2013年11月25日 星期一

定性?定量?很重要嗎?

最近食安一直出現問題,銅葉綠素衛服部採用了定性不定量的作法查驗油品安全。
類似這樣一時間標準品取得不易的檢測項目,初期可使用這樣的模式進行快篩。但是不會是「最終」模式。



近日商業週刊刊登了一篇透過某學校的檢驗報告,指出部份的牛奶製品有數種激素、賀爾蒙、塑化劑等化合物
這裡面也出現了「只定性不定量」的作法。

到底什麼是定性?

一般傳統的層析分析,採用的是「滯留時間 Retention time」的比對。
所謂的「滯留時間」為將樣品盡可能的淨化(去除不必要的干擾),在層析儀中透過固定的分離模式,從注射開始計算,與標準品同樣時間產生訊號,就是為「同物質」。這個在氣相層析(GC)中的除了質譜(Mass Spectrometry )以外幾乎都是以這樣的模式去判定。
下圖為一張二維(時間、強度)的層析圖譜,當把未知樣品注入,當樣品中滯留時間與其中一個化合物相同時,就判定有該化合物存在於樣品。
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液相層析(HPLC)早期亦也是如此,後期出現了 DAD(Diode array detector) / PDA (PDA: Photodiode Array Detector) 偵檢器,可以同時接受所有波長的光源強度,因此比GC單純的滯留時間判定,多了一個所謂的  3D 波長圖譜可以比對。
下圖為一張三軸(時間、波長、強度)的層析圖譜。相較單純的滯留時間,分析員可以使用特定滯留時間的全波段吸光強度波型同時比對標準品,可以更加精準的比對出化合物的相似程度。
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上面簡單解釋層析,是否發現了「就算時間相同,難道就一定是這個化合物嗎?」
以氣相層析儀來說,同一個層析管柱( Column) 在相同的升溫模式,難道同一個時間出來的就一定是跟標準品一樣的物質嗎?
以液相層析儀來說,同一個層析管柱,同樣的移動相比例,同樣的時間出來就一定跟標準品是同樣的東西嗎?

因此「質譜 Mass Spectrometry」就誕生了。

質譜:顧名思義跟質量的譜圖,因此他產生的是「質量的分佈」。

每個化合物在固定的離子化(ionization)模式,可以產生出特定的質量斷片分佈比例。以氣相層析質譜儀(GCMS)為例,目前 NIST 所公佈的資料庫有近 30 萬張圖譜,注意的是這是只「張數」並非化合物數量。部份化合物會有多種分佈比例,這些圖譜都經過 NIST 統計研究後才會公佈。
以甲苯(Toluene)為例,下列有兩張圖譜皆為 NIST 2008 年公佈的甲苯資料庫比對圖譜(NIST 資料庫共計有五張圖譜,僅列出其中兩張)
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有了這些資料庫,對於分析者有很大的幫助,因為當檢測什麼都無法預測的樣品時,可以先透過資料庫來比對,那麼就可以先找出可能的化合物。
在氣相層析質譜儀,各家儀器商都會提供一套軟體 NIST Search,可以透過一定的搜尋模式,去找尋這數十萬張的資料庫中最相近的圖譜來呈現。

那麼這次乳製品的檢驗報告受到爭議的部份就是「只定性」,又強調使用GCMS來分析,那麼就真的沒有問題嗎?其實就以一個從事分析的人員來說,這樣的說法很恐怖。
在此強調,僅針對「只定性,不定量」的報告會產生怎樣的問題來探討。並非針對日前衛服部與某大學提出的檢驗報告來批判。

下圖為在實驗室分析經由逆滲透純水造水機的水,經由「吹氣捕捉(Purge & Trap system)」收集水中可能存在的有機溶劑圖譜,其中三個非常明顯的突波(以下稱為 peak),為方法中指定加入的內標準品與擬似標準品。
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乍看之下很乾淨,幾乎沒有什麼殘留,但是我們把圖形放大只看下方訊號底部的部份,下圖呈現
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這下發現了,底部其實含有除了三個添加進去標準品以外的 Peak,這時候我們將其中靠近 10min 的 peak 讀取它內部蘊藏的「質量斷片分佈圖」,如下圖呈現。
圖形下方就是 peak 內部存在的質量斷片分佈模式(靠近 80 的直線,為系統滑鼠位置,非斷片強度,直線上有數字的,才是斷片分佈,直線上的數字為質量數)。
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透過下圖的質量分佈模式,透過 NIST Search 我們可以得到下它可能是哪些化合物,排在第一順位則是二氯甲烷 (Dichloromethane),斷片圖譜的相似度以千分位來顯示,該圖譜呈現相似度為 904,判定該化合物可能的機率為96.1%。
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由上圖可以知道,軟體其實沒辦法告訴你「一定是」那一種化合物,因此這時候就必須仰賴訓練有素的分析人員判讀。
假設這時候分析人員並沒有去注意「相似度」,甚至僅靠軟體自行搜尋,而並非人為點選斷片判讀的話。有可能就會單純靠機器分析後誤判。因為這類軟體,只要斷片資料夠比對,會一直比對,比對到有為止,因此有可能第一順位的相似度非常低,甚至連 40% 都不到。
以上面層析圖在更前面一點時間的peak來舉例。
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上圖經由 NIST Search 分析後,得到下面的結果,可以發現,雖然相似度很高 999,但是因為圖譜中斷片僅只有 58 可以比對,沒有其他斷片可供判讀,因此整體化合物可能性的百分比就僅僅只有 6.63%,因此以人為來判定,這時候就不會把該化合物列為「可能」含有的物種之一。
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透過上述定性之後,二氯甲烷的可信度高,因此進入定量分析,經由事先分析的檢量線比對後,這杯水的二氯甲烷含量為 0.22ug/L (ppb),低於實驗室的偵測極限,因此在出具報告時,報告中會顯示 N.D < MDL 的方式呈現報告。

例行性的分析,由於技術成熟,方法穩定,往往都可以得到相當好的相似度與比對性,因此不需要每一個化合物逐一人為判讀。但是面對「未知」的東西,雖然質譜資料庫相當豐富,但是對於未知化合物,在比對上更需要人員手動去判定,軟體只能盡可能幫忙找出相似的圖譜、化合物,但是不代表找出來的就一定是。

因為有時候層析圖譜內一個peak會隱藏 2~3個組成比例在裡面,單單靠軟體自動搜尋,出錯率相當高,需要人為慢慢的一步一步的點選,去找尋的每個組成的變化點,找出那個最強的斷片比例,再透過軟體去分析。找出可能的成份。
(筆者曾經比對一個peak花了30分鐘,找出三個化合物組成,眼睛都看花了)

現今科技發達,我們靠著電腦科技、儀器軟體可以省去很多分析的時間,但是儀器再精密、軟體再強悍,最終判定的還是分析員。

分析化學的世界不是「有就是有,沒有就是沒有,不需要猜測」的世界,因為還有非常多的東西,是我們根本分析不出來或是根本無法辨識的,因此更需要許多更有能力的化學家去找尋出來。

因此「人」還是最重要的一環

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