安捷伦食品安全之“僵尸肉”鉴别完整自动化解决方案

2018-09-13 19:19:50 食品安全导刊2018年8期

“僵尸肉”一词,最早源于2015年6月23日新闻报道的《走私“僵尸肉”窜上餐桌,谁之过?》一文。“僵尸肉”由于其冷冻时间长、运输及储存条件恶劣,容易滋生各种细菌,甚至发生腐烂。而这些肉一旦被搬上餐桌,将极大地危害消费者的身体健康,所以需要对“僵尸肉”进行极为严格的管控。

在监管法规方面,目前GB 2707-2005 《鲜(冻)畜肉卫生标准》和GB/ T 17238-2008 《鲜、冻分割牛肉》等标准多通过感官检测的方法进行判断。但是感官检测对人的感官灵敏度有较高要求,同时要求具有一定的检测经验,需要长期的积累,因此准确性及科学性等方面存在一定问题。为有效改善冷鲜肉检测当前面临的问题,急需建立科学的仪器检测方法并逐步形成检测标准来有效推动“僵尸肉”的检测与判别。

1 代谢组学用于鉴别“僵尸肉”的思路

代谢组学经过20年的发展,已成为组间样品小分子代谢物差异研究的一种重要手段,并在诸多领域得到广泛应用,如疾病发生发展、药物开发与疗效、转基因作物等。代谢组学分为非靶向与靶向两个研究层次:非靶向代谢组学通过全谱轮廓差异分析,寻找组间差异化合物并进行鉴定;靶向代谢组学进而对差异化合物进行定量分析,实现大规模样品的验证及差异浓度变化动态范围的研究。由于“僵尸肉”在冷冻时间、储存条件等方面与鲜肉或鲜冻肉之间存在巨大差异,所以在化合物的组成方面也会存在显著区别。M.K. Pettersen等学者2004年发表于Poultry Science的文章“Lipid Oxidation in Frozen, Mechanically Deboned Turkey Meat as Affected by Packaging Parameters and Storage Conditions”中指出,包装以及储存时间的差异会导致脂肪氧化水平的差异。Amy Elizabeth Johnson等学者2018年5月发表于Analytical Chemistry的研究文章“The Metabonomic Profiling of Chicken Eggs During Storage Using High Performance Liquid Chromatography Quadrupole Timeof-Flight Mass Spectrometry”中称,代谢组学方法可以应用于鉴别不同储存时间的鸡蛋,并且发现胆碱可以作为区分不同储存时间的鸡蛋的标志物。同样的方法学也可以应用于“僵尸肉”的鉴别。

1.1 基于安捷伦UHPLC-QTOF的“僵尸肉”鉴别方案

基于UHPLC-QTOF技术的非靶向代谢组学可为全面了解“僵尸肉”在长时间冷冻后成分的变化提供有效研究手段。首先,使用QTOF对样品进行全谱轮廓分析,尽可能采集所有代谢物响应的信息,然后结合代谢组学软件对数据进行峰提取、对齐、差异分析、差异化合物鉴定等流程分析,最终寻找并鉴定出“僵尸肉”长时间存储与反复冻融导致的变化成分,为“僵尸肉”的检测提供靶標。

除硬件外,鉴别“僵尸肉”还需专业的代谢组学分析软件——Mass Profiler Professional(MPP),其是在分析质谱数据中发现代谢物生物标志的有效工具,可在大量样品组和复杂的实验设计中方便地进行质谱数据的导入、归一化和比较,包括GC/MS、LC/MS、CE/MS的多种数据。MPP软件可整合多种数据库对未知物进行定性分析,如安捷伦独有的Metlin、Fiehn及Nist、ChemIDPlus、Pubchem、HMP等公共数据库。MPP软件拥有用于统计分析、数据挖掘和可视化的综合工具,包括:方差分析(ANOVA)、主成分分析(PCA)、t-检验(t-tests)、火山图、树状分级图(系统树图)、自组织图(SOM)、质量阈值(QT)聚类、支持矢量设计(SVM)等。此外,MPP软件支持KEGG、Wikipathway、BioCyc等全面的Pathway数据库匹配,并可根据文献记载自建Pathway,从而达到对代谢物之间的相互作用以及生物功能进行研究的目的。

MPP结合了先进的处理功能以及强大的统计和数学模型对复杂的质谱数据集进行分析。对于“僵尸肉”的鉴别分析,只需对一系列鲜肉、鲜冻肉以及“僵尸肉”的样品进行测试,使用这些检测结果建立预测模型,然后仅需采集未知肉样的数据放入所建模型,即可对该未知样品进行预测。

如果需要对“僵尸肉“与鲜肉或鲜冻肉之间存在差异的化合物进行明确鉴定,用于后续的靶标性分析,则可按照图3所示流程进行相关分析。

1.2 基于安捷伦UHPLC-QQQ的“僵尸肉”靶标化合物定量方案

M.K. Pettersen等学者2004年发表于Poultry Science的文章“Lipid Oxidation in Frozen, Mechanically Deboned Turkey Meat as Affected by Packaging Parameters and Storage Conditions”中提到,TBARS(硫代巴比妥酸反应物)值在储存时间不同的样品组间存在显著差异,因此可以用该类化合物作为靶标进行定量并作为判别样品储存时间的依据。利用QTOF寻找及鉴定差异化合物只是鉴别“僵尸肉”的一部分,若需进一步确定特征化合物并对其进行定量分析,可采用靶向代谢组学的方法。靶向代谢组学是有目标的对体内特定的一系列内源性化合物进行靶向定量检测与差异比较研究的技术。三重串联四极杆质谱是靶向代谢组学的有利工具,在监测复杂基质中痕量物质的浓度的变化研究、制定相应的监管标准中有巨大优势。

Agilent串联四极杆液质联用仪的全方位功能造就了最高灵敏度的性能,可轻易达到柱上fg级样品的检出限,配以全新多反应采集模式:Dynamic MRM(dMRM)功能以及Triggered MRM(tMRM),可以在获得高通量定量数据的同时,实现数据定性功能。

在传统的多化合物同时定量分析时,由于受到Dwell time(离子驻留时间)和色谱峰宽的制约,需要根据样品的色谱分离情况设置多个time segment(时间窗口)以保证检测的灵敏度和结果的重复性。但是随着样品复杂程度的增加,设置time segment具有众多局限性,有可能会导致样品检测信息的丢失。Agilent最新推出的dMRM功能是市场上唯一一款成熟的无需设定time segment的MRM采集模式。在具备dMRM功能以及Dwell time低至1ms的基础上,Agilent 6400型串联四级杆液质联用仪,配以Agilent的高分辨快速液相色谱系统,可以实现15分钟内对300种靶标化合物同时进行高灵敏度、高重复性、高可靠性的准确定量分析。Agilent 6400独有的tMRM功能可以在定量的同时,自动触发完成二级离子检测的定性工作,而且保证定量MRM的灵敏度不受损失。由于采用tMRM技术,因此很好的解决了以往串联四极杆类质谱必须分配时间来做二级离子扫描所带来的定量灵敏度下降的问题。

靶向代谢组学的数据一样可以在MPP中进行差异比较,安捷伦最终提供整合非靶向和靶向代谢组学全流程分析的解决方案。

1.3 基于安捷伦Bravo自动化液体处理平台的高通量样品前处理方案

代谢组学分析的一大特点就是样品量大。基于QTOF的发现代谢组学应用,需要大批量的样品用于差异分析、模型建立等工作;基于QQQ靶向验证代谢组学,需要更广泛的样品验证与测定浓度变化动态范围,这将大大增加实验人员在样品前处理部分所花费的时间。

安捷伦Bravo自动化液体处理平台可在宽移液量范围内实现准确而精密的移液,从而改善数据的质量和一致性。该平台配置灵活,容易扩展,使用户具有更多的选择,同时它独特的开放式设计使其便于融入实验室的其他工作流程。在研究中使用Bravo平台,可以让用户从花费大量时间进行手动设置和复杂应用中解放出来。

简而言之,基于UHPLC-QTOF、UHPLC-QQQ定性与定量质谱硬件平台与功能强大的MassHunter、Mass Profiler Professional等软件所构成的非靶向与靶向代谢组学完整工作流程,可有效识别“僵尸肉”长期冷冻及反复冻融导致的成分变化,并对变化的浓度范围提供定量分析。另外,结合Bravo自动化解决方案,可以大大提高鉴别“僵尸肉”的工作效率。

2 安捷伦6545 QTOF的技术优势

Agilent于2014年推出新一代超高分辨率、质量准确度、灵敏度的四级杆飞行时间串联液质联用仪,即6545型四级杆飞行时间串联液质联用仪,并配以MassHunter、Mass Proflier Professional专业代谢组学软件等质谱软件以及包括代谢物、毒物、农残等化合物数据库,可对复杂基质中的痕量未知化合物进行快速准确的鉴别。

安捷伦6545 QTOF具有卓越的MS/MS分析性能,加上先进的分析软件(包括数据处理工具),能迅速地对大部分具有挑战性的复杂问题做出对应方案。在代谢组学和蛋白组学研究中,6545 QTOF可用来发现和鉴定生物标记物。优异的分辨率、质量准确度、灵敏度以及动态范围等性能,能保证其结果科学、可靠。安捷伦6545 QTOF具有以下几方面特色。

2.1 全新的设计理念:让仪器更好的为数据服务

全新PSO技术:6545 QTOF采用了安捷伦专利的全自动调谐校正系统。其采用的软件控制,通过一键式操作模式,自动进行质谱参数调谐及质量轴校正,并将调谐结果自动存储为分析方法的一部分。在全自动调谐基础上,利用全新设计的PSO粒子群优化技术,让仪器更好的为数据服务。

无论是采用QTOF进行定性分析还是定量分析,其数据基础都是仪器提供的高准确度质量信息(即质荷比m/z),一旦质荷比数据产生偏差,定性及定量分析都会产生错误的结果。对于QTOF而言,获取高准确度的质量信息,需要借助参比标样进行校正,而这一校正过程就发生在离子源部分。

Agilent公司的专利——垂直双喷雾离子源采用样品和参比标样都通过两个喷针进样的方式,能够很好的避免参比标样对待测样品产生的离子抑制效应,可以有效保证系统的灵敏度。且整个校正过程是通过仪器内置的校正液自动传输系统(CDS)完成的,整个过程无需人工参与,所获取的数据即为经过校正的准确质量信息。

全新设计的安捷伦脉冲发生器,能实现更好的动态温度监控和补偿技术。安捷伦脉冲发生器具有独特的动态温度监控技术和补偿技术,在仪器长期运行过程中实时监测,确保每个离子束的加速能量都恒定不变,进一步降低离子束扩散,从而达到最佳质量的准确度,并获得更高的分辨率和穩定性。

全新离子光学系统:新型几何设计的len2透镜以及更加灵活的离子束压缩和成形(IBCS)技术,可提高进入TOF离子数量,在保证超高分辨率的同时,极大提升灵敏度,同时进一步提高离子光学系统的抗污染能力,缩短维护周期。

专利的离子束压缩技术( I o n Beam Compression,IBC):离子束压缩技术通过离子传输系统以及四级杆的离子压缩并有效冷却,从而获得了更高密度、扩散更小的离子束,并引导至脉冲加压区域,这些狭窄的冷却离子束使6545 QTOF达到45000分辨率的同时,保持超高的灵敏度。

新型长寿命检测器:使用新一代检测器,极大延长检测器寿命,同时不损失高灵敏度和宽动态范围。6GHz高速检测器和ADC技术源于Agilent电子测量部门领先全球的高速示波器技术,ADC技术使质谱检测器可检测并采集所有到达检测器的离子信息,相对于传统的时间数字转换模式即TDC技术,可实现更宽的扫描内动态范围、更高的质量准确度和更高的质谱分辨率。

2.2 出色的性能表现:筛查定量、同步实现

超高分辨率——分辨率45000FWHM以上:Agilent QTOF无需牺牲采集速度和灵敏度,在全质量范围内均可实现超高分辨率。对于小分子和大分子的复杂样品分析,如植物提取物及蛋白质分析,具有更高的结果可靠性。

优异质量稳定性——质量误差<0.3ppm:在保证高灵敏度、高分辨率和高采集速度的前提下,仍保证优异的质量准确度。安捷伦QTOF的飞行管使用膨胀系统极小的航天用飞行材料制成,并带有真空隔热夹套设计,电路系统亦进行温度敏感性处理,因此具有良好的环境温度变化稳定性。经测试,Agilent QTOF在环境温度变化±10℃、湿度15%~95%条件下,质量准确度依然可以保证<0.25ppm,是业界少有的能达到此标准的厂家。

2.3 强大的专业软件及数据库平台

MassHunter软件独特的分子特征提取算法:Agilent MFE软件功能可根据采集所得质谱数据的保留时间以及精确质量数,将化合物的相关质谱信息如M+H、M+Na、M+K、2M+H等分子特征信息从海量的质谱数据中提取出来,可简化操作并大大提高质谱工作人员的效率,提高痕量化合物的检出率,增加发现代谢物的数量。

完整的同位素计算软件:对于小分子的质谱数据分析来说,同位素信息有时比准确的质量更为重要。同一准确质量往往可推算出多个不同元素组成的分子式,如果缺失同位素信息或同位素计算不准确,就无法判断最终分子式结果。Agilent可自动计算每个分子式的同位素丰度,并与理论同位素丰度比对,可以模拟化合物的理论同位素质谱图软件;自动与分子式计算功能关联进行元素组成确认;通过精确质量、同位素丰度比、同位素精确质量比及MS/MS四维信息可靠关联分析,给出最终结构信息。

3 安捷伦6470 QQQ的技术优势

3.1 创新的硬件设计,高质量数据的基础

超高灵敏度离子源(专利的喷射流离子聚焦技术):对于串联四极杆质谱而言,最主要的性能指标就是灵敏度。6470串联四极杆液质联用仪可配备Agilent专利的喷射流离子聚焦源(Jet Stream),借助离子聚焦技术,可以大大提高离子化效率和离子传输效率,使6470具有行业内最优异的灵敏度和线性范围。

另外,Agilent的液质联用仪是市场上唯一不需要根据液相条件调节喷雾针位置的液质产品——喷雾针位置采用出厂预优化设计,无需人工调节,操作便捷,且能够保证数据的重现性。离子源接口适应全流速范围,液相无需分流,同时保持高灵敏度和优异的抗污染能力。从操作安全角度出发,Agilent离子源采用独有的喷雾针零电位设计,能够最大程度保证操作安全。

全新设计高传输离子光学组件:离子传输路径的优化对于仪器的灵敏度提升也非常关键,安捷伦6470 QQQ采用预四极杆取代了原来的离子透镜,提升了离子传输的效率,从而进一步提高了仪器的灵敏度。

专利的加热控温双曲面四极杆,保证四极场稳定性及抗污染能力:串联四极杆质谱的核心部件就是四极杆质量分析器。目前,市场上的四极杆主要有双曲面和圆柱形两种,而Agilent的串联四极杆质谱所采用的四极杆为双曲面四极杆,其四极场纯度高于圆柱形四极杆。

四极场是四极杆质谱工作的基础,而四极场主要受两方面因素的影响:电压和四个电极的相对位置。电压波动会造成四极场的变化,这一影响因素可以通过稳压电源等进行消除。能够导致电极相对位置发生变化的主要是温度,温度变化能够导致四极杆热胀冷缩,从而影响四极场。Agilent的四极杆具有专利的加热控温设计,能够将四极杆的温度恒定在100℃,从而消除温度对于四极场的影响,确保四极场长期处于稳定的状态。这一专利设计可以确保实现对极为复杂的基质中极低含量化合物的准确检测。

另外,100℃加热处理使四极杆表面的分子热力学运动更加剧烈,污染物不容易吸附在四极杆上,从而起到了很好的抗污染的作用,所以Agilent的四极杆可以做到免维护,这是其他任何厂家的质谱都无法做到的。

90弯曲的六极杆碰撞池:在6470 QQQ中,综合考虑离子聚焦以及离子的传输效率,保留了六极杆碰撞池以及线性加速的设计,新增90°直角弯曲设计。其一方面可以降低仪器的占地面积,另一方面可以减少中性粒子造成的背景噪音,提高仪器的信噪比。而且在碰撞池的入口端开口比出口端大,可以保证接收更多由第一级四极杆过来的母离子,以及更好地聚焦由碰撞池产生的二级碎片离子。

全新设计的高能打拿极检测器:近年来,液质QQQ的正离子灵敏度已经足够高,且能够满足各种应用的需要,但是负离子的灵敏度略显不足,各家液质的研发都围绕提高负离子的灵敏度进行。安捷伦最新设计的高能打拿极采用超低噪音的設计,并将其能量提高一倍,显著提高了负离子的灵敏度和低浓度的重复性。

3.2 功能强大的软件,简化操作,保证结果的可信度

全自动质谱参数优化软件:Masshunter Optimzer质谱参数优化软件是市场上唯一一款可使用自动进样器、注射泵等多种进样方式对小分子化合物(如内源性代谢物、农残及兽残等)和大分子化合物(如多肽等)质谱参数进行优化的软件,并且优化后的参数可存储在数据库中。当建立目标化合物定量分析方法时,可从数据库将优化后的质谱参数直接导入采集方法,实现数据库与采集方法的无缝连接。

自动方法编辑动能——动态MRM(Dynamic MRM,dMRM)功能:在传统的多化合物同时定量分析时,由于受到Dwell time(离子驻留时间)和色谱峰宽的制约,需要根据样品的色谱分离情况设置多个time segment(时间窗口),以保证检测的灵敏度和结果的重复性。但是随着样品复杂程度的增加,设置time segment具有众多的局限性,有可能会导致样品检测信息的丢失。Agilent最新推出的DMRM功能是市场上唯一一款成熟的无需设定time segment的MRM采集模式:在具备DMRM功能以及Dwell time低至1ms的基础上,Agilent 6400型串联四级杆液质联用仪,配以Agilent的高分辨快速液相色谱系统,可以实现15分钟内对300种农残同时进行高灵敏度、高重复性、高可靠性的准确定量分析。

同时定量及定性确证功能——触发式MRM(Triggered MRM,tMRM)功能:在实际样品检测中,假阳性干扰是经常遇到的问题。在对化合物进行准确定量的同时,还需要采用一定的手段对信号进行定性确认,以避免假阳性结果的出现。

触发多反应监测(tMRM)是一种能够在所有安捷伦三重串联四极杆液质联用系统上使用的分析方法。tMRM以化合物的碎片离子作为识别化合物的身份信息,在进行分析时以MRM模式自动采集化合物的碎片离子信息并整合为一张谱图,该子离子谱图可以用于谱库鉴定和确认,并自动进行匹配度计算。tMRM分析缩短了分析时间,提高了分析通量,只需一台仪器和一次进样即可实现快速、灵敏的定量和定性分析。且由于tMRM的子离子信息采集时采用的是MRM模式,所以即使在极低含量水平时,依然能够采集到有效的定性图谱。

4 安捷伦Bravo自动化系统的优势

移液的高精准度:安捷伦Bravo自动化液体处理平台是目前功能最丰富、速度最快、精密度最高的紧凑型系统之一。Bravo有3种移液头:①384ST-384通道小体积移液头:移液范围300nL~70μL。②96ST-96通道小体积移液头:移液范围300nL~70μL。③96LT-96通道大体积移液头:移液范围2μL~250μL。安捷伦Bravo自动化液体处理平台能够移取低至300nL的液体,确保CV<5%。

灵活使用和易于维护的移液头:Bravo移液头是目前市场上最易于更换的移液头之一,只需解除3个锁扣,即可实现取下并更换移液头,实验人员均可以轻松掌握,而无需专业人员上门即可快速更换。易于更换的移液头方便了用户针对不同应用,灵活选用不同通道、不同移液范围的移液头;扩展了平台的功能,确保了相应移液范围的移液精准度。Bravo的移液头可以灵活选取吸头,支持全部、单行/多行、单列/多列、矩阵、单根吸头模式,满足各种不用应用需求。另外,它的每个活塞相互独立,可对单个移液通道进行维护,有效降低维护成本。

图标式操作软件:自动化控制软件VWorks具有图标式的特点,简单易学,即使没有自动化液体处理工作站使用经验,也可以轻松入门,掌握protocol编辑方法。VWorks还拥有丰富的可编辑参數,满足各种不同液体性质的处理需求,支持表单控制,让操作变得更加简单。

设计精巧:Bravo设计非常紧凑,采用节省空间的九台板设计,占地面积小,适合放置于层流净化罩中进行细胞实验或对有毒试剂做自动化液体处理。

台面配件丰富,功能全面:Bravo平台具有9个板位,可容纳60多种附件。其具有多个可选择板块,可选振荡器模块:可进行震荡混合,实现振荡+吹打混匀同时进行;可选半导体温控模块:能够在大约4~100℃范围内提供温度循环;可选制冷循环温控模块:温控范围-5~50℃,温度控制可精确至±0.1℃,确保整个微孔板的热均一性;可选真空过滤台板:实现废物过滤和过滤液收集应用,使分离变得简单、快速且高效。另有众多配件可根据实验需求进行选择。

使用安全:Bravo单机仪器均配有基于红外的LED安全光帘,以及紧急制动按钮,从而提高操作的安全性。系统暂停后仍可从断点处继续,增加操作安全性的同时不影响实验流程。