食品检测技术--食品样品预处理相关知识介绍
样品预处理
样品预处理技术(sample pretreatment technology)是指样品的制备和对样品采用合适的分解和溶解方法以及对待测组分进行提取、净化和浓缩的过程,使被测组分转变成可以测定的形式,从而进行定量和定性分析。由于待测组分受其共存组分的干扰或者由于测定方法本身灵敏度的限制以及对待测组分状态的要求,绝大多数化学检测和分析方法要求事先对试样进行有效的、合理的处理。
现代分析方法中样品预处理技术的发展趋势是样品预处理速度快、批量大、自动化程度高、成本低、劳动强度低、试剂消耗少、环境污染小、方法准确、可靠等,这也是评价一个样品预处理方法的准则。下面对几种样品预处理方法的原理和应用进行介绍。
1、固相萃取(SPE)和固相微萃取(SPME)
固相萃取(solid phase extraction,SPE)是20世纪70年代后期发展起来的样品预处理技术,它主要是利用固体吸附剂吸附目标化合物,使之与样品的基体及干扰物质分离,然后用洗脱液洗脱或通过加热解脱,从而达到分离和富集目标化合物的目的。该方法具有回收率高、富集倍数高、有机溶剂消耗量低、操作简便快速和费用低等优点,易于实现自动化并可与其他分析仪器联用。因此,在很多情况下,固相萃取作为制备液体样品优先考虑的方法取代了传统的液-液萃取法,如环境水中农药含量的测定、蔬菜和水果中农药残留的测定以及食品中兽药残留的检测。
固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)的原理是将各类交联键合固定相融溶在具有外套管的注射器内芯棒上,使用时将芯棒推出,浸于粗制样品溶液中,于是待测组分便被吸附在芯棒上,然后将含有样品的针芯棒直接插入气相或液相色谱仪的进样口,被测组分在进样口中被解析下来进入色谱分析仪。该项技术具有操作简单、快速、样品用量小、重现性好和环境友好等特点,并通过利用气相色谱和高效液相色谱等仪器进行后续分析,可实现对多组分样品的快速分离检测。在萃取过程中,还可以通过控制各种萃取参数,实现对痕量被测组分的高重复性、高准确度的测定。
2、基质固相分散萃取(MSPD)
基质固相分散(matrix solid phase dispersion,MSPD)技术是1989年由 Barker 等首次提出并给予理论解释的一种样品预处理技术。基质固相分散技术是将常规的固相分散技术与反相键合填料相结合,组织匀浆、提取和净化在同一操作中完成,使得分析环节大幅减少,操作简化。该技术已在动物兽药残留检测和蔬菜、水果的农药残留分析中得到应用,具有很大的发展潜力。
3、分子印迹技术(MIP)
分子印迹(molecularly imprinted polymer,MIP)技术源于免疫学的发展,20世纪40年代,著名的诺贝尔奖获得者 Paining 提出了以抗原为模板来合成抗体的理论。1949年,Dickey 首先提出了“分子印迹”这一概念,但是直到1972年德国的 Wuff 研究小组首次报道了人工合成分子印迹聚合物之后,这项技术才逐渐为人们所认识。
分子印迹技术的原理是仿照抗体的形成机理,在模板分子(印迹分子和目标分子)周围形成一个高度交联的刚性高分子,除去模板分子后在聚合物的网络结构中留下了与模板分子在空间结构、尺寸大小和结合位点互补的立体孔穴,从而对模板分子表现出高度的选择性能和识别性能。该技术具有抗恶劣环境、选择性高、稳定性好、机械强度高和制备简单等特点,可选择性识别和富集复杂样品中的目标化合物。因此,分子印迹技术已被广泛应用于固相萃取、固相微萃取和膜萃取等样品预处理技术。
4、免疫亲和色谱(IAC)
免疫亲和色谱(immunoaffinity chromatography,IAC)也叫免疫亲和层析,是一种将免疫反应与色谱分析方法相结合的分析方法,是色谱技术中的一种。这项技术的主要原理是根据抗原抗体的高选择性,利用抗体与其相应抗原的作用具有高度的特异性和高度的结合力等特点,采用适当的方法将抗原或抗体结合到色谱载体上,使其达到从复杂的待测样品中提取目标化合物的目的。具体过程是将抗体与惰性微珠共价结合,然后装柱,将抗原溶液过免疫亲和柱,目标化合物(即抗原)被吸附在柱子上,而其他物质则沿柱流下,最后用洗脱缓冲液洗脱抗原,从而得到纯化的抗原,采用适当的缓冲液和合适的保存方法,免疫亲和柱可以再生备用。
该方法具有操作简单、快速、净化效果好、可再生等优点,被广泛应用于抗体、受体、激素、多肽、酶、重组蛋白、病毒及亚细胞化合物的分析等领域,特别是常用于β-兴奋剂的残留检测。
5、凝胶渗透色谱(GPC)
凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography,GPC)是一种表征高聚物分子量和分子量分布等特征的物理化学方法,是近年来发展迅速的一种样品预处理方法和净化手段,其操作简便,使用材料较少。GPC 的分离机理至今还处于百家争鸣之中,尚无定论,主要有“空间排斥”或“排阻”理论、“限制扩散”理论、“流动分离”理论和热力学理论。作为一般观察到的现象,认为其原理是根据溶液中溶质分子的体积大小不同,按照物质分子的分子量大小将物质进行分离。该方法常用来去除样品中的大分子物质的干扰,近年来被广泛应用于生物、环境和医药等复杂样品的分离和净化,特别适合净化含脂肪、蛋白质等物质的样品。
6、浊点萃取(CPE)
浊点萃取法(cloud point extraction,CPE)是指达到临界胶束浓度以上的表面活性剂水溶液在一定温度下加热或者加盐会产生相的分离,形成透明的两相(表面活性剂胶束相和水相),其中胶束相可以富集样品中的待测组分。
浊点萃取是基于表面活性剂水溶液中相分离现象的萃取浓缩技术,已经成功实现了与 HPLC、CE 和 FI 等分析仪器的联用,具有能够减少挥发性有机溶剂的使用、操作简单、快速、试剂便宜易得、不需专门的装置等优点,在环境样品中金属离子的测定、蛋白质的分离与纯化、生物分子和不同极性有机化合物浓缩分离处理等领域得到了非常广泛的应用。
7、离子液体分散液相微萃取(IL-DLME)
分散液相微萃取法是利用萃取剂和分散剂的溶解性差异,使含分析物的水样先形成均匀的浑浊液,经过萃取离心后,被分析物富集到萃取剂中,然后取此有机相进行分析测定。此法具有操作简便、设备简单、溶剂用量少、经济、不污染环境等优点。
离子液体分散液相微萃取(IL-DLME)是基于离子液体(ionic liquids,IL)作萃取剂的分散液相微萃取法。离子液体是一种由有机阳离子和不同的阴离子结合形成的有机盐,具有蒸气压低、黏度高、有天然的双极性、热稳定性好以及与水和有机溶剂的互溶性好等特点。在化学过程中,离子液体易于回收,并且对大多数有机化合物都有良好的萃取能力。除此之外,它们还被称作是环境友好溶剂,易于合成,且很容易买到。因此,离子液体分散液相微萃取常被用于对一些易溶于水难溶于有机溶剂的有机化合物进行提取和富集。
8、加速溶剂萃取(ASE)
加速溶剂萃取(accelerated solvent extractor,ASE)技术,是在较高的温度(50～200℃)和压力(1000～3000psi,1psi=6894.76Pa)条件下,对固体或半固体的样品进行用溶剂萃取的预处理方法。该方法具有萃取速率快、提取效率高、溶剂用量少、选择性高等特点,同时还具有安全、萃取时不破坏待测组分的形态、受基体影响小、相同的萃取条件对不同基体同时萃取等优点,已经被广泛用于环境、药物、食品和聚合物工业等领域。
9、超临界流体萃取(SFE)
超临界流体是流体介于临界温度和压力时的一种状态。此时,流体介于气体和液体之间,密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力的变化十分敏感,兼有气体和液体的性质和优点,如黏度小、扩散性能好、溶解性强和易于控制等。
超临界流体萃取(supercritical fluid extraction,SFE)技术的分离原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行萃取的。它克服了传统的索式提取技术费时、费力、回收率低、重现性差、污染严重等弊端,使样品的提取过程更加快速、简便,同时还大幅降低了有机溶剂对人体和环境的危害,并可与多种分析检测仪器联用。在医药、食品、化学、环境等领域的应用非常广泛。
10、微波辅助萃取(MAE)
微波辅助萃取(microwave-assisted extraction,MAE)又叫微波萃取,是一种非常具有发展潜力的新样品预处理技术。它主要是运用微波的能量对与样品相接触的溶剂进行加热,使目标化合物从样品基体中分离出来并进入溶剂,实际上是一个在传统的萃取工艺基础上强化传热、传质的过程。通过微波的强化,其萃取速率、萃取效率和萃取质量跟常规工艺相比,能得到很大幅度的提高。该方法具有快速、高效、省溶剂、选择性强、环境友好等特点,近年来在分光光度法测定、环境分析、农药残留分析、中药有效成分提取和食品工业研究中应用得相当广泛。
11、QuEChERS 方法
QuEChERS 方法是2003年由 Anastassiades 和 Lehotay 等研究建立的分散固相萃取(dispersive SPE)样品预处理技术,因分散固相萃取法具有快速、简单、便宜、有效、可靠和安全等特点而得名,其实质是固相萃取技术和基质固相分散技术的衍生和进一步的发展。
该方法是寻找一些高效的提取试剂和净化处理试剂,通过简单的离心或者过柱,将农药与样品基质(如脂肪酸和色素)分离。同时对一些含脂肪介质的样品通过此方法来提取和净化并分析农药,取得了不错的成绩。该方法解决了历年来分析上样量少、分析时间长、有毒溶剂使用量大等问题。因其独特的优势和快速、简易、价廉的特点,在农药残留分析中广泛应用。
12、联用技术
样品预处理方法与技术一直是现代化学领域的重要课题和发展方向之一。在众多分析技术之中,色谱分离技术因其仪器商品化、自动化程度高、定性定量准确、各种配套技术与零部件生产趋于完善等优点,已经成为目前应用最广泛的分析技术,也成为许多分析项目的标准分析方法。
在实际的色谱分析工作中,相对滞后的预处理技术以及粗糙的离线手工操作影响了色谱分析结果的准确性和精密度。因此,预处理技术与色谱分离分析的在线联用是分析化学发展的必然趋势,这不仅可以弥补预处理技术的不足,而且可以减轻技术人员的劳动强度,实现分析的自动化,降低分析成本,节省人力和时间,更主要的是可以减少甚至消除由于手工操作中个体差异所产生的误差,提高分析测试的灵敏度、准确度与重现性。另外,通过在线联用更容易做到环境友好的无毒操作,实现样品的无溶剂或少溶剂处理,减少对人体和生态环境的危害,从而促进绿色化学的早日到来。
