用于农产品快检的离子迁移谱仪

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翎成
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1 用于农产品安全快检的离子迁移谱仪颜毅坚, 徐翔, 刘立秋, 张伟, 马军 * 武汉矽感科技有限公司, 武汉 (430040) Abstract: 设计了一种大气压条件下兼容正负离子模式的双针式辉光放电等离子体源, 一种便于批量生产 Bradbury-Nielsen 型离子门, 和改进型的 Faraday 探测器组成了离子迁移管, 并与通过热解吸附方式的直接进样器组成离子迁移谱仪在正离子模式下, 测量并标定了三聚氰胺莱克多巴胺盐酸克伦特罗和磺胺噻唑等兽残以及特丁硫磷呋喃丹甲胺磷杀虫脒等农残的约化离子迁移率 ; 得到了无需对样品进行前处理, 仅通过对待检农产品直接采样进样, 离子迁移谱仪可以在 2 分钟内测量实样中的农残兽残瘦肉精和三聚氰胺的结论关键词 : 离子迁移谱仪, 大气压下辉光放电等离子体源,Bradbury-Nielsen 型离子门,Faraday 探测器, 约化离子迁移率一前言食品安全检验是一个巨大而十分复杂的工程, 世界上还没有可以在分钟级 ( 采样时间 + 测量时间 ) 针对农产品进行现场快速测量的设备 1. 现有常规检测技术的不足食品质量安全领域涉及到的检测技术主要分为实验室检测技术与速测技术两大类实验室经典检测技术 (GC/HPLC/MS/ICP-OES/AAS 等 ) 是以匹配完善的实验室为硬件基础, 以经过验证的科学方法为操作依据, 以经过专业训练的技术人员为实施人员, 经过严格的取样样品处理仪器分析等流程获取测试结果的检测技术实验室检测结果准确可靠, 不足之处是检测步骤繁琐, 检测周期漫长, 对检测设备和专业人员依赖性大, 检测成本高部分实验室检测技术列表 : 种类典型产品价格检测时间检测收费其他气相色谱法 ~50 万元数小时近千元需前处理, 专人操作液相色谱法 ~50 万元数小时近千元需前处理, 专人操作气相色谱 - 质谱联用法液相色谱 - 质谱联用法 ~100 万元数小时近千元需前处理, 专人操作 ; ~300 万元数小时近千元需前处理, 专人操作 ; * 通讯联络人 : 马军博士 ( good@syscangroup.com) 1 / 8

2 从以上技术列表可看出, 实验室检测技术虽在检测精度上满足要求, 但其实验室的固有特性导致其只能充当权威机构公平秤的角色, 无法大规模应用在食品快速流通的各环节速测技术是根据某些物质的特异性反应酶联免疫生物样本实测等原理, 制成体积小重量轻便于携带的试纸条比色卡手持式仪器等检测工具, 在现场直接采样不用样品处理或经过简单样品处理, 较短时间就能检测某些测试项的检测技术, 具有测试时间短操作简便检测费用低等优点, 但是, 其检测目标单一检测目标物质有限测试结果不易数字化保存等特点, 故在食品安全领域目前只作为初级筛查之用长期以来, 我国大规模使用的是农产品有害物质酶抑制法残留快速检测, 相关的蔬菜中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留量的快速检测成为国家标准 ( 标准号为 GB/T ), 于 2004 年 1 月 1 日正式实施酶抑制法是一种简便灵敏快速经济的检测方法, 在较短的时间得到检测结果, 可及时对市场上含残毒的蔬菜进行监控, 将一部分农药残留量严重超标的蔬菜控制在交易市场之外但酶抑制法存在样本需前期处理, 检测时间相对较长等实际操作上的不便, 而且葱番茄韭菜等蔬菜在快速检测中易呈假阳性结果酶抑制法可说仅适用于基层初检, 起警示作用发现超标现象时, 必须用标准方法复测确证, 即使不超标也应按比例抽样, 用可靠的方法复测和确证, 决不能仅依靠酶抑制法的农残速测仪对快速检测方法的应用, 在农产品质量安全法第 36 条第二款有明确界定酶抑制法在国外已经逐渐退出, 当前酶抑制法在我国仅是不得已而采用的速测法 2 离子迁移谱技术在快速检测领域的独特优势 IMS 作为最近取得长足进展的多成分在线准确快速分析设备, 很好地满足了食品质量安全领域对检测技术在准确性时效性便捷性与经济性等方面的要求, 成为快速检测的未来之星 IMS 作为一种痕量物质的检测手段, 已经在机场安检中得以大量的使用并发挥着重要的 1,2 作用虽然 IMS 技术存在着分辨率低的问题, 但是, 在对于已知物质的探测上, 因其操做作简单, 快速, 无需对样品进行预处理, 这一切使得 IMS 有着及其重要的应用前景国际上, 利用 IMS 技术进行各类有机物 (VOC, 杀虫剂等 ) 检验也是比较热的研究热点, 3,4 部分也实现了实验室级的应用产品主要的原因之一, 就是 IMS 技术作为快速检验技术的简易性目前 IMS 技术用于食品安全领域的快速检验, 不是对于现有检测技术的替代, 恰恰是对于目前食品快速检验设备空白状况的填补同时, 由于 IMS 工作在大气环境气压下, 无需真空设备, 因此 IMS 设备简单体积小重量轻功耗低和分析时间快等许多优点, 将对食品安全快速检验起着重要的作用 2 / 8

3 二 IMS 系统描述整体系统 : 参见图一电源系统 ( 高压电源 & 开关电源 ) 气路控制系统气体处理系统 IMS 温控信号放大和数据采集控制系统通讯和显示系统信号线工作气体样品气体低压线高压线进样系统其他附属传感器样品图一系统框图系统构成主要参数及相应工作条件列表如下名称描述备注离子源双针式直流辉光发电等离子体源非放射性离化源迁移管 B-N 离子门材料金属为不锈钢 316 绝缘材料为陶瓷尺寸长度 :15cm; 内径 30mm 工作温度 50~280 摄氏度, 连续可调迁移气体种类干燥空气迁移气体湿度 -50 露点值 ( 度 ) 迁移气体流量 1000 ml/min 迁移电场强度 ±300 V/cm 探测器 Faraday plate 进样器手动采样直接进样进样器工作方式热解吸附进样盒加膜过滤进样器工作温度 120~320 摄氏度, 连续可调进样载气流量 300 ml/min 3 / 8

各子系统描述如下 : A: 迁移管系统 (IMS): 迁移管包括了如下部分 : I) 电离源, 非放射性源以实现对样品的离化 II) 反应室, 采用化学电离 ( 软电离 ) 方式 III) 迁移区, 作为质量分析器 IV) 探测器, 采用法拉第盘 Faraday Plate 作为探测器 B: 气体处理系统主要用以产生洁净干燥空气 ( 或 N2) 作为载气, 及迁移气体 C:

4 各子系统描述如下 : A: 迁移管系统 (IMS): 迁移管包括了如下部分 : I) 电离源, 非放射性源以实现对样品的离化 II) 反应室, 采用化学电离 ( 软电离 ) 方式 III) 迁移区, 作为质量分析器 IV) 探测器, 采用法拉第盘 Faraday Plate 作为探测器 B: 气体处理系统主要用以产生洁净干燥空气 ( 或 N2) 作为载气, 及迁移气体 C: 电源系统包括低压直流电源, 高压直流电源 D: 气路控制系统主要用以控制气体的走向 E: 温控信号放大及数据采集控制系统 I) 温控 : 实现迁移管的恒温工作 ; 并实现样品的迅速蒸发 II) 信号放大 : 将 na 级 ~fa 级的离子电流信号进行有效放大 III) 数据采集控制 : 对放大了的模拟信号进行 A/D; 可采用对微弱信号的多次累加平均以达到降低噪声的目的 F: 采样进样系统采用热解吸附方式, 使待检样品迅速气化, 并由载气带入电离室 G: 通讯及显示系统系统控制信号及采集到的数字信号, 经 RS232 串口或 USB2.0 传输到待控制单位与处理系统处理并显示处理结果做成的样机如图二所示 : 图二 :IMS-KS-100 样机 4 / 8

5 三部分样品测试结果利用 IMS-KS-100, 在正模式及进样温度 180 度条件下, 测试了部分结果如下 1 主反应离子峰 (RIP) 2 三聚氰胺 0.1ppm 甲醇标样离子迁移谱图 3 莱克多巴胺 1ppm 水溶液标样离子迁移谱图 5 / 8

6 4 盐酸克伦特罗 1ppm 水溶液标样离子迁移谱图 5 盐酸二甲双胍 0.1ppm 6 农残 : 杀虫脒特丁硫磷呋喃丹甲胺磷杀虫脒 6.1 杀虫脒 1ppm 甲醇标样离子迁移谱图 6.2 特丁硫磷 1ppm 甲醇标样离子迁移谱图 6 / 8

7 6.3 呋喃丹 1ppm 甲醇标样离子迁移谱图 6.4 甲胺磷 1ppm 甲醇标样离子迁移谱图 7 兽残 : 磺胺噻唑 0.05ppm 水溶液标样离子迁移谱图 8 实样 : 大白菜中杀虫脒 ( 直接进样,5ppm 加标样 ) 7 / 8

8 部分物质的约化离子迁移率列表如下 : 物质名称约化迁移率 K0 (cm 2 V -1 s -1 ) 三聚氰胺 1.77 莱克多巴胺 1.73, 1.51,1.22 盐酸克伦特罗 1.54, 1.24 盐酸二甲双胍 1.76 杀虫脒 1.45 特丁硫磷 1.28 甲胺磷 1.78 呋喃丹 1.60 磺胺噻唑 1.75 四结论本产品是一种大气压条件下兼容正负离子模式的, 由双针式辉光放电等离子体源离子迁移管并通过热解吸附方式的直接进样器组成离子迁移谱仪在正离子模式下, 测量并标定了三聚氰胺, 瘦肉精莱克多巴胺及盐酸克伦特罗, 磺胺噻唑等兽残, 特丁硫磷呋喃丹甲胺磷杀虫脒等农残以及药品盐酸二甲双胍的约化离子迁移率 K0; 得到了无需对样品进行前处理, 仅通过对待检农产品直接采样进样, 离子迁移谱仪可以在 2 分钟内测量实样中的农残兽残瘦肉精和三聚氰胺的结论 Reference: Ion Mobility Spectrometer for Rapid Test of Agricultural Products Safety Yan Yijian,Xu Xiang,Liu Liqiu,Zhang Wei,Ma Jun * Wuhan Syscan Technology Co. Ltd,Wuhan(430040) Abstract:A novel ambient corona discharge ion source, which is compatible with both negative mode and positive mode, with two mini needles electrodes is designed. An ion mobility tube, which is made of an ion source, a Bradbury-Nielsen gate, a modified Faraday detector and a driving electric field, is described. By combination of the ion mobility tube and a direct sampling introduction device, an ion mobility spectrometer (IMS) is setup. In positive mode, the spectra of melamine, Terbufos, Furadan, methamidophos, chlordimeform, etc. is measured and the reduced mobility is labeled. It is concluded that without any sample preparation, the IMS may test melamine, Terbufos, Furadan, methamidophos, chlordimeform, etc in 2 minutes by direct sampling introduction. Key words:ion mobility spectrometer (IMS),ambient corona discharge ion source, Bradbury-Nielsen gate,faraday detector,reduced mobility 8 / 8

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