樣品前處理儀器在環境和食品檢測領域的應用和發展趨勢

(1.北京科學儀器裝備協作服務中心，北京100035； 2.中國儀器儀表學會分析儀器分會，北京100085)

環境和食品檢測是環境保護和食品安全的重要保障，而前處理技術是檢測的關鍵環節，樣品前處理儀器的研究發展關乎著環境和食品檢測技術的發展。

現代分析檢驗的分析對象不僅包括氣、液、固相樣品中的目標物，而且包括多種賦存形態：其組成不但復雜，而且檢測時往往相互干擾。尤其是各種環境與食品樣品采樣后一般不能直接進行分析，都要經過樣品前處理后才能進行儀器測定[1]。而在分析檢驗發展過程中，樣品前處理技術一直未受到足夠的重視。長期以來忽視對樣品前處理方法與技術的研究，使樣品前處理成為制約提高分析檢驗效率的瓶頸[2]。

通常儀器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甚至幾十小時。不僅如此，樣品前處理還會直接影響最終的分析結果。在色譜分析中，整個分析過程的各項操作都可能帶來誤差值，但從實驗結果的角度來看，樣品前處理過程給結果帶來誤差值所占比例達到30%[3,4]。

綜上所述，由于樣品前處理的重要性，樣品前處理方法與技術的研究已經引起了各界學者的關注。本文針對樣品前處理儀器在環境和食品檢測領域的應用和發展趨勢展開論述。

1 樣品前處理儀器在環境領域中的應用情況

1.1 大氣檢測中樣品前處理儀器的應用情況

大氣污染主要分為兩個方面，分別是無機污染物和有機污染物。使用的分析儀器不盡相同，樣品前處理儀器也有所區別。無機污染物主要為有毒有害重金屬元素，例如：鉛、汞、鎘、鉻、鉈等，使用的分析儀器包含：原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體發射光譜儀、原子熒光光譜儀、離子色譜儀、電感耦合等離子體質譜儀等，而樣品前處理儀器主要包含超聲波輔助萃取儀、電熱消解儀、微波消解儀等。有機污染物，例如：甲醛、苯系物、苯并(a)芘、TVOC、TDI等，使用的分析儀器包含色質譜聯用儀、氣相色譜儀、高效液相色譜儀等，配套的樣品前處理儀器主要包含索氏提取器、加速溶劑萃取儀、旋轉蒸發儀、氮吹儀等。

1.2 水質中樣品前處理儀器的應用情況

水質檢測主要分為三個方面，分別是理化性質、有機污染物和無機污染物。理化性質，例如：酸堿度、電導率、渾濁度、鹵化物、硝酸鹽等，使用的分析儀器有電導率儀、滴定儀、pH計、分光光度計等。有機污染物，例如：總有機碳、有機氯農藥、3,4-苯并芘、多環芳烴、三氯乙醛、二噁英等，使用的分析儀器有TOC測定儀、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、氣質聯用儀、液質聯用儀等，樣品前處理儀器包含離心機、快速溶劑萃取、索氏提取、超聲提取、微波萃取、氮吹儀、蒸發濃縮儀、固相萃取儀、吹掃捕集儀、頂空進樣器等。無機污染物，例如：總鎘、總砷、總鉛、總鉻、鋁、硒、汞、鉬、鈷、鎳、鋇、鈦、釩、銻、鈹、鉈、鈉、錫、四乙基鉛，使用的分析儀器有原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體發射光譜儀、原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀等，樣品前處理儀器包含電熱消解儀、微波消解儀等。

1.3 土壤檢測中樣品前處理儀器的應用情況

土壤檢測主要分為兩個方面，分別是無機污染物和有機污染物。無機污染物(包含理化性質)，例如：總鎘、總汞、總砷、總鉛、總鉻、三價鉻、六價鉻、甲基汞、容重、比重、通氣性、透水性、養分狀況、粘結性等，使用的分析儀器有原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體發射光譜儀、原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀等，樣品前處理儀器包含電熱消解儀、微波消解儀等。有機污染物，例如：多環芳烴類、石油烴類、鄰苯二甲酸酯類、脂肪烴及其衍生物、單環芳烴及其衍生物、有機農藥類、多氯聯苯類、二噁英類等，使用的分析儀器有高效液相色譜儀、氣相色譜儀、氣質聯用儀等，樣品前處理儀器包含離心機、快速溶劑萃取、索氏提取、超聲提取、微波萃取、氮吹儀、蒸發濃縮儀、固相萃取儀、吹掃捕集儀、頂空進樣器等。

2 樣品前處理儀器在食品領域中的應用情況

食品檢測中樣品前處理儀器的應用比較復雜，首先是食品中的檢測項目多種多樣，其次是食品樣品的形態也不單一。

需要對樣品進行分離、純化、提取、濃縮、富集等更多針對的是基質復雜、干擾性強、痕量或難提取等不利于實驗分析的待測組分。在食品檢測中主要集中在重金屬及微量元素檢測、生物毒素檢測、有機污染物檢測、農獸藥殘留檢測、轉基因檢測等。

在食品檢測標準中，對樣品前處理儀器都有明確的規定，因此通過對食品標準的解讀，可匯總統計出樣品前處理儀器在不同檢測項目中的應用情況。

通過1400余項食品安全國家標準的解讀，整理出了標準中規定的檢測項目、分析儀器及樣品前處理儀器等。相關檢測項目所使用的分析儀器及樣品前處理設備請見表1。

表1 典型食品檢測項目中樣品前處理儀器的應用

注：此表格是通過梳理1400余項國家食品檢測標準，匯總其中列出的樣品前處理設備所得。

3 樣品前處理典型儀器的市場情況

近些年樣品前處理儀器發展迅猛，尤其是有機分析中的全自動固相萃取儀。國產化全自動固相萃取儀發展時間相對較短，國內約有10余個品牌。據統計，2016年全自動固相萃取儀國內年銷售額在3～4億元，北京萊伯泰科儀器股份有限公司的全自動固相萃取儀銷售額在3000萬左右，睿科集團股份有限公司全自動固相萃取儀銷售額在2000萬左右；吉爾森公司的全自動固相萃取儀銷售額約1500萬左右。除了固相萃取儀外，其他種類的萃取儀還包括快速溶劑萃取儀、微波輔助萃取儀等，典型生產企業請見表2。

表2 典型的樣品前處理儀器生產企業

續表2

儀器名稱典型生產企業快速溶劑萃取儀通用實驗科技(中國)有限公司賽默飛世爾科技(中國)有限公司瑞士步琦有限公司培安有限公司北京吉天儀器有限公司北京萊伯泰科儀器股份有限公司北京海光儀器有限公司維科托(北京)科技有限公司睿科集團股份有限公司微波輔助萃取儀培安有限公司奧地利安東帕(中國)有限公司北京祥鵠科技發展有限公司北京盈安美誠科學儀器有限公司南京匯研微波系統工程有限公司南京先歐儀器制造有限公司上海新拓分析儀器科技有限公司

除了萃取儀外，其他樣品前處理儀器市場前景也較為廣闊。據統計，2014年銷售額超過5000萬的樣品前處理儀器超過12種，各儀器銷售額統計如圖1所示。

4 樣品前處理儀器應用特點

通過對環境和食品領域中樣品前處理的研究發現，在實際樣品前處理過程中：

(1)針對重金屬或無機元素檢測，其樣品前處理技術主要采用消解的方法，包括濕法消解、干法消解；濕法消解典型的儀器是電熱消解儀和微波消解儀，干法消解的典型儀器主要是馬弗爐、氧彈等；

(2)待測組分從基質中提取或分離的技術出鏡率較高的是萃取技術，常用的樣品前處理儀器有索氏提取儀、快速溶劑萃取儀[5]、固相萃取儀、微波輔助萃取儀、超臨界萃取儀、超聲波輔助萃取儀等；

(3)濃縮富集所常用的樣品前處理儀器有旋轉蒸發儀、K-D濃縮儀、氮吹儀、真空濃縮裝置；

(4)可與分析儀器聯用，實現與分析儀器聯用的樣品處理儀器典型代表是吹掃捕集裝置、頂空進樣器、熱裂解裝置、熱解析裝置、固相萃取儀等，例如QuEChERS前處理結合高效液相色譜-質譜的檢測方法[6]。

5 樣品前處理儀器發展趨勢

當前，新的樣品前處理技術不斷涌現。隨著物質分離、計算機、精密加工、機械制造、自動化等技術的快速發展，樣品前處理技術也不斷豐富和創新，并呈現出如下趨勢：

圖1 2014年部分樣品前處理儀器銷售情況

5.1 樣品前處理儀器向著自動化方向發展

隨著樣品量的增加，用戶更喜歡自動化程度高的平臺，因為高自動化水平代表了高通量，且可以提高數據的精度和重現性。

傳統的樣品前處理技術大多采用人工或以人工輔助的半自動操作，少數自動化前處理裝置也多為進口產品，近年樣品前處理技術的國產化和自動化發展迅速。儀器自動化不僅速度快，且重現性好。目前國內有不少廠商開發出多種樣品前處理儀器。例如：北京萊伯泰科、上海屹堯、廈門睿科等廠商生產的全自動固相萃取儀;北京萊伯泰科生產的凝膠色譜凈化系統;北京吉天等廠家生產的快速溶劑萃取儀等等。

5.2 樣品前處理儀器向著聯用發展

樣品前處理自動化為聯用樣品前處理技術奠定了基礎。一些典型的樣品前處理-測定聯用已經作為一種固定的分析方法，并有成套專門儀器。例如吹掃捕集裝置、靜態頂空進樣器與氣相色譜儀、氣相色譜質譜聯用儀的聯用等。

有些儀器制造商也在研究樣品前處理與測定儀器的在線聯用技術，例如：固相(微)萃取-色譜(或色質聯用)、在線超濾(或滲析)凈化-離子色譜在線聯用技術。

5.3 樣品前處理儀器向著小型化、微型化發展

樣品前處理儀器的小型化、微型化滿足了用戶對其便攜性的需求。現場檢測、移動實驗室等使用環境的出現對整個分析體系提出了小型化、微型化的需求。目前已經可以在微流控芯片上進行溶劑萃取、固相萃取、膜分離等多種樣品前處理操作。

5.4 樣品前處理儀器向著多任務的方向發展

多任務的樣品前處理儀器，也稱綜合樣品前處理平臺，是將幾種前處理技術集成在一起，用來完成多項樣品前處理操作的綜合性前處理平臺，適合復雜樣品的前處理。例如，北京萊伯泰科儀器股份有限公司研制的將凝膠色譜、全自動固相萃取和自動濃縮裝置組合在一起的前處理工作站，就適合食品、生物和醫學樣品的多項前處理的連續自動操作。凝膠色譜先除去樣品基體物質中的生物大分子，固相萃取進一步將目標組分從小分子混合物中分離、富集出來，自動濃縮可以進一步提高富集倍數。

5.5 樣品前處理技術向著綠色方向發展

隨著環境污染的惡化，對江、河、湖水中痕量污染物的監測日益重要。傳統的樣品前處理技術常常消耗大量的有機溶劑，既污染環境又危害分析者的身體健康。因此今年來一些環境友好的樣品前處理技術如固相萃取、固相微萃取、超臨界流體萃取、基質固相分散劑液相微萃取等得到發展和應用。