一种可控温快速灼烧电离装置及实时鉴别谷物产地的方法

摘要

本发明公开了可控温快速灼烧电离装置及实时鉴别谷物产地的方法，其中，该装置包括可控温灼烧棒，可移动收集罩，传输管和后电离装置；其中，实时鉴别谷物产地的方法包括：(1)将谷物样品进行粉碎处理，得到谷物粉末；(2)将谷物粉末进行灼烧处理，得到气溶胶；(3)气溶胶通过收集罩和传输管进入后电离装置产生适于质谱分析使用的分子离子，利用高分辨质谱仪进行检测，得到谷物样品的质谱指纹图谱数据；(4)提供不同产地的谷物参照品，按照(1)‑(3)检测不同产地的谷物参照品的质谱指纹图谱数据，进行数据分析，建立谷物样品的产地鉴别统计分析模型；(5)基于谷物样品的产地鉴别统计分析模型，对谷物样品的质谱指纹图谱数据进行分析，确认谷物样品的产地。

说明书

技术领域

本发明涉及分析化学领域，具体地，涉及可控温快速灼烧电离装置及实时鉴别谷物产地的方法。

背景技术

敞开式质谱(AMS)技术可以在开放的环境中实现直接质谱分析，具有操作简单、分析速度快、预处理过程少、以及样品和试剂消耗少等优点。快速蒸发电离质谱(REIMS)是近几年发展起来的一种新型AMS技术，结合外科智能刀(iKnife)，可以在几秒钟内对样品进行现场实时分析，并已应用于食品真实性。然而，该装置不适用于导电性差的样品，如谷物样品。由此，针对谷物等导电性差样品的电离装置有待改进。

谷物是提供人体所需能量最主要的食物来源，高粱作为世界上产量最高的谷物之一，具有多种健康益处。在中国，高粱主要用作白酒酿造的原料，每年消耗超过2000万吨。高粱的营养成分具有明显的区域特征。例如，中国南方高粱的单宁含量普遍高于北方。由于高粱成分对白酒的质量和风味有重大影响，为了保证白酒的独特风味，酿造和蒸馏过程中使用的高粱被严格限制在特定的生产区域。因此，追踪高粱的地理来源，以保证最终酒的风味是必不可少的。

近年来已经开发了几种用于谷物产地溯源的分析技术，包括高光谱成像技术(HSI)、核磁共振(NMR)、矿物元素分析、稳定同位素分析和质谱(MS)分析等。作为无损检测方法，高光谱成像方法是基于从样品表面获得的光谱信息。因此，它们的性能在很大程度上依赖于能够以高分辨率和高采集率对光谱进行密集采样的硬件。核磁共振、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和稳定同位素方法结合适当的化学计量学，也可用于溯源分析。然而，由于繁琐的样品制备和检测步骤，这些技术非常耗时。与这些技术相比，基于质谱的方法具有生成大量分子尺度信息和识别差异化合物/代谢组学的优点。超高压液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用(UHPLC-QTOF)结合多元统计方法已被提出用于区分不同地理来源的橄榄油样品。然而，样品提取和色谱分离过程复杂且耗时。

由此，谷物的产地溯源的分析技术有待研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可控温快速灼烧电离装置及实时鉴别谷物产地的方法，具有无须样品制备、分析速度快、准确性高和无需参照物的优点。

需要说明的是，本发明是基于发明人的下列工作而完成的：

发明人首先调查了以电加热棒为基础的快速灼烧电离的能力，以获得谷物样品，例如高粱样品的质谱数据，然后通过质谱分析筛选中国主要产区高粱样品的地理特征，并基于化学计量学分析区分可追溯性。本发明首次将基于可控温快速灼烧电离技术与化学计量学分析相结合，扩展用于谷物食品样品的实时溯源分析。

因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种可控温快速灼烧电离装置。根据本发明的实施例，该装置包括：可控温灼烧棒，所述可控温灼烧棒包括电阻丝和内嵌温度传感器，用于加热样品产生气溶胶；可移动收集罩，所述可移动收集罩设置与可控温灼烧棒的后端，用于收集所述气溶胶；传输管，所述传输管与所述收集罩相连，用于传输收集的所述气溶胶；以及后电离装置，所述后电离装置与所述传输管的另一端相连，所述后电离装置含有加热的灯丝，用于产生适于质谱分析使用的分子离子。由此，该可控温快速灼烧电离装置可以快速灼烧样品产生气溶胶，并产生分子离子，直接用于后续高分辨质谱检测，简化了分析步骤。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种实时鉴别谷物产地的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将谷物样品进行粉碎处理，以便得到谷物粉末；

(2)将所述谷物粉末进行灼烧处理，以便得到气溶胶；

(3)所述气溶胶通过收集罩和传输管进入后电离装置产生分子离子后，利用高分辨质谱仪进行检测，以便得到所述谷物样品的质谱指纹图谱数据；

(4)提供不同产地的所述谷物参照品，按照步骤(1)-(3)的方法检测不同产地的所述谷物参照品的质谱指纹图谱数据，进行数据分析，建立谷物样品的产地鉴别统计分析模型；

(5)基于所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型，对所述谷物样品的质谱指纹图谱数据进行分析，以便确认所述谷物样品的产地。

根据本发明实施例的实时鉴别谷物产地的方法，通过高温灼烧实现谷物粉末的快速气溶胶化，无须样品前处理即可进行检测；通过后电离装置产生分子离子后，直接进入质谱系统进行检测，分析速度快、灵敏度和准确性高，无需参照物，方法简单易操作。

另外，根据本发明上述实施例的实时鉴别谷物产地的方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述谷物粉末的粒径不大于100目。

根据本发明的实施例，利用控温加热棒进行所述灼烧处理。

根据本发明的实施例，所述灼烧处理的温度为300-400℃，优选为380℃。

根据本发明的实施例，所述谷物粉末形成长度为0.5-1.2cm条带进行所述灼烧处理，所述灼烧处理的时间为2-3秒。

根据本发明的实施例，所述灼烧处理获得的单次总离子流强度不低于1×10

根据本发明的实施例，所述高分辨质谱的检测条件为：质谱分辨率：≥20,000FWHM；扫描时间：1秒；扫描范围：100-700m/z；锥孔电压：100V；电离模式：负离子。

根据本发明的实施例，所述高分辨质谱的检测采用甲酸钠建立质量轴标准曲线，并采用校正液进行实时质量校正。

根据本发明的实施例，所述校正液为含有亮氨酸脑啡肽的异丙醇溶液。

根据本发明的实施例，所述校正液的亮氨酸脑啡肽的浓度为150-220ng/mL，优选地，为200ng/mL。

根据本发明的实施例，所述校正液的流速为180-220μL/min，优选地，为200μL/min。

根据本发明的实施例，所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型为基于所述质谱指纹图谱数据的主成分分析结合线性判别分析(PCA-LDA)模型。

根据本发明的实施例，所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型是利用Live ID软件构建的。

根据本发明的实施例，所述谷物样品为高粱样品。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的可控温快速灼烧电离装置结构示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的温控电加热棒不同加热温度条件下高粱样品的总离子流(TIC)图；

图3显示了根据本发明一个实施例的高粱样品的典型总离子流(TIC)图和质谱图；

图4显示了根据本发明一个实施例的不同产地高粱样品的分析图，其中，A为PCA分析图；B为PCA-LDA分析图；

图5显示了根据本发明一个实施例的高粱样品实时识别结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种可控温快速灼烧电离装置。根据本发明实施例的可控温快速灼烧电离装置，可以实现低导电性食品固体样品的电离离子化，电离速度快，离子化效率高，操作简单。

由此，该可控温快速灼烧电离装置可以快速灼烧样品产生气溶胶，并将通过后电离装置产生适用于质谱分析使用的分子离子，直接用于高分辨质谱检测，简化了后续的分析步骤。参考图1，根据本发明的实施例，对该可控温快速灼烧电离装置进行解释说明，该装置包括：可控温灼烧棒100，收集罩200，传输管300和电离装置400。根据本发明的实施例，所述可控温灼烧棒100包括电阻丝和内嵌温度传感器，用于灼烧样品产生气溶胶；所述可移动收集罩200设置于可控温灼烧棒100的后端，用于收集所述气溶胶；所述传输管300与所述可移动收集罩200相连，用于传输收集的所述气溶胶；所述后电离装置400与所述传输管300的另一端相连，所述后电离装置400用于产生适于质谱分析使用的分子离子。

根据本发明的实施例，所述后电离装置含有加热的灯丝，可以将中性气溶胶颗粒转化为气态离子并与从样品灼烧产生的气态离子一起进入质谱检测。温控加热棒高温灼烧引发的样品气溶胶化可以产生中性的气体颗粒和一部分带电气态颗粒，这些气溶胶颗粒通过传输管送到后电离装置中，在该装置中，中性气溶胶的一部分被电离生成气态离子，从而增加进入质谱仪的分子离子的数量，提高质谱响应强度，有助于提高化学计量学进行溯源分析的准确性。

根据本发明的实施例，所述温控加热棒产生的气溶胶通过后电离装置产生适用于质谱分析使用的分子离子，带电离子直接进入质谱系统进行检测。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种实时鉴别谷物产地的方法。根据本发明实施例的实时鉴别谷物产地的方法，通过高温灼烧实现高粱粉末的快速气溶胶化，无须样品前处理即可进行检测；通过后电离装置产生适用于质谱分析使用的分子离子，直接进入质谱系统进行检测，分析速度快、灵敏度和准确性高，无需参照物，方法简单易操作。

为了便于理解该实时鉴别谷物产地的方法，根据本发明的实施例，对该方法进行解释说明，该方法包括：

(1)将谷物样品进行粉碎处理，具体地，根据本发明的一些实施例，可以进行研磨粉碎，得到谷物粉末；

(2)将所述谷物粉末进行灼烧处理，例如，可以利用控温加热棒，如单头式电加热棒进行该灼烧处理，得到气溶胶；

(3)所述气溶胶通过传输管进入后电离装置，产生适用于质谱分析的分子离子，利用高分辨质谱仪进行检测，得到所述谷物样品的质谱指纹图谱数据；

(4)提供不同产地的所述谷物参照品，按照步骤(1)-(3)的方法检测不同产地的所述谷物参照品的质谱指纹图谱数据，进行数据分析，建立谷物样品的产地鉴别统计分析模型；

(5)基于所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型，对所述谷物样品的质谱指纹图谱数据进行分析，以便确认所述谷物样品的产地。

根据本发明的实施例，所述谷物粉末的粒径不大于100目。由此，谷物粉末均匀，产生的质谱信号稳定性好。

根据本发明的实施例，利用控温加热棒进行所述灼烧处理。由此，通过控温加热棒的高温灼烧实现高粱粉末的快速气溶胶化，无须样品前处理即可进行检测。

根据本发明的实施例，所述灼烧处理的温度为300-400℃，优选为380℃。由此，产生的气溶胶稳定，得到的质谱数据总离子强度高，质谱信号稳定，温度为380℃时，效果更佳。

根据本发明的实施例，所述谷物粉末形成长度为0.5-1.2cm条带进行所述灼烧处理，所述灼烧处理的时间为2-3秒。由此，灼烧样品比较均匀，不产生焦糊现象，离子化效率较高，得到的数据平行性好。

根据本发明的实施例，所述灼烧处理获得的单次总离子流强度不低于1×10

根据本发明的实施例，所述高分辨质谱的检测条件为：质谱分辨率：≥20,000FWHM；扫描时间：1秒；扫描范围：100-700m/z；锥孔电压：100V；电离模式：负离子。由此，可以得到谷物样品，尤其是高粱样品的气溶胶的主要化合物成分高分辨质谱数据，且质谱采样过程重复性好，有利于提高样品的产地鉴别分析的准确性。

根据本发明的实施例，所述高分辨质谱的检测采用甲酸钠建立质量轴标准曲线，并采用校正液进行实时质量校正。由此，甲酸钠建立质量轴标准曲线涵盖本发明实施例质谱检测中质谱数据采集所需的扫描范围，质谱检测的准确性高。

根据本发明的实施例，所述校正液为含有亮氨酸脑啡肽的异丙醇溶液。由此，质谱信号的漂移采用亮氨酸脑啡肽的精确质量数进行校正，有利于增强离子化效率和质谱信号漂移的校正。

根据本发明的实施例，所述校正液的亮氨酸脑啡肽的浓度为150-220ng/mL，优选地，为200ng/mL。由此，亮氨酸脑啡肽的质谱信号灵敏度高，易于检测，且该信号的强度不会掩盖高粱样品的信号。

根据本发明的实施例，所述校正液的流速为180-220μL/min，优选地，为200μL/min。由此，质谱峰的响应值较高，特征离子峰面积较大，质谱检测的灵敏度和准确度高。

根据本发明的实施例，所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型为基于所述质谱指纹图谱数据的主成分分析结合线性判别分析(PCA-LDA)模型，其中，主成分分析(Principalcomponent analysis，PCA)是一种无监督的降维算法，通过忽略类别标签和寻找主成分来最大化数据集中的方差，而线性判别分析(linear discriminant analysis，LDA)是一种有监督的数据分析，最大化多个类别之间的分离，并最小化类别内的方差。通过主成分分析(PCA)减少线性判别分析(LDA)的输入变量，可以提高LDA的建模效率，PCA和LDA的结合可以降低纯LDA模型可能出现的过度拟合的可能性。根据本发明的实施例，PCA-LDA分析图中会反应出不同产地谷物样品的聚类情况，其中高粱样品的PCA-LDA分析图示例可如图3B所示，例如，同一产地的高粱样品会聚集分布在相同的区域，不同产地的高粱样品相聚较远，能够直观的进行分辨，说明本发明能够较好的通过PCA-LDA分析区分不同产地的高粱样品。因此，PCA-LDA被用于根据谷物样品的质谱指纹图谱判别其产地来源。

根据本发明的实施例，所述谷物样品的产地鉴别统计分析模型是利用Live ID软件构建的。由此，可以实现质谱数据的实时采集和实时分析，且操作简单，分析速率快，准确性高。

根据本发明的实施例，所述谷物样品为高粱样品。高粱是世界上产量最高的谷物之一，它的营养成分具有明显的区域特征。例如，中国南方高粱的单宁含量普遍高于北方。由于高粱成分对白酒的质量和风味有重大影响，为了保证白酒的独特风味，酿造和蒸馏过程中使用的高粱被严格限制在特定的生产区域。因此，追踪高粱的地理来源，以保证最终酒的风味是必不可少的。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品，例如可以采购自Sigma公司。

实施例1

利用本发明实施例的快速鉴别谷物产地的方法，对高粱样品进行检测，具体如下：

1实验方法

1.1试剂与仪器

飞行时间质谱仪(Synapt G2 Si，美国Waters公司)，Pump 11Elite针泵注射进样器(美国Harvard公司)；Milli Q超纯水处理系统(美国Millipore公司)；Masslynx4.1数据采集软件、Live ID统计分析软件(美国Waters公司)；甲醇、异丙醇(色谱纯，美国Merck公司)；亮氨酸脑啡肽(美国Waters公司)，Milli Q超纯水处理系统制备的超纯水作为实验用水。

1.2样品

高粱样品采自黑龙江、辽宁、山西、河北、河南、四川、湖北、贵州、云南、海南，每个样品用粉碎机粉碎，并通过100目筛获得细粉。

1.3质谱数据采集

使用如图1所示的灼烧棒灼烧高粱粉末样品表面，灼烧是在380℃的加热尖端下进行的，持续0.5秒，灼烧样品长度为0.5-1.2cm，持续时间为2-3秒，每次灼烧产生的总离子流强度应不低于1×10

1.4数据分析

应用Live ID软件对高粱样品质谱数据进行分析。采用亮氨酸脑啡肽的精确质量数([M－H]

2.实验结果

2.1基于可控温快速灼烧电离装置的质谱参数优化

作为一种热驱动过程，电加热棒灼烧温度对采样效率有重要影响，设定电加热棒灼烧温度分别为200℃、300℃和380℃，研究了温度对高粱样品质谱信号的影响。发现随着灼烧温度从200℃升高到380℃，总离子流图(TIC)的总强度逐渐增强，然后继续升高温度会造成信号显著下降，从而在380℃的灼烧温度条件下产生最大的信号强度(图2)。同时考察了样品中添加去离子水的影响。将1g高粱粉加入1ml去离子水，并用电加热棒灼烧进行质谱分析。结果如图2D所示，由于含水样品的不完全灼烧，不能产生足够的气溶胶和质谱信号。高粱样品在380℃下直接用电烙铁灼烧，质谱信号稳定且强度较高，可用于后续数据分析。

2.2质谱图谱的表征

高粱样品的质谱图是在负电离模式下获得的；为了提供足够的质谱数据来建立分析模型，每个高粱样品用电加热棒反复灼烧处理10次，色谱图的相对标准偏差(RSD，％)小于10％，表明通过建立的方法获得的质谱数据稳定，可用于化学计量学分析，结果如图3所示，其中，图3A和3B分别显示了具有代表性的TIC色谱图和质谱图。在m/z 200-m/z 400范围内检测到的主要离子峰是脂肪酸(FAs)，m/z>600的区域有一些带负电的磷脂离子峰，可能是游离脂肪酸的电离或磷脂的裂解产生的脂肪酸离子信号。

2.3产地鉴别分析模型建立

为了确定地理来源，对中国十个主要高粱产区的质谱数据进行多变量分析。PCA是一种无监督的降维算法，而LDA是一种有监督的数据分析。使用PCA建模，在高粱的不同地理起源之间没有观察到明显的聚类(图4A)。通过在LDA之前进行PCA数据处理可以减少输入变量和LDA中可能出现的过度拟合的可能性。因此，本发明实施例通过构建PCA-LDA模型来评估这种方法的能力。在3D PCA-LDA结果(图4B)中，高粱样品被清晰地分为十个不同的组，并表现出良好的聚类性。对已建立的PCA-LDA模型进行交叉验证，得到了95.54％的正确性分数，这表明该模型能够根据高粱样品的质谱指纹图追踪其地理来源。

2.4模型识别验证

采用Live ID软件对来自10个省份的高粱样品的560个质谱数据进行模型评价，开展五重交叉模式分析，将每组数据随机分为5组，选取其中4组建模，用剩余的1组数据进行测试，重复模拟测试5次，以确定模型的预测精度，识别正确率为92.7％，结果列于表1和表2，结果证明本发明实施例的模型有很好的实用性。

表1模型识别验证结果

表2各个样本组之间识别结果

2.5高粱样品实时识别

对采集的高粱样品使用相同采集条件进行质谱数据采集，将得到的质谱数据导入Live ID软件，通过与所建立模型的比较，实时识别高粱的产地来源，结果如附图5所示，对高粱样品的识别准确率置信度在92％以上。

综上所述，根据本发明实施例的实时鉴别谷物产地的方法，通过高温灼烧实现高粱粉末的快速气溶胶化，无须样品前处理即可进行检测；通过本装置产生的分子离子直接进入高分辨质谱系统进行检测，分析速度快、灵敏度和准确性高，无需参照物，方法简单易操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。