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离子色谱在食品和农药残留分析中的应用

来源:温州大学应用技术学院
摘要:摘要离子色谱已经成为无机阴、阳离子和部分有机离子最主要的分析方法,在食品、医药、生化、农业等领域得到了广泛应用。本文着重介绍目前最新的离子色谱技术及其在食品、农药等方面的分析应用情况。关键词离子色谱食品农药残留分析应用离子色谱(IC)最初是为了分析无机阴、阳离子而研发的,随着IC技术的发展,其应用范围也......

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  摘 要 离子色谱已经成为无机阴、阳离子和部分有机离子最主要的分析方法,在食品、医药、生化、农业等领域得到了广泛应用。本文着重介绍目前最新的离子色谱技术及其在食品、农药等方面的分析应用情况。

  关键词 离子色谱 食品 农药残留 分析 应用

  离子色谱( IC) 最初是为了分析无机阴、阳离子而研发的,随着IC 技术的发展,其应用范围也逐渐扩展到能够分析各种有机阴、阳离子及生化物质。随着人们健康意识和环保意识的增强, IC 在食品和环境监控方面的应用研究发展尤为迅速。采用离子色谱可以对食品中各种防腐剂、添加剂等进行分析,并已建立了许多简单、实用的测定方法[1 ] 。但随着离子色谱新技术(色谱柱、检测器、联用技术) 的发展,在食品添加剂、糖类、氨基酸及农药残留等的分析方面有了一些新进展。本文将逐一进行简要介绍。

  1  色谱柱的最新发展
  1. 1  多维柱技术
  以聚乙基苯乙烯- 二乙烯基苯共聚物作为基质的多维柱具有较宽的p H 值使用范围,与和水混溶[0~100 %(v/ v) ]的普通反相有机溶剂有良好的兼容性。它不仅可以用于离子交换色谱、还可以用于离子对和反相液相色谱[2 ,3 ] ,正因为多维柱兼具离子交换和反相功能,因此大大扩展了IC 的应用领域,能够解决大量常规HPLC 无法解决的分析问题,特别是对维生素、生物胺等具有很强的选择性。
  1. 2  羟基选择性接枝型离子色谱固定柱
  制约氢氧根淋洗液发展的主要原因是: (1) 在氢氧根淋洗液的配制过程中极易带进二氧化碳,从而形成碳酸盐,对分析结果产生了不利影响; (2) 与碳酸根和碳酸氢根相比较,氢氧根只是一种价态的离子,要在合理条件下同时洗脱不同价态的离子,对固定相要求就更高了; (3) 氢氧根的洗脱能力相对比较弱,因此要采用比较高的浓度进行洗脱,对抑制器的要求也就更高了。但随着近年来离子色谱技术的开发,特别是无试剂离子色谱的提出、新型固定相的研制和更高水平抑制技术的开发,羟基选择性离子色谱固定相已成为离子色谱固定相发展的一个新方向。
  1,3  静电离子色谱和仿生离子色谱
  静电离子色谱又称为两性离子色谱,是胡文治等最先提出的[4 ,5 ] ,它是在反相离子色谱固定相上涂覆两性离子。使固定相具有阴阳离子两性的特征。早期的研究认为只要用纯水就可以同时分离不同的离子,但后来的研究发现实际分离过程是同一离子的不同对离子形态也会形成多个色谱峰。为了解决这一问题,静电子色谱建立了一系列类似于常规离子色谱分离方式,虽然这些分离与常规离子色谱有一些保留方面的差异,但总体而言,静电离子色谱在分离和检测上并没有明显的优势,而涂覆型色谱柱的稳定性和p H 的适用范围,使静电离子色谱在实际推广上受到很大限制。近年来,静电离子色谱技术向涂覆生物活性材料方向发展,模拟生物膜的交换体系,有望成为仿生色谱技术[ 6 ] 。
  1.4  可变交换容量的固定相
  常规离子色谱树脂离子交换场所为点状的阴、阳离子基团,而新型的离子色谱树脂可以是环状或球状的交换基团,穴状配体(Cryptand) 树脂就是一个例子[ 7 ,8 ] ,十年前就有人采用穴状配体作为离子色谱固定相,Dionex 将穴状配体键合到树脂填料并使其商品化[9 ] 。穴状配体阴离子树脂最明显的特征是离子交换保留强度随着对离子的不同而不同,对阳离子的半径越大,树脂的环状阳离子交换基团越能吸引阴离子,交换强度就越大。利用这类固定相的特点,就可以采用不同的阳离子淋洗液来控制保留的强弱,也可以利用对离子的不同进行梯度淋洗。
  1.5  涂覆型高效离子色谱固定相
  常规涂覆型离子柱是将阳离子表面活性剂或阴离子表面活性涂覆在反相HPLC 色谱柱上。这类涂覆型离子色谱柱虽然价格便宜,涂覆可以反复进行,但往往柱效不高(一般在10 000~20 000 塔板数/米) ,仅为常规反相HPLC 柱效的1/ 5 ,而交换容量却往往偏高,这样的低柱效与普通的离子色谱柱相比,没有任何优势。通过改变涂覆方式和涂覆条件,特别是利用非离子表面活性剂[10 ,11 ] ,使新型的涂覆型离子色谱柱效达到了70 000 塔板数/ 米,远远高于目前最好的商品化离子色谱柱,除去抑制器对柱效的影响,这类柱的柱效基本上与HPLC 柱相似。
  1.6  整体式离子色谱固定相
  整体式液相色谱柱是近10 年液相色谱的一个新热点,它的高效、高速和低压使传统液相色谱、毛细管电泳和毛细管电色谱又提高到一个新的高度。而整体式离子色谱柱能够在很低的压力下实现分离,可以将离子色谱的流速和效率大大提高,使普通离子色谱分离以min 为保留时间单位缩短到以sec为时间单位,在不改变离子色谱稳定性的前提下,使分离时间缩短至毛细管电泳的水平[12 ] 。
  1.7  芯片式离子色谱固定相
  与整体式离子色谱柱一样,芯片式离子色谱固定相具有体积小、分离速度快、柱压低和灵敏度高的特点[13 ,14 ] ,但芯片的制作,以及芯片与常规离子色谱检测的联用,还将是一个有待解决的问题。

  2  检测器的最新发展
  2.1  抑制电导检测
  新一代抑制器提供了很高的灵敏度。这种抑制器是由美国戴安公司推出的新型Atlas 抑制器,它是SRS 的改进型,Atlas 较SRS 更坚固耐用,抑制效率更高,基线更稳定,噪声更小。由于新抑制器在使用中基线稳定,噪声小,可直接进样分析到ng/ mL水平,对高氯酸可分析到ng/ L 水平[15 ] 。
  2.2  脉冲安培检测器
  脉冲安培检测器的发展源于糖的检测。糖类虽可以在金或铂电极表面上氧化,但氧化反应的产物会毒化电极表面,受毒化的电极表面的特征将改变,从而使基线漂移、背景噪声增高和响应值减小。为了在发生氧化反应后能够除去电极表面的产物,恢复工作电极的性能,需要在测定电压后于工作电极上先施加一个较高的正电位,再施加一个较高的负电位,以除去电极表面上可氧化或可还原的物质,由此研制出脉冲安培检测器。脉冲安培检测已逐步取代光学检测法,成为糖类[16 ,17 ] 以及各种聚醇[18 ] 等多羟基化合物分析的一种重要检测手段。
  2.3  积分安培检测器
  积分安培检测器是对脉冲安培检测器的改进,与普通脉冲安培检测器的区别在于: 普通的脉冲安培检测在一个脉冲周期内对电流积分所施加的电位是单一的,因此对电流的测量是基于单次脉冲;而积分安培检测对工作电极施加的是一个对应时间波形的循环电位,因此,测量时是在整个循环过程中连续进行的。积分安培检测机理是连续对工作电极施加循环电位,使金属电极表面形成金属氧化物,这些金属氧化物对金属表面的待测物质氧化起催化作用。因此对于那些具有孤对电子的物质,如有未成键电子对基团N , S 的胺[ 19 ] 和硫化物等的测定,该检测方法是很适用的。
  2.4  荧光检测器
  荧光检测器具有极高的灵敏度和选择性,在离子色谱分析中的应用也有了很大的发展。随着离子色谱分离适用范围的扩大,大环类化合物可以采用荧光检测器进行高灵敏和高选择性的检测,这在生物和环境分析中尤其适用。如通过阴离子交换色谱交换分离、荧光检测可以很好的分离检测吲哚乙酸、吲哚丁酸,分析中采用多维柱OmniPac PAX500 ,0. 01 mol/ L Na2 CO3 ,0. 45 v/ v CH3OH 作为淋洗液, 荧光检测激发波长为286nm , 发射波长为360nm[18 ] 。

  3  离子色谱- 质谱( IC- MS) 联用技术的发展
  近年来,MS 因具有高灵敏度和高选择性的检测能力及对未知化合物的在线定性能力而逐步成为高效液相色谱的一种多功能检测技术。随着LC -MS 联用技术的发展,已有了几种不同的接口技术,较常见的有: 离子束界面、热喷射( TSP) 、电子冲击( EI) 、阴极化学离子化离子束界面(NCI) 、离子喷射大气压力等。以上接口技术也可用于IC - MS。为了克服流动相电解质带来的问题,很多报道中采用在IC 色谱柱之后、MS 接口之前接抑制器。Kim 等人采用阴离子交换色谱- UV - 离子束MS ,在色谱柱后、MS 接口前接抑制器,成功地分析了水环境样品中的芳香磺酸[20 ] 。Ahrer W 等使用离子交换色谱- 大气压力离子化MS ,在接抑制装置和不接抑制装置两种情况下,使用多种流动相(包括碳酸盐、硫酸盐、草酸盐、柠檬酸盐等) 分别对水中常规低分子量的无机和有机阴离子以及卤氧离子等进行分析和检定[21 ] ,分离检测效果良好。另外, IC- MS 对于测定含有杂原子的农药特别适用。

  4  离子色谱的应用进展
  4. 1  食品添加剂分析
  4. 1. 1  防腐剂采用离子色谱抑制电导检测分离了苯甲酸和山梨酸,分离柱为两根Dionex HPLC - A G 保护柱,1. 5mmol/ L Na2 CO3 作为淋洗液, 分离快速而准确[12 ] 。较常见的防腐剂苯甲酸以及尼泊金系列防腐剂,如对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸丁酯的测定, 采用A G9HC 分离柱,1mmol/ L Na2 CO3 和5mmol/ L NaOH 淋洗液,抑制电导检测和紫外检测联用( 紫外检测波长为254nm) ,分离效果和线性关系都比较好[23 ] 。
  4. 1. 2  酸味剂
  食品中常见的酸味剂如柠檬酸、苹果酸、乳酸、琥珀酸等,可以采用离子排斥(如Dionex IonPacICE2AS6) 和离子交换(如Dionex IonPac AS11 等)两种离子色谱方法进行分析。近年来随着色谱柱效的提高,离子交换色谱可以直接用于有机酸和无机阴离子的同时分析,这些方法也可直接用于分析酒类和烟草中的各种有机酸和无机阴离子[16 ,17 ,24 ] 。
  4. 1. 3  甜味剂
  甜味剂多为糖类或聚醇类物质,其测定方式与糖类相同,以食品中常用的甜味剂糖精的测定为例来说明, 采用8. 0 mmol/ L Na2 CO3 + 5. 0 mmol/ LNaOH 作为淋洗液,在阴离子交换分离柱AS - 4 上分离,抑制电导检测,常规阴离子不干扰测定,对饮料样品可直接进样分析[25 ,26 ] 。新型免试剂离子色谱也可以用于包括甜蜜素、糖精在内多种甜味剂的同时分析[27 ] 。
  4. 2  糖类分析
  由于糖在碱性条件下阴离子化对在恒电位下的金电极或铂电极安培检测会产生响应值,因此可采用高灵敏度和选择性的脉冲安培检测器- 离子色谱对糖类进行分析。在分析葡萄糖,果糖,蔗糖等的过程中[ 28 ] ,采用NaOH 作为淋洗液,在阴离子分离柱上分离糖类,金电极脉冲安培检测器检测,分析效果较好;采用NaOH 作为淋洗液,在阴离子交换柱上分离各种聚合糖醇,以脉冲安培检测[29 ,30 ] ,该方法相对于分析聚醇常使用的GC 衍生法来说,分析时间短,回收率高。与HPLC 相比较,采用脉冲安培检测离子色谱法测定糖类有许多优越性。就检测器而言,通常HPLC 采用光学检测器,而糖类的光学特征差,因此采用HPLC- 示差折光检测分析糖类,其检测灵敏度和选择性比较低,无法完全满足痕量生化分析的要求。而采用脉冲安培检测,提高了分析的灵敏度和选择性,对痕量生化样品及基体复杂的样品分析具有优势。如果采用梯度淋洗,以金电极为工作电极、Ag/ AgCl 电极为参比电极,脉冲安培检测分析不同类型糖等[31 ] ,不仅分析时间缩短,检测限可低至几十个ng/ L ,可以直接用于海水沉积物中痕量糖的测定。对于分析成分更复杂的糖类化合物如不同聚合度的麦芽糖、果糖等多糖时,常用NaOH 与醋酸钠进行梯度淋洗,其中醋酸钠在淋洗过程中主要起推进作用,对淋洗液的p H 值不会产生影响。
  4. 3  氨基酸分析
  目前氨基酸分析较常用的方法是高效液相色谱分离和柱前或柱后衍生紫外[ 32 ] 或荧光检测[ 33 ] ,这种方法已非常成熟。然而衍生反应总会影响测定的灵敏度和准确性。由于氨基酸是一种酸碱两性化合物,因此即可采用阳离子交换,又可采用阴离子交换进行分离。虽然采用离子交换色谱间接电导检测法可以测定氨基酸[22 ] ,但该法采用的是活性的流动相,实际测定过程有一定局限性。在强酸性或强碱性条件下,几乎所有氨基酸都能在铂电极或金电极上产生响应,而这种现象产生的原因是金属电极表面生成的氧化物对氨基酸氧化起催化作用[35 ] 。根据氨基酸的这种特性,采用离子交换色谱- 安培检测可实现氨基酸的直接分离检测。
  阳离子交换分离氨基酸,一般采用高氯酸作为淋洗液,梯度洗脱,铂电极为工作电极,参比电极为氢离子选择电极。然而该方法存在一定的局限性,如对于强酸性氨基酸,其在阳离子交换柱上保留很弱,分辨率很差,并且有部分氨基酸如酪氨酸、苯丙氨酸等在酸性条件下不稳定,因此氨基酸多采用阴离子交换法分离[19 ,36 ,37 ,38 ,39 ] ,在此条件下几乎所有氨基酸都处于阴离子状态。由于不同氨基酸结构差异很大,同时分离20 种常见氨基酸,一个固定浓度的淋洗液条件是不可能完成的,必须采用梯度淋洗。阴离子交换分离氨基酸,目前常采用较复杂的氢氧化钠/ 醋酸钠作梯度淋洗,金电极为工作电极,p H电极为参比电极,积分脉冲安培检测[40 ,41 ] ,能同时测定17 种α- 氨基酸及部分糖类和糖胺,大部分氨基酸的检测限可达到fmol 范围。
  4. 4  农药测定
  大多数农药结构复杂、品种繁多,虽然大多数可用HPLC或者GC分析。然而对部分不具光学吸收且能够离子化的化合物而言,离子色谱是较好的选择。草苷膦是一种除草剂,在农业生产中应用广泛。但它在环境中不易降解,并且易溶于水,可对环境造成污染。由于草苷瞵对光弱吸收,采用HPLC 分离需要进行衍生或低波长紫外吸收,致使测定耗时且灵敏度不高。而草苷膦在水中有较大的电离,采用离子色谱抑制电导检测, 分析柱为AS4SC ,9mmol/ L Na2 CO3 和4mmo/ L NaO H 为淋洗液,流速为1. 5mL/ min ,在此条件下,常规阴离子对分离无干扰,该方法可直接用于环境水样中痕量草苷膦的测定[ 42 ] 。
  三嗪类除草剂作为一种阳离子形态有机化合物可以用阳离子交换柱分离,在紫外波长为230nm 处检测。采用CG- 12 阳离子交换分离柱- 紫外检测,淋洗条件为0. 2mol/ L H2 SO4 + 25/ 100 ( v/ v )CH3 CN ,能够得到较好的分离检测[ 30 ] 。
  对氯苯氧乙酸是一种常见的农药,由于其含有羧酸结构,因而可采用阴离子交换色谱分离- 抑制电导检测[44 ] ,分离柱为Ionpac A G3SC + AS4SC ,流动相为0. 8 mmol/ L Na2 CO3 + 0. 5 mmol/ L NaOH ,抑制电导检测,能够将其与常规阴离子很好的分离。该方法可用于对对氯苯氧乙酸和工业级产品的测定。由于各种氯代乙酸可在水中离解,因此采用离子色谱交换法进行分析,如使用Ionpac A G9HC +AS9HC(2mm) 阴离子色谱柱,15 mmol/ L Na2 CO3和5 mmol/ L NaOH 为淋洗液,抑制电导检测,用于乙酸、一氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸的分析,分析效果比较好[45 ] 。
  吲哚乙酸和吲哚丁酸均为植物生长调节剂,其测定除了荧光检测中所提到的方法外[8 ] ,还可以采用离子色谱法- 抑制电导检测法[33 ] ,该方法采用的色谱柱为Ionpac A G3SC + AS4SC , 淋洗液为3mmol/ L Na2 CO3 + 3 mmol/ L NaO H ,抑制电导检测器检测。
  4. 5  其它化合物分析
  离子色谱对毒物的测定也有广泛的应用。J aime 等采用离子交换色谱柱- 电化学氧化荧光检测- MS 对海产品中常见的PSP 毒素进行测定,分析结果准确可靠,该方法可用于测定浮游植物和监控海产品中PSP 的含量[ 47 ] 。对于一些常见的毒物如苯酚等一些酚类物质的分离,采用离子色谱法也能获得良好的分离效果[48 ] 。

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作者: 未知 2009-7-14
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