食品安全与药物代谢分析研究评述

孙汉文

(河北大学 化学与环境科学学院，河北 保定 071002)

现代分析化学基于创造和应用新概念、新原理和仪器的策略来研究化学量测与表征，提供一种有关客观物质世界较深层(分子水平)的信息，已由单纯的提供数据，上升到从分析数据中获取有用的信息和知识，成为生产和科研中实际问题的解决者.分析化学实际上已发展为分析科学.分析科学工作者必须回答当代科学技术、社会需求和人类健康对现存分析方法和技术的挑战.河北大学分析化学专业主动面对环境科学、食品科学和生命科学的挑战，学科建设取得了又好又快的发展，于1985年成为河北省首批13个重点学科之一,1986年取得硕士学位授予权,1998年取得了全国地方院校第一个分析化学专业博士学位授予权，填补了河北大学理科没有博士点的空白.2002年获批河北省分析科学与技术重点实验室.近20年来，申世刚等21名博士生先后加盟孙汉文课题组，届时与在读硕士生一起完成了多项国家和河北省科研课题.本课题组已成为一支富有创新精神、充满活力和团结奋进的科研团队，围绕光谱化学与痕量分析、分离科学与食品安全分析、分子发光与药物代谢组学分析等3个重要研究方向，持续开展系统而深入的研究，取得了丰硕的成果.

1 丰富光谱化学内容与创新痕量分析方法

在光谱化学与痕量分析研究方向，曾创新提出导数原子光谱与痕量分析技术，为金属组学分析提供了高灵敏的技术方法.曾获河北省自然科学二等奖1项、科技进步二等奖3项、三等奖1项.出版《原子吸收光谱分析技术》(中国科技出版社)、国家九五重点教材《原子光谱分析》(高等教育出版社)、《原子光谱学与痕量分析》和《分析化学新进展》(河北大学出版社).申世刚、梁淑轩、康维钧、庞秀言、锁然、马登军等多名博士生在光谱化学与痕量分析领域取得了丰硕的研究成果.其中，哈婧在光谱化学与痕量分析领域的学位论文获河北省首届优秀博士学位论文.光谱化学与痕量分析研究，促进了化学学科发展和河北省重点实验室建设，为拓展和深化分离科学与食品安全分析奠定了基础.

2 拓展分离科学研究与创新食品安全分析方法

民以食为天，食以安为先.食品安全直接关系到每个人的身体健康和生命安全，已成为人们广泛关注的热点.自1998年以来，本课题组针对食品中农兽药残留分析面临的挑战，紧贴当前国内外食品安全的热点、难点、痛点问题，在分离科学与食品中农兽药残留等有害物质分析领域开展了方法学研究.食品安全分析面临待测物质浓度低、样品基质复杂、干扰物质多、代谢产物多样或不明、药物代谢因动植物种类而存在差异，因此，需要研发高效的分离富集技术，建立具有先进性、确证性和法定性的分析方法.

分离科学是研究分离、富集和纯化物质的一门学科.在分离分析技术发展的过程中，相对于现代分析技术的快速发展，样本前处理技术的滞后制约了分析化学的发展.因此，近些年来样本前处理的技术方法研究引起了分析化学家的关注.分析仪器灵敏度的提高及分析对象基质的复杂化，对样品的前处理提出了更高的要求.本课题组对分子烙印-固相萃取、分子烙印-基质分散萃取、分子烙印整体色谱柱分离、微波辅助萃取、加速溶剂萃取等样本前处理技术原理和方法进行了持续而深入研究，已成功用于食品分析.此外，基于遗传算法的曲线拟合方法用于定量解析重叠的荧光光谱图，这种以“数学分离”代替“化学分离”即可实现对荧光光谱的互相干扰的多组分同时、准确的定量检测，适用于环境监测、毒理分析以及食品检验等.针对分子印迹-固相萃取技术在极性环境下受阻的困境，博士生乔凤霞和葛旭升合成了多种水兼容性分子印迹聚合物用于固相萃取和色谱整体柱分离，利用化学软件结合现代化分析手段探究分子识别机理，揭示了氢键形成和断裂的基本规律，实现和拓展了在水环境条件下分子印迹-固相萃取技术的应用.

农药或兽药残留检测方法可分为单残留检测法、选择性多残留检测法和多类多残留检测法.如何更有效地使用和发展这些新的分析手段和工具，怎样有效地从这些新的化学量测工具和手段中获取化学家们所需的有关化学组成和结构信息以及其他各种有用的化学信息，如何进一步提高灵敏度、选择性以及分析速度，这是新技术对分析化学提出的新目标与高要求.本课题组围绕食品安全问题比较系统而深入地开展了农兽药和违禁添加化学物质的多残留分析研究，总体设计与研究思路：研发高效分离技术方法→深化与拓展农兽药与违禁物质多残留检测→提出先进的新方法和建立标准方法→将食品残留检测延伸至人体内药物残留分析→将人体内药物残留分析深化到药物与蛋白结合的特征研究，为风险评价奠定方法学基础.通过河北省分析科学技术重点实验室建设，分离分析仪器平台在不断充实和优化，实现了选择性多残留检测，多类多残留及其代谢物检测，取得了具有较高学术意义和重要实用价值的科研成果.在一年一度的学校国家级奖学金的发放中，本课题组研究生几乎届届榜上有名.博士生李挥在读期间完成的食品链中激素与抗生素类药物残留检测技术及标准化研究,获河北省优秀博士学位论文；博士生孟哲和李丽欣利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱的优势，建立了磺胺类药物、氟喹诺酮类、青霉素药物及其代谢物的二级质谱数据库，为多残留筛查确证和食品风险评价提供了数据基础和借鉴；在曹彦忠和张进杰研究员的大力支持帮助和指导下，硕士生于灵风采用同位素稀释-气相色谱-三重四极杆联用质谱技术，考察了植物源中药中16种持久性污染物多环芳烃；硕士生张亚欠和博士生董新凤分别为蜂王浆和牛奶中90种兽药残留和粮食及血液中51种除草剂残留的高通量分析，提出了一系列液质联用技术新方法.论文分别发表在中国科学院JCR一区和二区FoodChemistry、JournalofChromatographyAFoodControl、JournalofDairyScience和FoodAdditivesandContaminants等权威学术刊物上.另外，本课题组还注重紧贴食品安全事件实际开展方法学研究，为“苏丹红”、“三鹿奶粉”，“塑化剂”等违禁物质的检测建立了一系列先进方法和标准方法，应用于食品安全检测和监控.博士生王凤池针对“苏丹红”事件首次建立了食品中10种偶氮染料先进的分析方法；硕士生王立新应急建立的灵敏的固相萃取-反相高效液相色谱法，用于某品牌液体奶中三聚氰胺的确证检测，取得了良好的社会效益，发表在美国FoodControl杂志上的论文被评为2010年度中国百篇最具影响的国际学术论文,其学位论文被评为河北省优秀硕士学位论文.针对“塑化剂”事件，硕士生杨艳蕾首次为食用植物油中20种邻苯二甲酸酯的普查而建立了微波提取-凝胶色谱-固相萃取-气相色谱-串联质谱测定方法，该论文成果发表在JCR一区美国的JournalofAgriculturalandFoodChemistry上.

检测方法的标准化，意味着检测技术的成熟、稳定、可靠、经过同行验证和取得法定地位.随着经济日益全球化和国际食品贸易的日益扩大，检测技术标准已经成为制造和破解技术壁垒的主要手段.同时，要解决国内的食品安全问题，食品检测技术标准也日益成为必不可少的关键工具.因此，本课题组除了研究先进的分析技术外，在分析技术标准化方面也取得了一系列具有重要实用价值的成果.硕士生王凤池和艾连峰创新建立了高效液相色谱离子阱质谱法并应用于定量定性分析食品中苏丹1、2、3、4号，SPE-HPLC-MS/MS法快速测定牛组织及奶中的痕量氯氰碘柳胺残留量，液相色谱-质谱联用法检测动物源食品中地克珠利和妥曲珠利及其代谢物的残留，这些方法均升级为中华人民共和国检验检疫行业标准.李挥和艾连峰在读研期间建立了液相色谱-质谱/质谱法检测饲料中4种β-内酰胺类抗生素，食品用包装材料及塑料制品中6种邻苯二甲酸酯特定迁移量以及23种初级芳香胺特定迁移量的测定等具有先进性和实用价值的一系列新方法，之后均被列为河北省地方标准.食品包装材料中环境激素类污染物分析技术及42项技术标准研究于2011年获河北省科技进步三等奖；乳及乳制品中β-内酰胺酶标准化检测技术研究于2012年获河北省科技进步二等奖；关于食品接触材料中特定迁移化学物质关键检测技术研究及标准化，饲料中禁限用物质关键检测技术研究及标准化2项研究，于2014年分获国家质量检验检疫总局科技兴检二等奖和三等奖.

活性成分分析和标志产品识别研究对于茶叶及其相关产品的质量控制和食品安全评估具有重要的实用价值.本课题组选择了黑苦荞和决明子及相关茶饮中的蒽醌类物质，建立了非水毛细管电泳法、区带毛细管电泳法、超高效液相色谱法和液质联用法，可以应用于茶的质量控制.为整顿市场秩序，迫切需要发展地理标志产品的识别方法和产地溯源技术，以鉴别地理标志的品牌产品和假冒伪劣产品，保护正规企业的合法权益，增强相关法规条例的可执行性.国内外各专家学者不断借鉴相关学科方面的知识，积极探索用于产地溯源的有效技术方法.产地溯源的有效方法是选择能够表征地域信息的特征因子，并通过化学计量学方法分析其“指纹”特征，从而识别食品的原产地.本课题组基于近红外光谱-模式识别技术建立了一种快速准确的大米产地溯源方法.研究分析了大米与产地土壤中元素分布的相关性，筛选出可用于大米产地溯源的有效元素组；研究分析土壤和大米无机阴离子指纹，提出以阴离子含量作为大米产地溯源依据的可行性，为大米地理标志产品的保护提供了有力的技术支撑.

为了总结、深化和拓展有关分离科学与食品安全研究，对近20年来10名博士和17名硕士公开发表的论文成果加以筛选、统筹和组编，撰写了《食品安全分析方法学研究》.本书着重介绍了本课题组关于水兼容性分子印迹聚合物的合成与分子识别机理、分子印迹-固相萃取/基质固相分散萃取、基于化学计量学的“数学分离”等方面的研究成果；讲述了关于环丙氨嗪与三聚氰胺及类似物、磺胺和喹诺酮类药物及其代谢物、内源性激素和环境激素、50种除草剂、90种农兽药的多残留分析以及茶叶活性成分与中草药中持久性污染物分析的研究成果；重点介绍了食用合成色素和违禁染料监测与方法标准化、农兽药及其代谢物多残留分析与方法标准化、β-内酰胺酶及其抗生素检测与方法标准化、塑化剂和芳香胺残留与迁移量检测方法标准化、大米产地特征因子及溯源方法等领域的研究成果.

分离科学与食品安全分析研究，促进了学科和实验室建设与发展，为药物分析及其代谢分析研究的深化奠定了某些技术方法基础.

3 深化分子发光研究与创新药物代谢分析方法

20世纪90年代继基因组学和蛋白质组学之后，新近发展起来的代谢组学是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物同时进行定性和定量分析的一门新学科.药物代谢组学是以代谢组学为平台，依托现代分析技术、化学计量学和生物信息学技术，通过分析比较给药前后生物体液中小分子代谢物轮廓的改变来进行药物疗效和毒性的评价、预测对个人进行药物或外来物干预的结果.近年来，药物代谢组学分析研究已涉及疾病诊断、医药研制开发、营养食品科学、毒理学、环境学、植物学等与人类健康密切相关的领域，取得了突破性进展.河北省分析科学技术重点实验室建设为本课题组开展药物代谢组学分析提供了现代仪器分析平台.分子发光类仪器、电分析化学仪器、高效毛细管电泳仪.高效液相色谱-三重四极杆质谱，气相色谱-三重四极杆质谱、高效液相色谱-飞行时间-质谱，在药物代谢组学分析研究中发挥了重要作用，主要涉及小分子药物及配伍药物分析、药物间的相互作用，小分子药物与大分子蛋白的作用、生物大分子多糖与生物细胞的作用特征等研究内容.

分子发光与药物分析是2004年增设的研究方向，也是对药物代谢组分析研究的初始铺垫.分子发光可分为光致发光、场致发光、热致发光、生物发光、化学发光和电致化学发光等，这种分子发光在现代分析化学中占有重要的地位.化学发光分析法是利用化学发光测定化学发光反应物、催化剂、增敏剂、抑制剂，耦合反应中的反应物、催化剂、增敏剂的方法.电致化学发光是化学发光与电化学技术相互渗透的产物，电致化学发光生物传感器生物分子识别的方法具有高的检测灵敏度和选择性.化学发光和电致化学发光是本课题组的主要研究内容.博士生李丽清拓展和深化了化学发光体系的发光机理和应用研究；博士生陈培云等系统研究超常氧化态配合物-鲁米诺体系化学发光机理，发现当无任何发光试剂存在时超常氧化态配合物-分析物在酸性介质中的化学发光现象，揭示了化学发光机理，提出化学发光新方法，综合评述了超常氧化态配合物系统的分析特性与应用进展.量子点作为近年来新兴的化学发光体，由于光学特性、导电性、生物相容性良好等优点使其越来越多的应用于化学发光体系中.本课题组探讨了碳量子点、碳与石墨烯复合量子点和氮掺杂碳量子点的发光机理与分析应用.化学发光检测与毛细管电泳分离相结合综合了灵敏度高和选择性好的优势，为氨基酸及配伍药物分析建立了一系列分离效率好、检测灵敏度高、费用低廉、简便快速、颇具发展潜力的分离分析方法.

分子荧光法是分子发光光谱分析的重要手段，主要用来研究生物大分子与小分子、离子相互作用特性.蛋白质中存在的3种芳香族氨基酸均能够发出荧光.荧光光谱法能够提供激发光谱、发射光谱以及荧光强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振等荧光参数，这些参数从各个角度反映了分子的成键和结构情况以及发光特性.通过对这些参数的测定，可得到许多关于蛋白质与药物作用的信息，从而阐明蛋白质结构与功能的关系.同步荧光能够提供生色团周围微环境的极性变化的信息.三维荧光光谱是近年来新发展起来的分子荧光分析技术.它具有高选择性，能够直观地反映色氨酸残基在蛋白质分子中的细微变化，是研究溶液蛋白质分子构象的重要手段.本课题组利用分子荧光法研究抗生素和激素等10种药物与牛血清白蛋白的作用特性，如激发光谱、发射光谱、荧光强度、猝灭常数、结合常数、结合位点数、作用力、结合位置以及药物对血清白蛋白的构象影响.另外，近年来随着配位化学与生命科学的不断交叉融合，配位化合物的研究再次引起广泛的关注.我们选择Ag(Ⅲ)配合物作为氧化剂，用紫外-可见分光光度法进行光谱及动力学测量，研究其与生物分子氨基酸和小分子药物反应的氧化动力学和机理.Ag(Ⅲ)配离子可用做蛋白质及多肽的修饰性试剂或肽键的特异性断裂试剂.拓宽和深化研究过渡金属配合物与生物分子的相互作用，有着非常重要的意义.

高效毛细管电泳技术的发展，为生命科学、医药领域提供了一种崭新的高效分离分析技术，在药物代谢组分析中正在发挥积极的作用.目前，相关研究主要集中在对毛细管电泳技术及其理论的深化研究和应用范围的拓展研究，尤其是在体内药物分析、单细孢和单分子检测、药物与蛋白的相互作用等方面展现了广阔的研究和应用前景.人血清/血浆白蛋白( HSA)在临床药物研究中一直作为模型蛋白，也是研究高分子蛋白物理化学性质、结构与功能、临床应用以及变异方面的理想蛋白，在药理学、临床医学和分子生物学等方面有重要的应用价值.本课题组为体液中的头孢类抗生素及其配伍药物多组分同时定量分析建立了系列新方法.以毛细管电泳法研究生理条件下强力霉素、5-氟尿嘧啶、阿奇霉素、8种氟喹诺酮类药物与人血清白蛋白的相互作用.获得了有关结合常数、结合位置、结合位点数、作用力类型以及蛋白构象的变化等有价值的信息，对于合理用药具有指导作用，为研制具有更好活性和耐受性的新药提供重要的理论依据和参考.药物与血浆/血清蛋白的结合对药代动力学、药效以及药物毒理性质都起着重要作用.探索药物与血浆蛋白之间的结合特性，对新药开发、指导临床合理用药以及探索生命体系的化学和生物物理过程都具有非常重要的意义.

电化学驱动药物代谢的研究已用于药代动力学和代谢组分析.电化学传感器作为应用于现代分析化学中的一类特殊传感器，可以有效地通过化学反应，将化学信号转化成电信号，从而达到定性或定量的分析检测目标物的目的.核酸是重要的生命物质, 在生物的生长、发育和繁殖等活动中具有十分重要的作用.目前, DNA芯片或DNA传感器的开发, 基因靶向药物的设计与研制已成为全球关注的热点问题.小分子与核酸作用后，将不同程度地导致DNA分子的结构与功能的变化.开展这方面的研究对进一步认识DNA分子的结构、理解它们选择性作用机理、寻找灵敏检测DNA分子的探针、药物体外筛选、基因药物的设计均有着重要意义.博士生刘军以硫堇、多巴胺、大黄素这些特殊生物小分子为研究对象，使用自制的生物亲和电极探讨了它们对DNA的生物影响.生物亲和电极用于生物小分子多巴胺、抗坏血酸和生物体内NO的测定，对神经递质和NO有很好的识别作用.通过对分子结构的设计，自组装技术可以方便地对电极表面进行剪裁，从而进一步应用于生物电化学中理论及应用研究领域.

分析化学与生物学相结合产生的生物分析化学，在代谢化学和药物代谢组学分析研究中发挥着重要作用.多糖类是生物体内除蛋白质和核酸外又一类重要的生物大分子，具有抗感染、免疫促进、抗肿瘤、防治病毒性肝炎等免疫损伤和抗氧化等多方面功能和生物活性.影响多糖生物学活性的结构因素包括多糖的主链性质、支链性质和多糖分子的高级结构，为提高多糖的生物活性，多糖的分子修饰和结构改造具有重要意义.利用糖残基上的羟基、羧基、氨基等基团运用化学方法进行修饰，有可能提高多糖的活性.博士生刘占峰提出了枸杞多糖的超声波辅助水提取及其与色素的分离工艺，并对枸杞多糖进行分级纯化，进而通过化学修饰制备出枸杞多糖硫酸酯、硒化枸杞多糖和硒化枸杞多糖硫酸酯，发现硒化枸杞多糖硫酸酯对体外人宫颈癌Hela细胞生长具有显著的抑制作用，为硒多糖在保健或药物方面的开发提供一定的参考价值.

色谱-质谱联用技术是代谢组学和药物代谢组学分析的重要手段.气相色谱-质谱联用技术利用其高效能、高选择性、高分辨和高灵敏度等特点，在药物代谢组学中主要对生物体内药物及其代谢物进行定性定量分析，寻找代谢物与机体生理及病理变化关系.在定性过程中，可以利用标准谱图库检索技术，准确地定性目标代谢产物.液相色谱-质谱联用技术以其广泛适用性、优良分离性能和较高灵敏度已被广泛应用于药物代谢组学的研究中.它是一种快速、准确、微量、专属的分析手段和鉴定代谢产物最有效的方法之一，成为了药物代谢组学研究中功能最为全面也是最为常用的技术平台.针对动物源性食品和体内多种类兽药及其代谢物残留的问题，迫切需要利用现代先进的UHPLC-Q-TOF/MS技术建立包含法规范围内的目标兽药及其代谢物的数据库.博士生董新凤建立了一种快速可靠同时测定人血清至少8类51种除草剂的分析方法和7种抗凝血类药物残留分析新方法，为临床医生采取适当的治疗措施提供有益的参考.本课题组的研究目标是整合抗生素在动物体内与体外代谢产物的综合信息，从而建立用于筛查抗生素及其代谢产物的数据库.博士生孟哲采用UPLC-Q-TOF/MS联用技术，建立了精确质量筛查环丙氨嗪和三聚氰胺及其代谢产物的数据库，并提出代谢物分布和代谢途径；构建了磺胺药物和氟喹诺酮等抗生素在体外和体内代谢产物精确质量筛查数据库.博士生李丽欣探讨了某些青霉素在β-内酰胺酶作用下的降解规律.通过对抗生素代谢产物的综合研究，为更好地认识生物体内兽药及其代谢物的残留提供科学的依据.

自2004年以来，有10名博士生和22名硕士生开展了有关分子发光和药物分析系统研究，撰写了《分子发光与药物代谢分析研究》一书.本书综述了分子发光的类型、原理与特征，重点介绍了化学发光机理及在抗菌抗癌药物分析中应用研究成果；创新提出超常氧化态配合物化学发光机理，并为抗菌消炎抗癌药物和氨基酸及配伍药物分析建立了系列新方法；提出了分离测定体液中抗生素配伍药物、除草剂、抗凝血类药物和头孢类药物的残留分析新方法；探明了氨基酸分子和药物的分子识别与生物亲和电极对药物代谢的影响规律；介绍了生物大分子枸杞多糖的化学修饰、生化活性及抗肿瘤特性的研究成果；阐明了抗生素和抗癌药等11种药物与人血清白蛋白的作用特征、二(氢过碘酸)合银(Ⅲ)配离子与氨基酸及药物的氧化动力学特征；介绍了抗生素和杀虫剂的药物代谢组学分析与酶活性研究成果.

4 展望

随着消费者对食品及其安全的关注与日俱增，食品组学技术越来越被更多地运用到研究食品和营养领域.食品组学已涵盖了基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等策略.食品组学涉及使用多个不同的工具来处理其不同的子学科和应用.虽然目前关于食品科学的知识仍然存在很大的不足，但食品组学的巨大分析潜力有助于解决许多食品安全、可追溯性、质量、新食品、转基因食品、功能食品、营养品等问题.通过高通量的检测模式，对样品中的蛋白质、代谢物或者DNA进行检测,通过对大量数据的统计处理、甄别食品特性,进而可以确定食品产地、品种、成分、物种及生产方式等诸多与食品掺假相关的要素.金属组学是近年来兴起的一门前沿交叉学科，是研究无机元素生物学行为的理想工具，其目标是系统研究生物体系内金属元素的含量、分布、化学种态、结构特征和功能等，也是研究生命体内自由或络合全部金属元素存在状态及其功能的综合学科.开展和深化食品组学研究，需要有着高度互补性知识结构和不同领域的研究人员的合作，特别是分析化学、生物/医学、生物信息学和统计学.

随着分析科学的发展，药物代谢组学技术也获得了蓬勃发展.其采用的分析技术中，核磁共振和质谱是代谢组学研究领域的最主流分析平台.药物代谢组学的样品预处理和分析技术要尽量满足对代谢组分的高灵敏度、高通量、无偏性的要求，并减少基质的干扰.单一的分离分析手段往往难以保证无偏向的全面分析，要实现普遍适应性和特殊选择性的有机结合，需要多种分析技术的互补，色谱与MS的联用技术结合了两者的优势，因而在药物代谢组学研究中已成为重要的分离分析技术.本课题组在药物代谢组学领域的研究尚处于起步阶段.进一步开展和深化药物代谢组学研究需要多学科的交叉和联合攻关，这对于分析科学的发展和人民的健康具有重要的理论意义和实用价值.

为了总结20余年来的人才培养与科研工作和推动有关食品组学与药物代谢组学研究，以孙汉文课题组的名义撰写出版《食品安全分析方法学研究》和《分子发光与药物代谢分析研究》姊妹篇专著，特向河北大学百年华诞献礼，祝愿河北大学越办越好.