specjacja w analizie środków spo ywczych

Nowiny Lekarskie 2006, 75, 2, 199–203
JERZY WOJCIECH ŁUKASIAK
SPECJACJA W ANALIZIE ŚRODKÓW SPOŻYWCZYCH∗
SPECIATION IN ANALYSIS OF FOODSTUFFS
Katedra i Zakład Chemii Fizycznej z Pracownią Analizy Instrumentalnej Akademii Medycznej w Gdańsku
Kierownik: prof. dr hab. Jerzy Łukasiak
Streszczenie
W 1994 roku na Sympozjum Bromatologicznym w Łodzi wygłosiłem referat pt.: „Analityka specjacyjna w badaniu żywności” [1]. Od tego
momentu minęło ponad 10 lat. Chciałbym, zatem dokonać przeglądu osiągnięć w tej dziedzinie pod kątem wykorzystywania specjacji w analizie
środków spożywczych w szerokim kontekście zarówno analitów, jak też specjacji jako takiej.
Życzeniem moim jest, zatem przedstawienie przed Jubilatem Panem Profesorem H. Gertigem, postępów w dziedzinie nauki, którą Pan Profesor
reprezentuje. Chciałbym także miarą czasu (10 lat) podkreślić wkład środowisk Polskich Bromatologów w rozwój analizy, w tym także analizy
farmaceutycznej.
W referacie będą omówione wszystkie próby uwzględniania specjacji, prezentowane na sympozjach bromatologicznych od roku 1994. W referacie zostaną także omówione sposoby podejścia do technik lub procedur przygotowania próbki w kontekście uwzględniania specjacji.
SŁOWA KLUCZOWE: specjacja, analiza środków spożywczych.
Summary
In 1994 on the Bromatological Symposium in Lodz I was honoured to deliver the paper entitled: “Speciation Analysis in Food Tests” [1]. Over
10 years have passed since that time and therefore I would like to review achievements in this field, regarding the use of speciation for the analysis of foodstuffs in the broad context, of both the analytes and the speciation itself.
For that reason, it is my deepest wish to depict before Professor H. Gertig, who is celebrating his anniversary, the development in the field of
science the Professor represents. Furthermore, my intention is to emphasize with this decade of research the contribution of the scientific environment of the Polish bromatologists to the development of analysis in general and pharmaceutical analysis as well.
In this paper, all attempts at giving consideration to speciation, presented on several bromatological symposia since 1994 shall be illustrated.
Additionally, the approach methods to the techniques or procedures of sample preparation with reference to speciation shall be described.
KEY WORDS: speciation, analysis of foodstuffs.
Wstęp
Można postawić tezę, że niewątpliwie dwie dziedziny nauki mianowicie analiza farmaceutyczna i analiza
środków spożywczych umocniły w sposób istotny pozy-
cję specjacji w analizie. Specjacja zaś spowodowała
konieczność uwiarygodniania wyników, czyli walidację
metod analitycznych oraz rozwój technik separacji analitów (Schemat 1.).
Analiza
środków spożywczych
Analiza farmaceutyczna
SPECJACJA
Walidacja
metod analitycznych
Techniki
separacji analitów
Rozróżnianie
form analitów
Schemat 1. Schemat kierunków rozwoju analizy specjacyjnej.
∗
referat wygłoszony na Konferencji Naukowej pt.: „Żywność i żywienie – metodologia, ocena, zdrowie” Puszczykowo k/Poznania
26–27 września 2005
Jerzy Wojciech Łukasiak
200
Typy specjacji [2, 3].
6. Specjacja wewnątrzmolekularna [3]. Przykład:
1. Specjacja przesiewowa. Najprostszy przypadek
analityki specjacyjnej, gdy w oparciu o odpowiednie testy
czy też procedury analityczne należy wykryć i oznaczyć
jedną formę analitu, np. ze względu na jej szczególnie
wysoką ekotoksyczność czy też rolę, jaką odgrywa w
cyklu biogeochemicznym danego pierwiastka (np. metylortęć, tributylocyna).
2. Specjacja dystrybucyjna. Dotyczy przede wszystkim próbek biologicznych. Przykłady:
• oznaczenie poziomu metali w surowicy krwi, plazmie, jak i w samych krwinkach
• oznaczenie poziomu polichlorowanych dibenzodioksyn i dibenzofuranów w poszczególnych
tkankach ryb
• oznaczanie poziomu metali ciężkich w poszczególnych częściach roślin
• oznaczenie określonej grupy związków w badanej
próbce.
3. Specjacja grupowa. Przykłady:
• określenie poziomu zawartości związków organicznych w próbkach środowiskowych (suma węglowodorów w powietrzu czy też suma węgla organicznego w wodzie)
• określenie stężenia chromu Cr (VI), który ze
względu na swoje silne właściwości utleniające
jest bardzo niebezpieczny dla organizmów żywych
• określenie poziomu stężeń trzech form występowania rtęci:
– rtęci elementarnej
– rtęci nieorganicznej
– rtęci w związkach metaloorganicznych.
4. Specjacja indywidualna. Ma na celu rozróżnienie
i oznaczenie wszystkich indywiduów chemicznych zawierających w swoim składzie dany pierwiastek. W związku
z tym szczególną rolę będą tu odgrywały wszelkie techniki frakcjonowania i separacji, a więc przede wszystkim
techniki chromatograficzne. Najtrudniejsza w realizacji
forma analizy specjacyjnej.
5. Specjacja fizyczna. Uwzględnia występowanie
danego pierwiastka w różnych formach fizycznych –
wolny analit, analit w postaci związanej (absorbat lub
kompleks). Przykłady:
• oznaczanie metali w wodzie w dwóch frakcjach:
metali rozpuszczonych i metali związanych z zawiesiną
• oznaczanie w atmosferze danego związku osobno
we frakcji aerozoli i pyłów, i osobno w postaci gazowej
• oznaczanie metali śladowych w osadach dennych
i glebie.
Rozróżnienie formalne identycznych elementów molekuły (podstawników), różniących się jednak energetycznie, a co za tym idzie również reaktywnością chemiczną. Analizy specjacyjnej dokonuje się głównie
metodami spektroskopowymi.
7. Specjacja chiralna. Przykład:
• enancjoseparacja – separacja chiralna, niezwykle
istotna jako metoda rozdzielania enancjomerów
przez zastosowanie jako modyfikatorów faz
chromatograficznych selektorów chiralnych. Bardzo ważna ze względu na istotne różnice właściwości fizjologicznych izomerów optycznych.
Specjacja w analizie środków spożywczych
Konieczność uwiarygodniania wyników analiz spowodowało objęcie walidacją wszystkich trzech etapów
składających się na pełną metodę analityczną [4].
201
Analiza specjacyjna zdynamizowała rozwój technik
i procedur separacyjnych (Schemat 1.). Przykłady takich
procedur przedstawia Schemat 2. i 3. [6].
METODA ANALITYCZNA
POMIAR
(zasada pomiaru)
PRZYGOTOWANIE PRÓBKI
OPRACOWANIE WYNIKÓW
PRÓBKA
BEZPOŚREDNIA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ
Przepuszczanie
strumienia próbki
przez złoże sorbenta
Przepływ
grawitacyjny
Dodatek sorbenta
bezpośrednio do
badanej próbki ciekłej
(np. sproszkowanego
węgla aktywnego)
Przepływ
wymuszony
Dozymetry pasywne Przepuszczanie Ekspozycja włókna
(urządzenia ekstrak- próbki cieczy przez ekstrakcyjnego
rurkę kapilarną
bezpośrednio
cyjne wyposażone
w półprzepuszczalną z naniesioną fazą w badanej próbce
membranę
stacjonarną lub
cieczy
i złoże sorbenta)
warstwą sorbenta
SORBENTY
Syntetyczne polimery porowate, żywice, modyfikowane żele
krzemionkowe, sorbenty węglowe, sadze, granulowany węgiel
aktywny,
dyski ekstrakcyjne
Desorpcja termiczna
Ekstrakcja rozpuszczalnikiem
Schemat 2. Separacja na drodze bezpośredniej ekstrakcji do fazy stałej [5].
Desorpcja termiczna bezpośrednio w komorze nastrzykowej
chromatografu
Jerzy Wojciech Łukasiak
202
PRÓBKA
POŚREDNIA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ
po uprzednim przeniesieniu analitów do fazy gazowej
Ekspozycja włókna z naniesioną fazą stacjonarną
w fazie gazowej nad
fazą ciekłą
Metody rozpuszczalnikowe
Wykorzystanie strumienia gazu do izolacji analitów z próbki ciekłej,
a następnie zatrzymanie analitów ze strumienia gazu na złożu sorbenta
Przemywanie próbki ciekłej
strumieniem gazu nośnego
Praca
w układzie
otwartym
Praca
w układzie
zamkniętym
Przemywanie strumieniem
gazu przestrzeni gazowej nad
próbką ciekłą
UWALNIANIE ZATRZYMANYCH ANALITÓW
Desorpcja termiczna bezpośrednio w komorze nastrzykowej
chromatografu
Desorpcja termiczna
Ekstrakcja rozpuszczalnikiem
Schemat 3. Separacja analitów na drodze pośredniej ekstrakcji do fazy stałej [5].
Środki spożywcze wymagają specjalnego podejścia
analitycznego ze względu na obecność w próbkach bar-
dzo złożonych matryc, generujących sygnały zakłócające
i obce (ryc. 1.).
sygnały zakłócające
Wszystkie rodzaje interferencji będące
wynikiem oddziaływań wewnątrz i
międzymolekularnych
sygnały znaczące
specyficzne właściwości
fizykochemiczne analitu
sygnały obce
specyficzne właściwości
fizykochemiczne matrycy
PRÓBKA
analit
matryca
Ryc. 1. Współzależność pomiędzy sygnałami analitycznymi próbki.
Specjacja w analizie środków spożywczych
Odpowiedzi analityczne uzyskujemy na drodze zamiany sygnałów statycznych na dynamiczne, co w efekcie prowadzi do otrzymania wartości pomiarowych
zależnych od stężenia:
203
2. Namieśnik J., Łukasiak J., Jamrógiewicz Z.: Pobieranie
próbek środowiskowych do analizy, pod redakcją J.
Namieśnika. Warszawa 1995, Wydawnictwo Naukowe
PWN.
3. Fizykochemiczne metody kontroli zanieczyszczeniami śro-
PRÓBKA
(Przyrząd pomiarowy)
SYGNAŁY STATYCZNE
SYGNAŁY DYNAMICZNE
Pierwiastek (np. Na)
Chromofor UV
Elektrolit
Pierwiastek (np. Ca)
Jądro atomowe (np. proton –H)
(Fotometr)
Charakterystyczna barwa płomienia
(Spektrometr UV)
widmo absorpcyjne
(Konduktometr)
(Spektrometr ASA)
Atomizacja i absorpcja atomowa
(Spektrometr NMR)
Widmo NMR
Uwiarygodnienie wyników analiz (walidacja) spowodowało rozpowszechnienie w procedurach analitycznych materiałów odniesienia.
W praktyce analitycznej rozróżnia się dwa typy materiałów odniesienia:
• materiał odniesienia (RM)
• certyfikowany materiał odniesienia (CRM)
Podsumowanie
Wartości pomiarowe
Wartość emisji
Absorbancja
Wartość przewodnictwa
Wartość absorbancji
Ilość protonów o tym samym
przesunięciu
dowiska. Praca zbiorowa pod redakcją J. Namieśnika i Z.
Jamrógiewicza. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.
4. Danzer K., Than E., Molch D.: Analityka. Ustalanie składu
substancji. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
1980.
5. Namieśnik J., Jamrógiewicz Z., Pilarczyk M., Torres L.:
Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.
Przewodnik ISO/IEC Guide 30; 1992 [6]
Materiał odniesienia
(Reference Material)
Certyfikowany materiał odniesienia
(Certyfited Reference Material)
materiał lub substancja, których właściwości
są wystarczająco dokładnie
scharakteryzowane by mogły być użyte do:
– wzorcowania przyrządów
– oceny metody pomiarowej
– przypisania właściwościom materiałów
określonych wartości.
materiał, którego jedna lub więcej
właściwości była certyfikowana zgodnie
z procedurą, opatrzony certyfikatem
wydanym przez jednostkę certyfikującą.
W latach 1994–2005 w materiałach sympozjalnych
dotyczących specjacji i analizy specjacyjnej opublikowano 53 prace [7–13]. W tym:
– z zakresu specjacji grupowej (azotyny i azotany) – 33
– inne prace z zakresu specjacji grupowej – 2
– prace z zakresu specjacji dystrybucyjnej – 8
– prace z zakresu specjacji indywidualnej – 3
– inne – 7.
Oznacza to, że analiza specjacyjna środków spożywczych stała się trwałym elementem wzbogacającym ten
dział analizy.
Piśmiennictwo
1. Łukasiak J.: Analityka specjacyjna w badaniu żywności.
Bromat. Chem. Toksykol., 1995, 28, 197–208.
6. Łukasiak J., Pinkiewicz A., Szefler J.: Rola walidacji w analizie środków spożywczych. Sympozjum „Żywność – Lek,
Zdrowie”, Łódź, 21-22.09.2000 r., 20–21.
7. Sympozjum „Badania w zakresie oceny jakości zdrowotnej
żywności i przedmiotów użytku”, 5–6 września 1994. Akademia Medyczna w Łodzi, Wydział Farmaceutyczny.
8. Sympozjum Profilaktyka Chorób Cywilizacyjnych ŻywnośćŻywienie-Lek, Poznań, 9–10 września 1996.
9. Sympozjum „Jakość zdrowotna żywności i przedmiotów
użytku”, Warszawa, 18–19 września 1997.
10. Sympozjum „Jakość zdrowotna żywności i żywienia”, Białystok, 16–17 września 1999.
11. Sympozjum „Żywność, Lek – Zdrowie”, Łódź, 21–22 września 2000 r.
12. Wartość zdrowotna i zanieczyszczenia żywności, Gdańsk,
18–19 września 2003. Bromat. Chem. Toksykol., 2003, 36, .
204
Jerzy Wojciech Łukasiak
13. Ogólnopolskie Sympozjum Bromatologiczne, „Żywność,
żywienie – nowe wyzwania”, Białystok, 23–24 czerwca
2005. Bromat. Chem. Toksykol., 2005, 38.