二維色譜技術(shù)在食品檢測(cè)行業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

◎ 晏彌卉，張建喜，侯國枝

（浙江創(chuàng)新生物有限公司，浙江 紹興 312366）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，人們對(duì)食品安全提出了更高的要求與期望，食品行業(yè)的質(zhì)量控制和監(jiān)管也需要與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)展，這些都對(duì)食品檢測(cè)行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。食品是一個(gè)復(fù)雜的樣品體系，營養(yǎng)成分種類繁多，其中的物質(zhì)含量水平差異巨大且基質(zhì)干擾因素多，食品檢測(cè)的分析方法往往也十分復(fù)雜和煩瑣。色譜技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)中最普遍、最通用的分析方法，但在復(fù)雜樣品體系的定性和定量過程中，傳統(tǒng)的一維色譜法遇到了瓶頸，存在峰容量不足、分離效果差、微量成分受到常量成分干擾嚴(yán)重、峰重疊現(xiàn)象突出等問題。改善方法就是提高色譜分離系統(tǒng)的峰容量，然而單純依靠提高色譜柱的柱效或增加色譜柱的選擇性難以達(dá)到滿意的分析要求，解決的最佳辦法就是采用多維色譜技術(shù)。多維色譜技術(shù)自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來，近年來已經(jīng)發(fā)展得日漸成熟，因其具有高峰容量、高靈敏度、瓦片效應(yīng)和族分離等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品體系的分析檢測(cè)需求[1-2]。近些年來，多維色譜技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)、藥物分析、石油化工、生物醫(yī)療和食品安全等多個(gè)領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景[3-8]。

多維色譜可以是由同一種色譜分離技術(shù)的多根不同色譜柱的組合，也可以是由多個(gè)不同色譜分離技術(shù)的組合。多維色譜技術(shù)中由于硬件、軟件和商業(yè)化等的限制問題，目前應(yīng)用最多和最普遍的是二維色譜技術(shù)。二維色譜法是在一維色譜法的基礎(chǔ)上將分離基質(zhì)不同且相互獨(dú)立的兩根色譜柱串聯(lián)起來組成的分離系統(tǒng)，其主要分離過程是樣品先經(jīng)過第一維的色譜柱進(jìn)，再通過濃縮、捕集或進(jìn)行切割后切換至第二維的色譜柱進(jìn)行分離，使得在第一維色譜中不能完全分離或分離較差的組分可以在第二維色譜中實(shí)現(xiàn)更好的分離。

1 二維色譜的原理及分類

二維色譜技術(shù)主要分為兩種模式，包括傳統(tǒng)二維色譜技術(shù)和全二維色譜技術(shù)。傳統(tǒng)二維色譜技術(shù)的原理是將兩根不同極性的色譜柱組合起來，將第一維色譜柱中無法分離的部分組分，轉(zhuǎn)入第二維色譜柱進(jìn)行再次分離。傳統(tǒng)的二維色譜的最大峰容量為N+N，常用C+C表示。全二維色譜技術(shù)的原理是將第一維中所有組分全部都轉(zhuǎn)移到第二維中進(jìn)行再次分析，這樣使得樣品中的每一個(gè)組分都接受了兩種不同模式的分離。全二維色譜的最大峰容量為N×N，常用C×C表示。因此，全二維色譜的峰容量比傳統(tǒng)二維色譜有了極大的提高，更加適用于復(fù)雜樣品的分析[3]。

二維色譜技術(shù)包括二維液相色譜、二維氣相色譜、二維離子色譜等，另外，還有一些新的二維色譜技術(shù)也在不斷開發(fā)完善中[4-7]。二維色譜技術(shù)也可以與各種類型的檢測(cè)器進(jìn)行聯(lián)用，如熒光檢測(cè)器、電化學(xué)檢測(cè)器、高分辨質(zhì)譜檢測(cè)器等[8]。特別是二維色譜與質(zhì)譜技術(shù)的聯(lián)用，結(jié)合了二維色譜峰容量大、選擇性多和質(zhì)譜特異性好、靈敏度高的雙重優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜混合物的分離和鑒定，展示出了強(qiáng)大的分析能力。相信其隨著聯(lián)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以為更多的領(lǐng)域提供廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。

1.1 二維液相色譜

二維液相色譜主要分為離線模式（off-line）和在線模式（on-line），離線模式是指第一維色譜中的洗脫組分經(jīng)收集后依次進(jìn)入第二維色譜中進(jìn)行優(yōu)化分離[2]。在線模式是指第一維色譜中的所有或部分組分直接切入二維色譜系統(tǒng)中，進(jìn)行再次分離分析。在線模式是目前主流的二維液相色譜技術(shù)，根據(jù)第一維的組分是否全部切入第二維色譜系統(tǒng)，又可將在線二維液相色譜分為中心切割模式（LC+LC）和全二維模式（LC×LC）[9-11]。中心切割模式是將一維色譜中部分組分切入第二維色譜中進(jìn)行分析，而全二維模式是將一維系統(tǒng)中所有洗脫成分，按照一定的規(guī)則或間隔全部切入第二維分離系統(tǒng)中，該模式下可得到最多的樣品組分信息，更適合于復(fù)雜樣品或未知組分的分析[12-13]。

1.2 二維氣相色譜

二維氣相色譜分為中心切割二維氣相色譜和全二維氣相色譜（GC×GC），其原理主要是利用雙柱系統(tǒng)，在滿足各物質(zhì)分辨率的前提下，獲得更大的峰容量。中心切割二維氣相色譜是應(yīng)用較早且普及度高的一種二維氣相色譜模式，利用雙柱切換裝置（多通閥、壓力控制閥等）實(shí)現(xiàn)對(duì)單一或特定組分的檢測(cè)。全二維氣相色譜以其具有的分辨率高和峰容量大等優(yōu)勢(shì)成為近20年來應(yīng)用和研究最多的二維氣相色譜技術(shù)，工作方式是將兩根相互獨(dú)立的色譜柱以串聯(lián)的方式連接在一起，色譜柱之間裝有能起到捕集、聚焦、再傳送作用的調(diào)制器，樣品經(jīng)一維色譜柱分離的全部峰通過調(diào)制器以周期性脈沖的方式進(jìn)入第二維色譜柱進(jìn)行再次分離，大大提高了峰容量。全二維氣相色譜可以有效解決一維氣相色譜共洗脫和峰容量不足的問題，為復(fù)雜組分的分析提供了新方法[14-15]。

1.3 二維離子色譜

離子色譜是分析離子型化合物的首選方法，但由于離子色譜的抗壓性小、柱容量小、溶劑相容性差等原因，制約了二維離子色譜的應(yīng)用，現(xiàn)在的二維離子色譜系統(tǒng)是基于閥切換/柱切換技術(shù)發(fā)展起來的[16]。閥切換技術(shù)分為3個(gè)部分，包括進(jìn)樣模塊、分離模塊和富集模塊。進(jìn)樣模塊是將待分析組分注入定量環(huán)中；富集模塊是用于待測(cè)組分的富集和濃縮；分離模塊使富集濃縮的待分析組分進(jìn)行后續(xù)的分離測(cè)定。閥切換技術(shù)通常需要用到2個(gè)以上的閥，各閥之間的切換時(shí)間需要精準(zhǔn)控制，否則會(huì)造成樣品組分的流失。閥切換技術(shù)可以在線消除基體干擾、在線富集痕量物質(zhì)，并且可以進(jìn)行檢測(cè)手段的聯(lián)用。

2 二維色譜技術(shù)在食品檢測(cè)行業(yè)的應(yīng)用

在食品檢測(cè)行業(yè)中，由于種類繁多且基質(zhì)復(fù)雜，因此需要特異性強(qiáng)、靈敏度高、重現(xiàn)性好的分析方法。運(yùn)用二維色譜技術(shù)不僅可以減少復(fù)雜樣品中基質(zhì)干擾嚴(yán)重的困境，而且對(duì)于痕量物質(zhì)還能起到富集或濃縮的作用，因此二維色譜以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正在成為色譜技術(shù)發(fā)展的一種新趨勢(shì)，并且為食品檢測(cè)行業(yè)提供了新的檢測(cè)手段和研究方向。

2.1 二維液相色譜的應(yīng)用

二維液相色譜法以其良好的正交性、更高的峰容量、較高的分辨率和高通量等特點(diǎn)，可用于食品中多組分的解析、物質(zhì)表征、活性成分篩選或毒性物質(zhì)篩查等。張艷海等[17]建立了在線二維液相色譜同時(shí)快速測(cè)定嬰幼兒配方乳品和成人強(qiáng)化乳品中維生素A、維生素D3和維生素E含量的方法，方法選擇C8柱和極性嵌合的反相C18柱構(gòu)成的正交體系，在一維中完成維生素A、維生素E的定量測(cè)定和維生素D3的凈化，二維中進(jìn)行維生素D3的定量分析。樣品經(jīng)過皂化、萃取后可直接進(jìn)樣檢測(cè)，一次進(jìn)樣即可完成乳品中維生素A、維生素D3和維生素E的定量，大大提高了分析檢測(cè)的效率。趙玉富等[18]利用雙泵雙檢測(cè)器搭建了在線二維液相色譜分離系統(tǒng)，建立了維生素A、維生素E、維生素D2、維生素D3和β-胡蘿卜素含量的快速分析方法，5種維生素的加標(biāo)回收率在90%～98%，方法的準(zhǔn)確度高，方法的重現(xiàn)性好，分析檢測(cè)時(shí)間短，25 min即可完成5種脂溶性維生素的分離測(cè)定，為乳制品中維生素含量的測(cè)定提供了參考。葉佳明[19]等利用SPE小柱在線富集原理搭建了一個(gè)在線固相萃取-二維液相色譜檢測(cè)平臺(tái)，使用該方法后樣品經(jīng)過皂化定容后可直接進(jìn)樣分析，重現(xiàn)性好，回收率高，并通過配對(duì)t檢驗(yàn)法與標(biāo)準(zhǔn)方法（GB 5009.82—2016中第三法）測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果無顯著性差異，適用于配方奶粉、米粉中維生素D含量的測(cè)定。張?chǎng)20]等建立了一種檢測(cè)發(fā)酵食品中苯乳酸的二維液相方法，測(cè)定了5種常見發(fā)酵食品中苯乳酸的含量，該測(cè)定方法的前處理簡(jiǎn)單，加標(biāo)回收率在91.79%～107.37%，結(jié)果準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，適用于大批量樣品的檢測(cè)。

2.2 二維氣相色譜的應(yīng)用

食品中含有大量揮發(fā)性物質(zhì)，這些揮發(fā)性成分直接影響著食品的品質(zhì)優(yōu)劣、風(fēng)味好壞，以及食品的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，也是食品檢測(cè)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。二維氣相色譜在白酒成分鑒定、香精香料、食物揮發(fā)物的測(cè)定等方面具有重要的優(yōu)勢(shì)。ROBINSON等[21]采用頂空固相微萃取技術(shù)建立的全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用法可應(yīng)用于葡萄酒中揮發(fā)性物質(zhì)的組分測(cè)定，同時(shí)分析了包括單萜類、去甲腎上腺素類、倍半萜類和烷基-甲氧基吡嗪類在內(nèi)的350余種不同的揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物，可以用來評(píng)估葡萄酒中揮發(fā)性成分的差異。林凱等[22]利用固相微萃取-全二維氣相-質(zhì)譜法測(cè)定了井崗蜜柚、沙田柚和琯溪蜜柚3個(gè)品種中柚肉和柚皮的揮發(fā)性物質(zhì)，共鑒定到233中揮發(fā)性物質(zhì)，主要為萜烯類、烯醇類和醇類化合物，為柚風(fēng)味相關(guān)深加工和提高柚產(chǎn)品附加值提供參考。李偉麗[23]等采用柱前衍生化全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法對(duì)郫縣豆瓣醬的復(fù)雜風(fēng)味進(jìn)行分析，共檢測(cè)到987個(gè)化合物，并定性鑒別出有機(jī)酸類等10類共218個(gè)成分，為郫縣豆瓣醬的風(fēng)味解析、工藝優(yōu)化及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升提供了科學(xué)依據(jù)。

2.3 二維離子色譜的應(yīng)用

離子色譜是一種通用性的、選擇性好的檢測(cè)方法，可用于痕量甚至超痕量物質(zhì)的分析。二維離子色譜不僅克服了一維色譜分辨率低的缺點(diǎn)，而且簡(jiǎn)化了操作，節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間和成本。劉穎慧[24]等建立了一種陰離子交換色譜耦合脈沖安培檢測(cè)器的二維離子色譜法，可用于測(cè)定海帶中游離氨基酸的測(cè)定。該方法的前處理簡(jiǎn)單，無基底干擾，在最佳分離條件下20種氨基酸的線性關(guān)系好，線性相關(guān)系數(shù)r2＞0.99，方法的檢出限低至0.01 mg·L-1，精密度高、準(zhǔn)確性好。于曰雪等[16]采用一個(gè)切換閥和陽離子交換柱CRC建立了二維離子色譜法，同時(shí)測(cè)定了啤酒樣品中的20種氨基酸和7種糖醇。該方法通過捕集切換手段對(duì)氨基酸進(jìn)行捕集，再利用十通切換閥進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得氨基酸和糖醇可以進(jìn)入兩個(gè)并聯(lián)的電化學(xué)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到同時(shí)測(cè)定啤酒中氨基酸和糖醇含量的目的。該方法樣品的前處理簡(jiǎn)單，避免了氨基酸和糖醇的共洗脫，結(jié)果準(zhǔn)確有效，可用于實(shí)際啤酒樣品的分析檢測(cè)。

2.4 其他二維色譜技術(shù)（薄層色譜、超臨界流體）的應(yīng)用

有一些新型的二維色譜技術(shù)如二維毛細(xì)管電泳色譜[4]、二維薄層色譜[5-6]、二維超臨界流體色譜[7]等也在不斷發(fā)展，為食品檢測(cè)行業(yè)提供了更多的方向和可能性。二維薄層色譜在保留一維色譜所有的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，大大擴(kuò)充了峰容量，提高了分離效率?？笛嗟萚25]構(gòu)建了一種二維薄層色譜-表面增強(qiáng)拉曼散射聯(lián)用技術(shù)，可用于飲料和水果中糖精鈉的快速分析，采用納米金修飾的二氧化硅微球作為增強(qiáng)拉曼散射的基底，提高了薄層色譜的分離能力，且提高了靈敏度。超臨界流體二維色譜是用超臨界流體色譜可代替正相色譜的特性，解決一些色譜系統(tǒng)中溶劑不兼容的問題。郭彥麗等[26]利用二氧化碳流體對(duì)正反向溶劑均有很好的兼容性的特點(diǎn)，構(gòu)建了一套穩(wěn)定的由二維三柱切換為基礎(chǔ)的超臨界流體色譜反相液質(zhì)二維色譜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油脂類的在線凈化和反向分離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油脂類樣品的快速和自動(dòng)化分析。

3 技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)注問題

雖然二維色譜技術(shù)在食品檢測(cè)中有了很多開創(chuàng)性的研究應(yīng)用，但在實(shí)際推廣過程中仍有諸多限制因素。①二維色譜技術(shù)儀器設(shè)備的價(jià)格普遍較高，使用和維護(hù)成本昂貴，且各種聯(lián)用平臺(tái)的搭建多為專業(yè)定制類，商業(yè)化程度低。②樣品中各組分經(jīng)二維色譜分析后，會(huì)產(chǎn)生大量的待分析數(shù)據(jù)，因此需要功能強(qiáng)大且復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時(shí)數(shù)據(jù)也需要經(jīng)過專業(yè)的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理分析，從而加大了二維色譜數(shù)據(jù)處理的工作量和分析難度。③目前適用于食品檢測(cè)的各種通用方法或法定標(biāo)準(zhǔn)中幾乎還未收載任何二維色譜的方法，相應(yīng)的方法學(xué)驗(yàn)證指標(biāo)也僅是借用一維色譜的方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在諸多困難。目前，二維色譜技術(shù)在食品檢測(cè)行業(yè)的應(yīng)用多處于研究階段，還需要更多的關(guān)注和更深入的研究，才能發(fā)展成為一種成熟的檢測(cè)模式以應(yīng)用到大規(guī)模的實(shí)際檢測(cè)工作中。

4 結(jié)語

二維色譜技術(shù)具有峰容量大和選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，在食品檢測(cè)行業(yè)中，擁有檢測(cè)方便快速、節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)。相信隨著二維液相色譜技術(shù)理論的逐步發(fā)展、硬件系統(tǒng)和軟件控制的商業(yè)化模式的推出以及在多領(lǐng)域多行業(yè)應(yīng)用研究的不斷深入，二維色譜技術(shù)將會(huì)成為未來色譜技術(shù)發(fā)展的新機(jī)遇和新方向。