元素形態分析在食品、藥品領域中的應用

吳瓊婧 陳 誠

(1.廣西分析測試研究中心，廣西 南寧 530022；2.廣西中醫藥大學護理學院，廣西 南寧 530022)

元素分析是一個研究了多年的領域，但是隨著研究的深入，單一測定元素的總量對于某些元素意義有限，例如砷元素可以可分為無機砷和有機砷，無機砷中的三價砷和五價砷毒性很大，但其甲基化后的有機砷則毒性大大降低，甚至無毒。有機汞比無機汞毒性大很多；硒被認為是營養型微量元素，但是硒的各種形態中，也有有毒的和無毒的，或者說是對人體有害或是有益的。不同形態的元素對生物體的作用是完全不同的。既不能再用單一的元素總量來衡量元素對人體的影響，也要避免由于分析方法的不科學導致2004年香港含砷魚罐頭事件及2007年香港含砷魷魚絲食品事件的發生。所以根據傳統方法所獲得的元素總量的信息已經不能對某一元素的毒性、生物效應以及對環境的影響做出科學的評價，為此，分析工作者必須要獲取元素的不同存在形態的相關信息。對元素的各個形態進行深入研究是也將成為一個嶄新的研究領域，本文就元素形態分析在食品、藥品領域中的實際應用進行詳細闡述。

1 元素形態分析的介紹

1.1 元素形態分析法

元素形態主要是某種元素的存在形式，包括元素的價態、聚合態、結合態等等。不同的元素形態具有不同的性質和活性，并發揮著不同的作用。現今主流的單純元素總量分析已不能滿足當前的實際研究要求，甚至有時會導致一些錯誤的結論。如無機態的砷毒性較大，其中三價砷的毒性強于五價砷；而在有機態的砷中，甲基砷的毒性較大，砷膽堿、砷甜菜堿和砷糖則基本上沒有毒性；三價鉻是體內代謝必需的元素，而六價鉻卻對生物體具有毒性和致癌作用；對汞、錫和鉛等重金屬元素來說，有機態的化合物的毒性要遠遠高于無機態。另外，不同形態的鐵、硒、鋁都有不同的物理化學性質。

元素形態分析法是在保持元素原有形態的基礎上，對元素的各種形態進行有效分離，然后再進行檢測的一種分析方法。目前的元素形態分析法經過三十多年的發展，具備高靈敏度、高選擇性的特點，并逐步提高分析效率，縮短分析時間，已實現整個分析過程的儀器自動化。

1.2 元素形態分析儀

元素形態分析儀是采用高效分離與高靈敏檢測合一的聯用技術，實現不同形態的元素分離和檢測，并實現自動化的儀器。目前，不同的分離分析檢測原理和聯用技術可以建立不同的方案，包括高效液相色譜-氫化物發生-原子熒光/原子吸收法（HPLC-HG-AFS/AAS）、高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法（HPLC-ICP/MS）、離子色譜-電感耦合等離子體質譜法（IC-ICP-MS）。

高效液相色譜-氫化物發生-原子熒光/原子吸收法（HPLC-HG-AFS/AAS）具有儀器成本低廉、操作簡單、易于維護、利于推廣、干擾少、分析靈敏度較高等優點，是國產儀器的主流配備，如SA-20、Sk-博析、AF-610D2等，可用于能夠形成氫化物的金屬元素的形態分析，如砷、硒、汞、銻元素，廣泛應用于水樣品檢測、食品衛生檢驗、農業及其產品檢測、環境樣品檢測、臨床檢驗、地質冶金樣品檢測和教育及科研。高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法（HPLC-ICP/MS）被認為是目前最有發展前景和最有效的形態分析技術之一，但儀器較為昂貴，對操作要求較高卻在一定程度上限值了其發展。離子色譜-電感耦合等離子體質譜法（IC-ICP-MS）是目前較新的一種聯用技術，優勢體現在高檢測靈敏度和低檢出限，主要元素形態的分析都可以達到 ppb級，而且重復性和穩定性都非常好。

2 元素形態分析法在法定檢驗中的應用

目前，在藥品、食品領域中涉及到有關形態分析法的國內現行權威標準較少，主要包括國家標準 GB/T 23372-2009《食品中無機砷的測定 液相色譜-電感耦合等離子體質譜法》，測定食品中無機砷中的亞砷酸根 As（Ⅲ）和砷酸根 As（V）；及出入境檢驗檢疫行業標準 SN/T 2316-2009《進出口動物源性食品中阿散酸、硝苯砷酸、洛克沙砷殘留量檢測方法 液相色譜-電感耦合等離子體/質譜法》。在食品藥品領域，現行的元素形態分析法標準僅有寥寥數項，這與當今屢屢報道的社會事件不相符合。而且標準只針對砷元素有形態的區分，這就會導致相當一批食品、藥品中的元素含量與之安全性不成正比。反過來，也會導致一些產品有害的元素形態未超標，而測元素總量導致產品不合格的錯誤結論。所以應該逐步推進此項技術和方法，讓權威檢測更具科學性。以上形態分析的檢測方法標準的推出，填補了相關領域的國內空白，在國際上也屬于先進水平。

通過2003年推出的2項與形態分析思路類似的標準可以看出（GB/T5009.11 -2003《食品中總砷及無機砷的測定》及GB/T5009.17 -2003 《食品中總汞及有機汞的測定》），對于食品的標準國內已經推出了少量的形態分析檢測方法，填補了相關領域的國內空白。既可以針對最基本的無機砷、有機汞形態進行化學分離提取后，利用常規的原子熒光光度法或氣相色譜法進行含量測定。也可以應用高自動化的形態分析儀對各種元素形態進行詳細區分檢測。兩大類方法的出現與相關方法的成熟度有關系，也與國內基層實驗室的實驗儀器配備有關。但隨著研究的不斷深入，相信不久的將來，采用聯用技術的形態分析法就會成為元素測定的主流方法，這在國際上也屬于先進水平。

但是在藥學行業，《中國藥典》中對于藥品的鉛、鎘、砷、汞、銅的限量測定皆是采用原子吸收分光光度法或電感耦合等離子體質譜法。并沒有測定其不同形態，只測定總量。這樣的測定還是存在一定的不科學性，元素總量并不與藥物的安全性成正比，測定具體元素的形態才會更加科學。

另外在環境、農業、礦物等領域，元素形態分析的應用比食品藥品領域要成熟一些，如福建省地方標準 DB35/T 895-2009 《環境樣品中甲基汞、乙基汞及無機汞高效液相色譜-電感耦合等離子體制譜法（HPLC-ICP-MS）測定》和吉林省地方標準DB22/T 1586-2012《農田土壤中甲基汞、乙基汞的測定 高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用法》是利用形態分析法應用于環境樣品的檢測。

3 元素形態分析在科研工作中應用

形態分析法在實際的科研中應用非常廣泛，其中在食品和藥品領域中，主要是針對砷、汞、硒、溴、鋁等元素的各種形態進行分析測定，詳見表1。

在大量的相關科研文獻中，報道最多是關于砷和汞的形態分析測定。這些應用都是社會關注的熱點，關于食品安全性的評估，通過對有害元素形態進行限量檢查，科學判別食品是否安全可靠。另外，研究較多是的硒的元素形態分析，某些形態的硒對人體來說，是有一定的營養價值的，富硒產品可以促進生長發育，避免大骨節病的發生，所以很多研究都是集中在對食品中的各種硒形態進行測定，從而評估其營養價值。

表1 常見元素形態分析指標

3.1 食品安全性評估

在食品安全性評估研究方面，主要針對對人體有害的元素形態進行測定，比如：無機砷五價砷 As(V)、無機三價砷As(III)的毒性最大，有機態一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷糖的毒性稍小。而砷甜菜堿(AsB)和砷膽堿(AsC)通常被認為是無毒的。此方法的應用特點在于可以將低毒甚至無毒性的有機砷和高毒性的無機砷分開進行測定，避免現行多項標準中只測定總砷含量帶來與安全性不符合的結果。

對砷的各種形態進行研究的最多的對象是各類海產品，主要是為了探究海洋環境的變化對海產品安全性的影響，是否有高毒性的砷形態，從而做出食品安全性評價。余晶晶[1]等對海中的藻類植物滸苔進行元素形態分析，發現滸苔中的砷以無機態五價砷 As(V)為主，還有少量的無機三價砷As(III)、有機二甲基砷(DMA)和砷糖。這些砷形態均具有毒性或潛在毒性，提示如果將滸苔用于食物或藥物需謹慎。劉守廷[2]等對多種海產品中的4中砷元素形態進行分析，結果表明，所有23個批次的樣品中（包括蝦、魷魚、墨魚、鰻魚、帶魚、章魚、鯊魚、魚柳等等），砷主要是以無毒的砷甜菜堿(AsB)形態存在；在 12個批次的鮮活海產品中，絕大多數樣品除了砷甜菜堿(AsB)以外，還含有少量的無機三價砷As(Ⅲ)，而DMA、MMA、As(V)均未檢出；在11個批次的干貨海產品中，由于干燥后富集，多數樣品檢出有少量有毒砷形態出現，但仍以砷甜菜堿(AsB)形態為主。按照現有的國家標準計算無機砷的含量，絕大部分的檢測樣品都屬于合格產品。但是也說明食品安全性評價的指標除了總砷、無機砷以外，砷的各種形態也是非常必要的。

汞，又名水銀，是對人類和高等生物最具危害的元素之一，它也是污染環境的主要元素。汞化合物的毒性依賴于其濃度及其不同的化學形態，所以不同形態的汞對人體及生物的毒害作用差異很大，有機汞比無機汞的毒性大得多，是無機汞的幾百倍。中毒一多半實際是甲基汞中毒，日本的“水俁病”是其中的典型代表。秦德元[3]等研究也證實黃魚中汞的形態是以甲基汞為主，無機汞含量很少，而乙基汞未檢出。

目前隨著砷形態研究方法的成熟，越來越多的食品利用形態分析法進行食品安全性評價。如楊麗君[4]等對蘋果中砷形態進行研究；李林林[5]等測定了廢水、地表水和深井地下水中的4種砷形態；楊麗君[6]等針對含砷藥用飼料添加劑的亂用和殘留問題，測定了雞肉和雞肝中的 7種砷形態；此外，還有測定啤酒和奶制品中的砷形態，以達到評價相關食品的安全性的目的。總的來說，對砷的形態研究方法已經比較成熟，但是覆蓋面還不是很廣。

除了對砷和汞的形態研究較為深入以外，越來越多的科研人員把形態分析的技術深入到食品安全領域的多個方面。比如，荊淼[7]等人關注到溴酸鉀是制作面粉的一種添加劑，而溴酸鉀在2005年被我國認定為禁止添加的面粉處理劑，有含量限定，故利用IC-ICP-MS，同時測定了溴酸根和溴離子兩個形態的含量。林立[8]等利用形態分析法測定了飲料中的溴酸根（致癌物）和溴離子，改進了原有方法。錢沙華[9]等對鋁壺煮沸的飲用水中鋁的形態進行分析，得到了可交換態、不可交換有機態、不可交換無機態等多個鋁的形態的含量，雖然研究的形態不是特別系統，但是對深入研究鋁形態的構成奠定了基礎。近年來，隨著有機錫化合物廣泛應用于船舶油漆的防污劑、農林業殺蟲菌劑、塑料制品中的穩定劑等，已引起嚴重的環境污染，且有可能經食物鏈傳遞從而對人體健康造成嚴重危害。雷曉康[10]分析了水質和海產品中的多種錫形態，包括二苯基錫(DPhT)、三苯基錫(DPhT)、四苯基錫(TePhT)，為評價錫污染的具體危害做出了貢獻。

3.2 食品營養價值評價

硒是谷胱甘肽過氧化物酶的組成成分，此酶具有抗氧化功能，可以保護細胞膜及人體組織免受過氧化物的損害。硒可以可以保護心血管和心肌健康，缺乏硒可引起以心肌損害為主要特征的克山病。此外，硒還具有解毒、增強免疫力、促進生長、保護視覺器官及抗腫瘤的作用。缺硒人群會引起大骨節病。我國成人硒的每日推薦攝入量為50μg/d，動物的肝、腎、肉及海產品都是富硒的食物。

對富硒食品的探求是目前的一個研究熱點，如果單純對硒總量進行研究是有一定局限性的，所以應該深入的探究富硒食品中硒的各種形態，這樣才能對此類食品的營養價值得到確切的展現。鐵梅[11]等發現富硒金針菇中水溶態硒的主要存在形態為硒代胱氨酸、 硒代蛋氨酸和由二者組成的含硒多肽等含硒有機化合物。倪張林[12]等對4種富硒蔬菜和4種普通蔬菜的硒形態對比研究后發現，蔬菜中的硒多以硒蛋氨酸(Se-Met)、硒胱氨酸(Se-Cys2)、甲基-硒半胱氨酸（MeSeCys）為主，無機硒Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）都未檢出，說明蔬菜通過高硒環境培育后，可將無機硒轉化為有機硒，從而達到富硒的目的。硒的形態主要集中在有機態，多以含硒蛋白質的形式存在，各個形態對應的營養價值還有待進一步深入研究。

3.3 藥品安全性評價

目前，元素形態分析尚未收錄在藥典的官方檢測方法當中，但是在實際的科研工作中，很多學者已經利用這項技術展開了大量的研究，其中主要是利用各個元素的形態深入評價藥品的安全性，從而改變只測定元素總量作為單一指標的現狀，讓評價體系更為合理。

郝春莉[13]等的研究結果表明15種中藥材中存在的主要砷形態是有毒的 As(V)，另外只有動物藥中含有少量的砷甜菜堿和砷膽堿。方軍[14]等研究了多種中成藥中砷的形態，結果表明中成藥中以As(V)和As(III)為主要形態，少量藥品還含有一甲基砷(MMA)。金鵬飛[15]等對比了炮制前后5種中藥材的砷形態變化，發現炮制后五種中藥無機砷的含量都出現了上升。另外，朱砂、銀朱、辰砂以及蒙藥中黑辰砂(制水銀) 的主要成分均為硫化汞，在中藥和蒙藥中用途較廣，用量較大。王庚[16]等對蟾酥中汞、砷形態進行了分析研究，并建立HPLC－ICP－MS 聯用技術對3種汞化學形態(甲基汞、無機汞、乙基汞)進行同時測定的分析方法，該方法為中藥材質量控制及傳統藥理毒理提供了一種很好的評價技術手段。

4 展望

目前，元素形態分析已經越來越受到各界學者的關注，研究也漸漸深入，相關的儀器也漸漸普及到一些基層檢驗和研究實驗室。希望在元素分析方面，對食品、藥品安全有重要影響的元素形態分析方法能盡快納入國家標準，規范檢測方法。不要因為國家標準的落后而再次重演2004年香港含砷魚罐頭，2007年香港含砷魷魚絲食品的恐慌，引起食品藥品產業的風浪，影響一些安全合格產品的生產企業的信譽和銷售。有毒的無機砷和低毒甚至無毒的有機砷不能混為一談，總汞的含量也并不能代表全是劇毒的有機汞。食品藥品固然是安全第一，但也不能由于檢測方法的不科學不嚴謹而誤傷了無辜的產品。

另外，元素形態分析目前的應用還是有很大的發展空間。在分析儀器方面，應該朝著靈敏性更高，前處理更簡便，檢出限更低，結果更準確的方向前進；在研究思路方面，除了在未研究過的食品或藥品中建立各元素形態的含量測定的方法以外，應該更多的根據某些社會問題設計研究思路，讓方法的實際應用意義更加明確，并能解決一些實際的問題。

[1]余晶晶,曹煊,崔維剛,等.高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜測定滸苔中砷及砷化學形態[J].食品科學,2009,30(16):223-227.

[2]劉守廷,蔣天成,李健梅,等.HPLC–AFS聯用測定海產品中砷的形態[J].化學分析計量,2013,22(1):11-14.

[3]秦德元,劉霧欣,張新智.原子熒光形態分析儀在汞、銻形態分析中的應用[J].現代科學儀器,2009,(2):74-77.

[4]楊麗君,宋曉華,陳麗娟,等.高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜法同時測定果蔬中 6種砷形態[J].分析試驗室,2011,30(7):62-66.

[5]李林林,朱英存.離子色譜-電感耦合等離子體質譜聯用(IC-ICP-MS)測定水體中的砷形態[J].生態毒理學報,2013,8(2):280-284.

[6]楊麗君,胡巧茹,郭偉,等.高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用同時測定雞肉與雞肝中的 7種砷形態[J].色譜,2011,29(5):394-398.

[7]荊淼,王征,李文龍,等.陰離子交換色譜-電感耦合等離子體質譜聯用技術用于面粉中溴形態分析[J].巖礦測試,2006,(2):129-132.

[8]林立,陳玉紅,王海波.離子色譜－電感耦合等離子體質譜法聯用測定飲料中的溴形態[J].食品科學,2010,31(12):226-228.

[9]錢沙華,黃淦泉,楊漢飚.鋁壺煮沸的飲用水中鋁的形態分析[J].分析化學,2005,28(5):624-627.

[10]雷曉康.ICP-MS及其聯用技術用于海產品和水樣中錫形態分析的研究[D].南昌:南昌大學,2012.

[11]鐵梅,方禹之,孫鐵彪,等.HPLC-ICP-MS聯用技術在富硒金針菇硒的形態分析中的應用[J].高等學校化學學報,2007,28(4):635-639.

[12]倪張林,湯富彬,張瑋,等.HPLC-DRC-ICP-MS測定富硒蔬菜中的硒形態[J].分析試驗室,2013,32(2):39-43.

[13]郝春莉,王庚,余晶晶,等.15種中藥材中砷的形態分析[J].分析測試學報,2009,28(8):918-921.

[14]方軍,舒永紅,滕久委,等.HPLC-ICP-MS測定中藥中砷的形態[J].分析試驗室,2007,26(9):34-37.

[15]金鵬飛,吳學軍,鄒定,等.HPLC-ICP-MS研究炮制對中藥砷形態的影響[J].光譜學與光譜分析,2011,31(3):816-819.

[16]王庚,荊淼,曹煊.高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜測定蟾酥中銅、砷、鎘、汞、鉛含量及砷化學形態[J].分析化學,2008,36(9):1182.