离子色谱技术在食品检测中的应用
离子色谱法（IC）是一种利用离子交换树脂进行离子分离的技术[1]。其原理是基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换和分析物溶质对交换剂亲和力的差别而被分离，本质是通过离子性化合物、流动相和固定相离子交换官能团三者相互作用，从而达到连续对多种共存阴离子或者阳离子进行分离、定性和定量的一种色谱分析方法。离子色谱的分离机理主要是离子交换，主要有3种分离方式，它们是高效离子交换色谱（HPIC）、离子排斥色谱（HPIEC）和离子对色谱（MPIC）。其中，HPIC主要是应用离子交换的原理，采用低交换容量的离子交换树脂分离离子，是分析检测比较常用的一种分离方式；HPIEC则是利用Donnon膜排斥效应，电离组分受排斥不被保留，而弱酸则有一定保留的原理从而达到分离目的，主要用于分离有机酸以及无机含氧酸根；MPIC在色谱过程中，将与样品中待测离子电荷相反的离子对试剂加入流动相中，离子对试剂与待测离子结合形成中性化合物，从而影响保留行为，该方式主要用于疏水性阴离子及金属络合物的分离。离子色谱作为高效液相色谱的一种，由于其样品前处理简单、污染小、检测快速、灵敏度高、选择性好，可同时测定多组分的优点已成为继液相、气相之后的第三大色谱技术，已成为检测分析中一种成熟、可靠技术。
1 在食品检测领域中的应用
1.1 食品中阳离子检测
离子色谱法可用于食品中的Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NH4+等可溶性阳离子的检测，通过对不同基质食品进行前处理从而达到分析检测目的。在单纯的水基质中，食品不需要复杂处理过程就可对阳离子进行分离定量。周晚晴等[2]对矿泉水中Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+等主要阳离子进行分析，采用IonPac CS16(5 mm×250 mm）分离柱和IonPac CG16(5 mm×50 mm）保护柱，以甲基磺酸（MSA）为流动相，抑制电导检测器检测，从而检出多种微量元素在矿泉水中的浓度含量。对于固体基质食品则需要在溶解过滤后进行分析。于海英等[3]将钙镁片溶于盐酸后，采用Ion Pac CS12A阳离子交换色谱柱分离，ZonePac CG12(4 mm×50 mm）为保护柱，甲基磺酸水溶液作为淋洗液，将钙、镁离子与杂质离子分离，电导检测器测定。其中，钙、镁离子在测定的浓度范围内线性相关系数良好，相关系数皆大于0.999 7，精密度、重复性试验中测定离子峰面积相对标准偏差（SRSD）均在2%以内，回收率分别为99.1%和99.4%。在试验考察下，通过一定色谱条件下，食品中阳离子均能达到基线分离，且分离度大于1.5，各离子和杂质得到良好的分离。
1.2 食品中阴离子检测
离子色谱法用于食品中F-、Cl-、SO42-、NO3-、BrO3-、ClO2-、ClO3-、ClO4-、NO2-、S2-、CN-等多种阴离子含量测定，可用于食品样品中阴离子痕量分析检测[4]。GB 8538—2022《食品安全国家标准饮用天然矿泉水检验方法》中离子色谱法能有效分离和准确测定水中阴离子含量，且操作简单、准确度高，适用于实验室大批量开展检测工作。许多分析人员通过标准方法进行优化，如邵光印等[5]测定凉白开饮品采用SH-AP-1型阴离子交换柱分离，以氢氧化钾溶液洗脱，采用电导检测器测定其中BrO3-、NO2-计和Br-这3种阴离子的含量。罗文业等[6]利用离子色谱法对茶叶中的铬酸根进行含量分析，从而间接测定铅铬绿的主要成分铬酸铅和铁蓝，实现茶叶中无机绿色颜料的定量测定。离子色谱法也可用于氯化食品中亚氯酸盐和氯酸盐的测定[7]。此外，通过采用兼容多种淋洗液和检测器的Dionex TM Ion Pac TMAS7型或功能相似阴离子交换柱可对阴离子选择性分析，具有高的灵敏度。以乙酸钠+氢氧化钠+乙二胺为淋洗液进行等度洗脱，电化学检测器分析，可以用于检测食品中氰化物、硫化物、碘化物等[8][9][10]，在GB 5009.36—2023《食品安全国家标准食品中氰化物的测定》中新增离子色谱法，进一步推动离子色谱法在食品检测中的应用。研究显示离子色谱分析方法灵敏度高、准确性好，能够简单快速对食品中阴离子进行测定分析。
1.3 食品中有机酸检测
离子色谱法应用于有机酸测定分析。其分析食品中的自然酸度或加工过程中产生的酸类物质，对了解食品的酸碱平衡、保质期和风味有重要意义。与其他方法，如毛细管电泳法、气相色谱法、高效液相色谱（HPLC）法等分析方法进行比较，其优势主要包括分析速度快、高灵敏度、高选择性、干扰少、多组分同时测定、运行费用低、广泛的pH范围和稳定性好等特点，且可对有机酸直接测定。常见的分析模式有离子排斥模式和抑制电导模式2种，其中离子排斥模式是利用有机酸的极性和解离的难易程度而实现分离，而抑制电导模式是采用阴离子交换-抑制电导进行分析，可同时检测有机酸和无机阴离子。食品存在不同的有机酸，包括乳酸、乙酸、丙酸、甲酸、丁酸、己酸、山梨酸、丙二酸、己二酸、苹果酸、酒石酸、草酸、柠檬酸、琥珀酸、富马酸和焦谷氨酸等，这些有机酸在循环代谢过程中起到重要作用。因此，众多分析者利用抑制电导法对食品中有机酸进行研究[11][12][13][14]。在利用离子色谱法测定食品中有机酸时，样品可经溶解、稀释和RP柱净化后，采用如Dionex Ion Pac AS19型阴离子交换色谱柱分离，氢氧化钾为淋洗液梯度洗脱，采用抑制型电导检测器进行检测。在离子排斥色谱法下，采用Organic acids-250/7.8阳离子交换分离柱，一定浓度比例硫酸和乙腈混合溶液为淋洗液，抑制型电导检测器，也可对多种有机酸进行分离和定量。此外，离子色谱法也成为分析全氟烷基物质（PFAS）新方法，研究发现合成的一种由间苯二酚芳烃键合精氨酸组成的新型阳离子固定相，可用于离子色谱分离全氟烷基物质[15]。这种新型填料在合适的梯度条件下可分离全氟烷基物质，如全氟丁酸、全氟丁磺酸、全氟戊酸、全氟己酸等。与普通有机酸的情况不同，研究发现降低洗脱液中OH-浓度导致更好的全氟烷基物质分离。该方法成为食品中全氟烷基物质的分析方法的另一选择。
1.4 食品中糖类检测
离子色谱法可用于食品中糖类的检测分析。随着人们生活水平的提高，越来越多的无糖、低糖食品进入人们的生活中，这些食品通常会使用糖醇如麦芽糖醇、木糖醇等作为蔗糖和淀粉糖等代替品，因此对糖类物质分析成为关乎人们健康的问题。测定糖类物质的方法主要有滴定法、高效液相色谱法、比色法、离子色谱法等。但由于糖类物质极性强，有多种同分异构体，常规的色谱柱不能较好分离，且紫外吸收弱，需要衍生后方能测定，操作复杂且不能确保重复性等，给实际分析增加困难。利用专用于糖类分析的色谱柱和脉冲安培检测器（PAD）的离子色谱检测技术方法可直接对糖类进行分析，具有灵敏度高、样品无需衍生处理等优点。离子色谱法利用糖类物质在碱性溶液中呈离子状态的原理，即多糖类化合物的分子特性，糖类化合物分子具有电化学活性及在强碱溶液中呈离子化状态，从而进行测定。离子色谱法对食品中单糖、双糖、低聚糖、多聚糖、糖醇、氨基糖、酸性糖等均可检测[16][17][18]。实验方法通过不同前处理，如样品经水溶解或乙醇水溶液提取、酸沉淀蛋白，过反相固相萃取柱（RP净化柱）净化、调节pH等过程，以赛默飞Carbo Pac TM PA20或Carbo PacTM MA1等相同类型阴离子交换柱为分析柱，以氢氧化钠或氢氧化钠+无水醋酸钠混合溶液为淋洗液梯度洗脱，经离子色谱-脉冲安培检测器定量测定，在测定浓度范围内线性关系、方法精密度、回收率都得到满意结果。
1.5 食品中氨基酸检测
离子色谱法是一种常用于氨基酸的分析的技术方法。在氨基酸分析中，常用于检测分析氨基酸的方法有分光光度法、离子色谱-积分脉冲安培法、氨基酸分析仪法、高效液相色谱法和液相色谱-串联质谱法、超临界流体色谱法和近红外光谱法[19]。其中，离子色谱法工作原理是氨基酸与作为固定相的阳离子交换剂发生离子交换，通过选择合适的固定相和调节流动相的pH和离子强度，实现氨基酸的分离和洗脱。离子色谱在分析氨基酸中的应用可以分为直接检测和衍生化检测2种方式。其方法具有较高的灵敏度、选择性和稳定性的特点，对准确分析和测定氨基酸的含量和类型在食品和生物研究方面有着重要的意义。通过与传统方法比较，对不同样品类型适用水解方法、提取技术不断优化，能够更好地发挥离子色谱法在氨基酸检测作用[20]。现阶段分析人员通常利用离子色谱-积分脉冲安培法测定食品中多种氨基酸[21]。样品经过溶解、沉淀蛋白、RP净化柱净化、调pH等过程处理后，经过如AminoPac PA10阴离子交换色谱柱分离，以氢氧化钠或氢氧化钠+无水醋酸钠混合溶液梯度洗脱，脉冲安培检测器进行检测。通过多级洗脱和调节柱温度，从而达到最好的分离效果。对于一些含有色素较高的食品分析中，通过一定条件去除色素和消除酒精干扰后再采用二维离子色谱法实现氨基酸和糖的同时测定[22]。
1.6 食品添加剂检测
离子色谱法是食品添加剂检测中的重要分析方法，如防腐剂、甜味剂、着色剂中的分析应用，具有高分辨率、高灵敏度和准确性特点。食品中的添加剂种类繁多，不同添加剂的溶解性、稳定性等性质各异，需要将食品样品经过粉碎、提取、过滤等步骤，其中液液萃取、固相萃取、凝胶渗透色谱、基质固相分散、QUECHERS法等是食品添加剂检测常用前处理技术，从而获得适合离子色谱仪分析的样品溶液。杜黎等[23]阐述离子色谱技术在食品添加剂分析中具有广泛应用前景，未来将为食品安全提供更强技术保障。
1.6.1 防腐剂检测
离子色谱可同时测定食品中的多种防腐剂，具有简便快速、重现性好的特点。防腐剂是食品添加剂中常用的一类，主要包括苯甲酸、山梨酸及其盐类、亚硝酸盐、对羟基苯甲酸酯类等。GB 5009.33—2016《食品安全国家标准食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》中明确离子色谱测定方法。在国标基础上，研究人员对离子色谱法进行优化和改进，在GB 5009.33—2016《食品安全国家标准食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》的基础上，改进前处理及色谱条件[24]。不同的前处理下，使用离子色谱-电导检测器或紫外检测法可对食品中亚硝酸盐、硝酸盐含量进行测定。此外，样品经过超声提取、沉淀蛋白、离心过滤，固相萃取净化（经C18柱、Ag柱、Na柱等）后，以KOH溶液为流动相梯度洗脱，电导检测器检测，可对食品中亚硝酸盐、硝酸盐、苯甲酸、山梨酸、多聚磷酸盐等多种防腐剂分析测定[25][26]。与其他方法进行比较，离子色谱在分析防腐剂物质中也体现出方法的优势，将离子色谱法与气相色谱法在分析酱腌菜中脱氢乙酸进行比较时[27]，在优化测定条件下，分别从方法回收率、精密度、检出限和实际样品测定4个方面比较方法的差异性。结果表明，2种方法均能对样品中的脱氢乙酸分析测定，相比离子色谱法灵敏度较高。
1.6.2 甜味剂检测
离子色谱可测定食品中的合成甜味剂。合成甜味剂是食品工业中应用广泛的一类添加剂，常见品种包括糖精钠、甜蜜素、安赛蜜、三氯蔗糖和阿斯巴甜。这些甜味剂大多属于强极性物质，水溶性好，不易通过反相液相色谱直接分离测定。然而，离子色谱技术可有效克服这一局限，实现甜味剂的灵敏检测与定量分析。检测食品中甜味剂的常用前处理方法有溶剂提取法、固相萃取法、透析法和沉淀法等，不同样品经不同预处理，可用离子交换-电导检测离子色谱法检测[28]。分析人员采用阀切换离子色谱技术同时检测饮料中的糖类、甜味剂和防腐剂[29]。样品经简单前处理进样于IonPacAS11-HC(4 mm×250 mm）阴离子分离柱，通过设置合适的阀切换时间，在AS11-HC柱上保留较弱的糖类物质先被碱性淋洗液洗出，收集在定量环中。强保留的防腐剂随着淋洗液逐渐洗出，紫外检测器检测。收集在定量环中的糖类物质再经NaOH淋洗液冲洗进入Carbo Pac PA10(4 mm×250 mm）柱中分离，进行电化学检测。结果表明，在0.5～2.5 mg/L的线性范围内，方法的回归系数r2不小于0.999 0，重现性相对标准偏差和回收率在实验质量控制范围内。
1.6.3 合成着色剂检测
人工合成着色剂因具有色泽鲜艳、稳定性好、成本低等优点，在食品工业中得到广泛应用。常用的合成着色剂主要有玉红、柠檬黄铝色淀、日落黄、胭脂红和赤藓红。离子色谱法作为一种专门用于分离和分析离子性物质的高效液相色谱技术，其被广泛应用于测定饮料和其他食品中的人工合成着色剂。该方法通过分离样品中阴离子或阳离子性质的化合物，从而定量分析着色剂的含量。该方法具有分离效果好、灵敏度高等优点。离子色谱法常用于包括人工合成色素，特别是在糖果、糕点、饮料等食物中的人工合成色素的检测。这些着色剂大多为水溶性较好的磺酸衍生物，通过超声萃取法、固相萃取法、磁固相萃取法、固相微萃取法和整体柱法等前处理[30]，进而用离子谱法检测。尽管现阶段离子色谱法在检测食品中的着色剂遇到一些问题。其中，食品基质的复杂性，如含有大量蛋白质、脂肪、糖类等干扰成分，导致基质效应的不良干扰，一些添加剂检测灵敏度降低。因此，进一步优化样品前处理方法、色谱分离条件及检测方式，成为离子色谱技术在检测合成色素应用是食品添加剂探索一个重要方面。
1.6.4 抗氧化剂检测
离子色谱法可用于测定食品中的抗氧化剂。一般使用的食品抗氧化剂酚类物质大多采用液相色谱和气相色谱等方法进行测定[31]。而用于蔬果类食品的柠檬酸、抗坏血酸、亚硫酸、亚硫酸盐等抗氧化剂则可通过离子色谱法分析测定。尽管国家规定各种抗氧化剂使用范围和剂量，但为更好地了解和探究食品中的抗氧化剂残留量和可能来源，离子色谱法已成为食品中抗氧化剂分析方法的一种。在前处过程中，通常可使用稀释、净化等方式处理，采用超声萃取、液-液萃取、固相萃取和凝胶渗透等技术消除复杂基质干扰。采用不同的前处理方法对食品中的抗氧化剂进行提取，如在水溶解下，加入NaOH和甲醛溶液提取，经C18分离和纯化，利用离子色谱可对干红葡萄酒中亚硫酸盐进行分析[32]。有些食品可以采用超声提取，如离子色谱法测定食品中的柠檬酸盐等[33]，而对于较复杂基质处理，可通过RPOnGuardⅡRP固相萃取净化柱消除疏水性物质这些基质干扰[34]。试验表明在一定浓度范围内方法线性关系、检出限、回收率及重现性都得到较好的结果，表明在抗氧化剂分析中离子色谱法是一种简单、快速、具有重现性好的检测方法。
1.7 非法添加物检测
离子色谱法可用于检测多种非法添加物，包括溴酸盐、硝酸盐、甲醛次硫酸氢钠、苏丹红、三聚氰胺、硼酸与硼砂、硫氰酸钠等。溴酸盐和硝酸盐非法添加于面粉和婴儿米粉中，通过超声提取和低温离心处理后，在电导检测器进行检测。梁敏娟[35]利用离子色谱法测定面粉中的溴酸盐含量，采用DionexIonpac AS19型分析柱分离，氢氧化钾溶液梯度淋洗，阴离子抑制器测定。样品经超声提取，离心，过RP柱、Ag/H柱，滤膜过滤，再进行分析。溴酸盐在浓度范围内具有良好的线性关系，方法的检出限为0.13 mg/L，方法回收率为90%～105%。甲醛次硫酸氢钠（吊白块）多被非法添加于腐竹、粉丝、面粉、竹笋中，采用离子色谱法对小麦粉与大米粉及其制品中甲醛次硫酸氢钠含量进行检测。廖予琦等[36]采用离子色谱法测定米线中甲醛次硫酸氢钠的含量。样品经NaOH溶液提取，离子色谱分离，KOH淋洗液洗脱，电导检测器测定，证实方法可行性。该方法前处理简单、样品稳定性好、准确度高，具有较高的实用价值。在乳及乳制品三聚氰胺的监测中，离子色谱法是一种简便的分析方法[37]。
1.8 食品中农药残留分析应用
离子色谱法可用于多种农药检测中，包括草甘膦、灭草松、氨甲基膦酸等。例如，草甘膦作为一种广谱有机磷类除草剂，因与其他已知的具有除草剂活性的化合物比较具有更大普遍使用性，可能会进入环境、食物中，进而进入人体。由于草甘膦等多种农药具有毒性和可能致癌的特性，对在食品中的残留农药量的分析评估非常重要。有几种方法用于它们的测定。其中之一是离子色谱法。离子色谱法在测定各种环境、食品和其他样品中农药残留量测定中得到广泛应用。可通过超声水提-离子色谱法测定小麦粉中草甘膦的残留[38]。样品经超声波纯水浸提，采用乙酸溶液、固相萃取柱进行净化，以Ion-PacAS19阴离子交换分离柱分离，KOH淋洗液等度洗脱，抑制型电导检测。结果显示，草甘膦在质量浓度0～50.0μg/mL范围内，相关系数为0.999 6，检出限为0.052 mg/kg。加标回收率在86.7%～96.5%之间。
2 离子色谱技术延伸应用
随着全球环境污染和食品安全问题的日益严重，离子色谱仪在环境污染物检测、食品添加剂检测、生物大分子分析等方面的应用需求不断增加，特别是离子色谱与不同的检测器联用，大幅扩大检测领域和范围，除了常见的离子色谱与电导检测器或电化学检测器、紫外检测器一起使用外，还可与质谱检测器联合使用。质谱（MS）作为一种高灵敏度的定性、定量检测技术，与液相色谱和气相色谱联合使用已得到广大科研工作者的认可。如今，行业对高极性或离子化合物的检测灵敏度要求越来越严格，如草甘膦、2,4-D、草铵膦、乙烯利、乙磷铝等极性农药残留检测和糖蛋白类分析中，在使用传统的反相液相色谱时不仅在测定时需要衍生，而且不易萃取，存在多种技术困难。而由于离子色谱的特殊性，质谱检测器和离子色谱进行联用以解决高极性或可电离化合物的检测需求。因此，离子色谱-质谱（IC-MS）或离子色谱-串联质谱（IC-MS-MS）联用技术在食品极性农残、单抗药物、疫苗、非靶向代谢组学（脂质代谢、糖代谢、TCA循环等）的研究中发挥越来越大的作用[39][40][41]。离子色谱串联质谱法应用于很多食品中长期存在的激素类物质的检测，包括雌激素、睾酮、孕激素、丙烯酰胺等。此外，离子色谱（IC）电感耦合等离子体质谱联用技术（IC-ICP-MS）、离子色谱-氢化物发生-原子荧光光谱联用技术（IC-HG-AFS）及离子色谱-蒸气发生/原子荧光光谱（IC-VG/AFS）可以定量分析食品中可能存在元素的不同形态，如As、Se、Pb、Te、Sn、Cd、Hg等元素，更为准确分析食品的安全性或毒性，在食品分析领域也被广泛应用[42]。利用IC-ICP-MS联用技术研究食品不同元素形态，对了解物体生理、毒理作用和品质评价有着非常重要的意义。同时，有研究发现微米级复合氨基酸敏感电位生物传感器可用作离子色谱检测器，当离子色谱与生物传感器联用可对氨基酸进行测定。
3 结语
综上所述，食品的检验检测既确保食品安全性，保障消费者健康，规范食品市场，又能提高我国产品质量水平，对食品行业健康发展发挥积极作用。离子色谱法凭借高效分离、高灵敏度、简便性等优势，已成为食品检测的重要技术手段，在食品营养成分检测，有机酸和糖类、添加剂检测，农药残留的检测等方面的应用为食品安全提供有力保障。离子色谱技术的不断进步，包括新型色谱柱、抑制器和检测器的开发，以及样品前处理技术的优化，进一步使其在食品检测中得到更广泛的应用前景，提高检测效率和准确性，为食品安全提供强大的技术支持。
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