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 pozycję specjacji w analizie. Specjacja zaś spowodowała konieczność uwiarygodniania wyników, czyli walidację metod analitycznych oraz rozwój technik separacji analitów (Schemat 1.). Analiza farmaceutyczna Analiza środków spożywczych SPECJACJA Walidacja metod analitycznych Rozróżnianie form analitów Techniki separacji 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
200 Jerzy Wojciech Łukasiak 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 201 Konieczność uwiarygodniania wyników analiz spowodowało objęcie walidacją wszystkich trzech etapów składających się na pełną metodę analityczną [4]. Analiza specjacyjna zdynamizowała rozwój technik i procedur separacyjnych (Schemat 1.). Przykłady takich procedur przedstawia Schemat 2. i 3. [6]. METODA ANALITYCZNA PRZYGOTOWANIE PRÓBKI POMIAR (zasada pomiaru) OPRACOWANIE WYNIKÓW BEZPOŚREDNIA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ Przepuszczanie strumienia próbki przez złoże sorbenta Przepływ grawitacyjny Przepływ wymuszony Dodatek sorbenta bezpośrednio do badanej próbki ciekłej (np. sproszkowanego węgla aktywnego) Dozymetry pasywne (urządzenia ekstrakcyjne wyposażone w półprzepuszczalną membranę i złoże sorbenta) Przepuszczanie próbki cieczy przez rurkę kapilarną z naniesioną fazą stacjonarną lub warstwą sorbenta Ekspozycja włókna ekstrakcyjnego bezpośrednio w badanej próbce cieczy SORBENTY Syntetyczne polimery porowate, żywice, modyfikowane żele krzemionkowe, sorbenty węglowe, sadze, granulowany węgiel aktywny, dyski ekstrakcyjne Desorpcja termiczna Ekstrakcja rozpuszczalnikiem Desorpcja termiczna bezpośrednio w komorze nastrzykowej chromatografu Schemat 2. Separacja na drodze bezpośredniej ekstrakcji do fazy stałej [5].
202 Jerzy Wojciech Łukasiak 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.). analit matryca sygnały zakłócające sygnały znaczące Wszystkie rodzaje interferencji będące wynikiem oddziaływań wewnątrz i międzymolekularnych specyficzne właściwości fizykochemiczne analitu sygnały obce specyficzne właściwości fizykochemiczne matrycy Ryc. 1. Współzależność pomiędzy sygnałami analitycznymi próbki.
Specjacja w analizie środków spożywczych 203 Odpowiedzi analityczne uzyskujemy na drodze zamiany sygnałów statycznych na dynamiczne, co w efekcie prowadzi do otrzymania wartości pomiarowych zależnych od stężenia: (Przyrząd pomiarowy) SYGNAŁY STATYCZNE SYGNAŁY DYNAMICZNE Wartości pomiarowe Pierwiastek (np. Na) (Fotometr) Charakterystyczna barwa płomienia Wartość emisji Chromofor UV (Spektrometr UV) widmo absorpcyjne Absorbancja Elektrolit (Konduktometr) Wartość przewodnictwa Pierwiastek (np. Ca) (Spektrometr ASA) Atomizacja i absorpcja atomowa Wartość absorbancji Jądro atomowe (np. proton H) (Spektrometr NMR) Ilość protonów o tym samym Widmo NMR przesunięciu 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 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 środowiska. 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) materiał lub substancja, których właściwości są wystarczająco dokładnie scharakteryzowane by mogły być użyte do: wzorcowania przyrządów oceny metody pomiarowej przypisania właściwościom materiałów określonych wartości. 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. Certyfikowany materiał odniesienia (Certyfited Reference Material) materiał, którego jedna lub więcej właściwości była certyfikowana zgodnie z procedurą, opatrzony certyfikatem wydanym przez jednostkę certyfikującą. 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 Żywność- Żywienie-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.