對食品研究來說,測定痕量元素是很重要的,研究各個元素的毒理學性質和其營養性質,控制食品或生產、包裝過程中的元素污染,都需要廣泛調查各種食品中微量元素的含量水平以及元素在食品中的存在形態。
在人們對食品中各種元素對人體健康影響的研究中,痕量元素分析技術有了長足的發展,所使用的儀器主要是微波消解裝置、原子吸收光譜儀(AAS)、電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-OES)、電感耦合等離子體質譜儀(ICP-
MS)等,本文結合食品中痕量元素分析的需求重點介紹這些技術自90年代至今的發展現狀。
食品中痕量元素分析的樣品處理
在大多數食品分析中,樣品準備時間常常超出分析時間的20倍,例如,生物材料的消解根據消解程序的不同,大約需要2~24h,而石墨爐AAS法測定每個元素只需3min,包括干燥、灰化、原子化和冷卻。如果進行多元素分析,需要更長的樣品制備時間,但用ICP-OES和ICP-MS可以同樣用大約3min的時間分析完樣品。為了進一步提高每天分析樣品的數量,必須具備更快的樣品制備速度。
雖然用V形槽霧化器、十字交叉霧化器等耐高鹽霧化器以及電熱蒸發(ETV)和激光燒蝕(LA)等進樣裝置可以實現食品的高鹽或固體直接分析,但很難取得很好的定量結果。目前最成功的方法依然是將食品完全消解為水溶液后進行分析。它的主要優點是:低污染,保存揮發性元素,試劑用量少,消解快,樣品量小。
微波消解裝置解決了食品分析工作中溶樣這一“瓶頸”問題,可以與AAS、ICP-OES和ICP-MS配套使用,可用來消解各種難于消解的有機和無機樣品。微波消解裝置的主要技術指標是工作壓力,用石英容器時最大承受壓力為120bar,控制壓力為80bar,工作溫度可以達到300℃,使用聚四氟乙烯容器時最大承受壓力為
120bar,控制壓力可以達到60bar,工作溫度可以達到260℃。可以同時處理16個樣品,一般處理樣品25min,冷卻15min,40min左右即可完成一個樣品處理周期。
AAS的最新進展
原子吸收光譜(AAS)是食品分析的主要檢測技術之一,它可以采用電熱原子化(石墨爐),火焰原子化或氫化物發生等方式。這些方法使一個元素可以在痕量水平被精確地測定。AAS的主要缺點是它本質上是一種單元素分析技術,不能將其改造成為多元素同時分析或順序分析。多燈同時預熱使得儀器運行費用呈指數上升,雜散光大大增加,儀器穩定性下降,而其分析速度卻幾乎沒有什么改善,更不能與ICP-OES和ICP-MS的分析速度相提并論。
自90年代至今AAS的發展主要表現在以下幾個方面:
普遍采用了CCD固態檢測器;光電倍增管(PMT)已經被主流AAS廠家所淘汰。
自動化程度大大提高,可以實現火焰和石墨爐一體機并自動切換,切換后光路自動準直。
儀器的控制軟件功能空前強大,不僅可以全面控制儀器的所有參數,全面監控安全連鎖,而且對所有的分析任務軟件都可以推薦最佳的操作參數。即使是從來沒有用過AAS的人也同樣可以獲得準確的結果。火焰AAS還出現了觸摸屏式的設計,整個儀器操作與洗衣機等日常家電的操作正日趨接近。
AAS技術進步的最大亮點是縱向磁場塞曼效應AAS
的誕生,正逐步取代橫向磁場塞曼效應AAS這一較老的設計。
ICP-OES的最新進展
隨著技術的發展,ICP-OES測定方法得到普及,消解的樣品可直接進入高溫等離子體(典型的ICP溫度為5000~7000K),通過多色儀觀測發射線同時進行分析,這一技術的優點在于:能進行約70多個元素的分析,每個元素都有很高的靈敏度,其檢出限通常為ppb(ng/mL),標準曲線的線性范圍在6個數量級以上,并且干擾非常小。
90年代初推出的全譜直讀ICP-OES是一個革命性的飛躍,使ICP-OES具有了同時獲得譜線和其背景信息的能力,即一條譜線全部信息的直接讀取,而這恰恰是傳統的單道掃描與固定多通道ICP-OES所不具備的能力,因而能否同時測背景成了劃分全譜直讀儀器與傳統儀器的分界線。
但全譜直讀ICP-OES并不意味著這個技術已經走到了盡頭,相反經過十年多的實際應用,發現了其不足依然存在。其不足主要表現在如下幾個方面,改進也主要針對這幾個方面進行:
第一,強光與弱光同時測量帶來的問題。在ICP
高溫激發出來的眾多譜線中,400~800nm范圍的可見光的強度要遠遠大于紫外區的譜線,對這些譜線同時測量所帶來的問題是檢測器上有些象素點長時間強光照射而快速老化損壞,而紫外區的分析譜線卻由于曝光不足而無法使用。從檢出限來看,Li、Na、K、Rb、Cs用ICP-OES分析往往與火焰AAS相近甚至不如火焰AAS。而用ICP-OES分析Cl、Br得到的結果通常不能與其他成熟的分析方法較好吻合(如離子色譜、X射線熒光或離子選擇電極法)。不僅是ICP-OES,測定實際樣品時,ICP-MS同樣有這個問題。綜合這些情況,采用的改進措施一般有兩個,一個是購買只有紫外區分光系統的ICP-
OES和一臺火焰AAS,費用更為實惠,兩臺儀器都可以獲得最佳的性能。二是在ICP-OES中采用兩套分光系統和兩個檢測器,將可見光和紫外光分別進行處理,實現儀器的最優化。
第二,有用的信息與垃圾信息同時測量帶來的問題。目前最好的改進方法是采用專門設計的檢測器有選擇性地讀取待分析元素的信息,將上述這些垃圾信息過濾掉,從而使操作者在最短的時間內獲得最需要的分析結果,并保護檢測器,避開垃圾信息的照射而老化損壞。
第三,分光系統中三棱鏡的分辨率不均勻帶來的問題。這個問題在紫外區尤為明顯,因為在可見光區的譜線很少,干擾也較少,對分辨率的要求也較小,而絕大部分元素的譜線都集中在200~400nm這個范圍,目前最好的方法是在這一波長范圍內采用中階梯光柵和平面光柵兩個光柵進行交叉色散,比中階梯光柵加三棱鏡有了顯著的改善。
第四,有機樣品、無機樣品、高鹽樣品、含HF酸樣品、含NaOH樣品同時分析帶來的問題。對于ICP-OES的用戶而言,需要分析的樣品是多種多樣的,這就需要有適應性強的進樣系統,并盡量減小霧化器、霧室與炬管之間的距離以減小記憶效應。目前常用正交霧化器并在霧化器噴嘴裝有耐腐蝕的寶石噴嘴,而霧室采用耐腐蝕的Ryton材料制成,可直接進行50%HCl、HNO3、H2SO4、20%HF及30%NaOH樣品的分析。
第五,主量、微量成分與痕量、超痕量成分同時分析帶來的問題。目前最為成功的是采用雙向觀測的ICP-OES。采用軸向觀測的檢出限比側向觀測可改善達10倍。傳統垂直觀測型ICP-OES的不足是測定不同的元素時需要優化不同的觀測位置。雙向觀測技術使用戶可以在一次分析中同時獲得兩種觀測方式的優點,無論是軸向觀測還是側向觀測,其觀測的位置全部由計算機自動優化,不僅提高了靈敏度而且擴大了線性范圍,大大增加了分析的靈活性,提高了分析性能。
第六,儀器的先進性與實際操作的易用性帶來的問題。現代ICP-OES已經越來越多地用于生產性工廠中的質量控制,而不像以前主要集中于大學和研究所,操作者的素質當然也不及專業的研究人員。這個問題主要是通過操作軟件的中文化、儀器軟件硬件說明書的中文化、儀器維護的多媒體化來解決。
第七,儀器的高穩定性與波長漂移帶來的問題。傳統全譜直讀ICP光譜儀為了將全部幾萬條譜線集中在幾平方厘米的檢測器上,要求儀器必須有極高的熱穩定性,儀器冷開機時一般需要約1個多小時的恒溫過程,狹縫高度必須很小,使ICP最重要的紫外區域光強減弱,而且很難避開樣品基體以及Ar、N等發射的高強度譜線,大大縮短了檢測器的壽命。
目前最為成功的方法是采用雙單色儀光學系統和帶參比的雙檢測器。它將全譜直讀ICP光譜儀傳統的棱鏡光柵交叉色散方式分別在兩個單色儀中進行。通過調節入射光進入棱鏡的角度使待測譜線所在光譜級次通過中間狹縫進入第二個單色儀,將光譜中待分析譜線及附近一段光譜投射到CCD檢測器上。由于交叉色散分別在兩個單色儀中進行,而且每次投射到CCD檢測器上僅是一段光譜,所以完全避免了傳統全譜直讀ICP光譜儀需要長時間預熱、入射光狹縫很小、檢測器壽命短等方面的不足。
因此該儀器根本不需要恒溫即可進行樣品分析測定,是目前全譜直讀ICP光譜儀發展的最高成就。
ICP-MS的最新進展
ICP-
MS應用于食品科學有著廣泛的前景,因為它不僅可以測定全部金屬元素的濃度,還可以給出同位素的信息。這種同位素測量能力使同位素稀釋分析(IDA)技術得到應用,并可采用穩定的非放射性同位素進行示蹤研究。
ICP-MS的發展與ICP-OES有很多相似之處,在進樣系統部分幾乎是一樣的。目前ICP-MS最引人注目的發展是動態反應池技術。動態反應池(DRC)是內有一個四極桿系統的反應池。與中階梯分光ICP-OES相似,DRC-ICP-MS具有雙四極桿質量分析器,即ICP-MS-MS、DRC部分進行化學反應并與主四極桿同步掃描實現離子初步選擇和過濾,大大延長了ICP-MS主四級桿質量分析器的壽命,提高了ICP-MS的性能和靈活度。
食品中痕量元素形態分析的最新進展
對于食品中痕量元素的重要性和被重金屬污染的環境兩方面的重視引發了關于腸胃對痕量元素吸收程度的探索。元素的吸收隨著其存在的形式顯著變化,其中元素的狀態、毒性與元素的種類密切相關。人們已經認識到分離這些元素是必要的,即分離并定量測量真實樣品中痕量無機、有機、金屬有機物質的化學形式。
在已經發表的形態分析論文中,研究最多的是砷,約占三分之一,然后依次是鉻、汞、碲、硒、錫、鉛、銅、錳、釩、鉑、鎳和溴等。單獨使用原子譜儀器并不能得到關于痕量元素存在于化學物質中的形式、組成分布的信息,另外,對樣品進行頻繁測量的方法破壞了基體,進而破壞了被分析物的原始特征。為了獲得有關的數據,就要求“軟”的分離分析法以便于保持痕量元素物質的完整性。
在研究痕量金屬時會遇到的物種形式類型如下:
金屬的氧化態,例如As(Ⅲ)的毒性遠大于As(Ⅴ);
通過金屬碳共價鍵形成的金屬有機化合物,如四乙鉛;
元素與一個或多個穩定化合物松散結合,但沒有形成能夠鑒定出來的新化合物,例如食用纖維成分對某些痕量元素的生物利用的影響;
被化學鍵合的痕量元素絡合物,例如與樣品中某一特定組分絡合形成的絡合物,腎臟和肝臟中金屬蛋白質中鎘、銅、鋅就是這方面的例子。
形態分析研究的分析方法中,分析食品中痕量金屬含量的程序主要包括以下幾個步驟:1.在不破壞被測物的情況下浸煮;2.分離和預濃縮(如果必要);3.測量。
目前,高效液相色譜(HPLC)與ICP-MS聯用是最為常用的形態分析手段,占形態分析研究的70%以上,此外還有毛細管電泳、超臨界色譜和氣相色譜等各種分離方法與ICP-OES或者ICP-MS聯用的研究,如圖4所示。
結論
食品安全隨著人們對健康的重視已經越來越深入人心,其要求也越來越高,并以美國EPA的一系列法規進行了明確的規定,同時食品中痕量元素的檢測技術還關系到食品的貿易,甚至成為技術壁壘的手段之一。因而在我國廣泛采用與國外同樣的測試技術和分析方法已經成為了人們的共識。
在食品中痕量元素的分析中,所使用的儀器有AAS、ICP-OES、ICP-MS等,其樣品處理需要微波消解裝置。無論是何種儀器,其發展的趨勢都是越來越好的檢出限和穩定性,越來越容易使用,分析的速度越來越快,獲得的信息卻越來越豐富。人們不再滿足于知道元素的總量,還要知道元素所存在的形態以及每一個形態的含量。隨著對儀器的需求越來越多,儀器的功能也會相應越來越強大,而日益增多的批量化生產會使儀器的制造成本降低,應用更加廣泛。