食品中有毒物質的檢測方法

質譜技術是20 世紀發展起來的最重要的分析技術之一，其原理可以追溯到1906 年諾貝爾物理學獎得主Joseph John Thomson 的工作，他發現了電荷在氣體中的運動現象，並於1910 年獲得了第一張質譜圖。其後，1922 年Francis William Aston 因採用質譜技術發現了同位素而獲得諾貝爾化學獎，1989 年諾貝爾物理學獎頒給了兩位發明離子阱質譜技術的科學家，Wolfgang Paul 和Hans Georg Dehmelt。2002 年的諾貝爾化學獎則是頒給了發明電噴霧電離技術的John Bennet Fenn 和發明基質輔助激光解吸電離技術的田中耕一。此外，Ernest Orlando Lawrence 因為發明回旋加速器而獲得了1939 年的諾貝爾物理學獎，後來人們利用測量離子的迴旋共振頻率發明了世界上最高解析度的FT-ICR 質譜。還有，從1911 年諾貝爾物理學獎的成果「熱輻射規律」、1943 年諾貝爾物理學獎的成果「分子束」到1986 年諾貝爾化學獎的成果「交叉分子束」，以及1996 年諾貝爾化學獎的成果「發現碳60」，均與質譜密切相關。今天，質譜既可用於分析無機元素，包括同位素，又可用於分析有機小分子，還可用於分析生物大分子，在生命科學、材料科學、環境科學、藥物研發和精準葯療、食品安全和石油化工等領域發揮著巨大而不可替代的作用。隨著科學技術的發展，質譜的分析能力越來越強大，在方方面面的應用也越來越普遍。

一種功能強大的分析儀器——質譜儀

質譜儀（Mass Spectrometer）是一種分析質量（Mass）的儀器，可進而鑒定分子結構及定量分析。縱觀其發展歷程，質譜的發展速度近似於指數曲線，近年來越來越快速地成長，已成為當今分析化學功能強大的設備。

質譜儀的基本原理與構造

顧名思義，質譜儀是測定物質質量的儀器，基本原理為將分析樣品（氣、液、固相）電離（Ionization）為帶電離子（Ion），帶電離子在電場或磁場的作用下可以在空間或時間上分離：

這些離子被檢測器（Detector）檢測後即可得到其質荷比（Mass-to-Charge Ratio，m/z）與相對強度（Relative Intensity）的質譜圖（Mass Spectrum），進而推算出分析物中分子的質量。透過質譜圖或精確的分子量測量可以對分析物做定性分析，利用檢測到的離子強度可做準確的定量分析。

質譜儀的種類很多，但是基本結構相同。如圖1-1 所示，質譜儀的基本構造主要分成五個部分：樣品導入系統（Sample Inlet）、離子源（IonSource）、質量分析器（Mass Analyzer）、檢測器（Detector）及數據分析系統（Data Analysis System）。

純物質與成分簡單的樣品可直接經介面導入質譜儀；樣品為複雜的混合物時，可先由液相或氣相色譜儀分離樣品組分，再導入質譜儀。當分析樣品進入質譜儀後，首先在離子源對分析樣品進行電離，以電子、離子、分子或光子將樣品轉換為氣相的帶電離子，分析物依其性質成為帶正電的陽離子或帶負電的陰離子。產生氣相離子後，離子即進入質量分析器[圖1-1（a）]進行質荷比的測量。在電場、磁場等物理作用下，離子運動的軌跡會受場力的影響而產生差異，檢測器則可將離子轉換成電子信號，處理並儲存於計算機中，再以各種方式轉換成質譜圖。此方法可測得不同離子的質荷比，進而從電荷推算出分析物中分子的質量。此外，質譜儀還需要一個高真空系統，維持在10-4torr至10-10torr 的低壓環境中，讓樣品離子不會因碰撞而損失或測量到的m/z值有偏差。

圖1-1 質譜儀的硬體組成：（a）質譜儀基本構造；（b）串聯質譜儀

除了質量的測量，質譜儀也可以利用串聯質譜（Tandem MassSpectrometry，MS/MS）技術，更有效地鑒定化合物的分子結構。顧名思義，串聯質譜儀（Tandem Mass Spectrometer）是由兩個以上的質量分析器[圖1-1（b）]連接在一起所組成的質譜儀。當分析物經過離子源電離後，第一個質量分析器可以從混合物中選擇及分離特定的離子，以外力（碰撞氣體、光子、電子等）使該離子解離，併產生碎片離子，再由第二個質量分析器進行碎片離子的質量分析。這些碎片信息可以用來鑒定小分子及蛋白質、核酸等生物分子的結構。當樣品複雜度很高時，可在樣品進樣區前串聯一液相色譜（Liquid Chromatography，LC）或氣相色譜（Gas Chromatography，GC）系統，幫助樣品預分離（Pre-separation）以提高質譜分析的效率。

質譜應用於食品中有毒物質的分析

近年來，因為食品中毒與食物中含違禁添加物事件時有發生，所以針對食物中所含的有毒物質與違法添加物進行有效且快速的篩檢，對於評估食品安全是一項相當重要的工作。對於食品中微量有害成分的檢測，不僅能保障食品的食用安全，更能用於釐清食品食用後造成健康損害的原因。但食品中有毒成分含量低，因此不易檢測。

食品中有毒物質的檢測方法

針對食品中有毒物質或違法添加物的分析，早期主要是以薄層色譜法（Thin-Layer Chromatography，TLC）進行分析，此方法的優點為操作簡單，但是靈敏度不佳，且分析時易受到基質中其他化合物的干擾，造成分析上的誤差，無法準確分析複雜基質中所含的微量有毒化合物。

免疫分析法（Immunoassay）與酶聯免疫吸附分析法（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay，ELISA），也曾因為選擇性高，被應用於食品中微量毒素的檢測。使用免疫分析法進行檢測，通常針對具有某單一特定結構或官能團的化合物進行篩檢，其優點為分析快速，因此適合高通量（High-Throughput）檢測。但採用免疫分析法時，樣品中基質會與免疫試劑之間產生交叉反應（Cross-Reactivity）而產生誤差，導致假陽性（False Positive）或假陰性（False Negative）分析結果。

由於上述幾種分析方法並無法有效檢測複雜食品基質中的微量毒素，因此現今針對食品中微量成分的檢測，是以色譜技術作為主要方法，如氣相色譜（Gas Chromatography，GC）與高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）。

一般氣相色譜用於食品分析時，主要應用於中低極性且具揮發性或半揮發性的化合物分析，所使用的檢測器為火焰離子化檢測器（Flame Ionization Detector，FID）或電子捕獲檢測器（Electron Capture Detector，ECD）。

使用火焰離子化檢測器分析，雖然操作較簡便，但因其選擇性較差，所以無法針對複雜樣品中微量成分進行有效分析。

電子捕獲檢測器雖然對於含鹵素化合物具有高靈敏度的特性，但並不是對每種化合物均有高靈敏度，且該檢測器具有放射性電離源，因此需有相關許可才能使用。

因此，近年來氣相色譜-質譜（Gas Chromatography Mass Spectrometry，GC-MS）或氣相色譜-串聯質譜（Gas Chromatography Tandem Mass Spectrometry，C-MS/MS），已逐漸取代氣相色譜用於複雜基質中微量物質的分析。固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）結合氣相色譜-質譜，已被應用於復方中藥製劑中所含微量十九種有機氯農藥（Organochlorine Pesticides）的檢測。此方法對復方中藥製劑殘留有機氯農藥的檢測限（Limit of Detection，LOD）達到十億分之一（Parts Per Billion，ppb，ng/mL 或ng/g）量級。但氣相色譜或氣相色譜-質譜分析具有極性、不易揮發化合物時，大都需要經過衍生化（Derivatization）的步驟，如酯化（Esterfication）反應、醯化（Acylation）反應或硅烷化（Silylation）反應等[2]，以降低分析物的極性並增加揮發性與穩定性，提高分析物檢測的靈敏度與解析度。然而衍生化反應通常需要使用昂貴的衍生化試劑，反應費時且會造成分析物的損失，所以當分析中含有高極性、不易揮發的化合物時，通常用高效液相色譜進行分析，其最主要的優點為不需要經過衍生化步驟，即可進行微量毒素的分離。

採用液相色譜分析時，檢測方法大多以紫外-可見光檢測器（UV-Vis Detector）與熒光檢測器（Fluorescence Detector）為主。紫外-可見光檢測器的主要缺點為選擇性較差，所以樣品基質中其他物質容易對檢測造成干擾，造成靈敏度降低。雖然熒光檢測器的選擇性較紫外-可見光檢測器佳，但是以熒光檢測器分析時，如果分析物不具有熒光性質，需進行衍生化使分析物發射熒光，但多出的這一步驟會造成時間與金錢的浪費。近年來，液相色譜-質譜（Liquid Chromatography Mass Spectrometry，LC-MS）或液相色譜-串聯質譜（Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry，LC-MS/MS），逐漸被應用於食品中微量有毒化合物的分析。其主要原因為液相色譜法分析高極性化合物時，不需經由任何衍生化的步驟即可直接進行分析，可節省衍生化步驟所需的時間、人力與花費，避免因為衍生化步驟所造成的誤差。此外，加上質譜技術具有高靈敏度與高選擇性，因此目前液相色譜-質譜法已被廣泛應用於食品分析，特別是在快速檢測食品中所含微量有毒物質的應用上。在台灣食品藥物管理局公告的檢驗方法中，目前也有多項檢測項目是採用液相色譜-串聯質譜為儀器檢測方法，如食品中四環素類（Tetracycline）、氯黴素（Chloramphenicol）等抗生素，以及真菌毒素（Mycotoxin）的檢驗，甚至最近幾年受到社會關注的三聚氰胺、增塑劑（Plasticizer）、瘦肉精等的檢測，也是採用液相色譜-串聯質譜儀進行分析，所得到的檢測限均在數ng/g 至數十ng/g 之間。

本文摘編自台灣質譜學會編著《質譜分析技術原理與應用》文前及第1章、第9章，內容略有刪節，標題為編者所加。

質譜分析技術原理與應用

台灣質譜學會 編著

責任編輯：劉冉

北京：科學出版社 2019.01

《質譜分析技術原理與應用》是台灣質譜學會集結眾學者之力，編撰的一本質譜分析技術的入門教科書。全書包括質譜分析技術基本原理和質譜分析技術應用兩部分。第1章對質譜儀進行概述；第2~8章為第一部分，從離子化方法，質量分析器，串聯質譜分析，質譜與分離技術的結合，真空、檢測與儀器控制系統，質譜數據解析，定量分析等方面闡明質譜分析技術基本原理；第9~13章為第二部分，討論質譜分析技術在食品安全分析、蛋白質組學/代謝組學、環境與地球科學、藥物與毒物分析以及醫學上的應用。

（本期編輯：安 靜）

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