基于质谱技术的牛奶中有害物质残留检测研究

摘 要：随着人们对食品安全问题的日益关注，牛奶中有害物质残留的检测日趋重要。本文介绍了牛奶中常见的有害物质残留种类以及这些物质对人体健康的潜在危害，阐述了质谱检测的基本原理与技术类型，探讨了基于质谱技术的牛奶检测完整流程，详细分析了样品采集、样品前处理、仪器分析和数据处理等关键环节的技术要点，旨在为相关研究提供参考。

关键词：质谱技术；牛奶；有害物质残留；检测

Research on the Detection of Harmful Substance Residues in Milk Based on Mass Spectrometry

ZHU Feng

（Shanghai Qingpu Food Medicines Inspection Office， Shanghai 201799， China）

Abstract： With the increasing concern about food safety， the detection of harmful residues in milk is becoming increasingly important. In this paper， we introduce the types of common harmful substances in milk and the potential harm of these substances to human health， expound the basic principles and technical types of mass spectrometry detection， discuss the complete process of milk detection based on mass spectrometry technology， and analyze in detail the technical points of key links such as sample collection， sample preparation， instrument analysis and data processing， aiming to provide reference for related research.

Keywords： mass spectrometry technology; milk; residual harmful substances; testing

牛奶是一种营养丰富的饮品，含有丰富的蛋白质、脂肪、矿物质和维生素等营养成分，对人体健康具有重要作用[1]。然而，奶牛饲养过程中可能会使用兽药等，容易导致有害物质残留。这些有害残留不仅影响牛奶的品质和安全性，还可能对消费者的健康造成潜在威胁。因此，对牛奶中有害物质残留进行检测十分必要。近年来，质谱技术凭借其高灵敏度、高选择性、速度快等优点，在食品安全检测领域得到广泛应用。本文将探讨基于质谱技术的牛奶中常见有害物质残留检测现状及发展趋势。

1 牛奶中常见有害物质残留种类及危害

牛奶中常见的有害物质残留主要包括抗生素类、农药类、重金属类和其他类等。抗生素残留指奶牛在接受抗生素治疗后，未经过足够的休药期，导致抗生素残留在牛奶中。常见的抗生素残留有β-内酰胺类、四环素类、磺胺类和大环内酯类等[2]。抗生素残留可能引起消费者过敏反应，并导致肠道菌群失调，长期摄入还可能产生耐药性细菌。农药残留主要来源于饲料作物和牧草，如有机氯、有机磷、拟除虫菊酯和氨基甲酸酯类农药。农药残留具有生物蓄积性，可通过食物链富集，对人体健康产生慢性毒性效应。重金属残留主要有铅、汞、镉和砷等，其来源包括污染的水源、土壤及饲料。重金属具有较强的毒性，可干扰人体多种酶系统的活性，损害神经系统功能，甚至导致癌症的发生。其他有害残留物还包括真菌毒素、化学污染物如二噁英、多氯联苯等。真菌毒素具有致癌、致畸、致突变性，可引起多种疾病；二噁英等化学污染物也具有较强毒性，可影响生殖功能，导致免疫抑制和癌症等[3]。综上，牛奶中有害物质残留种类多样，为保障乳品安全和消费者健康，必须采用灵敏、准确、高效的检测手段，对牛奶中的有害物质残留进行监测和控制。

2 质谱检测基本原理与技术类型

质谱检测是基于待测物质的质荷比差异进行分离和检测的一种分析技术。其基本原理是待测样品经过前处理后，在离子源中被电离生成气态离子，然后在质量分析器中根据离子的质荷比大小被分离，最后到达检测器被检测并转换成电信号，经过数据处理系统生成质谱图[4]。

质谱检测技术主要包括气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）、液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatograph-Mass Spectrometer，LC-MS）、串联质谱（Tandem Mass Spectrometry，MS/MS）、高分辨质谱和先进的复合型质谱技术等。GC-MS适用于挥发性和半挥发性化合物的检测，如农药残留、兽药残留等；LC-MS适用于极性大、热不稳定化合物的检测，如抗生素残留等。串联质谱通过多级质量分析器的串联，对母离子进行裂解产生子离子，提高了检测的特异性和灵敏度。高分辨质谱如飞行时间质谱（Time of Flight Mass Spectrometer，TOF-MS）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry，FT-ICR-MS）具有超高的质量分辨率，可实现精确质量测定和元素组成分析。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（Matrix-assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight-Mass Spectrometry，MALDI-TOF-MS）、液相色谱串联质谱（Liquid Chromatograph Tandem Mass Spectrometry，LC-MS/MS）等复合型质谱技术集成了不同的电离方式和质量分析器，兼具高通量、高灵敏度、高分辨率等特点，在复杂基质中微量化合物的检测中具有独特优势。

3 基于质谱技术的牛奶中有害物质残留检测流程

3.1 样品采集

牛奶中有害物质残留检测的样品采集是整个分析过程的首要环节，其目的是获取具有代表性的样品，为后续检测提供可靠的物质基础。样品采集过程必须严格遵循标准操作规程，确保样品的真实性、准确性和完整性。①根据检测目的和实际情况，合理设计采样方案，明确采样点位、采样数量和采样频次[5]。一般应覆盖牛奶生产、加工、储运等各个环节，采样点位应具有典型性和代表性。②选择合适的采样容器，通常采用硼硅玻璃或聚丙烯塑料容器，容器要求洁净、干燥，且不与样品发生化学反应。采样前应对容器进行去污和灭菌处理，避免引入外源性污染。采样时应使用专用的采样工具，如不锈钢勺、一次性塑料吸管等，避免使用可能造成交叉污染的工具。采样量一般为100～500 mL，应根据检测项目和检测方法的需求进行合理确定。③采样过程要求动作轻缓，避免样品飞溅或产生泡沫，采集后要立即密封容器，并进行编号标识。样品应尽快送达实验室，运输过程中将样品温度控制在2～8 ℃，

避免其变质或受到污染。若无法及时检测样品，应将其置于-18 ℃以下条件下保存，但保存时间一般不宜超过2周[6]。样品采集过程应详细记录采样时间、地点、批次和样品状态等信息，确保样品的可追溯性。总之，规范、科学的样品采集是保证检测结果准确可靠的基础，在牛奶中有害物质残留检测中至关重要。

3.2 样品前处理

样品前处理是质谱检测中不可或缺的关键步骤，其目的是从复杂的基质中提取和富集目标分析物，去除干扰基质成分，将样品净化和浓缩至适合进样分析的状态。牛奶基质成分复杂，包含大量蛋白质、脂肪、糖类等，这些成分会严重干扰分析物的电离和质谱检测，因此样品前处理对于牛奶中有害物质残留检测至关重要。常用的前处理方法有液-液萃取、固相萃取、沉淀以及超声辅助萃取等。以牛奶中四环素类抗生素残留检测为例，一般采用McIlvaine缓冲溶液调节pH值，然后加入乙腈沉淀蛋白质，离心去除沉淀，上清液过C18固相萃取柱，用甲醇-乙酸溶液洗脱，洗脱液经氮气吹干后再用流动相溶剂溶解，过0.22 μm微孔滤膜。样品前处理过程中的影响因素众多，如提取溶剂的种类和用量、pH值、离子强度、萃取时间和温度等，需要进行条件优化，建立合适的前处理方法。同时，为了保证前处理过程的回收率和重现性，应加入与待测物质理化性质相似的替代物作为内标，对整个前处理和检测过程进行质量控制。样品前处理质量的好坏直接影响到检测结果的准确性和可靠性，因此必须严格遵循标准操作规程，规范前处理操作，确保获得高质量的供试样品。除了常规的样品前处理方法外，分子印迹聚合物、固相微萃取、快速净化柱等的应用，为简化前处理流程、提高检测通量和灵敏度提供了新的思路。

3.3 仪器分析

仪器分析是牛奶中有害物质残留分析中最为关键的核心技术。典型的质谱仪由离子源、质量分析器、检测器等部分组成。①离子源是质谱检测的关键，可将样品分子电离成带电荷的气相离子。常用的电离技术有电子轰击电离（Electron Ionization，EI）、化学电离（Chemical Ionization，CI）、电喷雾电离（Electrospray Ionization，ESI）、大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization，APCI）等。EI源电离能量较高，可获得丰富的特征碎片离子信息；ESI源适用于极性较大的热敏化合物，电离温和且效率高，是液相色谱-质谱联用仪使用最广泛的电离源。例如，在牛奶中青霉素类抗生素残留检测中，通常采用反相液相色谱柱分离，再通过电喷雾电离源引入质谱。②质量分析器按照特定的物理原理，对不同质荷比的离子进行分离。四极杆（Quadrupole，Q）、离子阱（Ion Trap，IT）、飞行时间（Time of Flight，TOF）以及静电场轨道阱（Orbitrap）是当前应用较多的质量分析器。四极杆具有稳定性好、灵敏度高、结构简单等特点；离子阱可实现多级质谱分析，提供分子结构信息；飞行时间分析器具有较高的质量分辨率，可实现精确质量测定；Orbitrap兼具高分辨率和高质量准确度，在复杂基质残留分析中表现出色。例如，在牛奶中氯霉素残留检测过程中可采用三重四极杆（Triple Quadrupole，QqQ）质量分析器。分析过程中，氯霉素分子在电喷雾电离源中被电离，在第一个四极杆（Q1）中，母离子m/z 321被选择并进入碰撞室（q）。在碰撞室中，母离子与惰性气体分子碰撞，发生碎裂，生成特征子离子。第3个四极杆（Q3）对子离子进行扫描，选择m/z 152、194、257等特征子离子进行检测。③分离后的离子撞击检测器，产生相应的电信号被放大和记录，从而获得质谱图。离子信号的强度与离子的丰度成正比，通过对特征离子丰度的测定，可实现目标物的定量分析。常见的检测器包括电子倍增器、法拉第杯等。

3.4 数据处理

数据处理是质谱检测中不可或缺的重要环节，其目的是从海量的质谱数据中准确提取和解析出待测物的定性定量信息。①针对获得的质谱图，需要进行背景扣除、基线校正、平滑降噪等预处理，以去除化学噪音和基质干扰，提高数据质量。②利用特征母离子和子离子的提取离子色谱图，结合保留时间、精确质量数、同位素分布等信息，实现待测物的可靠定性。定量分析则采用内标法或基质匹配外标法，通过特征离子的峰面积或峰高与浓度的线性回归，建立定量校准曲线。以牛奶中四环素类抗生素残留检测为例，常采用同位素内标法定量，即在样品中加入与待测物化学性质相似、质谱行为一致的同位素标记物作为内标，通过待测物与内标峰面积比值的测定，实现待测物含量的准确定量，可有效消除基质效应和离子化效率差异的影响。数据处理过程中，必须严格设定定性和定量离子的筛选条件，准确积分定量离子的峰面积，合理评估检测结果的准确度和精密度。针对痕量残留检测的需求，还需对方法的线性范围、检出限、定量限等进行充分验证。

随着高分辨质谱等新技术的发展，数据采集量和复杂度急剧增加，传统的数据处理方法难以满足要求，急需借助化学计量学和大数据分析等手段，实现数据的快速、智能解析。例如，在牛奶中β-受体激动剂类药物残留的非目标筛查中，可采用精确质量数数据库检索、同位素模式匹配、碎裂规律预测等策略，实现未知残留物的鉴定，大大提高数据解析的效率和可靠性。总之，数据处理是充分挖掘质谱数据内涵、保证检测结果可靠的必要手段，也是质谱分析技术的难点和热点，急需从多学科交叉角度入手，开发新的数据处理算法和软件，为食品安全检测提供更强大的技术支撑。

4 结语

牛奶中有害物质残留检测是保障乳品安全的重要环节。质谱技术凭借其高灵敏度、高选择性和快速检测等优势，已成为牛奶中有害物质残留检测的主流技术。本文系统阐述了牛奶中常见有害物质残留的种类及危害，详细介绍了质谱检测的基本原理与技术类型，重点探讨了基于质谱技术的牛奶检测流程，包括样品采集、前处理、仪器分析和数据处理等关键环节。未来，随着新型离子源、高分辨质量分析器等技术的不断发展，以及其与人工智能、大数据分析等新兴技术的深度融合，质谱检测技术将在灵敏度、选择性和通量等方面取得进一步突破，为乳品安全监测提供更加可靠的技术支撑。

参考文献

[1]张璐，董立雅，刘通，等.超高效液相色谱-串联质谱法测定牛奶中三氮脒残留[J].食品安全质量检测学报，2024，15（11）：45-52.

[2]黄星晨.水牛奶酪蛋白鉴定和药物残留检测技术的研究[D].南宁：广西大学，2022.

[3]宁亚维，杨正，马梦戈，等.食品中常见过敏原及检测技术研究进展[J].食品科学，2021，42（15）：319-328.

[4]杨丽萍.稳定同位素质谱技术在区分不同奶源中的应用[J].现代食品，2019（11）：137-140.

[5]侯改成.牛奶中部分药物残留检测及方法研究[D].贵阳：贵州大学，2015.

[6]贾敏.加工食品中牛奶致敏原检测方法的建立与应用[D].无锡：江南大学，2015.

作者简介：朱峰（1985—），男，上海人，本科，主管技师。研究方向：食品安全检测。