食品中金属元素形态分析技术及应用研究
发布时间：2021-06-02作者：admin来源：点击：次
金属元素与人的身体健康密切相关,其中钙、钠等常量元素和铁、锰等微量元素对人体生长发育起到重要的作用。研究表明金属元素的形态会对人体摄取金属元素的速度有一定的影响,所以进行金属元素的形态分析有助于提高金属元素利用率,保证人体健康。
“形态”通常是指物质的状态和形式,以下几种是对 “形态”的划分方法介绍。从层次进行划分,例如:溶解态与非溶解态、有机态与无机态等;从物质状态划分:如稳定态和不稳定态等;也可以从分析程度上来划分,如:初级形态分析水平、次级形态分析水平以及高级形态分析水平。分析程度根据检测需要进行确定,一般而言初级形态分析主要研究金属元素的溶解程度,主要是区分金属元素是否溶解;次级形态分析会把金属元素划分到具体范围,例如:离子态与非离子态的划分、络合态和非络合态的划分等;高级形态是在次级形体划分的基础上,进一步研究物质的组成、电荷、价态等,目的在于掌握金属元素的更深层次的性质。
人体需要摄入多种食物,而在这些食物中金属元素会显现不同形态,可借助形态分析技术掌握金属元素的形态及变化规律,有助于人体对金属元素的吸收。
1.物理法
(1)光谱法
①原子发射光谱法。
原子吸收光谱法开始于上世纪五十年代,通常和原子发射色谱法结合使用。当气态和基态的原子核外层电子相互作用之后,能吸收共振发射线,从而对物质内的金属元素进行测量[1,2]。这种方法操作简单、分析时间短,且精确度高、少量试剂即可操作是目前最常用的化学检测手段。随着计算机技术的发展和新型元器件的相继出现,原子吸收光谱仪的精准度、自动化程度在不断提高,检测时间也在逐步缩短,成为目前最重要的检测手段之一。但是这种原子光谱法必须要使用单元素空心阴极灯做锐线光源,并且每种元素都要有专门与之匹配的空心阴极灯,所以每次只能分析一种元素,无法多元素同步进行检测;并且在复合物、高熔点检测中会受到其他因素影响,导致检测结果精准度不够。
②原子荧光光谱法。
这种方法的作用原理是分析待测量元素在一定强度和频率辐射下出现的荧光及荧光的强度来判定元素的含量[2,3]。虽然原子荧光光谱法也属于发射光谱法,但是这种检测方法融合发射和吸收两种检测方法的优点,也具有吸收光谱法的性质。原子荧光光谱法操作简单,且灵敏度高,适用范围广,不容易受到其他因素干扰,可以同时检测多种元素。但是,无法克服散射光的干扰,如果食品中元素含量复杂,则容易出现检测失误。目前,原子荧光光谱法常用于检测水中汞、食品中锡含量,并且在国际上已经把它规定为食品第一检测法。
③X射线荧光光谱法。
这种方法通过测量样品在x射线下的变化来判断样品中含量多少,具有分析速度快、检测准确度高、谱线简单的特点,多用于检测污水中金属元素含量。但是需要在检测之前进行预处理,以免因为杂质对检测机器造成伤害[4]。X射线荧光光谱法不仅能够检测水质金属含量,还常用于食品检测,例如,茶叶及相关制品、蔬果、烘焙食品的检测等。一般在检测之前会调整软件参数,保证检测过程中可以避免基体效应、谱线重叠的影响,从而得到准确的检测结果。
④紫外-可见分光光度法。
紫外-可见分光光度法必须用显色剂和重金属发生络合,反应产生特定颜色的分子团之后才能使用。当待检测物质出现特定颜色的分子团,在一定波长之下便可进行比色检测,可根据比色结果判断待检测物质的含量、种类。紫外-可见分光光度法的优点是使用方便、检测结果精准度高、可用范围广,能对物质进行性质、含量、结构等方面的检测。当前最常见的检测方式是在待检测物质中加入显色剂,使显色剂和待检测物质产生反应,产生紫色的螯合物然后通过测定广度判断待检测物质中金属的种类及含量。
(2)色谱法
不同物质在流动相中有不同的分配系数,当物质进行相互运动的时候这些物质就会出现特定反应,多次反复分离出不同种类的物质,色谱分析技术是借助样品的这一特点进行物质检测。
不同形态的金属元素有不同的化学性质,所以不同金属元素检测的条件和操作方式也是不同的。在检测食品中金属元素时,多使用高效液相色谱和离子交换色谱法,一般与原子吸收光谱法等技术结合,多方面检测有助于提高检测准确度。
2.化学分析技术
(1)化学沉淀技术
化学沉淀技术是从化学分析法衍生出的一种检测技术,先分析待检测物质中的金属元素,使用特定仪器检测金属的含量和性质。化学沉淀技术常用于食品金属元素形态检测,例如:通过盐析沉淀法提取出油菜、白菜等食品中的铁、铜、锌等金属元素,再利用检测方法测量其中含量、分布和形态。
(2)化学逐级提取法
化学逐级提取法也是常用的金属形态检测方法之一,多用于固态物质中的金属元素的形态。在实验之前,通过特定化学试剂稀释、溶解沉淀物中的金属元素,再逐级提取和分离,然后进行检测。
食品中金属元素的提取和一般沉淀物类似,把氯化镁、醋酸、醋酸盐等试剂加入待检测的食品样品中,得到分离后的金属元素,再在仪器下得出分析结果。化学逐级提取法最初用于检测土质中的金属元素,后考虑到食品中的金属和土壤中金属元素的含量有密切关系,所以化学逐级沉淀分析法迁移到食品检测中。例如:使用化学逐级分析法除去苹果中的离子水、氯化钠等,提出金属元素,然后检测得出苹果中金属元素的种类、含量。
(3)浊点萃取技术
这种技术以食品比表面的浊点为检测基础,在浊点上添加表面活性剂,改变外界环境,使食物表面的浊点和溶剂分离,进而完成检测要求。浊点萃取技术操作简单、检测环境要求不高,操作步骤少,可以一次完成样品的提取,并且浊点检测萃取技术具有环保特点,在检测过程中不会出现对环境有害的物质,是目前检测技术发展趋势。
3.生物法
物理检测法和化学检测法对环境污染较大,随着人们对环境意识和技术的提高,生物检测法开始逐渐出现。生物检测法是在待检测样品中加入可以和金属离子发生反应的酶、适合的络合物,能快速检测样品中的金属元素。生物检测法操作简单、不需要复杂的设备,且不容易受到外界因素干扰,是今后食品检测的趋势。
(1)酶抑制法
酶的内部存在酶活性中心,酶的活性会受到活动中心的影响,当重金属元素和酶活性中心的活动源结合之后,酶会失去活性或者性质发生改变,造成酶系统中显色剂的颜色、电导率等发生改变。根据酶系统中数值的改变得出重金属物质的种类和含量。酶抑制法仅需要少数样品就能完成检测,并且检测速度快、对外界污染小,常用于重金属元素的现场检测。
(2)免疫分析法
免疫分析法特异性高、针对性强,可快速检测出样品中金属离子的含量和形态。先使用恰当的络合物、化合物和金属离子反应,结合之后会出现新的金属络合物,然后把新生络合物连接到载体蛋白上,出现免疫原性。
在检测样品之前要消解样品,以往常用灰化法、湿化消解法、干化法、压力罐法处理,但是这些方法处理效果不彻底,并且费时费力,可操作性不强。
在微波消解仪出现之后,食品中金属元素的消解变得简单。微波消解仪可以通过绝缘体解体金属复合物,把能量辐射到待检测物质上,加热电解物质使其分离。微波消解不会损伤待检测物质中的硒、砷、汞等元素,并且效率高、所需试剂少、不会对环境造成伤害,所以常在食品金属元素检测中使用。但是在消解样品时,微波消除法需要与其他方法结合,例如在检测之前进行赶酸处理,才能保证消解完全,但是对于金属元素汞,需要控制赶酸温度,以免高温挥发,造成损失影响检测含量。
(3)滤膜过滤技术
游离状态的金属离子和不稳定金属颗粒他们之间形态有明显区别,所以可以根据不同金属离子对过滤膜的通透性分辨颗粒类型和数量。例如,可利用滤膜技术把中草药中的铁、铜、锌等元素分离,再检测金属的性质和含量。
如果是人体必须的金属元素,在可溶状态下比不溶对人体有利。滤膜过滤技术可以分析出金属元素的可溶性,从而得出金属元素的具体效用。
虽然滤膜过滤技术对金属元素分辨效果好,精确度高、操作比较方便。但是,因为滤膜价格高,所以滤膜技术使用范围窄,一般检测不会使用滤膜过滤技术。
4.结语
金属元素是人体重要的成分,金属元素的形态、含量都会影响人体对金属元素的吸收,所以对金属元素形态的研究是当前研究的重点内容之一。目前由于受到环境影响,部分食品中存在金属含量超标,所以检测食品中金属元素具有重要意义。本文根据食品中金属元素的检测要求,从物理、化学、生物三个角度分析检测方法。物理检测法和化学检测法是最早出现的方法,先用于污水、土壤等方面检测,然后在食品检测领域中应用,这些检测方法准确度高、使用范围广,但是对环境伤害较大;生物检测法是近几年新出现的检测方面,环保性强,对环境伤害小,但是成本偏高,特别是滤膜过滤技术。从检测趋势分析,生物检测法是今后发展方向,符合环保观念和检测的时间要求,今后要在生物检测法上加大投入力度,争取早日探索出准确度高、成本低的检测方法。
