食品樣品前處理在分析實驗過程中占有重要的地位,快速、簡便、自動化的前處理技術不僅省時、省力，甚至對實驗結果也起著至關重要的作用。

 

　　在分析工作中,試樣的前處理是一個十分重要的步驟,一些難分解的樣品有時成為分析測定中的主要問題。隨著現代科學技術的迅速發展,分析儀器的自動化水平不斷提高,特別是應用了各種高新技術的精密分析儀器以及現代電子技術、計算機技術的引入極大地推動了分析化學的發展。作為分析化學的重要組成部分———樣品前處理技術也得到了迅速發展。

 

樣品前處理的地位

　　在一個完整的樣品分析過程中,大致可以分為4個步驟:①樣品采集;②樣品前處理;③分析測定;④數據處理與報告結果。其中樣品前處理所需時間最長,約占整個分析時間的三分之二。通常分析一個樣品只需幾分鐘至幾十分鐘,而分析前的樣品處理卻要幾小時。因此樣品的前處理是分析過程中一個重要的步驟,樣品前處理過程的先進與否,直接關系到分析方法的優劣。由于樣品前處理過程的重要性,樣品前處理方法和技術的研究已經引起了廣泛關注。

 

樣品前處理技術分類

　　按照樣品形態來分,樣品前處理技術主要分為固體、液體、氣體樣品的前處理技術。固體樣品的前處理技術主要有索氏提取、微波輔助萃取、超臨界流體萃取和加速溶劑萃取等。液體樣品的前處理技術主要有液-液萃取、固相萃取、液膜萃取、吹掃捕集、液相微萃取等。氣體樣品的前處理方法有固體吸附劑法、全量空氣法等。

 

樣品前處理技術的發展

　　在樣品前處理技術中,目前使用最廣泛的仍然是經典方法,主要是技術上得到了進一步完善,相應的新材料、新試劑、新方法得到了發展,更方便實用的設備被不斷開發出來。

　　(1)制樣:開發出了精巧高效的粉碎設備,如高速粉碎機、超聲粉碎機等,這些粉碎機的研發極大地提高了制樣的效率和試樣的質量。

　　(2)樣品分解及提取:形成了完整的各類熱分解、酸分解、堿分解、融熔鹽分解、酶分解體系,包括干法、濕法等各種方法。設備方面有自動控制高溫爐、自控振蕩器、超聲波提取器等。

　　(3)樣品分離富集包括以下幾種方法:

　　沉淀法:形成了無機沉淀、有機沉淀、共沉淀等完整的體系。

　　蒸餾揮發法:掃集共蒸餾技術使蒸餾法應用范圍大大擴展,冷原子吸收法測汞儀是掃集共蒸餾技術應用的一個典型事例。

　　溶液萃取分離法:在無機分析方面鰲合物萃取體系、離子締合物萃取體系及酸性磷類萃取體系廣泛應用于痕量元素的萃取分離;而有機溶劑的液-液萃取在有機物分析上是一種有效的提純手段。

　　離子交換法:新的離子交換劑的出現,使這一傳統方法擴展了應用領域。

　　吸附法:在無機領域使用黃原棉等吸附劑,在有機領域,硅膠、活性碳、多孔高分子聚合物等應用最廣泛。

　　色譜法:薄層色譜法、萃取色譜法、柱色譜法、離心色譜法、高壓液相色譜法、毛細管色譜法等在各自的領域發展很活躍,色譜法的發展代表了分離富集技術發展的主要方向。

 

樣品前處理技術研究進展

　　1.微量化

　　隨著終端檢測儀器的迅速發展,用于檢測的樣品量越來越少,與之相對應的樣品前處理體系也隨之向微量化方向發展。微量化首先在醫學領域的檢測中到廣泛的應用。

　　2.新方法和新技術

　　新方法和新技術的發展有的是對傳統方法的改進,有的則是引入新原理和技術。近年來發展較快的樣品前處理技術有以下幾種:

　　1)超臨界流體萃取

　　超臨界流體是流體界于臨界溫度及壓力時的一種狀態,超臨界流體萃取的分離原理是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系,即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行萃取的。它克服了傳統的索式提取費時費力、回收率低、重現性差、污染嚴重等弊端,使樣品的提取過程更加快速、簡便,同時消除了有機溶劑對人體和環境的危害,并可與許多分析檢測儀器聯用。在醫藥、食品、化學、環境等領域應用最為廣泛。

　　2)固相微萃取

　　其原理是將各類交聯鍵合固定相融溶在具有外套管的注射器內芯棒上,使用時將芯棒推出,浸于粗制樣液中,待測組分被吸附在芯棒上,然后將樣針芯棒直接插入氣相或液相色譜儀的進樣口中,被測組分在進樣口中將被解析下來進入色譜分析。這項技術具有操作簡單、分析時間短、樣品用量小、重現性好等優點。固相微萃取通過利用氣相色譜、高效液相色譜等作為后續分析儀器,可實現對多種樣品的快速分離分析。通過控制各種萃取參數,可實現對痕量被測組分的高重復性、高準確度的測定。

　　3)凝膠自動凈化裝置

　　凝膠滲透色譜是液相分配色譜的一種,其分離基礎是溶液中溶質分子的體積大小不同。凝膠自動凈化就是利用凝膠滲透色譜原理來凈化樣品的技術,近年來被廣泛應用于生物、環境、醫藥等樣品的分離和凈化。

　　4)固相萃取技術

　　固相萃取是20世紀70年代后期發展起來的樣品前處理技術,它利用固體吸附劑將目標化合物吸附,使之與樣品的基體及干擾化合物分離,然后用洗脫液洗脫或加熱解脫,從而達到分離和富集目標化合物的目的,該項技術具有回收率和富集倍數高、有機溶劑消耗量低、操作簡便快速、費用低等優點,易于實現自動化并可與其它分析儀器聯用。在很多情況下,固相萃取作為制備液體樣品優先考慮的方法取代了傳統的液—液萃取法,如美國環保署將其用于水中農藥含量的測定。

　　5)液相微萃取

　　液相微萃取的原理是利用待測物在兩種不混溶的溶劑中溶解度和分配比的不同而進行萃取的方法。該項技術集萃取、凈化、濃縮、預分離于一體,具有萃取效率高、消耗有機溶劑少,快速、靈敏等優點,是一種較環保的萃取方法。

　　6)吹掃捕集法

　　吹掃捕集法利用待測物的揮發性,直接抽取樣品頂空氣體進行色譜分析,利用載氣盡量吹出樣品中的待測物后,用冷凍捕集或吸附劑捕集的方法收集被測物。吹掃捕集技術具有快速、準確、高靈敏度、高富集效率等優點,在食品、飲料、蔬菜、藥物等樣品的前處理中展示了廣闊的應用前景。

　　7)膜分離技術

　　膜分離技術是指以選擇性透過膜為分離介質,通過在膜兩側施加某種推動力,如壓力差、濃度差等,使樣品一側中的欲分離組分選擇性地通過膜,低分子溶質通過膜,大分子溶質被截留,以此來分離溶液中不同分子量的物質,從而達到分離提純的目的。一般膜分離是在壓力的作用下進行的,分離過程瞬間完成,因此具有裝置簡單、結構緊湊、設備體積小、更易于操作和實現系統自動化運行等優點。膜分離技術在眾多領域里可以代替離心、沉降、蒸發、吸附等傳統的分離手段,提高了分離效率,降低運行成本,簡化操作。

　　8)熱解吸

　　熱解吸是將固體、液體、氣體樣品或吸附有待測物的吸附管置于熱解吸裝置中,當裝置升溫時,揮發性、半揮發性組分從被解吸物中釋放出來,通過惰性載氣帶著待測物進入GC、GC-MS中進行分析的一種技術。該技術具有靈敏度高、環境污染小等特點,當其與氣相色譜或質譜聯用時,可進行復雜樣品的分析測定,應用范圍較廣。

　　9)微波消解法

　　在微波磁場中,被消解樣品極性分子快速轉動和定向排列,從而產生振動。在較高溫度和壓力下消解樣品,可以激化化學物質,從而使氧化劑的氧化能力大大加強,使樣品表層擾動破裂,并不斷產生新的與試劑接觸的表面,加速了樣品的消解。微波消解法是一種高效省時的現代制樣技術,普遍用于原子光譜分析的樣品前處理。

 

　　3.在線技術

　　在線技術是樣品前處理過程與終端檢測裝置結合在一起實現自動化的技術,今后的發展趨勢就是盡可能使這兩個過程全部結合起來,這樣不但可減輕勞動強度,節省人力,更主要的是可以防止人工操作無法避免的由于個體差異所產生的誤差,提高分析測試的靈敏度、準確度與重現性。

 

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食品樣品的前處理

 

指食品樣品在測定前消除干擾成分，濃縮待測組分，使樣品能滿足分析方法要求的操作過程。

1.無機化處理

采用高溫或高溫下強氧化條件，使食品樣品中的有機物分解并呈氣體逸出，而待測組分被保留下來用于分析的一種樣品前處理方法。

1）濕法消化（wet digestion）

加入氧化性強酸，加熱破壞有機物，使待測的無機成分釋放出來，以便分析測定。

①方法特點

優點：分解有機物速度快、所需時間短；

加熱溫度低，減少待測組分的揮發損失。

缺點：消化過程產生大量有害氣體，操作必須在通風櫥中進行；

試劑用量較大，有時空白值高；

消化初期，反應劇烈產生大量泡沫，樣品可能溢出；

樣品可能出現炭化，使待測組分損失。

②常用的氧化性強酸

a）硝酸

濃硝酸（65％～68%,14mol/L),沸點121.8℃具有較強的氧化能力，能將樣品中有機物氧化成CO2和H2O，自身還原成NO2。單獨使用硝酸不能完全分解有機物，因此常常與其他酸配合使用。

幾乎所有的硝酸鹽都溶于水，但易與錫和銻形成難溶的偏錫酸（H2SnO3）和偏銻酸（H2SbO3）或其鹽。

b）高氯酸（65%～70%，11mol/L）

能與水形成恒沸溶液，沸點203 ℃。熱的高氯酸是強氧化劑，氧化能力較硝酸和硫酸強，幾乎所有的有機物都能被它分解。高氯酸沸點適中，氧化能力持久，用于消化食品樣品速度快，過量的高氯酸易除去。但一般不單獨用高氯酸氧化樣品，而使用硝酸和高氯酸的混合酸分解有機物。

除K＋和NH4＋鹽外，一般高氯酸鹽都溶于水。

c）硫酸 稀硫酸沒有氧化性，熱的濃硫酸（98%，18mol/L）有較強氧化性，對有機物有強烈的脫水作用，可使食品中的蛋白質氧化脫氨。硫酸沸點高（338 ℃），不易揮發損失。硫酸的氧化能力不如高氯酸和硝酸強，硫酸與堿土金屬（Ca、Mg、Ba和Pb）形成的鹽在水中溶解度較小。

③常用消化方法

a）硫酸消化法

凱氏定氮法測定食品中蛋白質含量采用硫酸消化法，同時加入硫酸鉀和硫酸銅，蛋白質中的氮轉變成硫酸銨留在消化液中，不會進一步氧化成氮氧化物而損失。

b）硝酸－高氯酸消化法

可采取兩種方式：一是先加硝酸消化，待大量有機物分解后再加高氯酸；二是事先以一定比例（一般為HNO3＋HClO4＝4+1）配制混合酸，將樣品浸泡過夜，次日消化。該法氧化能力強，消化速度快，消化溫度較低，揮發損失少。消化時應特別注意安全。含酒精和含油脂較多組分，不宜采用此法。

c）硝酸－硫酸消化法

加入兩酸混合液或先加硫酸，加熱使有機物分解、炭化，然后不斷補加硝酸。此法不宜做食品中堿土金屬的分析。對含大量脂肪和蛋白質的樣品，消化后期可加入少量高氯酸或過氧化氫，加快消化速度。

④消化操作技術

a）敞口消化法：通常在凱氏燒瓶或硬質錐瓶中進行，是最常用的消化方法。

b）回流消化法

測定含揮發性成分的樣品時，可在回流消化裝置中進行，避免被測組分揮發損失。

c）冷消化法

又稱低溫消化。將樣品與消化液混合后置于室溫或37～40 ℃烘箱內，放置過夜。低溫消化可避免易揮發元素的損失。僅適于含有機物較少的樣品。

d）密封罐消化法

采用壓力密封消化罐和少量消化液，在一定壓力下對樣品消化。將密封罐置于150℃烘箱中保溫2h。由于在密閉容器中消化液的蒸氣不能逸散，產生較高壓力，提高了消化劑的利用率。此法樣品用量一般小于1g，只需加30%的過氧化氫和一滴硝酸即可，空白值較低。

e）微波消解法

在2450MHz的微波電磁場作用下，微波穿透容器直接輻射到樣品和試劑的混合液中。吸收微波能量后，使消化介質的分子相互摩擦

２）干灰化法（dryashing）

將樣品置于磁坩堝中，先在電爐上脫水、炭化，再置于500～600℃高溫爐中灼燒灰化。有機物分解，留下無機物供測定。產生高熱。同時交變電磁場使介質分子極化，高頻輻射使極化分子快速轉動，產生猛烈摩擦、碰撞和震動，使樣品分解。微波消解試劑用量小，空白值低；使用密閉容器，減少了對外界的污染。

①方法特點

操作簡便，基本不加或加很少試劑，因而空白值很低。

②提高干灰化法回收率的措施

a）加入助灰化劑

為加速有機物氧化，防止某些組分揮發或被坩堝吸留，可加適量助灰化劑。如測食品中碘時可加氫氧化鉀使碘元素變成難揮發的碘化鉀，減少損失；測砷時可加氧化鎂和硝酸鎂，使砷轉變成難揮發的焦砷酸鎂（Mg2As2O7），常常將氧化鎂襯墊在坩堝底減少坩堝吸留。

b）采用適宜的灰化溫度

應選擇盡可能低的溫度灰化，但溫度過低會延長灰化時間。通常選550 ± 25℃灰化4h，一般不超過600℃。

近年發展了低溫灰化技術，將樣品放在低溫灰化爐中，先將爐內抽至近真空，并通入氧氣，用射頻照射使氧氣活化，在低于150℃下便可是有機物全部灰化。但目前低溫灰化爐價格昂貴，尚難普及。

2.干擾成分的去除

測定各種有機成分時，可采用多種前處理方法，將待測的有機成分與基體或其他干擾成分分離后再進行測定。常用分離凈化方法有：

（1）溶劑提取法

根據相似相溶的原則。一般分為浸提法和液－液萃取法。

①浸提法

利用樣品中各組分在某一溶劑中溶解度的差異。

包括：振蕩浸漬法、搗碎法、索氏提取法和

超聲波提取。

②液－液萃取法

利用溶質在兩種不相溶的溶劑中分配系數不同。

如測定動物油脂中的有機氯農藥，可先用石油醚萃取，然后加濃硫酸使脂肪磺化生成極性大的親水性物質，加水反萃取可除去脂肪，有機氯農藥留在石油醚層。

如測定魚肉中的組胺，是以鹽的形式存在于樣品中，需加堿使之生成組胺，用戊醇萃取至有機相中，再加鹽酸，組胺以鹽酸鹽的形式存在，易溶于水，被反萃取至水相，與樣品中其他組分分離。

（2）揮發法和蒸餾法

利用待測組分的揮發性或通過化學反應將其轉變成具有揮發性的氣體，與樣品基體分離，經吸收液收集后用于測定。

①蒸餾法

常壓蒸餾、減壓蒸餾及水蒸氣蒸餾。

②吹蒸法

測定揮發性有機磷農藥，首先用乙酸乙酯提取樣品中的殘留農藥。

取一定量樣液加入填有玻璃棉、砂子的Storherr管中，將管加熱到180～185℃，用氮氣將農藥吹出，經聚四氟乙烯螺旋管冷凝，收集到玻璃管中供測定用。樣品中的脂肪、蠟質、色素等高沸點物質仍留在Storherr管中。達到分離、凈化、濃縮的目的。

③頂空法

一般與氣相色譜聯用。

靜態頂空法：將樣品置于密閉容器中，恒溫加熱一段時間，低沸點組分在容器內揮發達到蒸氣壓平衡，抽取上層蒸氣用于氣相色譜分析。

動態頂空法：在頂空裝置中不斷通入氮氣，使其中揮發性成分隨氮氣逸出，收集于吸附柱中，經熱解吸或溶劑解析后分析。此法操作復雜，但靈敏度高。

④氫化物發生法

用還原劑將待測組分還原成易揮發的氫化物，從基體中分離出來。

氫化物經吸收液吸收后

１）利用顯色反應分光光度法測定；

２）直接導入原子吸收光譜儀測定。

（3）固相萃取

（solid phase extraction，SPE）

1）基本原理和優點

基本原理是樣品在固相（吸附劑）和液相（溶劑）之間的分配。其保留或洗脫的機制取決于被分離物與吸附劑表面的活性基團以及被分離物與液相之間的分子作用力。

洗脫模式有兩種：

一是目標化合物比干擾物與吸附劑之間的親和力更強，因而被保留，干擾物先洗出，然后選用對目標化合物親和力更強的溶劑洗脫目標化合物。

二是干擾物比目標化合物與吸附劑之間的親和力更強，干擾物質被保留，目標化合物直接被洗脫。

采用第一種洗脫方式的較多。

2）裝置和操作

主要裝置是固相萃取柱（SPE小柱），外形類似于注射器針筒，通常選玻璃或聚四氟乙烯作柱體。柱體積1~50ml不等，最常用的是1~6ml。其中吸附劑的粒徑多為40 μm。

操作步驟分為：

①萃取柱預處理②上樣③洗去干擾雜質④洗脫及收集分析物

與液－液萃取相比，固相萃取有以下優點：

①回收率和富集倍數高；②有機溶劑消耗量低，減少環境污染；③采用高效、高選擇性定性吸附劑，被分析物與干擾物分離更有效；④易于處理小體積試樣；⑤操作簡便、費用低，易于實現自動化。

柱中填充物除吸附劑外也可以是離子交換樹脂、凝膠等其它材料，故分離原理可以有吸附、分配、凝膠過濾、親和萃取等。

如測定保健食品中總皂甙，先用水提取，再經AXD－2大孔樹脂柱分離凈化，用分光光度法測定。

有報道將黃曲霉毒素的特異抗體聯到某載體上制成親和柱，用于分析黃曲霉毒素時去除干擾物。

（4）固相微萃取
(solid phase micro-extraction，SPME)

上世紀90年代初發展起來的樣品前處理技術。

1993年美國Supelco公司首先推出了商品化的SPME裝置，在分析化學領域引起了極大反響。1994年權威雜質《Research& Development》將其評為最優秀的100項新產品之一。

分為萃取和解吸兩個步驟：

①萃取過程

將萃取針頭插入帶隔膜塞的固相萃取專用樣品瓶內，壓下活塞使萃取頭纖維暴露在樣液中進行萃取，經過一段時間后，拉起活塞，萃取頭縮回到不銹鋼針頭中，拔出針頭，完成萃取。

可在樣品瓶中加無機鹽、調節pH、加熱或磁力攪拌。

§ 萃取方式有兩種：

§ 一種是將萃取頭直接插入試樣中萃取，適用于液體或氣體樣品中組分的分離。

§ 另一種是頂空萃取，適用于各種基質試樣中揮發性和半揮發性組分的分離。

§ 影響固相萃取靈敏度的因素有：涂層的種類、待測物性質、基質的種類、試樣pH值、鹽濃度、攪拌和加熱情況等。

②解吸過程

將萃取針頭插入分析儀器進樣口，推出石英纖維，進行熱解吸或溶劑解吸。

熱解吸適合于氣相色譜法，萃取針頭放入色譜儀爐箱中熱解吸。

用適當溶劑注入萃取柱中解吸，解吸液進行后續分析。

（5）色譜分離法

柱色譜：常用硅膠、氧化鋁、離子交換樹脂柱。用熒光法測VB2時,用硅鎂吸附劑柱吸附VB2后洗脫測定。

紙色譜法:現有紙色譜分離,將樣點浸出后,再用其它方法測定。分析合成色素時，常用紙色譜分離

薄層色譜法:黃曲霉毒素B1的測定(GB法),先用薄層色譜分離,再用熒光法測定.

（6）超臨界流體萃取

（supercritical fluid extraction，SFE）

與普通液－液萃取或液－固萃取相似，也是在兩相之間進行的一種萃取方法，不同的是所用萃取劑為超臨界流體。

超臨界流體只能存在于超臨界狀態下，是介于氣態和液態之間的一種既非氣態又非液態的特殊流體。

超臨界流體密度較大，與液體相似，可作為溶劑溶解其他物質；

超臨界流體粘度小，又與氣體相近，傳質速度快，表面張力小，很容易進入固體樣品內，使目標分析物易溶于超臨界流體。

不同的物質達到臨界點要求的溫度和壓力不同，改變物質的溫度和壓力，使之超過臨界溫度和臨界壓力，達到超臨界狀態，便可獲得超臨界流體。超臨界流體還是“綠色化學”提倡的清潔溶劑，正逐漸取代實驗室常用的高毒、高污染的有機溶劑。

最常用的超臨界溶劑是CO2，其臨界值較低（臨界溫度31.06℃，臨界壓力7.39MPa）化學性質穩定，不易與溶質發生化學反應，無臭、無毒、沸點低，易與從萃取后的組分中除去，適合于對熱不穩定化合物的萃取。但CO2是非極性分子，不適于極性化合物的萃取。極性化合物的萃取可用NH3或氧化亞氮作萃取劑。

超臨界流體萃取常與色譜分析聯用SFE－GC、 SFE－HPLC、 SFE－SFC（超臨界流體色譜），

用于食品中多環芳烴、多氯聯苯、農藥殘留等測定。

（7）透析法

利用高分子物質不能透過半透膜而小分子或離子能通過半透膜的性質，實現大分子與小分子物質的分離。

如測定食品中糖精鈉含量，可將食品樣品裝入玻璃紙的透析膜袋中，放在水中透析。由于糖精鈉分子較小，能通過半透膜進入水中，而蛋白質、鞣酸、樹脂等高分子雜質不能通過半透膜，仍留在玻璃紙袋中，從而達到分離。

（8）沉淀分離法

利用沉淀反應進行分離。在試樣中加入適當沉淀劑，使被測成分或干擾成分沉淀下來，經過濾或離心達到分離目的。

如測食品中亞硝酸鹽，先加入堿性硫酸銅或三氯乙酸等沉淀蛋白質，使水溶性亞硝酸鹽與蛋白分離。

（9）微波輔助樣品前處理技術

微波是波長在100~0.1cm的電磁波微波輔助消解 微波輔助萃取

微波加熱機理：

常規加熱是由外部熱源通過熱輻射由表及里的

傳導式加熱。

微波加熱是將微波電磁能轉變為熱能，對物質的加熱過程與物質內部分子的極化有密切關系微波的能量不足以破壞化學鍵，但足以引發分子轉動或離子移動，從而產生熱能。

微波加熱的特點：

①加熱速度快 瞬間滲透到被加熱物體中，無需熱傳導過程，比常規加熱快10~100倍。

②加熱均勻 物體各部位能均勻滲透電磁波而產

生熱量，里外同時加熱，避免外焦內生。

③選擇性 介電常數大的溶質和溶劑，對微波吸收強，升溫快。有些非極性溶劑，微波幾乎不起加熱作用。

已有專門微波輔助消解裝置