食品中痕量元素分析技术的新进展

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欢迎访问e展厅 展厅 1 炊事机械展厅 炒锅, 夹层锅, 蒸箱, 油炸机, 烧烤设备, 烟熏炉, 回转线... 对食品研究来说，测定痕量元素是很重要的，研究各个元素的毒理学性质和其营养性质，控制食品或生产、包装过程中的元素污染，都需要广泛调查各种食品中微量元素的含量水平以及元素在食品中的存在形态。 在人们对食品中各种元素对人体健康影响的研究中，痕量元素分析技术有了长足的发展，所使用的仪器主要是微波消解装置、原子吸收光谱仪（AAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等，本文结合食品中痕量元素分析的需求重点介绍这些技术自90年代至今的发展现状。 食品中痕量元素分析的样品处理 在大多数食品分析中，样品准备时间常常超出分析时间的20倍，例如，生物材料的消解根据消解程序的不同，大约需要2～24h，而石墨炉AAS法测定每个元素只需3min，包括干燥、灰化、原子化和冷却。如果进行多元素分析，需要更长的样品制备时间，但用ICP-OES和ICP-MS可以同样用大约3min的时间分析完样品。为了进一步提高每天分析样品的数量，必须具备更快的样品制备速度。 虽然用V形槽雾化器、十字交叉雾化器等耐高盐雾化器以及电热蒸发（ETV）和激光烧蚀（LA）等进样装置可以实现食品的高盐或固体直接分析，但很难取得很好的定量结果。目前最成功的方法依然是将食品完全消解为水溶液后进行分析。它的主要优点是：低污染，保存挥发性元素，试剂用量少，消解快，样品量小。 微波消解装置解决了食品分析工作中溶样这一“瓶颈”问题，可以与AAS、ICP-OES和ICP-MS配套使用，可用来消解各种难于消解的有机和无机样品。微波消解装置的主要技术指标是工作压力，用石英容器时最大承受压力为120bar，控制压力为80bar，工作温度可以达到300℃，使用聚四氟乙烯容器时最大承受压力为120bar，控制压力可以达到60bar，工作温度可以达到260℃。可以同时处理16个样品，一般处理样品25min，冷却15min，40min左右即可完成一个样品处理周期。 AAS的最新进展 原子吸收光谱(AAS)是食品分析的主要检测技术之一，它可以采用电热原子化(石墨炉)，火焰原子化或氢化物发生等方式。这些方法使一个元素可以在痕量水平被精确地测定。AAS的主要缺点是它本质上是一种单元素分析技术，不能将其改造成为多元素同时分析或顺序分析。多灯同时预热使得仪器运行费用呈指数上升，杂散光大大增加，仪器稳定性下降，而其分析速度却几乎没有什么改善，更不能与ICP-OES和ICP-MS的分析速度相提并论。 自90年代至今AAS的发展主要表现在以下几个方面： ■ 普遍采用了CCD固态检测器；光电倍增管（PMT）已经被主流AAS厂家所淘汰。 ■ 自动化程度大大提高，可以实现火焰和石墨炉一体机并自动切换，切换后光路自动准直。 ■ 仪器的控制软件功能空前强大，不仅可以全面控制仪器的所有参数，全面监控安全连锁，而且对所有的分析任务软件都可以推荐最佳的操作参数。即使是从来没有用过AAS的人也同样可以获得准确的结果。火焰AAS还出现了触摸屏式的设计，整个仪器操作与洗衣机等日常家电的操作正日趋接近。 ■ AAS技术进步的最大亮点是纵向磁场塞曼效应AAS的诞生，正逐步取代横向磁场塞曼效应AAS这一较老的设计。 ICP-OES的最新进展 随着技术的发展，ICP-OES测定方法得到普及，消解的样品可直接进入高温等离子体(典型的ICP温度为5000～7000K)，通过多色仪观测发射线同时进行分析，这一技术的优点在于：能进行约70多个元素的分析，每个元素都有很高的灵敏度，其检出限通常为ppb (ng/mL)，标准曲线的线性范围在6个数量级以上，并且干扰非常小。 90年代初推出的全谱直读ICP-OES是一个革命性的飞跃，使ICP-OES具有了同时获得谱线和其背景信息的能力，即一条谱线全部信息的直接读取，而这恰恰是传统的单道扫描与固定多通道ICP-OES所不具备的能力，因而能否同时测背景成了划分全谱直读仪器与传统仪器的分界线。 但全谱直读ICP-OES并不意味着这个技术已经走到了尽头，相反经过十年多的实际应用，发现了其不足依然存在。其不足主要表现在如下几个方面，改进也主要针对这几个方面进行： 第一，强光与弱光同时测量带来的问题。在ICP高温激发出来的众多谱线中，400～800nm范围的可见光的强度要远远大于紫外区的谱线，对这些谱线同时测量所带来的问题是检测器上有些象素点长时间强光照射而快速老化损坏，而紫外区的分析谱线却由于曝光不足而无法使用。从检出限来看，Li、Na、K、Rb、Cs用ICP-OES分析往往与火焰AAS相近甚至不如火焰AAS。而用ICP-OES分析Cl、Br得到的结果通常不能与其他成熟的分析方法较好吻合（如离子色谱、X射线荧光或离子选择电极法）。不仅是 ICP-OES，测定实际样品时，ICP-MS同样有这个问题。综合这些情况，采用的改进措施一般有两个，一个是购买只有紫外区分光系统的ICP-OES和一台火焰AAS，费用更为实惠，两台仪器都可以获得最佳的性能。二是在ICP-OES中采用两套分光系统和两个检测器，将可见光和紫外光分别进行处理，实现仪器的最优化。 第二，有用的信息与垃圾信息同时测量带来的问题。目前最好的改进方法是采用专门设计的检测器有选择性地读取待分析元素的信息，将上述这些垃圾信息过滤掉，从而使操作者在最短的时间内获得最需要的分析结果，并保护检测器，避开垃圾信息的照射而老化损坏。 第三，分光系统中三棱镜的分辨率不均匀带来的问题。这个问题在紫外区尤为明显，因为在可见光区的谱线很少，干扰也较少，对分辨率的要求也较小，而绝大部分元素的谱线都集中在200～400nm这个范围，目前最好的方法是在这一波长范围内采用中阶梯光栅和平面光栅两个光栅进行交叉色散，比中阶梯光栅加三棱镜有了显著的改善。 第四，有机样品、无机样品、高盐样品、含HF酸样品、含NaOH样品同时分析带来的问题。对于ICP-OES的用户而言，需要分析的样品是多种多样的，这就需要有适应性强的进样系统，并尽量减小雾化器、雾室与炬管之间的距离以减小记忆效应。目前常用正交雾化器并在雾化器喷嘴装有耐腐蚀的宝石喷嘴，而雾室采用耐腐蚀的Ryton材料制成，可直接进行50%HCl、HNO3、H2SO4、20%HF及30%NaOH样品的分析。 第五，主量、微量成分与痕量、超痕量成分同时分析带来的问题。目前最为成功的是采用双向观测的ICP-OES。采用轴向观测的检出限比侧向观测可改善达10倍。传统垂直观测型ICP-OES的不足是测定不同的元素时需要优化不同的观测位置。双向观测技术使用户可以在一次分析中同时获得两种观测方式的优点，无论是轴向观测还是侧向观测，其观测的位置全部由计算机自动优化，不仅提高了灵敏度而且扩大了线性范围，大大增加了分析的灵活性，提高了分析性能。 第六，仪器的先进性与实际操作的易用性带来的问题。现代ICP-OES已经越来越多地用于生产性工厂中的质量控制，而不像以前主要集中于大学和研究所，操作者的素质当然也不及专业的研究人员。这个问题主要是通过操作软件的中文化、仪器软件硬件说明书的中文化、仪器维护的多媒体化来解决。 第七，仪器的高稳定性与波长漂移带来的问题。传统全谱直读ICP光谱仪为了将全部几万条谱线集中在几平方厘米的检测器上，要求仪器必须有极高的热稳定性，仪器冷开机时一般需要约1个多小时的恒温过程，狭缝高度必须很小，使ICP最重要的紫外区域光强减弱，而且很难避开样品基体以及Ar、N等发射的高强度谱线，大大缩短了检测器的寿命。 目前最为成功的方法是采用双单色仪光学系统和带参比的双检测器。它将全谱直读ICP光谱仪传统的棱镜光栅交叉色散方式分别在两个单色仪中进行。通过调节入射光进入棱镜的角度使待测谱线所在光谱级次通过中间狭缝进入第二个单色仪，将光谱中待分析谱线及附近一段光谱投射到CCD检测器上。由于交叉色散分别在两个单色仪中进行，而且每次投射到CCD检测器上仅是一段光谱，所以完全避免了传统全谱直读ICP光谱仪需要长时间预热、入射光狭缝很小、检测器寿命短等方面的不足。 因此该仪器根本不需要恒温即可进行样品分析测定，是目前全谱直读ICP光谱仪发展的最高成就。 ICP-MS的最新进展 ICP-MS应用于食品科学有着广泛的前景，因为它不仅可以测定全部金属元素的浓度，还可以给出同位素的信息。这种同位素测量能力使同位素稀释分析(IDA)技术得到应用，并可采用稳定的非放射性同位素进行示踪研究。 ICP-MS的发展与ICP-OES有很多相似之处，在进样系统部分几乎是一样的。目前ICP-MS最引人注目的发展是动态反应池技术。动态反应池（DRC）是内有一个四极杆系统的反应池。与中阶梯分光ICP-OES相似，DRC-ICP-MS具有双四极杆质量分析器，即ICP-MS-MS、DRC部分进行化学反应并与主四极杆同步扫描实现离子初步选择和过滤，大大延长了ICP-MS主四级杆质量分析器的寿命，提高了ICP-MS的性能和灵活度。 食品中痕量元素形态分析的最新进展 对于食品中痕量元素的重要性和被重金属污染的环境两方面的重视引发了关于肠胃对痕量元素吸收程度的探索。元素的吸收随着其存在的形式显著变化，其中元素的状态、毒性与元素的种类密切相关。人们已经认识到分离这些元素是必要的，即分离并定量测量真实样品中痕量无机、有机、金属有机物质的化学形式。 在已经发表的形态分析论文中，研究最多的是砷，约占三分之一，然后依次是铬、汞、碲、硒、锡、铅、铜、锰、钒、铂、镍和溴等。单独使用原子谱仪器并不能得到关于痕量元素存在于化学物质中的形式、组成分布的信息，另外，对样品进行频繁测量的方法破坏了基体，进而破坏了被分析物的原始特征。为了获得有关的数据，就要求“软”的分离分析法以便于保持痕量元素物质的完整性。 在研究痕量金属时会遇到的物种形式类型如下： ■ 金属的氧化态，例如As(Ⅲ)的毒性远大于As(Ⅴ)； ■ 通过金属碳共价键形成的金属有机化合物，如四乙铅； ■ 元素与一个或多个稳定化合物松散结合，但没有形成能够鉴定出来的新化合物，例如食用纤维成分对某些痕量元素的生物利用的影响； ■ 被化学键合的痕量元素络合物，例如与样品中某一特定组分络合形成的络合物，肾脏和肝脏中金属蛋白质中镉、铜、锌就是这方面的例子。 形态分析研究的分析方法中，分析食品中痕量金属含量的程序主要包 括以下几个步骤：1.在不破坏被测物的情况下浸煮；2.分离和预浓缩(如果必要)；3.测量。 目前，高效液相色谱（HPLC）与ICP-MS联用是最为常用的形态分析手段，占形态分析研究的70％以上，此外还有毛细管电泳、超临界色谱和气相色谱等各种分离方法与ICP-OES或者ICP-MS联用的研究，如图4所示。 结论 食品安全随着人们对健康的重视已经越来越深入人心，其要求也越来越高，并以美国EPA的一系列法规进行了明确的规定，同时食品中痕量元素的检测技术还关系到食品的贸易，甚至成为技术壁垒的手段之一。因而在我国广泛采用与国外同样的测试技术和分析方法已经成为了人们的共识。 在食品中痕量元素的分析中，所使用的仪器有AAS、ICP-OES、ICP-MS等，其样品处理需要微波消解装置。无论是何种仪器，其发展的趋势都是越来越好的检出限和稳定性，越来越容易使用，分析的速度越来越快，获得的信息却越来越丰富。人们不再满足于知道元素的总量，还要知道元素所存在的形态以及每一个形态的含量。随着对仪器的需求越来越多，仪器的功能也会相应越来越强大，而日益增多的批量化生产会使仪器的制造成本降低，应用更加广泛。(end)

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