高等分析化学论文

2013年6月 高等分析化学 - 1 - 由高等分析化学引起对奶粉中三聚氰胺检测方法的思考

东北师范大学化学学院 郝睿 长春130024 【内容摘要】由于三聚氰胺具有较高含氮量，而常被不法商家添加到奶粉中，欺骗消费者，引起婴儿营养不良、肾结石等恶劣事件。本文中根据高等分析化学课中学习过的检测方法，结合三聚氰胺的理化性质，预测了几种合适三聚氰胺的检测方法：远红外光谱法，高效液相色谱法，电化学法等。通过文献查阅及动手实践，验证了预测的可行性，同时也找出了预测中的不足。

【关键词】 三聚氰胺 高等分析化学 红外光谱法 电化学法 液相色谱法 核磁共振法

以专业课上学习的分析化学知识为基础，又经过一个学期以来高等分析化学课的提升，使我们对分析化学有了一个整体框架。如果说化学是很多学科必不可少的工具，那么分析化学就是化学的眼睛。分析化学是一个大家族，很多化合物的结构是由多种分析方法共同配合测得的。仅仅掌握一两种分析方法而不能学以致用，就失去了分析化学的意义。所以，在这篇论文章里，我将以自己感兴趣的三聚氰胺为例，进行一次学以致用的尝试。文章分三部分：第一部分，简述我对三聚氰胺的了解及它的理化性质、光谱性质;第二部分，根据三聚氰胺的结构、理化性质及光谱特征，结合现在所掌握的高等分析方法，预测适合三聚氰胺的检测方法；第三部分，以第二部分的预测为线索，到中国期刊网和图书馆收集材料，验证并完善自己的猜想。 一、三聚氰胺的理化性质及毒性 三聚氰胺（Melamine）化学式为C3H6N6，俗称蛋白精，是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，长被用作化工原料，多用于生产塑料和肥料，还可制造药物胶囊。在动物饲料中添加三聚氰NN

NNH

2H2N

NH22013年6月 高等分析化学 - 2 - 胺，可提高饲料的氮含量,让人误以为该饲料的蛋白质比较丰富①。也有些不法商家，为了提高收益，把三聚氰胺添加到奶粉中，直接导致婴儿患病，死亡。2008年发生的三鹿“毒奶粉”事件，就是一例严重的三聚氰胺中毒事件，商家为提高奶粉含氮量，添加三聚氰胺，导致许多婴儿患病，不禁被世人所唾弃。那么，为什么商家选择添加三聚氰胺的方式来增加奶粉含氮量呢？原因就在于三聚氰胺外观为白色单斜晶体、无味，这与蛋白粉很相似，而且非常易于购买和生产，成本低廉。最根本的原因的是三聚氰胺含氮量很高。我们平时采用的测试方法是“凯氏定氮法”，通过测定氮的含量间接测定样品中蛋白质含量，不能测出样品中是否含有含氮异物。蛋白质主要由氨基酸组成，其含氮量一般不超过30% 。而三聚氰胺的分子式显示，其含氮量为66% 左右②。这就导致了许多不法商家把三聚氰胺添加到食品中去。 三聚氰胺被用作食品添加剂仅仅会造成食品中被测蛋白质含量升高吗？它对人畜的健康会不会有影响呢？中国检验检疫科学院动植物检疫研究所和南京农业大学动植物医学院联合，以小白鼠为样本做了有关三聚氰胺的毒性实验。急性三聚氰胺和慢性三聚氰胺中毒的小鼠，肾脏都会出现结石。实验结果表明，三聚氰胺可以导致动物肾衰竭，长期服用可产生肾结石。 二、高等分析化学课中学到的检测方法 既然许多不法商家将三聚氰胺作为食品添加剂加到奶粉中冒充蛋白质，而凯氏定氮法又无法鉴别三聚氰胺和蛋白质，那么我们该怎么辨别呢？聪明的化学人用智慧解决了这个难题。 高等分析化学大多采用仪器分析的方法，利用许多先进电学光学仪器，与普通分析方法相比，具有分辨率高，低检出限，高准确度等优点。采用高等分析化学方法，不仅能测定样本各个组分的相对含量，还能表征出各组分的化学结构。这很好的解决了“凯氏定氮法”不能区分三聚氰胺和蛋白质的问题。那么高等分析化学都包含哪些分析方法呢？哪种方法又更适合三聚氰胺的鉴别呢？ 高等分析化学的大家族中包括：质谱分析法、电化学分析法、光化学分析法、色谱分析法和热分析法，还可以将两种分析仪器连用，以提高分析的效率，如质谱——色谱

①林祥梅.王建峰.贾广乐.梅林.王众三聚氰胺的毒性研究[J].毒理学杂志，2008（6）

②林祥梅.王建峰.贾广乐.梅林.王众三聚氰胺的毒性研究[J].毒理学杂志，2008（6） 2013年6月 高等分析化学 - 3 - 连用等。 其中，色谱法是利用不同物质在不同相态的选择性分配不同，以流动相对固定相中的混合物进行洗脱，混合物中不同的物质以不同的速度沿固定相移动，最终达到分离的效果。因为各组分的极性不同，分离出来所用的保留时间也就不同。因此，保留时间是色谱分析法中定性分析的重要指标，同时根据流出峰的面积大小还可以进行定量分析。色谱法根据其流动相和固定相的不同可分为气象色谱法和液相色谱法，根据流动相于固定相的极性差异，又可分为正向色谱和反向色谱，我们一般用的是反向色谱，即：固定相为非极性，流动相为极性。三聚氰胺分子结构中存在明显的对称性，属于非极性分子，而大多数蛋白质分子都是极性的，所以利用色谱法可以分离蛋白质和三聚氰胺。在此，笔者猜想，利用色谱法配合合适的光谱分析方法可以检测出食品中的三聚氰胺。 质谱法是一种通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(M／Z)大小进行分离并记录其信息的分析方法。质谱法可以根据质核比轻松的测量出待测分子的质量，但在检测过程中，电子轰击产生的离子碎片种类复杂，数目繁多，所以笔者认为，质谱法虽然在确定分子质量方面十分强大，但却不适合用来分离和鉴别三聚氰胺和蛋白质这两种物质。 光化学分析是一个庞大的家族，它的主要成员有：荧光分析法、红外分析法、原子发射、原子吸收和核磁共振光谱法。 在紫外光的照射下，分子中价电子跃迁产生紫外吸收光谱，它对应分子的电子能级，电子跃迁的同时伴随着振转能级的跃迁，为带状谱。跟据物质的特征吸收波长可以进行定性和定量分析。利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C=C－C=C、C=C－C=O、苯环等。对分子中含有的生色团和助色团有很好的检测效果，但却不适用于整体结构及所有的有机物分子。 在红外光的照射下，分子中振动能级发生跃迁产生红外吸收光谱，它对应分子的振动能级，同时伴随着转动能级的跃迁。红外吸收光谱为峰型谱，根据吸收峰所对应的波数及吸收峰面积进行定性和定量分析。振动能级的跃迁包含了化学键官能团的性质以及空间分布等信息，因此红外吸收光谱法是很有利的有机物分析方法，可以准确鉴别化合物中所含的官能团，在此，笔者查阅了一些三聚氰胺及蛋白质的红外光谱信息，通过对比，两者存在较大差异，就此判断红外光谱法可以鉴别奶粉中的三聚氰胺（详见附表1）。 在射频辐射的照射下，原子核发生核自旋跃迁产生核磁共振吸收谱，它对应原子核2013年6月 高等分析化学 - 4 - 的自旋跃迁。核磁共振吸收谱为线型峰，根据吸收峰的组数、峰的化学位移、积分面积及裂分情况可以确定有机物基团的结构、连接方式以及空间构型，是目前最强大的有机物结构分析手段之一。三聚氰胺分子高度对称，氢处于的化学环境较单一，所以笔者认为核磁共振光谱法可以检测三聚氰胺。 原子吸收光谱法和原子发射光谱法是利用原子的特征吸收光谱对样品中元素种类及含量进行分析的方法，在此，笔者认为，这两种分析方法更适合无机物的分析，不适合进行有机物分析。 电化学分析法是根据溶液中物质的电化学性质及其变化规律，建立在以电位、电导、电流和电量等电学量与被测物质某些量之间的计量关系的基础之上，对组分进行定性和定量的仪器分析方法。与其它几种分析方法相比较，电化学分析法应用范围较窄，但电化学具有灵敏度高、准确度高、分析时间短等优点。对于一些特定物质，具有很好的分析效果。 在国创的前期准备中，老师曾指导我们做过循环伏安法检测奶粉中三聚氰胺的预实验，并得到了很好的效果，后来又利用三联吡啶钌修饰电极进行电化学发光实验也得到了同样的效果。所以，笔者认为，电化学分析法和电化学发光法也可以用于三聚氰胺的鉴别。 通过上面的分析，笔者认为，色谱法、红外吸收光谱法、核磁共振吸收光谱法、电化学法和电化学发光法均可用于三聚氰胺的检测。而原子吸收和原子发射不适合三聚氰胺的检测。紫外光谱法及质谱法不能得到较好的检测效果。 三、适用于三聚氰胺检测的高等化学分析方法 通过查阅资料，上诉猜想大多数得到了验证，高效液相色谱法（HPLC）、近红外线吸收法、核磁共振法、化学发光法和电化学法均为三聚氰胺的有效检测方法，此外，电化学发光法和两仪器连用的分析方法，也是三聚氰胺的有效检测手段。 《原料乳与乳制品中三聚氰胺检测方法》（GB/T22388-2008）规定：测定原料乳和乳制品中的三聚氰胺采用HPLC③。由于蛋白质分子溶于水却不溶于乙酸、乙腈等有机溶剂，用三氯乙酸乙腈为提取液浸泡奶粉试样，得到含有三聚氰胺的提取液。提取液经混合型阳离子交换固相萃取柱富集净化后采用C18或C8柱，以乙腈和柠檬酸—辛烷磺酸钠缓冲液为流动相进行冲洗，根据保留值和峰面积可进行定性及定量分析。为保证检测的准

③刘世鹏.雷迎.黄国旺.陈宝.田光辉. 三聚氰胺检测方法的研究进展[J].畜牧与饲料科学.2012（3） 2013年6月 高等分析化学 - 5 - 确性，也可以在色谱分离后，在采用二极管阵列检测器或紫外检测器检测，即两仪器连用的检测方法，文献记录在添加量为2.00～10.00 mg/kg 的浓度范围内回收率在80%～110%，定量限为2.00 mg/kg。除此之外，两仪器连用的分析方法还有液相色谱质谱连用法（HPLC/MS）、气相色谱质谱连用法、高效液相色谱质谱连用法等，其中液质联用法同高效液相色谱法, 也不需要进行衍生化, 与液相色谱法相比, 具有高灵敏度和高选择性的特点, 适合于浓度相对较低的样品中三聚氰胺的分析, 质谱或二级质谱作为确证手段④。 近红外技术(NIR)是20世纪70年代后发展起来的一种新的快速定性定量分析技术, 近红外光谱包含丰富的物质信息, 其谱图与物质本身的组成密切相关, 通过对光谱特征的分析, 可以获得有关物质结构与组成的信息⑤。只需进行简单的前处理即可通过光谱分析提取出物质的特征信息，特别适合用于快速鉴别物质的品质。三聚氰胺分子呈稳定的三角架结构, 三个角的碳原子分别连接两个N 原子和一个NH2。 C-N 键的谱峰很难识别,而NH2的波动却是正好于近红外区域, 理论上可以据此对三聚氰胺进行近红外分析。文献通过配置含三聚氰胺的奶粉样品和不含三聚氰胺的奶粉对照组，采集进红外光谱的方法建立了定性分析模型，进而又配置含不同浓度三聚氰胺的牛奶溶液，建立定量分析模型。近红外分析模型对三聚氰胺有稳定高效的检测能力。 如图（1-1），是利用近红外技术检测含三聚氰胺的奶粉时所产生的吸收谱图，三聚氰胺含量范围为0. 9754 ~ 19. 5672mg /kg，共测试19组，由图线的峰型及重叠程度，可看出近红外分析方法对三聚氰胺的检测有良好的稳定性。