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美国化学家用一种方法分析200种食品污染物
发布:kittyll   时间:2015/10/26 17:29:22   阅读:645 
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图片来源:食品风格和摄影/盖蒂图片社

防止环境污染物进入到食物链中,对我们所有人来说都是至关重要的。工作于美国宾州怀因特摩尔市美国农业部(USDA),致力于农业研究的化学家Yelena Sapozhnikova,向我们介绍了她关于食品中现有的和新兴的有机化学污染物的研究现状,并评估了其相关的分析方法。
 

图片来源:网络
 
问题一:您最近开发出一种快速样品制备-气相色谱串联质谱(GC-MS-MS)法用于分析鱼类中的农药和环境污染物。您能告诉我们您的这个方法是如何开发出来的吗?

答:首先我们试图主动识别那些潜在的有害污染物,也就是目前尚未进行监测、但是可能会导致不利的或慢性的健康问题的物质。例如,欧洲食品安全局(EFSA)对新兴的溴化阻燃剂(FRs)的科学观点就是,由于缺乏对溴化FRs可行的分析技术,因此导致缺乏关于食品中溴化FRs的信息,而所谓的溴化FRs的风险描述也就更不可能了。所以我们的工作就是试图去填补这个空白,开发出一系列的用于不同FRs及其他类持久性有机污染物(pop)和杀虫剂的分析方法。

我们的目标是开发一种全新的有利技术,可以分析鱼类和海鲜中超过200多种污染物,无论是现有的还是新兴的环境污染物,同样的,该技术也能分析各种各样的农药。对于环境污染物和农药当前已经有很多分析方法,但是它们要求不同的样品制备技术或者必须的色谱分离技术。使用一种多分类、多残留法来对这些污染物进行整合,能够使我们的分析更快、成本更低且处理量更大。
 
我们选择了不同类别的农药:稳定有机氯、有机磷杀虫剂、含氮除草剂和拟除虫菊酯。根据世界卫生组织(WHO)的目录2,我们选择了多氯联苯(PCB)的同系物,其中包括类二恶英多氯联苯;我们也选择了多溴二苯醚(PBDE)同系物,来代表消费品中最常使用的该类型的物质,包括禁用的五溴联苯醚(penta-PBDE)和八溴二苯醚(octa-PBDE)。同时根据美国环境保护局目录3,我们还选择了已确定为致癌物质的多环芳烃(PAHs)。根据环境风险评估的计划目录,我们选择了新兴的FRs,包括氯化、溴化和有机磷化学品。1,4–6
 
提取方法是基于使用“快速、简便、经济、高效、耐用和安全”(QuEChERS)的乙腈,因为乙腈即可以用于非极性,也可以用于极性较强的污染物的提取,同时相较于常用的如己烷或乙酸乙酯等非极性溶剂,乙腈还可以降低共萃取时的脂肪量。采用分散固相萃取 (d-SPE)净化法,以二氧化锆为吸附剂(可去除约70%的共萃取物质);采用气相色谱串联质谱法(GC-MS-MS)进行分析,整个操作最终可以提供更纯净的提取物和更高的稳定性,降低了仪器的维护成本和运行时间。低压真空排气气相色谱(LPGC)提供了更快的分离速度,能够将200多种分析物和12种内标物在10分钟内分离开来。7–9即使是在一个较低的峰值水平下,多数污染物的回收率仍极高,这就使得该方法能够在环境相关浓度下进行分析。 
 

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问题二:在整个过程中您遇到过哪些挑战,您又是如何克服的?相较于其他方法,该方法的优势有哪些?
 
答:能够识别那些尚未进行监测的污染物的潜在危险,这个任务本身就是一个挑战。这需要对最新出版物、不同国家的法规提案、科学指导小组、污染物的化学性质等各种因素进行深入研究。当这些物质还未用于商业生产时,如何获得分析它们的标准方法是另一个挑战。如果说要开发一个能够用于不同类的大量的污染物的稳定的分析方法,那我们有可能会选择乙腈作为萃取溶剂,以二氧化锆基吸附剂为净化剂。
 
然后,我们这个方法的样品制备和分离虽然是快速的,但是大量的样本,200多种分析物所产生的数据量是非常庞大的,那么数据的处理和核实就是一个瓶颈了。这是我们尚未克服的挑战。
 
这种方法的优点在于简单、快速、低成本,以及处理量大。通过使用这种方法,一名分析师可以在一个小时内运用几个简单的步骤制备一批预均化的样品。使用一次性聚丙烯管进行萃取和d-SPE净化,这样之后就没有需要清洗的玻璃器皿,试问谁喜欢洗涤玻璃器皿中的溶剂残渣呢?
 
使用LPGC仪器分析只需花10分钟,就可以分析一个样品中的200多种分析物,再加上2分钟的冷却和再平衡,相当于40个样品需要8小时,或者说120个样品的分析周期为24小时,这个数据的处理效率是非常高的。因为我们知道,标准实验室运行一次传统的GC,需要花费30-40分钟。
 
相较于那些以加压流体萃取法(PLE)、凝胶渗透色谱法(GPC)、固相萃取(SPE)净化法以及常规气相色谱法(GC)为基础的,针对杀虫剂和POP分析的传统方法,我们的方法无论是在样品制备还是GC分析时间上速度都更快且更为廉价,同时产生的有害有机溶剂废气也更少,减少了对环境的影响。
 

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问题三:在另一项研究中,您评估了那些影响鱼类样本污染物萃取量的不同变量。您能简单谈一下吗?最终结果是什么?

答:当新的用于食品或环境基质中污染物分析的方法被开发出来并验证时,实验室通常采用在样品中加入标准物质,而相应的方法通过加标样品进行验证。然而,事实上相较之受污样品,分析物很容易被从实验室的加标样品中提取出来,因为分析物是被并入基质中的,这存在着分析物-基质相互作用的反力。因此,萃取加标样品的效率与萃取受污样品的萃取率是不同的。实际样品的准确的分析结果取决于分析过程中包括样品处理的各种步骤,但不幸的是,这部分工作往往被从分析方法的开发和验证过程中忽略。即使是一种成熟的方法,我们也通常是用加标样品作为质控样品来检查现行方法,而非受污样品。认证了污染物浓度的标准参考物质(SRMs)是确定真正的提取性能的物质,但大部分时间里无法提供许多污染物和样品类型的SRMs。
 
我们目的是以QuEChERS为基础的,研究对受到农药和环境污染物污染的不同脂肪含量的鱼类样品的萃取率有影响的因素。这些因素包含的样本量、样品量与溶剂量比、提取时间和提取装置。10
 
我们的研究结果表明:2 g样品是足够用于分析其污染物含量的,而典型的QuEChERS提取需要10-15 g样品。较小的样品量就意味着分析的更快、更容易、试剂消耗少,只要所得结果对于原始样品的测试是有意义的,当然样品量越少越好。同时,样品用量少,可以降低采样的大小,可以减少用于萃取的有机溶剂用量,可以产生较少的有机溶剂废液,最终结果就是更环保。当其他的影响因素固定时,结果表明,采用脉冲涡旋振荡提取鱼样品1 min,可检测出35种污染物。
 

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问题四:在您看来,与食品中污染物分析相关的主要挑战是什么?

答:在我看来,我们应该更多地关注新兴的、往往还无法识别的污染物。许多潜在的污染物,即使定期有针对性的监控,还是可能会遗漏它们的污染和毒性水平。
 
几十年来,国内和进口食品中的农药和持久性有机污染物(POPs)已在监测范围,其目的是确保食用的食品的安全。然而,那些先前未被公认的污染物但是已经被新兴的市场使用的,就成为了食品安全中最大的监管问题,因为它们会持久地存在环境中,以及蓄积在生物体中并通过食物链无限的在生物中放大,必将会对人类健康和生态系统产生有害的影响。因此,对这些以前无法识别的新兴污染物,其中包括传统上食品中监控的化学物质,提供风险评估数据以更好地保护人类的健康和环境是非常重要的。
 
我认为挑战是,确定潜在的危险污染物,以及获得甚至是开发分析它们的标准方法。
 
试图去找到一种简单的、能够用于宽范围的具有不同特性的污染物的分析方法是不容易;而即使是寻找一种中庸的可用于分析所有污染物的方法也是一个艰巨的任务。
 
食品复合物的复杂性是导致分析方法复杂的另一个因素。食品样品总是存在共萃取物的现象(例如:脂质、脂肪、糖和颜料等)。复杂化的分析,导致保留时间偏移、基体效应和不准确的结果。我们需要做的就是在使分析方法简化、加速、降低成本的同时,通过使用气相色谱同位素标记的内部标准,基质匹配校准曲线,来找到更好的方式去获得更加纯净的提取物、可衡量的基体效应。因此,食品分析中还有很多很多的挑战需要去克服,挑战无时无刻不在,也正是因为这才造就了科研的无穷乐趣。
 

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问题五:您最近正在致力于什么研究呢?

答:我们目前正在改进和验证我们开发的分析鱼和海鲜的方法,以期使该方法可以用于牛、猪等家禽的食品的分析。新兴的污染物如FRs还不属于肉类监测的污染物,但由于它们的亲脂特性被大量用于生产,常在废水和污泥、海洋哺乳动物中被检测到,并且根据报道它们是会在生物组织中累积的。
 
我们也评估了快速、高通量的流动注射分析技术用于食品中污染物快速筛查的能力。这种方法可以超快速地(1-2 min)筛查多种污染物。
 
我们正在进行的另一个项目是侧重于食品包装物(FP)中的污染物——因为这些化学品会从包装材料迁移到相应的食品中。虽然这些化学品通常是未表征的,但是它们可能是十分危险的,
在不经意之间就到达了消费者端。
 
所有这些项目都有一个共同点——制定有效的技术来加强食品安全监管,保障大众的身体健康。
 
免责声明:在本次采访中的观点及意见仅代表受访者个人,并不一定代表美国农业部或美国政府的观点。
 
参考文献:
1.European Food Safety Authority “Scientific Opinion on Emerging and Novel Brominated Flame Retardants (BFRs) in Food” (2012).

2.M. Van den Berg, L.S. Birnbaum, M. Denison, M. De Vito, W. Farland, M. Feeley, H. Fiedler, H. Hakansson, A. Hanberg, L. Haws, M. Rose, S. Safe, D. Schrenk, C. Tohyama, A. Tritscher, J. Tuomisto, M. Tysklind, N. Walker, and R.E. Peterson, Toxicological Sciences 93, 223–241 (2006).

3.United States Environmental Protection Agency. Office of Solid Waste, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). http://www.epa.gov/osw/hazard/wastemin/priority.htm 

4.California Environmental Contaminant Biomonitoring Program (CECBP) Scientific Guidance Panel (SGP). Materials for the December 4-5, 2008 Meeting. Brominated and chlorinated organic chemical compounds used as flame retardants. http://oehha.ca.gov/multimedia/biomon/pdf/120408flamedoc.pdfÂ

5.P.R. Fisk, A.E. Girling, R.J. Wildey. Prioritisation of flame retardants for environmental risk assessment. 2003 https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/fil... (accessed 1 July 2012)

6.EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain (CONTAM). Scientific Opinion on Polybrominated Biphenyls (PBBs) in Food. 8 (10) (2010) 1789. http://www.efsa.europa.eu/en/scdocs/doc/1789.pdf

7.Y. Sapozhnikova, Journal of Agricultural and Food Chemistry 62, 3684–3689 (2014).

8.Y. Sapozhnikova, LCGC North America 32, 878–886 (2014).

9.Y. Sapozhnikova and S.J. Lehotay, Analytica Chimica Acta 758, 80–92 (2013).

10.Y. Sapozhnikova and S.J. Lehotay, Journal of Agricultural and Food Chemistry 63, 5163–5168 (2015).
 
作者:LCGC编辑
文章出处:《The Column》第11卷第18期
译自chromatographyonline
来源:材料与测试
译者:兔子小光

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