探索色谱和质谱分析技术

1903年，俄国科学家首创了一种从绿叶中分离多种不同颜色色素成分的方法，命名为色谱法（Chromatography），由于翻译和习惯的原因，又常称为层析法。之后，层析法不断发展，形式多种多样。20世纪50年代开始，相继出现了气相色谱、液相色谱、高效液相色谱、薄层色谱、离子交换色谱、凝胶色谱、亲和色谱等。几乎每一种层析法都已发展成为一门独立的生化高新技术，在生化领域内得到了广泛的应用。

色谱技术作为一种物理化学分离分析的方法，是从混合物中分离组分的重要方法之一，能够分离物化性能差别很小的化合物。当混合物各组成部分的化学或物理性质十分接近，而其它分离技术很难或根本无法应用时，色谱技术愈加显示出其实际有效的优越性。色谱技术操作较简便，设备不复杂，样品用量可大可小，既可用于实验室的科学研究，又可用于工业化生产，它与光电仪器、电子计算机结合，可组成各种各样的高效率、高灵敏度的自动化分析分离装置。

（一）色谱技术的分类

1. 按两相所处的状态分类

以液体作为流动相，称为液相色谱（Liquid Chromatography）；用气体作为流动相，称为气相色谱（Gas Chromatography）。固定相也有两种状态，以固体吸附剂作为固定相和以附载在固体上的液体作为固定相，所以层析法按两相所处的状态可以分为液-固色谱（Liquid-Solid Chromatography）、液-液色谱（Liquid-Liquid Chromatography）、气-固色谱（Gas-Solid Chroma-tography）、气-液色谱（Gas-Liquid Chromatography）。

2. 按层析过程的机制分类

（1）吸附色谱法（Absorption Chromatography）利用吸附剂表面对不同组分物理吸附性能的差别，而使之分离的色谱法称为吸附色谱法。

（2）分配色谱法（Partition Chromatography）利用固定液对不同组分分配性能的差别而使之分离的色谱法称为分配色谱法。在分配色谱法中，溶质分子在两种不相混溶的液相即固定相和流动相之间按照它们的相对溶解度进行分配。固定相均匀地覆盖于惰性载体-多孔的或非多孔的固体细粒或多孔纸上。为避免两相的混合，两种分配液体在极性上必须显著不同。若固定液是极性的（如乙二醇），流动相是非极性的（如乙烷），那么极性组分将较强烈的被保留。另一方面，若固定相是非极性的（如癸烷），流动相是极性的（如水），则极性组分易分配于流动相，从而洗脱得较快。后一种方法称作反相液-液色谱法。

（3）离子交换色谱法（Ion Exchange Chromatography）离子交换色谱基于所研究或所分离物质的阳或阴离子和相对应的离子交换剂间的静电结合，即根据物质酸碱性、极性等差异，通过离子间的吸附和脱吸附而将电解质溶液各组分分开。离子交换色谱包括离子交换剂平衡，样品物质加入和结合，改变条件以产生选择性吸附、取代、洗脱和离子交换剂再生等步骤。

（4）排阻色谱法（Eclusion Chromatography）排阻色谱法也称凝胶层析（Gel Chromatog-raphy）、分子筛层析（Molecular Sieve Chromatograyphy）是按分子大小的差异进行分离的一种液相色谱方法。排阻色谱的固定相多为凝胶。凝胶是一种由有机分子制成的分子筛，其表面呈惰性，含有许多不同大小孔穴或立体网状结构。凝胶的孔穴大小与被分离组分大小相当，不同大小的组分分子可分别渗到凝胶孔内的不同深度。尺寸大的组分分子可以渗入到凝胶的大孔内，但进不了小孔，甚至完全被排斥，先流出色谱柱。尺寸小的组分分子，大孔小孔都可以渗进去，最后流出。因此，大的组分分子在色谱柱中停留时间较短，很快被洗出。小的组分分子在色谱柱中停留时间较长。经过一定时间后，各组分按分子大小得到分离。

3. 按固定相分类

（1）柱层析（Column Chromatography）将固定相装于柱内，使样品沿一个方向移动而达到分离。

（2）纸层析（Paper Chromatography）用滤纸做液体的载体，点样后，用流动相展开，以达到分离鉴定的目的。

（3）薄层层析（Thin Layer Chromatography）将适当粒度的吸附剂铺成薄层，以纸层析类似的方法进行物质的分离和鉴定。

（二）色谱技术在食品检验中的应用

目前农药残留分析中的气相色谱法主要以毛细管柱气相色谱法为主。由于农药的种类很多，不同类型农药的结构差异很大，而每一种检测器仅能对一类或几类原子和官能团进行响应，因而不同类型的农药常常需要采用不同类型的检测器，又由于农药的残留量一般都很低，所以采用的检测器一般为高性能的选择性检测器，如分析有机氯类和拟除虫菊酯类农药采用电子捕获检测器，分析有机磷农药采用火焰光度检测器，分析氨基甲酸酯类农药采用氮磷检测器等。

高效液相色谱在农残测定中常用的色谱柱是反相的C8柱、C18柱，常用的检测器有紫外检测器、二极管阵列检测器、荧光检测器以及极具应用潜力的蒸发光散射检测器。其中，荧光检测器当前应用较多，根据氨基甲酸甲酯类农药在碱性条件下易产生甲胺，甲胺与苯二醛反应能产生高灵敏度荧光的特点，可用柱后衍生法、荧光检测器测定氨基甲酸甲酯类农药残留量，检测灵敏度明显高于紫外检测器。

质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，利用电场和磁场使其发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

（一）质谱仪的组成

质谱仪包括进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器、控制电脑及数据分析系统。离子源和质量分析器是质谱仪的核心，其它部分一般是根据离子源和分析器来相应地配备。

1. 进样系统

进样系统的作用是高效重复地将样品引入到离子源中。目前常用的进样系统有三种：间歇式进样系统、直接探针进样系统及色谱进样系统。

2. 离子源

离子源的作用是将进样系统引入的气态样品分子转化成离子，并使这些离子在离子光源系统的作用下会聚成具有一定几何形状和一定能量的离子束。由于离子化所需要的能量随分子不同差异很大，因此对于不同的分子应选择不同的电离方法。在质谱分析中常用的电离方法有电子轰击、离子轰击、原子轰击、真空放电、表面电离、化学电离和光致电离等。

3. 质量分析器

质量分析器的作用是将离子源中形成的离子按荷质比的大小分开，以便进行质谱检测。质量分析器可分为静态和动态两类。

4. 离子检测器

离子检测器的作用是将从质量分析器出来的微小离子流接收、放大，以便记录。最常用的离子检测器有法拉第杯、电子倍增器及照相底片等，其中以电子倍增器最为常用。

5. 真空系统(www.xing528.com)

真空系统提供和维持质谱仪正常工作所必需的高真空状态。一般的质谱仪器采用机械泵预抽真空后，再用高效率扩散泵连续运行以保持真空。先进的质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。

6. 电学系统

电学系统在现代质谱仪器中占相当大的比重，它使仪器获得生命力。电学系统为质谱仪器的每一个部件提供电源和控制电路，它的性能直接影响质谱仪器的主要技术指标和质谱分析的效果。

所有质谱仪必须有以下几个技术指标：①质量范围——表示质谱仪所能分析的样品的原子或分子的质量由最小到最大的区间；②分辨率——表示质谱仪鉴别相邻质量离子束的能力，即区分相邻质谱峰的能力；③灵敏度——表示质谱仪中样品的消耗与接收到的信号之间的关系；④丰度灵敏度——描述强离子峰的拖尾对近弱离子峰的影响；⑤精密度——用以衡量测量结果之间的离散程度。

（二）质谱技术的分类

质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类。

1. 有机质谱仪

由于应用特点不同，有机质谱议又分为以下三种。

（1）气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，分为气相色谱-飞行时间质谱仪、气相色谱-离子阱质谱仪等。将两种仪器连接起来，利用气相色谱分离混合物，把分离开的样品组分再送入质谱仪中定性。这样既发挥了各自的优势，也弥补了各自的不足。至今，气相色谱-质谱联用已成为一种重要的分离分析手段。

（2）液相色谱-质谱联用仪（LC/MS）如液相色谱-离子阱质谱仪、液相色谱-飞行时间质谱仪等。

（3）其它有机质谱仪 主要有基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOF-MS）、傅里叶变换质谱仪（FT-MS）等。

2. 无机质谱仪

无机质谱仪与有机质谱仪工作原理不同的是物质离子化的方式，无机质谱仪是以电感耦合高频放电（ICP）或其它的方式使被测物质离子化。无机质谱仪主要用于无机元素微量分析和同位素分析等方面，分为火花源质谱仪、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪、辉光放电质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪等。

3. 同位素质谱仪

同位素质谱分析法的特点是测试速度快，结果精确，样品用量少（微克级），能精确测定元素的同位素比值。广泛用于核科学、地质年代测定、同位素稀释质谱分析、同位素示踪分析。

因为有些仪器带有不同附件，具有不同功能，而且有的质谱仪既可以和气相色谱相连，又可以和液相色谱相连，因此以上的分类并不十分严谨。在以上各类质谱仪中，数量最多、用途最广的是有机质谱仪。除上述分类外，还可以从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为双聚焦质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅里叶变换质谱仪等。

（三）质谱技术在食品检测中的应用

近年来，随着对农药残留研究的不断深入，农药残留检测方法日趋完善，并向简单、快速、灵敏、低成本、易推广的方向发展。其中GC/MS分析方法因具有准确、灵敏、快速、同时测定食品中多种农药残留及代谢物的优点而被广泛采用。传统的分析方法常常采用气相色谱的各种选择性检测器，但它们只能对一类农药进行分析检测，而且仅仅依靠保留时间定性，不适合进行多残留分析。GC/MS方法可以同时检测多种类型的农药，而且对检测对象可进行准确定性、定量。此外，GC/MS方法也可应用于非法添加的盐酸克伦特罗的检测。盐酸克伦特罗俗称“瘦肉精”，是强效选择性β-受体激动剂。人体过量地摄入这种药物会发生中毒，因此很多国家严禁使用含有此类药物的动物饲料。在肉样分析中可以应用固相萃取与气相色谱-质谱联用检测盐酸克伦特罗的残留量。

小结

随着科学技术的进步，食品安全检测高新技术的发展十分迅速，其它学科的先进技术不断应用到食品安全检测领域中来，大大提高了食品安全检测的灵敏度和准确性。近年来，食品行业的科研人员在应用化学比色技术、分子生物学技术、酶抑制技术、免疫分析、纳米技术以及生物传感器等技术的基础上，开发出了许多自动化程度和精度都很高的食品安全快速检测仪器，实现了农药残留、兽药残留、微生物、重金属、毒素、添加剂等检测的快速筛选。因此，食品安全检测高新技术是多学科先进技术融合的结晶，必将在食品安全检测方面发挥重要作用。

思考题

1. 生物芯片和生物传感器的种类有哪些？举例说明其在食品安全检测中的应用。

2. 酶联免疫吸附和PCR检测技术的原理是什么？其在食品安全检测中的应用有哪些？

3. 紫外可见光谱及红外光谱在食品安全检测方面有哪些应用？举例说明。

4. 举例说明原子光谱分析技术在食品检测中的应用。

5. 质谱技术在农药残留检测中有哪些应用？

6. 气相色谱分析技术在食品检测中有哪些应用？