稳定同位素比例质谱(IRMS)的应用

摘要：同位素溯源技术是国际上目前用于追溯不同来源食品和实施产地保护的有效工具之一,在食品安全污染物溯源领域有着广阔的应用前景,一些发达国家纷纷开展此领域的研究。本文阐述了同位素溯源技术的基本原理,比较了同位素溯源技术与其他溯源技术的区别与联系,综述了国内外研究进展,提出了我国在同位素溯源技术方面应开展的研究工作,旨在推动我国食品安全追溯制度的建立与完善,保障食品安全,保证消费者身体健康。

关键词: 稳定同位素比例质谱仪法（IRMS）；食品检测；产品溯源；IRMS联用

同位素质谱最初是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的，同位素质谱是同位素地质学发展的重要实验基础。当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、无机稳定同位素地球化学等各个方面，并在国家一系列重大攻关和研究课题中发挥重大作用，如金矿和石油天然气研究、水资源开发等。稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的进一步了解，使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。与其它技术相比，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）的情况下进行。有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决，现在，有许多农业研究机构和大学，已经开始使用高精度同位素质谱计从事合理用肥、果实营养、固氮分析、农药毒性、家畜气候对作物的影响以及食品质量控制等多方面的研究工作。与原子能和地质研究工作相比较，在农业和食品方面应用同位素方法从事科研和检测工作，正处于方兴未艾阶段，随着人类社会发展，对农业的要求越来越高，今后大力开展和普及用现代化方法研究农业增产、改善果实质量以及进行食品质量控制检测的工作前途无限广阔[1]。

1 稳定同位素比例质谱仪（IRMS）工作原理

1.1 IRMS的基本原理

同位素比例质谱仪是利用离子光学和电磁原理，按照质荷比（m/e）进行分离从而测定同位素质量和相对含量的科学实验仪器。其原理是首先将样品转化成气体（如CO2，N2，SO2或H2），在离子源中将气体分子离子化（从每个分子中剥离一个电子，导致每

个分子带有一个正电荷），接着将离子化气体打入飞行管中。飞行管是弯曲的，磁铁置于其上方，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素的分子弯曲程度小于含轻同位素的分子[2]。

在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度。由于它是把样品转化成气体才能测定，所以又叫气体同位素比例质谱仪。以CO2为例，需要有三个法拉第收集器来收集质量分别为44、45和46的离子束。不同质量离子同时收集，从而可以精确测定不同质量离子之间的比率。

带电粒子在磁场中运动时发生偏转，偏转程度与粒子的质荷比m/e成反比。带电离子携带电荷e'，通过电场时获得能量e'V，它应与该离子总动能相等：

1/2m' v' 2＝e' V （1）

式中m'和 v'分别为粒子的质量和速度，e'为粒子电荷，V为电压。带电粒子沿垂直磁力线方向进入磁场时，受到洛仑兹力作用，此力垂直于磁场方向和运动方向，力的大小为：

F=e' VB/c （2）

式中B为磁场强度，c为光速。合并（1）和（2）式，得到： F＝

Be' 2e' Vcm＝Be' 2Ve'/m （3） c显然，F为粒子质量的函数，确切来说是荷质比 的函数。据此，带电粒子在磁场中运动时因洛仑兹力而偏转，导致不同质量同位素的分离，重同位素偏转半径大，轻同位素偏转半径小。

实际测定中，不是直接测定同位素的绝对含量，因为这一点很难做到；而是测定两种同位素的比值，例如O18/O16或S34/S32等。用作稳定同位素分析的质谱仪是将样品和标准的同位素比值作对比进行测量。 1.2 IRMS的基本测量过程[2]

在稳定同位素分析中均以气体形式进行质谱分析，因此常有气体质谱仪之称。同位素质谱分析仪的测量过程可归纳为以下步骤：

① 将被分析的样品以气体形式送入离子源；

② 把被分析的元素转变为电荷为e的阳离子，应用纵电场将离子束准直成为一定能量的平行离子束；

③ 利用电、磁分析器将离子束分解为不同m/e比值的组分；

④ 记录并测定离子束每一组分的强度；

⑤ 应用计算机程序将离子束强度转化为同位素丰度；

⑥ 将待测样品与工作标准相比较，得到相对于国际标准的同位素比值。

2 IRMS分析技术的应用

随着同位素质谱测试技术的改进，大大拓宽了稳定同位素的研究领域。除了人们所熟知的“稳定同位素地球化学”已形成一门的学科外，稳定同位素技术还应用于农业、医学和环境科学研究领域。通过同位素分析，可以得知农作物施肥的最佳配方比和时间；诊疗病症；了解物品组成成分与来源；推断古气候及环境条件特征

总结它的应用主要分为两个方面： ①各种物质同位素δ值存在着天然的差异。 ②稳定同位素示踪方法。 2.1 IRMS在食品检测中的应用

近年来，食品安全时间频繁发生，“三聚氰胺奶粉”、“地沟油”等成为人们耳熟能详的东西，食品安全问题成为人们关注的焦点，食品的掺假和真实性的检测也变得极其重要，是关乎民众生命和安全健康的重大问题。

目前，国内外食品掺假检测的技术有很多种，目前常为多种方法的结合使用：①光学显微镜分析结合C13的同位素比测定方法，检测蜂蜜中是否掺杂蔗糖及蔗糖产品；②气相色谱或气-质联用色谱；③高效液相色谱分析，如：检测葡萄酒中氨基酸、酚类物质等；④近红外光谱法（IR）：在食品掺假检测和质量控制上也有应用；⑤NMR、MS等方法；⑥同位素比值的检测技术[3]。目前国际上运用最多的是稳定同位素比例质谱法，结合化学分析方法，可以用于食品安全领域中鉴别食品成分掺假、食品污染物来源、追溯产品原产地以及判断动物饲料来源等方面[4, 5]。 2.1.1 鉴别食品成分掺假

同位素溯源技术在鉴别食品成分掺假方面的研究报道比较多，且多集中在鉴别果汁加水、加糖分析，葡萄酒中加入劣质酒、甜菜糖、蔗糖等的分析以及蜂蜜加糖分析等方面。此外，还可鉴别不同植物混合油、高价值食用醋中加入廉价醋酸等掺假分析。这些掺假对消费者健康没有影响，然而会对诚实的生产者产生误导，并使他们处于经济利益不利地位。果汁中的掺假主要是加入水、糖或有机酸。通过检测果汁中糖、果肉、有机酸的δ13C 值，果汁水中的δ18O 值和D/H 的比值，以及发酵果汁乙醇中D/H 的比值进

行鉴别[6]。真正的纯果汁比用自来水稀释后的果汁水中δ18O 值和2H 含量高，这是因为自来水中的重氧和重氢含量较低。为了提高检测的精确度，常采用内标同位素分析法进行测定。内标法主要依据为来自同一食品不同成分的同位素组成相对稳定，如果汁中的糖、果肉和有机酸中的13 C/12 C 的比值有各自独特的范围，这些成分的13 C/12 C 比值相对固定。在浑浊果汁如橙汁、菠萝汁等分析中，果肉常作为比较方便的内标物。在果汁加糖检测分析中，可同时检测果汁中果肉和糖的δ13C 值，将其差值与真正果汁中这二者的差值范围进行比较[7]。如果在真正果汁差值范围之内或特别接近，可认为没有掺假；反之，可判断其中加入其他糖。根据偏离倾向，还可判断其中是加入C3 植物糖(如甜菜糖等) 还是C4 植物糖(如玉米高果糖浆等) 。但对澄清果汁如苹果汁而言，以其中的有机物作为内标物。Eric Jancin [1, 8]等在研究用δ13 C 值判断苹果汁中加糖问题时，以从所研究的苹果汁中分离出的纯苹果酸作为内标物。在蜂蜜掺假方面，常加入C3 与C4 植物糖，其中主要掺加玉米高果糖浆。传统方法是用HPLC检测。但这种方法在加入量比较少或高级掺假方面检测不出，如加入与蜂蜜中碳水化合物性质相同的人工合成的一些糖，并控制一定的加入量。目前，利用内标同位素分析法，即以蛋白质作为内标物，分析比较蜂蜜中蛋白质和糖的δ13 C 值就可灵敏、快速、精确地测定蜂蜜掺假情况。 2.1.2 鉴别食品污染物来源

产地环境污染直接或间接影响农产品的质量与安全。产地环境污染主要是大气污染、水体污染和土壤污染。大气污染主要包括氟化物、重金属、酸雨、沥青等的污染；水体污染主要是无机有毒物如各类重金属、氰化物、氟化物等和有机有毒物如苯酚、多环芳烃、多氯联苯等的污染以及各种病原体的污染；土壤污染主要是施肥、施药与污灌三大途径的污染[1, 9]。不同来源的上述污染物对农产品形成综合性污染。在食品安全管理实践中，如果能确定污染源的类型和不同污染源的贡献率，就可有效控制污染源，切断污染途径，大大降低农产品的污染程度。利用不同来源的物质中同位素丰度存在差异的原理，可检测环境与食品中污染物的来源。王琬等通过测定大气颗粒物中206 Pb/207 Pb 比值，并将其与源排放样品中Pb 同位素数据进行比较，判断大气颗粒中Pb 的污染源及其贡献。大气中铅的污染源主要是燃煤飞灰、工业排放和加铅汽油的使用，上述三种污染源中铅的同位素丰度比206 Pb/207 Pb 的范围分别为1.06～1.08、1.14～1.22 和1.14～1.18。大气颗粒物中206 Pb/207 Pb比值越接近那种污染源的同位素范围，则认为它是主要的污染源，也可通过统计学的方法计算出各种污染源的贡献率[9, 10]。C.Marisa 和R. Almeida[10]指出通过检测葡萄酒中Pb 的同位素比率可判断其中铅的污染源是来自自然污染还是土壤污染，土壤污染是由人类活动造成的，主要与大气沉降物、杀虫剂的施用、

运输、贮藏过程等有关。此外，利用δ13C 值可判断环境和食品中多环芳烃( PAHs) 和多氯联苯( PCBs)[11] 的来源。PAHs 是含碳燃料及有机物不完全燃烧而产生的，每种燃烧源会产生一系列PAHs 单体化合物，这些单体化合物的浓度及其δ13C可形成独特的图谱，利用此图谱即可区分燃烧源。在实际判断环境或食品中的污染源时，可通过提取其中的PAHs ，并分离出PAHs 的单体化合物，然后测定每种单体化合物的浓度及其δ13 C 值[12]，再与不同燃烧源的标准图谱比较即可追溯出污染源。 2.1.3追溯产品原产地与动物饲料来源

不同地域的食品受产地环境、气候、地形、饲料种类及动植物代谢类型的影响，其组织内同位素的自然丰度存在差异，利用此差异可判断产品的原产地。国外在对葡萄酒、奶酪的地域来源方面研究较多。近年来，受疯牛病的影响，有关肉制品产地来源追溯方面的研究也日渐增多[3, 13]。

相对于葡萄酒等植物源性食品而言，对奶制品、肉制品等动物源性食品的产地来源判断就比较复杂。因为动物产品中同位素组成既受它们所食用的植物饲料中同位素组成的影响，也受动物代谢过程中同位素分馏的影响，而且动物经常食用不同地区来源的饲料，或者一生中在不同地方饲养。动物产品中含有较高的蛋白质和脂类成分，其中富含N 和S元素；植物主要含有碳水化合物、脂肪和纤维素，它们的同位素含量为动物产品的同位素组成提供了构成框架。研究表明[14, 15]，乳、肉中水的18O/16O、2H/1 H比值是反映环境条件较好的指标，常用于判断地域来源；13C/12C 比值与植物的光合代谢途径有关，常用于判断动物的饲料成分来源，如C3 植物与C4 植物(玉米) 占的比例。但不同食品由于受组织代谢分馏和加工工艺的影响，其同位素组成的变化规律存在很大差异。目前在研究检测中选取的食品成分与元素种类均有所不同[16]。

在奶酪地域来源分析中，常检测的指标包括奶酪中酪蛋白的δ13 C 值和δ15N 值，甘油的δ18O 值和δ13C 值，pH4.3条件下不溶物的δ13 C 值、δ15 N 值、2H/1 H、87Sr/86 Sr 比值及奶酪中的微量和痕量元素如Ca 、Mg、Na 、Cu、Zn 等的含量[14, 17]。除此之外，一些放射性元素如90Sr 、238U、234U、137Cs、40 K和239/240 Pu 等也作为判断奶酪地域来源的指标。乳中水δ18O 值可判断乳的地域来源，但测奶酪水中的δ18O 值就不能得到合理的结果，因为在奶酪制作过程中要加入或失去一部分水分。

在肉制品研究方面，现已有报道利用稳定性同位素技术判断牛肉、羊肉、猪肉的产地来源和饲料来源。不同地域来源的牛肉中同位素组成存在较大差异[18]。O. Schmidt[19] 等从不同国家抽取牛肉样品， 脱脂后检测其中C、N 和S 元素， 发现美国与欧洲的牛肉中C、N 同位素组成存在很大差异， 而且爱尔兰与其他欧洲国家牛肉的δ13C、δ15N

值也存在明显差异； 综合分析C、N、S 同位素， 还可区分出常规养殖的牛肉与有机养殖的牛肉。常规养殖主要以粮食作为饲料，而有机养殖主要以牧草作为饲料。牛肉水中δ18O 值与气候因素相关，饲料中C4 植物的比例与牛尾毛的δ13 C 直接相关，而且C4 植物的比例解释δ13C值96%的总变异，δ13C 是提供动物饲料中玉米含量的一项重要指标[11]。

此外，由于组织的分馏作用，动物体不同组织的同位素组成存在很大差异。羊肉蛋白质中的δ13 C值比脂中的δ13C 值平均高5‰，但两者之间高度相关( r= 0.976) [20]，它们均与羊的品种和饲料来源有关。Stefaan De Smet 等研究也发现，牛不同组织中δ13C 值由大到小的顺序依次为毛发> 肌肉> 肝脏> 肾脏的脂肪。相对膳食而言，脂肪组织在合成过程中对13C 有贫化作用，而肌肉、毛发、肝脏、血液和血浆组织对13 C 有富集作用。此外，他们还发现，各组织中的δ13 C 值与牛屠宰前最后育肥阶段膳食中的δ13 C 值高度相关，相关系数变化范围在0.92～0.99 之间。C4 植物在膳食中的比例可用各组织中的δ13 C值预测出来，而且喂养相同膳食的动物个体之间同位素组成差异较小，用少量的样本就可追踪出动物的膳食组成。动物组织中同位素受其膳食的影响而不断发生变化，并且与膳食之间存在一种平衡关系。不同组织与膳食之间的平衡时间不同。血浆约需10 d左右，血红细胞约需2个月， 肌肉、毛发约需3个月,骨骼的平衡时间更长。换言之，血液、脂、肝脏、肌肉、脑组织反映几星期到几个月的膳食，骨反映长达几十年的膳食信息[21]。可见，在具体研究中，应根据研究目的选取合适的组织及其合适的化学成分作为研究对象。综上所述，用同位素溯源技术在鉴别食品成分掺假方面的研究报道较多，而在追溯产品原产地方面的研究较少，且多集中在植物源食品如葡萄酒、饮料等方面。在动物源食品研究方面，大多报道是关于用稳定性同位素判断奶、奶酪的地域来源；而涉及到肉制品方面的报道相对较少。此外，动物组织中同位素组成受多种因素的影响，变化规律比较复杂，现大多处于探索阶段，还有许多问题亟待研究解决[22]。

3 LC/EA-IRMS联用在食品检测中的应用

近年来, 稳定同位素比值质谱技术逐渐成为国际上用于产地溯源和鉴别食品成分掺假的一种直接而有效的工具。Woodbury等利用气相色谱-燃烧-同位素比值质谱法测得食用油中脂肪酸的稳定同位素值(δ13C值), 并尝试检测玉米油与大豆油、花生油之间的掺伪问题。

植物光合作用中C3和C4两种代谢途径的产物的δ13C值有较大的差异。利用这个差异, 通过测定蜂蜜的δ13C 值能够鉴别蜂蜜(主要含C3 植物糖)中是否掺入了C4植物

糖浆(如玉米糖浆)。现在国际上通用的检测方法是元素分析-同位素比值质谱法( EA-IRMS), 该法已经成为检测蜂蜜中C4植物糖浆含量的官方方法。但是这种方法只能判定掺入较高含量C4植物糖浆的蜂蜜, 对于更低含量的掺假以及最近出现的掺入C3植物糖浆(如大米糖浆、甜菜糖浆)的掺假判定存在缺陷。液相色谱-同位素比值质谱法( LC-IRM S)的引入为更精确地测定蜂蜜的同位素值、判定蜂蜜掺假情况开辟了更为广阔的前景。蜂蜜样品经LC分离后, 各个组分依次被氧化成CO2, 通过IRMS测定各个组分的δ13C值。这样可以克服之前离线方法的缺点, 提高检测方法的灵敏度, 并且可以对C3植物糖浆的掺假进行鉴定，国外已经开展了相关的研究工作[4, 22, 23]。

现在LC/EA-IRMS的应用越来越广泛，为食品安全检测提供了较好的技术手段，同时也建立了不同产地、不同品种产品稳定的同位素值数据库, 为我国有关部门进一步开展食品的品质、来源以及所标注的产品名称、产地和加工过程的真实性的监管工作提供科学的根据和数据基础, 在保护消费者利益方面起到重要的作用

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