专利名称：采用离子迁移测谱法检测技术的β-肾上腺素激动剂残留物现场智能快速实时检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用离子迁移测谱法(简称IMS)技术实现β -肾上腺素激动剂残留物捡测的新装置，尤其是一种现场无需预处理制样，直接采集饲料、饲料添加剂，新鲜或解冻后的肉类与内脏及其制品和生物材料(人或动物血液、尿液)β-肾上腺素激动剂残留物的蒸气或挥发性气体后，现场 进行快速捡测的装置，属于检测技术领域。
背景技术：
β -肾上腺素受体激动剂在养殖业俗称“瘦肉精”，是一类激素类平喘药，松弛支气管平滑肌作用强而持久。20世纪80年代初，美国脂胺公司研究表明，当在饲料中添加一定量的“瘦肉精”时，对动物具有能量重分配作用，可以加强脂肪分解，促进蛋白质合成，实现动物营养再分配，使其生长速度增快，瘦肉率增加9% 16%，骨骼肌脂肪降低8% 15%，对养殖户最大的诱惑在于增加动物的瘦肉量、减少饲料使用、使肉品提早上市，达致降低养殖成本、提闻利润的目的。研究人员发现当食物中克伦特罗含量达O. 2mg/kg时，食用者便有可能出现中毒临床症状；当猪肉中克伦特罗含量达O. 4mg/kg，此时食用生猪的猪内脏(猪肺或猪肝)比猪肉更易中毒，甚至仅喝猪肺汤或猪肝汤都可能导致中毒。人食用了含有盐酸克伦特罗残留的肉食中毒时表现为烦躁不安、焦虑、心悸、眩晕、耳鸣、心动过速、明显的面部和四肢肌肉震颤、肌肉疼痛、恶心、血压升高(部分)等，严重的可导致昏迷。潜伏期为30分钟至2小时，视进食含有“瘦肉精”量的多少和猪肉(内脏)的含量多少而不同。“瘦肉精”化学性质稳定，作为一类激素，通过腺体深入到组织细胞膜内发挥作用，通过血循环和肝、肾等实质器官活动，镶嵌在血红细胞和肌朊蛋白质并浸透到肌肉和骨骼的每一组织中，难以清除代谢。初时不明“瘦肉精”危害性质，经国内外盲目推广应用到养猪业中导致泛滥成灾，严重危害消费者身体健康。“ β —肾上腺素受体激动剂”系指沙丁胺醇(salbutamol)、齐帕特罗(zilpaterol)、莱克多巴胺(rackdopamine)、非诺特罗(fenoterol)、克仑特罗(clenbuterol)、特布他林(turbutalin)、喷布特罗(penbutolol)、沙米特罗(salmeterol)、西马特罗(cimaterol)、心得安(propranolol)、氯丙那林(clorprenaline)等11种β-激动剂，现国内主要针对组织样品、饲料及饲料添加剂、生猪尿液中俗称“瘦肉精”的克仑特罗(clenbuterol)、莱克多巴胺(rackdopamine)、沙丁胺醇(salbutamol)三种人工合成的β-肾上腺素激动剂进行检测。表I三种β -肾上腺素激动剂(俗称瘦肉精)的化学性质
Wp文名称 I英文名称 I分子式I分手I
1_克仑特罗 clenbuterol C13H18CIaNaO 277. 19
2莱克多巴胺 rackdopamine C18H23NO3301. 38
3I沙丁胺醇 !salbutamol |cnHaiN0,丨239· 3Γ
注I :克伦特罗；学名盐酸克伦特罗；是一种平喘药，是肾上腺类神经激动剂。
现在国内很多实验室多采用“筛选”和“确证”相结合的方法对“瘦肉精”进行测试，此法既可处理数量较多的测试样品，又可增加测试结果的准确性和可靠性。但对于一般的检疫部门来讲，这种方法耗资大，操作复杂、处理时间长，难以推广，因而我们应尽快研制出成本低廉、简便有效的检测方法。现行常用筛选法
目前应用最广的筛选方法是指酶联免疫吸附测定法(Enzyme-linked immunoassay,略写为ELISA)和胶体金免疫层析法，检测迅速快捷，成本低，但是检测限比较高，存在假阳性现象。目前只能检查出肾上腺受体激动剂的存在，但不能确定其各自化学本质。两种方法检测速度快、简便、能最大限度的减少操作误差和工作强度，但由于存在假阳性的问题，仅局限作为筛选方法使用。 现行确证与半确证检测方法
确证与半确证检测方法目前主要指气相色谱-质谱法(GC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)、高效液相质谱法(LC一MS)以及液相质谱/质谱法(LC一MS/MS)。四种方法对样品的前处理要求的配套设备多，过程操作繁琐，需要大量的有机溶剂，从而导致对环境的局部污染且检测成本高、确证处理时间长。现行检测方法分析
常规的“瘦肉精”残留分析主要步骤为样本提取后经过严格净化步骤，在用色谱或色谱与质谱联用等技术进行定性、定量测定。准确、多样是其优点；仪器投资大、对操作人员要求高、前处理制样复杂繁琐、检测成本高、处理时间长，使仪器检测分析法的应用受到了限制，真正用于现场快速检测的较少，给食品安全监管部门的监督工作带来了许多不便。近年来，相继发生在美国、法国的李斯特氏菌食物中毒事件，比利时的“二恶英毒鸡”中毒事件，英国、法国的“疯牛病”，我国持续不断大量发生的“肾上腺素受体激动剂”中毒、三聚氰胺大头婴奶粉、红心鸡蛋、苏丹红鸭蛋、多宝鱼等事件，既直接关系到人类的健康，又关系到社会的稳定与种族后代的发展，切不可小觑！
2011年3月15日，中央电视台曝光了“健美猪、瘦肉精事件”后，受到全国人民广泛关注，国家各级检测部门正在制定相关措施并积极展开检测活动，以防止问题猪肉及相关制品流入市场。2011年4月23日，国务院食品安全委员会已公布肾上腺素受体激动剂为禁止使用的非法添加剂。而控制农产品中“瘦肉精”残留量的关键环节之一就是对饲料和肉制品中“瘦肉精”残留量及时、准确的分析检测，以监控、同时杜绝“ β —肾上腺素受体激动齐Li”残留超标的广品上市销售。

发明内容
离子迁移测谱法(简称MS)技术特性和设备与已经认可的技术如质谱分析法(MS)或气相色谱/质谱分析法(GC/MS)比较，IMS内在的特性(极佳的检测范围)和实用的考虑(尺寸、重量和电源标准)使它形成一股研发应用的热潮。最初开发的采用离子迁移测谱法技术的检测仪是用于化学毒剂(简称CWA)和有毒工业化学品(简称TIC)的检测，主要应用于军队、安全等领域。2009年6月I日中国《食品安全法》正式实施后，法律明确规定要建立食品安全风险监测和评估制度，食品安全监管从此进入一个新阶段。保障食品安全的关键是完善食品检测技术，本方法提出采用MS技术的“β —肾上腺素受体激动剂”残留快速检测器的组成、技术平台概念、吸入型MS传感器的工作原理，仪器在循环使用和工作时具有极低的成本；经试验证明其探测灵敏度接近ppb数量级，实现一种无需制样，直接对被测样品采样即可实现非接触式直接检测；此法具备β_肾上腺受体激动剂残留高灵敏，快速度，现场实时检测的技术基础。对于终端用户而言，可靠、使用方便和低检测成本等优点是IMS技术传感器的优势。开放回路吸入式MS技术平台概念
开放回路MS是一种在常规MS技术上的改进型技术，在β -肾上腺素激动剂检测样气进入仪器时，在辐射源危害较小的241Am α辐射源的激化下产生离子和电子，形成极化电流。在气流和电场的共同作用下，极化电流在电离槽的不同空间显示对应相关物质的离子迁移指纹谱信号，这些“指纹谱信号”与目标物之间具有唯一性和可重复性，将检测到的“指纹谱”信号与仪器中预先存储的β-肾上腺素激动剂标准谱进行模式识别和计算后，即可判明现场物质气体的种类、性质和概略浓度值。因为该装置的电场室呈开放状态，离子迁移能带谱呈空间分布，因此称为开放回路MS (open loop MS)，或称空间离子迁移能带谱。 传感器结构及原理
所有类型的MS均具有相同的特性，即在大气压下离子化，并且在周围环境温度下对以空气媒介产生的离子或离子簇的迁移率进行分析。离子迁移舱室(IMCell)是一种先进的吸入式离子迁移谱仪。离子迁移谱由多个电场进行测量，其选择性由离子的质量和电荷两个参数决定。流经离子迁移舱室的气流是连续的。与常规的飞行时间-离子迁移测谱仪不同，吸入型IMS被归类于开放回路IMS;在吸入式离子迁移谱检测技术的一系列优点当中，其中之一便是这种检测器不需要定期频繁更换分子筛，而在传统的IMS检测技术当中，则做不到这一点。气体样本被中转气泵以每分钟I 21pm的流动速率压缩进检测器，吸入式IMS技术中检测器对大气环境进行连续不断的采样。在这个环节，β -肾上腺素激动剂气体样本首先被检测器进行加热与电离，然后立即通过离子移动能谱HCell传感器。16通道的IMCell模块通过电极间的多级电场分离电离化的样品成分，样品成分是根据离子团的质量、带电量、亲和力在多级电场中得到分离。通过16通道能谱仪处理后，每一种需要分析的化学成分都有其特定的‘指纹’图谱。该吸入式检测器非常灵敏，响应速度快，且结构简单。关于MS技术传感器离子迁移舱室(MCell)的工作原理在图I.中概要地显示。在241Am α辐射源的激化下，产生的离子流连续流动进入一个槽状正交电场，在此电场中，离子流随质荷比不同产生偏斜并被多电极对分别收集。离子流质荷比较低时具有较高的迁移率，与离子流质荷比较高时的迁移速率相比快许多。通常，在信道中的输出包含有离子迁移率和离子极性的信息。在所有个体的总信道中通常能给出一个MS响应的实时概略值。离子化分子在各自的速率下通过一个迁移室，其速率与它们的积聚程度和质荷比有关。这些信号分布构成为一种离子光谱，一种离子迁移能带仅唯一对应一种离子的种类。离子迁移谱由多个电场进行测量，其选择性由离子的质量和电荷两个参数决定。流经离子迁移舱室的气流是连续的。确定迁移率(K)是由离子流的漂移速度(Vd)和一个微弱电场(E)得到的，在大气压下，IMS在漂移区中的公式表述於(I)。
XE(I)
离子速度反比于一个离子的有效碰撞截面并与制成MS的分子尺寸测定器的类型有关。迁移谱表示该种离子电流的强度是一种时间的函数。基于漂移时间实现定性和概略定量检测识别
与传统的MS技术相比，MCELL是一种先进形式。该舱室是开放的，外部不设任何膜片，而所有的离子流(通常为I 21pm)被吸入通过舱室。离子化使用一个241Am α源，与传统光谱仪较大的放射源活性相比，这种放射源放射活性较小。这种方法仅只是测量经辐射所产生的离子簇的空间分布，以顶替飞行时间测量。不同化合物的检测是基于该舱室内部的空气流路径在舱室电极作用下离子迁移表面电荷的分布。当带电粒子随气流移动进入一个垂直的电场，其路径根据质量和电荷开始偏离。低迁移率的离子簇比高迁移率的离子簇被驱动到更远。
通过减少自身输出值实现IMCELL精确的输出归零。这种形式称为输出的基本值(Basic Level)。如果空气样本的成分没有改变，离子迁移分布形态也不会改变，并且通道输出的是一个常数。正极性通道和负极性离子簇形式的格局是经过计算程序验证的。最大60种不同的模式可以加载到MGDs (M0S门控驱动器)内存，并且每个模式必须经自学习后进入到永久内存。当进行一个新的测量时，通道的“指纹谱信号”将与检测器内存数据库文件进行逐一的比对。如果任何指纹谱分布与气体数据库中配置的文件匹配，并且信号大小超过预先设定的报警阈值，仪器发出声屏报警信号。报警的同时，在检测器液晶显示屏上可看到目标气体名称和浓度的概略显示。这里的许多参数用户可以设置，例如报警阈值，基本计算值，时间和最近测量的指纹谱分布与数据库中存储的“指纹谱信号”文件如何匹配。虽然从不同浓度和条件下测得的数据已建立的数据库是经过考验的项目，但新指纹谱文件的学习并加入数据库中仅需非常简单的程序。离子迁移测谱法由控制和两个时序过程所组成。这就是
a)在大气压下的空气中气体状态的电离通过碰撞实现交换或离子一分子反应
b)离子的鉴定是在一个微弱电场中气体状态离子流的迁移，IMS利用化学分离作为其基础形式。由于β -肾上腺素激动剂残留快速检测器整合了湿度，温度，压强和流量传感器，采用了经考验获得认可的识别算法，使仪器装置具有高精确度和自诊断功能，适应户外条件的变更和较小误动作的补偿。β -肾上腺素激动剂残留快速检测器内置简单易用的分析软件，可自动识别目标化合物并以汉字字符清晰的显示。各传感器产生的信号经由信号处理算法进行计算，该算法利用了学习矢量量化网络和“模糊逻辑”技术的决策功能。这种智能化的信号处理系统大大提高了检测的准确性和抗干扰能力。在β -肾上腺受体激动剂残留现场实时检测，其检测和识别性能主要依靠所采用的数据库。开放式数据库可添加新的待检测物质。报警信息将存贮在历史事件日志中以备日后调用。
通讯接口 RS-232用户界面可用于数据录入，日常维护，数据库操作和网络应用。积极效果
β-肾上腺受体激动剂残留现场智能快速检测器在循环使用和工作时具有低的成本；实现一种无需制样，直接采样即可确证的定性及概略定量高度灵敏的快速检测器，实现β-肾上腺受体激动剂等有毒有害物质微量痕量气体的现场快速实时智能检测。与检测瘦肉精残留的国家标准筛选方法-酶联免疫法(ELISA)相比
检测“ β —肾上腺素受体激动剂”克仑特罗(clenbuterol)、莱克多巴胺(rackdopamine)、沙丁胺醇(salbutamoI)等“瘦肉精”时避免假阳性，能够给出定性及概略定量检测结果，检测限达到国际和国内规定的残留限量标准。
与我国检测瘦肉精残留的国家标准确证法相比
实验室常规测试方法需要昂贵的仪器设备、熟练的化学专业技术人员、复杂繁琐的前处理制样，完成一次分析费时且化学分析辅助药品成本较高，难以满足捡测大量样品的快速检测需要。而MS技术β_肾上腺素激动剂残留现场智能快速检测器价格合适，仪器投资仅只为其百分之几，购置费用低；不用繁琐复杂的前处理制样，检测灵敏度胜任“确证法”技术标准；在检测过程和循环使用过程中，除更换“滤尘器”外不用其它耗材，检测费用几乎可以忽略不计；对操作人员无专业技能要求，不用专业培训，仅需一般的常规培训；真正用于现场快速检测，给食品安全监管部门的监督工作带来了许多方便，从而实现及时、快速而全面地从源头及关键节点监控饲料及肉类食品的安全状况。应用范围广
目前，农产品及食品中农药、兽药、有害添加剂等物质的残留非常严重，是世界性的食品安全控制难题。为保障人民身体健康，现有的检测技术及设备购置及检测过程中的高成本和长处理时间，远远不能满足当前的需求。而采用离子迁移测谱法(简称MS)检测技术的装置可用于饲料及其饲料添加剂；生猪养殖场、屠宰厂；农业、贸易、工商、质监、卫生等主管部门；超市、集贸市场食品安全检测点等行业，在关键节点处保证食品质量安全。在充实“模式识别”数据库后，亦可扩充检测范围。遗憾的是直至现在，IMS的基本概念仍未精炼，同时MS技术响应特性曲线族在不同的温度、漂移气体的湿度等标准谱图库仍是空白，需试验验证后建立，因此要实现β_肾上腺素激动剂残留检测的实用性仍需付出巨大的努力。


图I系统电路原理示意框图。图2 β -肾上腺素激动剂残留现场快速检测器工作流程示意图。图3 β -肾上腺素激动剂残留现场快速检测器显示屏示意图。
具体实施例方式技术运作方式
开启电源，仪器自检进入“待机”测试状态后，将待检测的β_肾上腺素激动剂残留物样品置于仪器进气口处，以直接采样方式将样气吸入滤尘室内，过滤后依次吸入离子化室，在危害较小的241Ama辐射源的激化下样气被离子化，实现离子一分子反应而产生离子流。离子流进入两平行板极之间的离子迁移槽，在与离子流垂直的低压电场作用下，离子流在离子迁移槽中因质荷比不同而产生不同的运动速度，致使离子流产生偏斜，漂过一定的距离后，在电场的作用下最终到达处于地电位的电极对极板上。在极板上排列一组电隔离的检测放大器，分别记录撞击在其上面的离子数量，从而在不同的电极对上显示出对应物质的离子迁移指纹谱信号。这些“指纹谱信号”与目标物之间具有唯一性和可重复性，通过电极对采集这些“指纹谱”信号，并将所采集的“指纹谱”信号输送到信号处理器进行比对，与“模式识别数据库”中预先存储的标准谱通过进行模式识别和计算后，即可判明现场物质气体的种类、性质和概略浓度值；经“显示控制单元”显示和“通讯接口”输出定性和概略定量结果。所需要的内存记忆数据利用RS-232用户界面可下载到个人电脑中，或者直接从装置显示屏上观看。该吸入式离子迁移测谱法技术不设离子栅门，整个气路系统处于开放状态，离子的表征过程连续进行，所有迁移中的离子亦被连续记录下来，因此离子的利用率很高。
工作流程详见图2 β -肾上腺素激动剂残留现场智能快速检测器工作流程示意图。显示屏内容
主要含电池剩余电量；所探测的“ β —肾上腺素受体激动剂”定性探测识别结果，目标物直接显示汉字“名称”，非目标物显示“未知毒剂”；概略浓度由气体浓度柱状图实时清晰地显示出被测“β —肾上腺素受体激动剂”浓度的剂量变化趋势以及报警音量，日期与时间等信息。显示屏内容详见图3 β -肾上腺素激动剂残留现场智能快速检测器显示屏。
权利要求
1.一种采用离子迁移测谱法检测技术的“ β —肾上腺素受体激动剂”残留物现场智能快速实时检测方法，其特征在于 1)非破坏性样品无需制样及预处理，仪器仅采集被测样品上方的挥发性气体进行检测，非接触不破坏样品，测试后样品保持原状； 2)测试速度快仪器现场采样即时得出结果，若样气浓度超阈值仅需采样数秒至数十秒即知结果，完成一个检测周期仅需数分钟，在更少时间内可测试更多的样品； 3)操作简单仪器设有自检测功能，进入检测状态后可连续采样分析；不需化学专家，操作人员经过简单培训即可正确操作； 4)检测成本低测试过程中除常规的“滤尘器”须定时更换及可充电电池的充电和电池寿命外，不需要其它消耗品； 5)测试重现性好检测结果具重复性与可比性； 6)检测和识别性能主要依靠所采用的数据库，开放式数据库可添加新的待检测物质； 7)绿色环保仪器自身不会产生附加物，不使用有毒化学药品，没有溶剂浪费，也无操作人员的直接接触问题。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于检测装置结构包括其上带进气口、出气口及气泵的腔体，腔体内设有与进气口连通的滤尘器，滤尘器与其内设有辐射源的离子化室连通，离子化室与其内设有多电极对极板的离子迁移室连通，离子迁移室与温度湿度传感器连通，且离子迁移室的电极对的信号极和气泵与中央控制处理器电连接。
3.根据权利要求I和2所述的方法，其特征在于所述与离子化室连通的离子迁移室，离子迁移室上、下两平行极板分别设有多对电极对，在电极对上设有一组电隔离的检测放大器，检测放大器与中央控制处理器中的单片机的数据采集器电连接。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述中央控制处理器包括单片机，与单片机相连的电源控制器、模式识别数据库、存储器、操作键盘、传声器及显示屏、通讯接口实现“β —肾上腺素受体激动剂”残留物的种类、性质的定性名称及化学试剂浓度实时增减情况的概略定量分析显示和声屏报警模式。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在充实开放的“模式识别”数据库后，可添加新的待检测物质，扩充检测范围。
全文摘要
本发明公开了一种采用离子迁移测谱法(简称IMS)检测技术现场快速实时捡测“β-肾上腺素受体激动剂”残留物的方法。这种新检测器特征是体积小、重量轻，以饲料、饲料添加剂，新鲜或解冻后的肉类与内脏和生物材料(人或动物血液、尿液)中β-肾上腺素受体激动剂中克仑特罗、莱克多巴胺、沙丁胺醇的挥发性气体或蒸汽为媒介，实现无需预处理制样，现场开机即时采样实时检测。若采集样气阈值超标，以音、屏报警并显示残留物的定性名称及实时浓度概略值。检测器实现连续检测，灵敏度可达ppb数量级。不改动硬件，通过设备自身的软件功能，充实“模式识别”数据库后可扩充检测范围，对有兴趣的其它微量痕量气体也能实现现场快速实时检测分析。
文档编号G01N30/72GK102854237SQ20111018155
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者李德和 申请人:李德和