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三聚氰胺如何檢驗?

三聚氰胺毒奶粉引起台灣民眾乃至各國的恐慌。其實大部份含有三聚氰胺的食品中,含量都只佔百萬分之幾甚至更少,要怎樣才能從受檢食品中測出含量如此少的物質?

撰文/李名揚

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三聚氰胺如何檢驗?

三聚氰胺毒奶粉引起台灣民眾乃至各國的恐慌。其實大部份含有三聚氰胺的食品中,含量都只佔百萬分之幾甚至更少,要怎樣才能從受檢食品中測出含量如此少的物質?

撰文/李名揚

三聚氰胺(melamine)分子是含氮的環狀結構,為白色單斜晶體,微溶於水。它本來是有機化工的中間產物,主要用途是和甲醛反應聚合成三聚氰胺甲醛樹脂(又稱美耐皿樹脂或聚尿樹脂),硬度高且耐熱、耐腐蝕,廣泛應用於木材、塑膠、塗料、皮革、電器等產業。


每一個三聚氰胺分子上有六個氮原子(見右圖),氮含量高達66.67%,比奶粉的15.7%高得多,這就是它會被添加到奶粉中的原因,因為測定食物中蛋白質含量的「凱式檢定法」,正是以蛋白質的重要成份——氮的含量,來反推蛋白質的含量;而且三聚氰胺價錢便宜又容易取得,自然成為不肖商人魚目混珠的最佳選擇。


生活環境中或多或少都有一些有毒物質,大部份有毒物質都有所謂的安全標準,亦即含量在安全標準以下的話,尚不致對人體造成危害。每種物質的安全標準不同,食品的安全標準非常嚴格,因此需要以很精密的檢驗儀器來檢測樣品中是否存在微量的有毒物質。

要檢驗樣品中含有多少比率的待測物質,首先必須測量樣品質量,然後從樣品中取出待測物質並測量其質量,兩相比較,就知道樣品中所含的待測物質比率。這項工作最大的學問在於如何從樣品中取出含量極少的待測物質,並且精準測量其質量。以近幾個月最受關注的三聚氰胺(melamine)為例,檢驗工作的第一步是「前處理」,就是盡量把樣品中的三聚氰胺分離出來;然後再送進「層析儀」和「質譜儀」,進行精密的純化和定量。


獲得衛生署認證可以檢驗食品中三聚氰胺含量的暐凱國際檢驗科技公司何中平強調,層析儀和質譜儀都非常靈敏,前處理若沒做好,樣品中雜質太多,不但影響後來的處理速度,也會降低精確度。三聚氰胺的前處理通常要花兩小時,盡量取得雜質最少的三聚氰胺;接著放進精密儀器中,只要10分鐘,結果就出來了。


前處理

前處理必須先選擇適當的溶劑,將樣品中的三聚氰胺萃取出來。三聚氰胺幾乎不溶於水,但可溶於乙氰(CH3CN),因此可用乙氰將三聚氰胺溶出;但乙氰價格昂貴,所以實務上會利用其可溶於水的特性,將乙氰和水以1:1的比例混合,做為初步萃取的溶劑。


樣品溶於乙氰水溶液後,經過充份混合,即可以離心的方式,讓溶液與未溶解的物質分離,然後將上層含三聚氰胺的溶液取出。


離心過的三聚氰胺溶液中,可能包含了其他同樣可溶於乙氰的物質,因此必須通過「固相萃取匣」來進一步純化。固相萃取匣中裝有針對不同待測物而設計的特殊物質(這是各儀器公司的商業機密),倒入三聚氰胺溶液後,特殊物質會吸附住三聚氰胺分子,而讓乙氰和其他物質流走;然後再倒入95%乙氰和5%氫氧化銨(NH4OH)調配而成的溶劑,這種溶劑對三聚氰胺的溶解度非常高,可將三聚氰胺再次溶出,此時得到的就是純度非常高的三聚氰胺沖提液。


但是三聚氰胺沖提液中可能仍有其他固體雜質,因此必須以濾孔只有0.22微米的濾膜來濾除,接下來才可以開始進行色層分析。


色層分析

色層分析的目的,是將三聚氰胺進一步純化,做法是讓三聚氰胺沖提液在高壓下流過層析管,並和管中的填充物充份接觸;由於物質之間接觸時會產生互相吸引的拉力,因此會使沖提液中的物質流速減慢,而不同物質與填充物之間的拉力不同,於是樣品中各種不同成份的流速會變得不一樣,三聚氰胺就被分離出來。


層析方式有兩種:液相層析法和氣相層析法。液相層析法是讓三聚氰胺沖提液以特定壓力和流速流過長約25公分的層析管,讓溶液中的各種成份和層析管中的填充物作用,造成流速不同而分離出三聚氰胺。氣相層析法則是將三聚氰胺沖提液加熱氣化,使各種分子以氣態通過極細的層析管來將三聚氰胺和其他物質分開。由於氣體分子運動速率比液體分子快很多,因此層析管的長度必須夠長,才能讓不同運動速率的氣體分子充份分離。檢驗三聚氰胺的氣相層析質譜儀的層析管長達30公尺(見114頁〈色層分析及紫外光偵測原理〉),若要檢驗脂肪酸分子,更需用長達100公尺的層析管。



定性與定量的方式


通過層析的三聚氰胺會在特定的時間流出層析管,此時就可用紫外光儀或質譜儀測量其質量。目前用於檢測三聚氰胺含量的儀器主要有三種:高效液相層析紫外光儀(HPLC/UV)、液相層析串聯質譜儀(LC/MS/MS)及氣相層析質譜儀(GC/MS)。


HPLC/UV是以特定波長的紫外光束照射流出的樣品,並偵測穿透的紫外光強度;由於三聚氰胺分子會吸收特定波長的紫外光,因此可從紫外光減弱程度推算溶液中的三聚氰胺質量(見右頁〈三聚氰胺在HPLC/UV的檢驗結果〉),精確度可達1ppm(100萬分之一)。


若樣品中三聚氰胺含量極低,無法以紫外光計量,就必須在層析管後面連接質譜儀。質譜儀的原理是先讓受測物分子碎裂為數個帶電離子,當離子通過電磁場時,會受電磁場作用而偏轉,偏轉程度取決於離子的質荷比(質量與電荷的比值),因此可分離出不同質荷比的離子。


代理進口檢驗儀器的辛耘公司客服經理陳敬明表示,LC/MS/MS是先讓三聚氰胺分子連接上一個氫離子,然後讓每一個這樣的粒子以相同的速度撞擊氬原子而碎裂;GC/MS則是直接以特定能量的高速電子束將三聚氰胺分子打碎。


由於撞擊的能量固定,因此三聚氰胺只有幾種特定的碎裂方式,每種碎裂方式都佔一定的百分比,而每一種離子碎片都有自己的質荷比;只要讓這些離子碎片通過電磁場,就會在電磁場中產生不同的偏轉程度,因此分開而得以偵測。


目前靈敏度最高的質譜儀為「四極桿式質譜儀」(見右頁〈四極桿式質譜儀〉),它是將四支電極棒以菱形排列,在電極棒上施加快速變動的電壓;撞碎的分子碎片(帶電離子)會通過四根電極棒之間的通道,只有特定質荷比的離子才能到達對面的偵測器,其他離子會因偏轉太多撞上電極棒而消失。


接下來質譜儀會偵測所有碎片中最大和次大的離子碎片,以暐凱公司使用的LC/MS/MS為例,三聚氰胺碎裂後的最大和次大碎片,分別是離子質量85.10和68.15的碎片,數量比為3:1,若質譜儀偵測到的離子質量和數量比符合上述條件,就表示當初被撞碎的物質是三聚氰胺,然後就可根據這兩種碎片的數量,回推樣品中的三聚氰胺質量,精確度可高達0.1ppb(1ppb為10億分之一)。


GC/MS的精確度比LC/MS/MS差,測量三聚氰胺含量時,精確度只能到0.1ppm,但已比HPLC/UV高了10倍。


雖然LC/MS/MS的精確度較高,但並非每一種物質都適合用它來檢測。因為要以質譜儀檢測物質時,一定要事先知道該物質的背景資料,以三聚氰胺而言,必須先知道用哪種層析方式可將三聚氰胺分離出來,以及三聚氰胺分子在質譜儀中的表現模式,而GC/MS現有的化學資料庫比LC/MS/MS的龐大許多。


在實作上,要採用哪一種檢測儀,得依受檢物質特性及所需的精確度來決定。何中平指出,質譜儀的價錢相當高,一台LC/MS/MS大約要價新台幣850~1200萬元,GC/MS也要350~600萬元,而HPLC/UV只需約150萬元,因此選擇合乎化學特性與成本的儀器來做檢測,加上完善的前處理,才是最重要的。


值得注意的是,不論用哪一種檢測儀器來進行偵測,若檢驗結果顯示樣品中含有三聚氰胺,就意味著一定有;但若測出來的結果是「沒有」,並不能代表一定沒有,這有可能是因為三聚氰胺含量低於儀器檢測極限,或是取樣時發生誤差所致。換句話說,任何儀器都無法保證受測樣品中一定沒有三聚氰胺,但當檢測結果是「有」的時候,就是無法否認的科學事實。



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