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    食品中重金屬總量及形態(tài)分析研究進展

    2013-05-18 07:31:32李偉青申德省王秀娟
    食品工業(yè)科技 2013年7期
    關(guān)鍵詞:質(zhì)譜法重金屬色譜

    李 莉,李偉青,申德省,2,王秀娟,張 峰,*

    (1.中國檢驗檢疫科學研究院煙草安全與控煙技術(shù)研究所,北京100123;2.浙江工商大學,浙江杭州310012)

    食品中重金屬元素的含量超標對人體危害很大,因此近年來重金屬元素總量及形態(tài)分析成為研究的熱點。重金屬元素不但可以通過生物富集作用最終到達人體造成慢性中毒,而且可以在人體內(nèi)經(jīng)過各種反應(yīng)變成毒性更大的物質(zhì)。人們吸收食品所含營養(yǎng)物質(zhì)的同時,有害元素也隨之被人體吸收。美國 FDA(Food and Drug Administration)[1]最近的一份報道把食品中的砷、鎘、鉛、汞、硒等元素及其化合物列為有害物質(zhì),可能造成癌癥、呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病、生殖發(fā)育疾病等。重金屬是自然界中廣泛存在的元素,并且大量的重金屬以不同的形態(tài)存在于與人類密切相關(guān)的水、空氣和食物中,且元素的毒性和生物重要性都依賴于其化學形態(tài)。如以砷化合物半致死量(LD50)計,其毒性依次為砷烷(H3As)>三價無機砷(As(III))>五價無機砷(As(V))>甲基砷酸(MAA)>二甲基砷酸(DMAA)>三甲基砷氧(TMAO)>砷膽堿(AsC)>砷甜菜堿(AsB)。形態(tài)分析是研究某一元素在真實環(huán)境中的形態(tài)信息,用以研究元素形態(tài)的生物活性或毒性,更具有實際意義。國內(nèi)外食品中重金屬含量超標現(xiàn)象時有發(fā)生,重金屬超標不僅嚴重危害人體的身心健康,而且會嚴重阻礙商品進出口貿(mào)易,造成巨大經(jīng)濟損失。同時重金屬含量的檢測方法也在逐步更新,標準不斷提高。因此,對于重金屬檢測方法的研究顯得尤為重要。本文就重金屬總量分析方法和元素形態(tài)分析方法的研究進展進行了綜述,并展望了分析方法的發(fā)展趨勢。

    1 重金屬總量測定

    1.1 前處理方法

    食品中重金屬含量分析常用的前處理方法有消解法、濕消化法、干灰化法、酸提取法、離子交換法、萃取法等,具有不同的特點,見表1。

    干法灰化法具有空白值低、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點,但該方法存在費時、耗電量大、回收率低、測定結(jié)果偏低、不適應(yīng)揮發(fā)性元素等缺點。濕法消化法分解速度快、回收率高,但是該方法試劑耗量大、空白值高、污染環(huán)境。與傳統(tǒng)的灰化法(干法和濕法灰化法)相比,微波消解技術(shù)具有省時、省酸、安全、污染少、空白值低、容易監(jiān)控等特點,經(jīng)常與AAS、ICP-MS、AFS等檢測技術(shù)聯(lián)用。酸提取法操作簡便、污染少,但是如果采用過高濃度的酸提取樣品,容易引起樣品的過度分解,造成較強的基質(zhì)效應(yīng)。液液萃取法具有速率快、容量大、試劑易再生等優(yōu)點,但是萃取試劑易揮發(fā)、易燃、有毒。液相微萃取法是在液液萃取法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但與其相比,具有靈敏度高、基質(zhì)效應(yīng)低等優(yōu)點,特別適合于環(huán)境樣品中痕量、超痕量污染物的測定。固相萃取法與傳統(tǒng)的液液萃取法相比,可以提高分析物的回收率,更有效的將分析物與干擾組分分離。與固相萃取法相比,固相微萃取法具有萃取相用量少、對待測物的選擇性高、溶質(zhì)易洗脫等特點,已成功用于氣態(tài)、水體、固態(tài)中的揮發(fā)性有機物、半揮發(fā)性有機物以及無機物的分析。膜萃取法和膜過濾法雖然操作過程簡單,并且體系較穩(wěn)定,但其選擇性低、通量小,不適合萃取復雜基質(zhì)中的重金屬元素。超臨界CO2絡(luò)合萃取法具有選擇性能好、流程簡便、萃取速度快、后處理簡單等優(yōu)點,但是該方法一般需要較昂貴的萃取設(shè)備,不適用于小型實驗室。濁點萃取法可以有效地消除基體干擾,提高方法的選擇性及測定靈敏度,適用于金屬螯合物、生物大分子的分離與純化及環(huán)境樣品的前處理。

    表1 前處理方法Table 1 Sample preparation methods

    1.2 元素總量的儀器檢測方法

    通過檢索食品中元素分析的相關(guān)文獻,對鉛、銅、汞、砷、硒、鉻、鎘、鋅、錫、碘十種元素的元素總量的儀器檢測方法進行匯總,見表2。

    高效液相色譜法檢測速度快,效率高,靈敏度高,試樣無需氣化,沸點高、相對分子質(zhì)量大的物質(zhì)原則上都可以分析;另外,卟啉類試劑靈敏度高,能和多種金屬元素生成穩(wěn)定有色絡(luò)合物,目前已廣泛用作高效液相色譜測定金屬離子的衍生試劑[32]。吳獻花[33]等利用四-(鄰氯苯基)-卟啉(T2CPP)柱前衍生含有鎳、銅、錫、鉛、等重金屬的樣品,有效分離測定了食品中6種重金屬含量。

    電感耦合等離子體質(zhì)譜法在元素分析和形態(tài)分析上有非常廣泛的應(yīng)用。該方法幾乎可以分析所有的元素,靈敏度高、檢出限低、線性檢測范圍寬,并且可以實現(xiàn)多元素的同時檢測,但其設(shè)備價格昂貴、易受污染,限制了其廣泛應(yīng)用。許藹飛[34]建立了微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)同時測定中藥三七中5種重金屬(銅、砷、鎘、汞、鉛)含量的方法,該研究建立的方法快速,檢測準確,靈敏度高。

    光譜法中等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)能同時檢測多種元素,檢測效率高?;鹧嬖游展庾V法(FAAS)現(xiàn)主要用于單個元素分析。石墨爐原子吸收光譜法是在原子化器中用電流加熱樣品,樣品全部原子化,避免了火焰原子吸收光譜法中樣品原子濃度在火焰氣體中的稀釋,提高了靈敏度,但往往基體干擾嚴重。王書蘭[35]等利用石墨爐原子吸收光譜法測定了白酒中鉻、銅、鉛等微量重金屬,該方法快速、準確、無污染,在測定白酒中微量重金屬方面具有較高的實用價值。

    比色法是通過加入某種物質(zhì)使被測組分顯色,然后通過測量顏色的深度定量,但是該方法檢出限高,很難達到食品中污染物檢測的要求。張鐵濤[36]等采用雙硫腙比色法測定了三亞紅沙海域金槍魚、海鯧魚中重金屬汞的含量,為該海域海產(chǎn)品重金屬汞的污染狀況提供理論基礎(chǔ)。

    溶出伏安法是在極譜分析的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,因為經(jīng)過長時間的預(yù)先電解,被測物質(zhì)被富集濃縮,因而有較高的靈敏度,可測定10-9~10-12g/mL的痕量元素。同時該方法具有分析速度快,測定元素多,檢測需要樣品少,有機物干擾小等優(yōu)點。于慶海[37]等利用微分脈沖陽極溶出伏安法準確測定了海水中Cu、Pb、Cd、Zn 4種痕量元素,并且測定結(jié)果非??煽?。

    利用酶抑制作用的生物傳感器在重金屬檢測中也有應(yīng)用,不過實際應(yīng)用較少,因為靈敏度較低[38]。

    根據(jù)實際研究的需要選用合適方法對重金屬含量進行分析。例如,氣相色譜法雖然分析能力較強,但是色譜柱工作溫度下不氣化的組分和不穩(wěn)定的化合物不適合氣相色譜法分析。電感耦合等離子體質(zhì)譜法儀器價格昂貴,等離子工作氣體費用較高,所以當其他方法可以滿足需求時,可以優(yōu)先采用其他分析方法。

    2 元素形態(tài)分析

    2.1 前處理方法

    理想的前處理方法既要有良好的回收率(70%~120%),又要保持元素在樣品中的原始形態(tài),常用的提取液有酶、水、甲醇、甲醇與水[39]、鹽酸、氯仿等。前處理方法在前面有所介紹,不再贅述,它們都有各自優(yōu)缺點,需根據(jù)實際研究的需要,采用合適方法對樣品進行前處理。

    2.2 分離方法

    元素形態(tài)分離主要依靠色譜技術(shù)。氣相色譜要求被測物質(zhì)有揮發(fā)性或者通過衍生化變成揮發(fā)性物質(zhì);高效液相色譜適用于生物活性物質(zhì)、高沸點和熱不穩(wěn)定化合物的分離。臺希[40]等建立了環(huán)境水樣中痕量重金屬鎳、銅、銀、鉛、鎘和汞的低靈敏度高效液相色譜檢測方法;離子色譜分離機理主要是離子交換,可同時檢測樣品中的多種成分,同時分離同一元素的不同價態(tài)。葉欣[41]利用離子色譜同步分離及檢測城市環(huán)境中植物樣品中Cu2+、Ni2+、Zn2+和Mn2+等重金屬離子含量的新方法。方法檢出限低,校準曲線線性良好,能應(yīng)用于檢測植物標準樣品及城市環(huán)境中的植物樣品的重金屬離子含量;毛細管電泳(CE)消耗低、成本低、分離度高、分離體系靈活、無需衍生,CE進樣量小(納升級),濃度檢出限低,但樣品基質(zhì)的耐受能力弱,大量基質(zhì)引入分離毛細管會導致目標分析物的遷移時間變化,從而導致分析結(jié)果不準確。因此,在CE分析前往往需要輔以合適的樣品前處理技術(shù)和CE在柱富集技術(shù)[42]。范銀蘋[43]等建立了一種毛細管電泳檢測電鍍水中痕量重金屬離子的新方法。Cu2+、Zn2+、Ni2+、Mg2+、Ca2+、Cr3+和Fe3+的檢出限分別為 0.163、0.256、0.077、0.153、0.203、0.062、0.142mg/L,均明顯低于國家規(guī)定標準,所建方法已成功用于實際電鍍廢水樣品中痕量重金屬離子的富集和檢測。

    2.3 儀器檢測方法

    目前元素形態(tài)分析檢測方法主要有電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)、原子熒光光譜法(AFS)、電噴霧質(zhì)譜法(ES-MS)、電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法(ES-MS-MS)等。

    2.3.1 電感耦合等離子體質(zhì)譜法 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)檢測限低,線性范圍寬,干擾少,精密度高,可同時測定多元素,但長時間運行易產(chǎn)生信號漂移。常和其它技術(shù)聯(lián)用,如扇形磁場質(zhì)譜儀(SF-ICP-MS),飛行時間質(zhì)譜儀(TOF-ICP-MS),高效液相色譜串聯(lián)電感耦合等離子體質(zhì)譜(HPLC-ICP-MS)。聶西度[44]等利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定了甜味劑中 Cr、Co、Ni、Cu、As、Cd、Sn、Sb、Hg 和Pb等十種重金屬元素的含量,該方法對十種待測元素的檢出限在0.003~0.038μg·L-1之間,加標回收率在93.0%~106.6%之間,方法簡便、快速、準確。

    2.3.2 等離子體原子發(fā)射光譜法 等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)根據(jù)各元素特征譜線的存在和強度對待測樣品中相應(yīng)元素定性和定量分析。此法同時檢測多種元素,檢出限低,基體效應(yīng)小,檢測效率高。呂培[45]等用螯合樹脂、陽離子交換樹脂以及有機溶劑萃取等分離方法對白虎湯水煎液中Ca的不同形態(tài)進行富集分離,采用ICP-AES對不同形態(tài)的Ca含量測定,鈣元素檢出限為0.038μg·mL-1,RSD 1.5%,可溶性Ca的離子態(tài)比例為83.25%,有機結(jié)合態(tài)比例為23.79%。

    2.3.3 原子熒光光譜法 原子熒光光譜法(AFS)根據(jù)特定波長熒光來定性,由特定波長熒光強度和濃度之間的關(guān)系定量。利用氫化物發(fā)生技術(shù)(金屬-酸還原法,硼氫化物還原法,電解法),將待測元素還原為氣態(tài)組分,氫化過程有消除基體干擾和預(yù)富集作用。I Ipolyi[46]等用高效液相色譜-紫外消解-氫化物發(fā)生-原子熒光法(HPLC-UV-HG-AFS)有效分離硒元素和含硒氨基酸五種形態(tài)。SeCys、SeMet、SeEt、Se(IV)和 Se(VI)的檢測限分別為 0.31、0.43、0.7、0.44、0.32g·L-1,實際樣品(瓶裝礦物質(zhì)水)的回收率為96%~104%。

    2.3.4 電噴霧質(zhì)譜法 電噴霧質(zhì)譜(ESI-MS)提供分子和結(jié)構(gòu)信息,但易受基體干擾,分析物應(yīng)盡可能純化。由于HPLC-ICP-MS和CE-ICP-MS均不能提供化合物的分子結(jié)構(gòu)信息,因此在缺少標準物的情況下ESI-MS是不可缺少的形態(tài)分析工具。Volker Nischwitz[47]等用排阻色譜串聯(lián)或反相色譜分離豬肝提取液,用ICP-MS定量和ESI-MS鑒別分子量,發(fā)現(xiàn)Fe、Cu、Zn和Mn這四種金屬元素主要以和蛋白(轉(zhuǎn)鐵蛋白、金屬硫蛋白和超氧化物歧化酶)結(jié)合方式存在。

    2.3.5 電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法 電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法(ESI-MS-MS)可以對HPLC-ICP-MS未能鑒定出的形態(tài)進一步分析。ESI-MS-MS可以在ESI-MS在掃描母離子后,通過碰撞池把母離子打碎,進一步檢測子離子,準確度大大增加。Like Gong[48]等用HPLCICP-MS和HPLC-ESI-MS/MS對泥鰍水溶性硒蛋白中的硒形態(tài)進行了分析,發(fā)現(xiàn)泥鰍肌肉組織純化的硒蛋白質(zhì)中硒代蛋氨酸(Se-Met)是主要的含硒氨基酸形態(tài)。另外HPLC-ICP-MS發(fā)現(xiàn)一種極性與硒半胱氨酸(Se-(Cys)2)相似的硒化合物,HPLC-ESIMS/MS發(fā)現(xiàn)這是與(Se-(Cys)2不同的另外一種硒化合物。

    3 展望

    隨著社會的進步和生活水平的提高,人們對重金屬的危害越來越重視,各國和國際組織對于食品中的重金屬監(jiān)管的力度逐漸加大,檢測的標準更加嚴格,元素總量及形態(tài)的分析方法不斷更新。前處理技術(shù)、分離技術(shù)和檢測技術(shù)的創(chuàng)新都有助于改進元素總量及形態(tài)分析方法,科學家在這些領(lǐng)域也都做出了重要的創(chuàng)新性工作。對于元素形態(tài)分析,樣品前處理技術(shù)非常關(guān)鍵,處理不好會使形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著學科交叉的深入,生物、材料、物理、機械、電子等領(lǐng)域的進步對于推動元素分析方法的改進意義重大。比如,色譜技術(shù)的強分離能力與分光光度法、光譜法、質(zhì)譜法等手段的結(jié)合;利用酶的專一性和高效性能夠有助于推動快速檢測技術(shù)的發(fā)展;新材料的研制可以推動色譜分離填料的進步,使待測物得到更好的分離;基質(zhì)標準物質(zhì)的研發(fā)也將大大推動標準檢測方法的進步;前處理技術(shù)和檢測技術(shù)在自動化、在線、高通量方面的進步也是重金屬分析的發(fā)展趨勢。

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