的特点是目标物含量低，基体复杂，难以有效地分离和测定。常规的化学分析方法和简单的仪器分析方法往往难以取得满意的结果。色谱的分离能力为混合物的分离提供了强有力的分离分析手段，但是色谱方法难以得到分析物的结构信息，因此色谱方法在复杂混合物的结构分析方面不尽如人意。质谱仪具有非常高的选择性和灵敏度，与具有极强分离能力的色谱技术联用，已成为食品中定量分析的热门方法。

1.1在食品营养成分分析方面的应用

质谱分析法正以其快速、高效、分析鉴定结果准确等优势而倍受青睐，随着诸多样品预处理方法以及衍生等技术的不断开发，质谱法在食品营养成分分析中的应用必将有更广阔的前景，在食品营养成分脂肪酸、糖类、维生素类分析方面的已应用。可以用质谱仪将肌肉和肾脏中的四环素、土霉素、氯四环素用 C18硝基柱分离后，检测出限为肌肉 10 ng/g，肾脏20 ng/g。还可以用质谱法测定鸡蛋中的硝基呋喃类代谢物，并用高效液相色谱与质谱的联用（HPLC- MS）方法进行确证。营养学研究中运用稳定同位素标记的标准品 ( 通常是氘和C13) 和传统质谱仪或稳定同位素质谱仪联用追踪维生素体内代谢活动，包括吸收、代谢和分泌，这项技术克服了放射性同位素的污染缺陷。例如，用质谱法稳定同位素参考方法测定标记的β胡萝卜素在人体内转化成视黄醇的效率。这项技术得出的研究结果：(1)绿色和黄色蔬菜能维持中国儿童体内维生素A的储存量；菠菜和胡萝卜能提供丰富的维生素 A。另外，质谱分析显示，虽然β胡萝卜素转化成视黄醇的效率相当低，但是人体可以通过摄入经过食用油烹饪的富含β胡萝卜素的蔬菜得到充足的维生素 A，即油脂可以帮助β胡萝卜素的吸收或者是转化。利用 LC-MS 代谢组学手段对特定生物体系进行氨基酸轮廓分析 (profiling) 已经十分普及。比如对日本发酵食物味精在不同成熟阶段的代谢产物进行组学分析，发现是氨基酸、柠檬酸和糖胺化合物带来了不同成熟阶段的特征性风味。瘦肉成分是决定肉品质好坏的一个重要指标。3-甲基组氨酸 (3-MeHis) 是一个典型的肉蛋白成分，不同肉类中蛋白质结合的 3-MeHis 含量几乎是恒定的，而非肉类来源的富含蛋白质产品，如牛奶、鸡蛋和豆制品则不含3-MeHis。因此，3-MeHis可以用来作为检测肉产品中真正瘦肉含量的标记物。

1.2在食品微量元素分析方面的应用

微量元素由于其重要的生理功能及与多种疾病密切相关，在人类膳食营养中占有重要地位。根据机体对微量元素的需要情况又分为必需微量元素、非必需微量元素及有害微量元素。维持人体正常生命活动不可缺少的元素称为必需微量元素。不可缺少不是指缺少将危及生命，不能生存，而是指缺少时会引起机体生理

功能及结构异常，导致疾病发生。电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) 作为元素分析的新工具，可精确检测微量元素，它利用等离子体作为离子源，已广泛用于食品中微量元素的检测。其他常用的微量元素检测方法，如原子吸收光谱法 (atomic absorption spectroscopy, AAS)，分析速度慢，且基体干扰严重，对于不同的元素必须采取不同的基体改进剂；样品需求量大也限制了其使用。ICP-MS 技术具有多元素同时测定，灵敏度高、动态线性范围宽、干扰少、精密度高、分析速度快等优点。因此，ICP-MS 分析在营养学微量元素研究中越来越显著和重要。借助分析微量元素稳定同位素丰度，ICP-MS 能追踪元素在体内的代谢以及分析内源性和食物来源的比例。这对建立可靠的膳食中微量元素需求量和推荐量具有重要意义。另外,稳定同位素示踪的 ICP-MS 分析和计算机结合能确定组织中微量元素储集池的大小和组织之间的动态分布。

1.3在食品代谢组学研究中的应用

代谢组学是以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段，对细胞、体液、组织中所有代谢物进行无偏向的定性与定量分析的一门学科。在许多学科已成为重要的分析工具，比如人类疾病学、营养学、药物研发、植物生理学等其他学科。通常，代谢组学研究的对象并非某些特定的物质，而是要尽可能多地获取所有代谢产物的信息。代谢组学分析过程包括依次为样品准备、代谢物提取、衍生化处理、代谢物分离、检测、数据处理。但每步并不是总要做，仅检测和数据处理在所有代谢组学研究报告中是必不可少的。这也充分说明了代谢组学分析离不开质谱技术的应用。代谢组学分析现有的主要检测手段包括：核磁共振技术 (NMR)、液相色—谱质谱联用技术(LC-MS)、毛细管电泳—质谱联用技术 (CE-MS)以及气相色谱—质谱联用技术 (GC-MS)。

2.质谱仪在化工业中的应用

目前质谱在化工领域主要应用于钢铁冶炼高炉监测、化肥生产监测等。高炉生产中通过提高焦比来提高高炉的效率，在高效的高炉操作中，焦碳消耗必须控制在最少。CO和CO2的水平代表了高炉的还原情况，在炼铁过程中，利用质谱仪对CO和CO2含量进行实时地连续测量可以将焦碳消耗每吨铁减少100kg。使用质谱仪可以对氢气含量的突然增高快速报警，氢气的突然升高预示着冷却水向高炉的泄漏。冷却水泄漏的早期监测可避免高炉冷却，从而避免了焦碳消耗的增加。另外，质谱仪连续、精确地控制氢气可以避免氢气含量达到危险的极限水平，从而防止易爆混合物的产生。在用氮气作为吹扫气体的情况下，炉顶气体中氮、氩比是检测取样系统故障的理想标志，按照此比值来设定警报级别，能够提早检测故障并减少高成本。另外，铁的产量主要决定于高炉热量控制的水准，许多工厂利用气体分析数据来计算高炉底部额外热量，从而控制高炉温度来确保连续稳定的铁产量。氮气对于精确计算物质平衡测量是至关重要。质谱仪可以直接测量氮气，而不像红外分析仪从其它气体的测量中推测出氮气含量。质谱仪除了可以分析顶气外，还可以分析上部炉料管和下部炉料管中气体组分。质谱仪用于高炉气体分析的特性和优点是在于在3s内快速分析6个成分（H2、CO2、CO、N2、Ar、O2）；每吨铁减少焦碳消耗100 kg；氢气的快速准确检测优化了高炉热量控制，提高了高炉泄漏时的安全性；氮气的直接测量提高了质量平衡计算的精确度；延长了高炉的工作周期；所有数据由一台分析仪提供，从而简化了与控制系统的连接。

国内化肥行业应用质谱在以下几个方面均取得了良好的经济效益。天然气分子量检测：化肥厂和天然气供应公司时常发生天然气计量的误差，原因在于分子量的波动。使用质谱仪分析天然气以计算它的分子量，补偿流量表便能连续地、精确地测定质量流量；碳水比控制：在化肥行业中，低水碳比具有节能的优势，且有利于催化剂效率的改进。然而当水碳比降低时，催化剂的结碳率会增加。因此，操作人员需严格控制水碳比，又要保持离结碳点有一定安全余量。使用质谱仪后，一段炉能在较低的水碳比下运行，既达到节能的目的，又不发生析碳；氢氮比控制。氢氮比控制是一个复杂的控制方案。加入工艺中的空气以及循环气中氢的变化会对氢氮比等许多工艺变量产生影响。使用质谱仪迅速检测出氢氮比，不是单纯的对氢氮比变化的反应，而是多变量预估控制。这种控制方案在装置的前端有干扰的情况下特别有效，通过预估，这一控制将会对关键参数中的一个变化立刻起反应，并使合成塔入口的氢氮比波动最小，形成最佳氢氮比，产生最好的经济效益；空燃比的分析控制：它用于空燃比的分析控制，提高燃烧效率，保证了生产设备的安全。尿素系统中CO2/NH3的分析控制。与合成氨的H2/N2类似，当质谱仪参与了其分析控制后，有效地控制了低碳氨比，降低了氨耗，使尿素生产在最佳状态下运行。

3.质谱仪在生物医药中的应用

近年来,生物质谱已经广泛用于中药研究领域,推动了中药现代化及中药作用机制等更深层次的研究。中药药学研究中质谱技术应用于中药单体化合物的结构鉴定与解析的基本思路和做法与用于小分子化学药物相同,采用饱和硫酸胺沉淀,透析脱盐冻干法获得中药阿胶、地龙、龟甲胶、羚羊角的蛋白,利用蛋白质芯片为载体,激光解析—离子化—飞行时间质谱 (SELDI-TOF-MS)技术,分析阿胶、地龙、龟甲胶的蛋白质、肤分子量分布及其相对分子质量,发现不同质量浓度稳定获得的有意义蛋白。质谱分析技术是将气相色谱法高效的分离效率与质谱法分析的高专属性相结合，使其广泛地应用于中药有效成分的研究，采用水蒸汽蒸馏法提取橘叶挥发油，用质谱法分析鉴定其化学成分，并应用面积归一法测定各成分的相对百分含量。从橘叶挥发油中分离出 50 种化学组分，鉴定了其中 34 种，占总油量的 83%。分析结果表明，在透骨草挥发性成分中，主要是萜烯类及其含氧衍生物、醇类和酯类，也含有烷烃、醛酮等化合物。娄方明等采用水蒸气蒸馏法提取厚朴挥发油，运用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术对挥发油成分进行分离鉴定，并采用面积归一化法确定各成分的相对百分含量，分析比较了不同产地厚朴的挥发油成分。结果显示 5 种不同产地厚朴所含挥发油的量有较大差别，以浙江产最多，云南和四川产最少，但是5个地区的厚朴所含主要成分基本相同，只是含量有差异，其共有成分达到 18 种。另外，有 20 种成分分别为各产地所独有，但含量均甚微，其他成分则在 2 种以上产地上存在。质谱用于药物代谢动力学的研究也有报道，在分析药物分子通过不同的给药途径，其在生物系统中的吸收、分布、代谢及排泄也会出现不同的差异，这些因素决定了药物能否以适当浓度到达肌体目标部位，并停留一定时间，从而使药物的疗效得以发挥。由于多数药物的代谢物保留了原形药物分子的骨架结构，因此，HPLC-MS 在药物代谢研究中不但可确定分子量，还可以根据药物分子特异性断裂规律推导出重要部分结构甚至是完整的结构，从而可以迅速找到可能的代谢物，并鉴定出结构。Cheng 等利用液质联用（GC-MS）技术，依照临床剂量对甘草进行了代谢组学研究，通过分析确定了大鼠口服临床剂量的甘草代谢物中 62 种尿代谢物和 42 种血浆代

谢物。目前，液质联用技术已逐渐成为中药药代动力学研究的热点