食品样品前处理在分析实验过程中占有重要的地位,快速、简便、自动化的前处理技术不仅省时、省力，甚至对实验结果也起着至关重要的作用。

 

　　在分析工作中,试样的前处理是一个十分重要的步骤,一些难分解的样品有时成为分析测定中的主要问题。随着现代科学技术的迅速发展,分析仪器的自动化水平不断提高,特别是应用了各种高新技术的精密分析仪器以及现代电子技术、计算机技术的引入极大地推动了分析化学的发展。作为分析化学的重要组成部分———样品前处理技术也得到了迅速发展。

 

样品前处理的地位

　　在一个完整的样品分析过程中,大致可以分为4个步骤:①样品采集;②样品前处理;③分析测定;④数据处理与报告结果。其中样品前处理所需时间最长,约占整个分析时间的三分之二。通常分析一个样品只需几分钟至几十分钟,而分析前的样品处理却要几小时。因此样品的前处理是分析过程中一个重要的步骤,样品前处理过程的先进与否,直接关系到分析方法的优劣。由于样品前处理过程的重要性,样品前处理方法和技术的研究已经引起了广泛关注。

 

样品前处理技术分类

　　按照样品形态来分,样品前处理技术主要分为固体、液体、气体样品的前处理技术。固体样品的前处理技术主要有索氏提取、微波辅助萃取、超临界流体萃取和加速溶剂萃取等。液体样品的前处理技术主要有液-液萃取、固相萃取、液膜萃取、吹扫捕集、液相微萃取等。气体样品的前处理方法有固体吸附剂法、全量空气法等。

 

样品前处理技术的发展

　　在样品前处理技术中,目前使用最广泛的仍然是经典方法,主要是技术上得到了进一步完善,相应的新材料、新试剂、新方法得到了发展,更方便实用的设备被不断开发出来。

　　(1)制样:开发出了精巧高效的粉碎设备,如高速粉碎机、超声粉碎机等,这些粉碎机的研发极大地提高了制样的效率和试样的质量。

　　(2)样品分解及提取:形成了完整的各类热分解、酸分解、碱分解、融熔盐分解、酶分解体系,包括干法、湿法等各种方法。设备方面有自动控制高温炉、自控振荡器、超声波提取器等。

　　(3)样品分离富集包括以下几种方法:

　　沉淀法:形成了无机沉淀、有机沉淀、共沉淀等完整的体系。

　　蒸馏挥发法:扫集共蒸馏技术使蒸馏法应用范围大大扩展,冷原子吸收法测汞仪是扫集共蒸馏技术应用的一个典型事例。

　　溶液萃取分离法:在无机分析方面鳌合物萃取体系、离子缔合物萃取体系及酸性磷类萃取体系广泛应用于痕量元素的萃取分离;而有机溶剂的液-液萃取在有机物分析上是一种有效的提纯手段。

　　离子交换法:新的离子交换剂的出现,使这一传统方法扩展了应用领域。

　　吸附法:在无机领域使用黄原棉等吸附剂,在有机领域,硅胶、活性碳、多孔高分子聚合物等应用最广泛。

　　色谱法:薄层色谱法、萃取色谱法、柱色谱法、离心色谱法、高压液相色谱法、毛细管色谱法等在各自的领域发展很活跃,色谱法的发展代表了分离富集技术发展的主要方向。

 

样品前处理技术研究进展

　　1.微量化

　　随着终端检测仪器的迅速发展,用于检测的样品量越来越少,与之相对应的样品前处理体系也随之向微量化方向发展。微量化首先在医学领域的检测中到广泛的应用。

　　2.新方法和新技术

　　新方法和新技术的发展有的是对传统方法的改进,有的则是引入新原理和技术。近年来发展较快的样品前处理技术有以下几种:

　　1)超临界流体萃取

　　超临界流体是流体界于临界温度及压力时的一种状态,超临界流体萃取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,同时消除了有机溶剂对人体和环境的危害,并可与许多分析检测仪器联用。在医药、食品、化学、环境等领域应用最为广泛。

　　2)固相微萃取

　　其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,浸于粗制样液中,待测组分被吸附在芯棒上,然后将样针芯棒直接插入气相或液相色谱仪的进样口中,被测组分在进样口中将被解析下来进入色谱分析。这项技术具有操作简单、分析时间短、样品用量小、重现性好等优点。固相微萃取通过利用气相色谱、高效液相色谱等作为后续分析仪器,可实现对多种样品的快速分离分析。通过控制各种萃取参数,可实现对痕量被测组分的高重复性、高准确度的测定。

　　3)凝胶自动净化装置

　　凝胶渗透色谱是液相分配色谱的一种,其分离基础是溶液中溶质分子的体积大小不同。凝胶自动净化就是利用凝胶渗透色谱原理来净化样品的技术,近年来被广泛应用于生物、环境、医药等样品的分离和净化。

　　4)固相萃取技术

　　固相萃取是20世纪70年代后期发展起来的样品前处理技术,它利用固体吸附剂将目标化合物吸附,使之与样品的基体及干扰化合物分离,然后用洗脱液洗脱或加热解脱,从而达到分离和富集目标化合物的目的,该项技术具有回收率和富集倍数高、有机溶剂消耗量低、操作简便快速、费用低等优点,易于实现自动化并可与其它分析仪器联用。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,如美国环保署将其用于水中农药含量的测定。

　　5)液相微萃取

　　液相微萃取的原理是利用待测物在两种不混溶的溶剂中溶解度和分配比的不同而进行萃取的方法。该项技术集萃取、净化、浓缩、预分离于一体,具有萃取效率高、消耗有机溶剂少,快速、灵敏等优点,是一种较环保的萃取方法。

　　6)吹扫捕集法

　　吹扫捕集法利用待测物的挥发性,直接抽取样品顶空气体进行色谱分析,利用载气尽量吹出样品中的待测物后,用冷冻捕集或吸附剂捕集的方法收集被测物。吹扫捕集技术具有快速、准确、高灵敏度、高富集效率等优点,在食品、饮料、蔬菜、药物等样品的前处理中展示了广阔的应用前景。

　　7)膜分离技术

　　膜分离技术是指以选择性透过膜为分离介质,通过在膜两侧施加某种推动力,如压力差、浓度差等,使样品一侧中的欲分离组分选择性地通过膜,低分子溶质通过膜,大分子溶质被截留,以此来分离溶液中不同分子量的物质,从而达到分离提纯的目的。一般膜分离是在压力的作用下进行的,分离过程瞬间完成,因此具有装置简单、结构紧凑、设备体积小、更易于操作和实现系统自动化运行等优点。膜分离技术在众多领域里可以代替离心、沉降、蒸发、吸附等传统的分离手段,提高了分离效率,降低运行成本,简化操作。

　　8)热解吸

　　热解吸是将固体、液体、气体样品或吸附有待测物的吸附管置于热解吸装置中,当装置升温时,挥发性、半挥发性组分从被解吸物中释放出来,通过惰性载气带着待测物进入GC、GC-MS中进行分析的一种技术。该技术具有灵敏度高、环境污染小等特点,当其与气相色谱或质谱联用时,可进行复杂样品的分析测定,应用范围较广。

　　9)微波消解法

　　在微波磁场中,被消解样品极性分子快速转动和定向排列,从而产生振动。在较高温度和压力下消解样品,可以激化化学物质,从而使氧化剂的氧化能力大大加强,使样品表层扰动破裂,并不断产生新的与试剂接触的表面,加速了样品的消解。微波消解法是一种高效省时的现代制样技术,普遍用于原子光谱分析的样品前处理。

 

　　3.在线技术

　　在线技术是样品前处理过程与终端检测装置结合在一起实现自动化的技术,今后的发展趋势就是尽可能使这两个过程全部结合起来,这样不但可减轻劳动强度,节省人力,更主要的是可以防止人工操作无法避免的由于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。

 

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食品样品的前处理

 

指食品样品在测定前消除干扰成分，浓缩待测组分，使样品能满足分析方法要求的操作过程。

1.无机化处理

采用高温或高温下强氧化条件，使食品样品中的有机物分解并呈气体逸出，而待测组分被保留下来用于分析的一种样品前处理方法。

1）湿法消化（wet digestion）

加入氧化性强酸，加热破坏有机物，使待测的无机成分释放出来，以便分析测定。

①方法特点

优点：分解有机物速度快、所需时间短；

加热温度低，减少待测组分的挥发损失。

缺点：消化过程产生大量有害气体，操作必须在通风橱中进行；

试剂用量较大，有时空白值高；

消化初期，反应剧烈产生大量泡沫，样品可能溢出；

样品可能出现炭化，使待测组分损失。

②常用的氧化性强酸

a）硝酸

浓硝酸（65％～68%,14mol/L),沸点121.8℃具有较强的氧化能力，能将样品中有机物氧化成CO2和H2O，自身还原成NO2。单独使用硝酸不能完全分解有机物，因此常常与其他酸配合使用。

几乎所有的硝酸盐都溶于水，但易与锡和銻形成难溶的偏锡酸（H2SnO3）和偏銻酸（H2SbO3）或其盐。

b）高氯酸（65%～70%，11mol/L）

能与水形成恒沸溶液，沸点203 ℃。热的高氯酸是强氧化剂，氧化能力较硝酸和硫酸强，几乎所有的有机物都能被它分解。高氯酸沸点适中，氧化能力持久，用于消化食品样品速度快，过量的高氯酸易除去。但一般不单独用高氯酸氧化样品，而使用硝酸和高氯酸的混合酸分解有机物。

除K＋和NH4＋盐外，一般高氯酸盐都溶于水。

c）硫酸 稀硫酸没有氧化性，热的浓硫酸（98%，18mol/L）有较强氧化性，对有机物有强烈的脱水作用，可使食品中的蛋白质氧化脱氨。硫酸沸点高（338 ℃），不易挥发损失。硫酸的氧化能力不如高氯酸和硝酸强，硫酸与碱土金属（Ca、Mg、Ba和Pb）形成的盐在水中溶解度较小。

③常用消化方法

a）硫酸消化法

凯氏定氮法测定食品中蛋白质含量采用硫酸消化法，同时加入硫酸钾和硫酸铜，蛋白质中的氮转变成硫酸铵留在消化液中，不会进一步氧化成氮氧化物而损失。

b）硝酸－高氯酸消化法

可采取两种方式：一是先加硝酸消化，待大量有机物分解后再加高氯酸；二是事先以一定比例（一般为HNO3＋HClO4＝4+1）配制混合酸，将样品浸泡过夜，次日消化。该法氧化能力强，消化速度快，消化温度较低，挥发损失少。消化时应特别注意安全。含酒精和含油脂较多组分，不宜采用此法。

c）硝酸－硫酸消化法

加入两酸混合液或先加硫酸，加热使有机物分解、炭化，然后不断补加硝酸。此法不宜做食品中碱土金属的分析。对含大量脂肪和蛋白质的样品，消化后期可加入少量高氯酸或过氧化氢，加快消化速度。

④消化操作技术

a）敞口消化法：通常在凯氏烧瓶或硬质锥瓶中进行，是最常用的消化方法。

b）回流消化法

测定含挥发性成分的样品时，可在回流消化装置中进行，避免被测组分挥发损失。

c）冷消化法

又称低温消化。将样品与消化液混合后置于室温或37～40 ℃烘箱内，放置过夜。低温消化可避免易挥发元素的损失。仅适于含有机物较少的样品。

d）密封罐消化法

采用压力密封消化罐和少量消化液，在一定压力下对样品消化。将密封罐置于150℃烘箱中保温2h。由于在密闭容器中消化液的蒸气不能逸散，产生较高压力，提高了消化剂的利用率。此法样品用量一般小于1g，只需加30%的过氧化氢和一滴硝酸即可，空白值较低。

e）微波消解法

在2450MHz的微波电磁场作用下，微波穿透容器直接辐射到样品和试剂的混合液中。吸收微波能量后，使消化介质的分子相互摩擦

２）干灰化法（dryashing）

将样品置于磁坩埚中，先在电炉上脱水、炭化，再置于500～600℃高温炉中灼烧灰化。有机物分解，留下无机物供测定。产生高热。同时交变电磁场使介质分子极化，高频辐射使极化分子快速转动，产生猛烈摩擦、碰撞和震动，使样品分解。微波消解试剂用量小，空白值低；使用密闭容器，减少了对外界的污染。

①方法特点

操作简便，基本不加或加很少试剂，因而空白值很低。

②提高干灰化法回收率的措施

a）加入助灰化剂

为加速有机物氧化，防止某些组分挥发或被坩埚吸留，可加适量助灰化剂。如测食品中碘时可加氢氧化钾使碘元素变成难挥发的碘化钾，减少损失；测砷时可加氧化镁和硝酸镁，使砷转变成难挥发的焦砷酸镁（Mg2As2O7），常常将氧化镁衬垫在坩埚底减少坩埚吸留。

b）采用适宜的灰化温度

应选择尽可能低的温度灰化，但温度过低会延长灰化时间。通常选550 ± 25℃灰化4h，一般不超过600℃。

近年发展了低温灰化技术，将样品放在低温灰化炉中，先将炉内抽至近真空，并通入氧气，用射频照射使氧气活化，在低于150℃下便可是有机物全部灰化。但目前低温灰化炉价格昂贵，尚难普及。

2.干扰成分的去除

测定各种有机成分时，可采用多种前处理方法，将待测的有机成分与基体或其他干扰成分分离后再进行测定。常用分离净化方法有：

（1）溶剂提取法

根据相似相溶的原则。一般分为浸提法和液－液萃取法。

①浸提法

利用样品中各组分在某一溶剂中溶解度的差异。

包括：振荡浸渍法、捣碎法、索氏提取法和

超声波提取。

②液－液萃取法

利用溶质在两种不相溶的溶剂中分配系数不同。

如测定动物油脂中的有机氯农药，可先用石油醚萃取，然后加浓硫酸使脂肪磺化生成极性大的亲水性物质，加水反萃取可除去脂肪，有机氯农药留在石油醚层。

如测定鱼肉中的组胺，是以盐的形式存在于样品中，需加碱使之生成组胺，用戊醇萃取至有机相中，再加盐酸，组胺以盐酸盐的形式存在，易溶于水，被反萃取至水相，与样品中其他组分分离。

（2）挥发法和蒸馏法

利用待测组分的挥发性或通过化学反应将其转变成具有挥发性的气体，与样品基体分离，经吸收液收集后用于测定。

①蒸馏法

常压蒸馏、减压蒸馏及水蒸气蒸馏。

②吹蒸法

测定挥发性有机磷农药，首先用乙酸乙酯提取样品中的残留农药。

取一定量样液加入填有玻璃棉、砂子的Storherr管中，将管加热到180～185℃，用氮气将农药吹出，经聚四氟乙烯螺旋管冷凝，收集到玻璃管中供测定用。样品中的脂肪、蜡质、色素等高沸点物质仍留在Storherr管中。达到分离、净化、浓缩的目的。

③顶空法

一般与气相色谱联用。

静态顶空法：将样品置于密闭容器中，恒温加热一段时间，低沸点组分在容器内挥发达到蒸气压平衡，抽取上层蒸气用于气相色谱分析。

动态顶空法：在顶空装置中不断通入氮气，使其中挥发性成分随氮气逸出，收集于吸附柱中，经热解吸或溶剂解析后分析。此法操作复杂，但灵敏度高。

④氢化物发生法

用还原剂将待测组分还原成易挥发的氢化物，从基体中分离出来。

氢化物经吸收液吸收后

１）利用显色反应分光光度法测定；

２）直接导入原子吸收光谱仪测定。

（3）固相萃取

（solid phase extraction，SPE）

1）基本原理和优点

基本原理是样品在固相（吸附剂）和液相（溶剂）之间的分配。其保留或洗脱的机制取决于被分离物与吸附剂表面的活性基团以及被分离物与液相之间的分子作用力。

洗脱模式有两种：

一是目标化合物比干扰物与吸附剂之间的亲和力更强，因而被保留，干扰物先洗出，然后选用对目标化合物亲和力更强的溶剂洗脱目标化合物。

二是干扰物比目标化合物与吸附剂之间的亲和力更强，干扰物质被保留，目标化合物直接被洗脱。

采用第一种洗脱方式的较多。

2）装置和操作

主要装置是固相萃取柱（SPE小柱），外形类似于注射器针筒，通常选玻璃或聚四氟乙烯作柱体。柱体积1~50ml不等，最常用的是1~6ml。其中吸附剂的粒径多为40 μm。

操作步骤分为：

①萃取柱预处理②上样③洗去干扰杂质④洗脱及收集分析物

与液－液萃取相比，固相萃取有以下优点：

①回收率和富集倍数高；②有机溶剂消耗量低，减少环境污染；③采用高效、高选择性定性吸附剂，被分析物与干扰物分离更有效；④易于处理小体积试样；⑤操作简便、费用低，易于实现自动化。

柱中填充物除吸附剂外也可以是离子交换树脂、凝胶等其它材料，故分离原理可以有吸附、分配、凝胶过滤、亲和萃取等。

如测定保健食品中总皂甙，先用水提取，再经AXD－2大孔树脂柱分离净化，用分光光度法测定。

有报道将黄曲霉毒素的特异抗体联到某载体上制成亲和柱，用于分析黄曲霉毒素时去除干扰物。

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

上世纪90年代初发展起来的样品前处理技术。

1993年美国Supelco公司首先推出了商品化的SPME装置，在分析化学领域引起了极大反响。1994年权威杂质《Research& Development》将其评为最优秀的100项新产品之一。

分为萃取和解吸两个步骤：

①萃取过程

将萃取针头插入带隔膜塞的固相萃取专用样品瓶内，压下活塞使萃取头纤维暴露在样液中进行萃取，经过一段时间后，拉起活塞，萃取头缩回到不锈钢针头中，拔出针头，完成萃取。

可在样品瓶中加无机盐、调节pH、加热或磁力搅拌。

§ 萃取方式有两种：

§ 一种是将萃取头直接插入试样中萃取，适用于液体或气体样品中组分的分离。

§ 另一种是顶空萃取，适用于各种基质试样中挥发性和半挥发性组分的分离。

§ 影响固相萃取灵敏度的因素有：涂层的种类、待测物性质、基质的种类、试样pH值、盐浓度、搅拌和加热情况等。

②解吸过程

将萃取针头插入分析仪器进样口，推出石英纤维，进行热解吸或溶剂解吸。

热解吸适合于气相色谱法，萃取针头放入色谱仪炉箱中热解吸。

用适当溶剂注入萃取柱中解吸，解吸液进行后续分析。

（5）色谱分离法

柱色谱：常用硅胶、氧化铝、离子交换树脂柱。用荧光法测VB2时,用硅镁吸附剂柱吸附VB2后洗脱测定。

纸色谱法:现有纸色谱分离,将样点浸出后,再用其它方法测定。分析合成色素时，常用纸色谱分离

薄层色谱法:黄曲霉毒素B1的测定(GB法),先用薄层色谱分离,再用荧光法测定.

（6）超临界流体萃取

（supercritical fluid extraction，SFE）

与普通液－液萃取或液－固萃取相似，也是在两相之间进行的一种萃取方法，不同的是所用萃取剂为超临界流体。

超临界流体只能存在于超临界状态下，是介于气态和液态之间的一种既非气态又非液态的特殊流体。

超临界流体密度较大，与液体相似，可作为溶剂溶解其他物质；

超临界流体粘度小，又与气体相近，传质速度快，表面张力小，很容易进入固体样品内，使目标分析物易溶于超临界流体。

不同的物质达到临界点要求的温度和压力不同，改变物质的温度和压力，使之超过临界温度和临界压力，达到超临界状态，便可获得超临界流体。超临界流体还是“绿色化学”提倡的清洁溶剂，正逐渐取代实验室常用的高毒、高污染的有机溶剂。

最常用的超临界溶剂是CO2，其临界值较低（临界温度31.06℃，临界压力7.39MPa）化学性质稳定，不易与溶质发生化学反应，无臭、无毒、沸点低，易与从萃取后的组分中除去，适合于对热不稳定化合物的萃取。但CO2是非极性分子，不适于极性化合物的萃取。极性化合物的萃取可用NH3或氧化亚氮作萃取剂。

超临界流体萃取常与色谱分析联用SFE－GC、 SFE－HPLC、 SFE－SFC（超临界流体色谱），

用于食品中多环芳烃、多氯联苯、农药残留等测定。

（7）透析法

利用高分子物质不能透过半透膜而小分子或离子能通过半透膜的性质，实现大分子与小分子物质的分离。

如测定食品中糖精钠含量，可将食品样品装入玻璃纸的透析膜袋中，放在水中透析。由于糖精钠分子较小，能通过半透膜进入水中，而蛋白质、鞣酸、树脂等高分子杂质不能通过半透膜，仍留在玻璃纸袋中，从而达到分离。

（8）沉淀分离法

利用沉淀反应进行分离。在试样中加入适当沉淀剂，使被测成分或干扰成分沉淀下来，经过滤或离心达到分离目的。

如测食品中亚硝酸盐，先加入碱性硫酸铜或三氯乙酸等沉淀蛋白质，使水溶性亚硝酸盐与蛋白分离。

（9）微波辅助样品前处理技术

微波是波长在100~0.1cm的电磁波微波辅助消解 微波辅助萃取

微波加热机理：

常规加热是由外部热源通过热辐射由表及里的

传导式加热。

微波加热是将微波电磁能转变为热能，对物质的加热过程与物质内部分子的极化有密切关系微波的能量不足以破坏化学键，但足以引发分子转动或离子移动，从而产生热能。

微波加热的特点：

①加热速度快 瞬间渗透到被加热物体中，无需热传导过程，比常规加热快10~100倍。

②加热均匀 物体各部位能均匀渗透电磁波而产

生热量，里外同时加热，避免外焦内生。

③选择性 介电常数大的溶质和溶剂，对微波吸收强，升温快。有些非极性溶剂，微波几乎不起加热作用。

已有专门微波辅助消解装置