QuEChERS：提昇萃取效率的創新前處理技術
在化學分析領域中，樣品前處理是分析流程中至關重要的一環，
其主要目的在於從複雜的樣品基質中有效分離目標分析物，
同時去除干擾物質，並在必要時進行濃縮，
以確保後續儀器分析的準確性 (accuracy)、靈敏度 (sensitivity) 和再現性 (reproducibility)。
樣品前處理步驟通常佔整體分析時間的 60% 以上，因此其處理效率與成效會直接影響分析結果。
而對於微量或極低濃度的毒性物質分析，基質干擾效應 (matrix effect) 更是影響結果的重要因素，
因此優化樣品前處理技術是解決這些挑戰的首要目標。
內容大綱
什麼是 QuEChERS ?
QuEChERS 是一種採用分散固相萃取 (dSPE) 的高效樣品前處理技術。
其名稱是由其六大核心特點的首字母縮寫而來：Quick (快速)、Easy (簡單)、Cheap (便宜)、
Effective (有效)、Rugged (耐用)、Safe (安全) ，讀音似 ”catchers”。
此方法最初於 2002 年在歐洲農藥殘留研討會 (EPRW) 上提出，並於 2003 年發表。
QuEChERS 的六大核心特點：
- 快速 (Quick)：樣品前處理通常在 30~60 分鐘內完成，極大地縮短了處理時間，
比傳統方法快4倍以上，提高了實驗室樣品處理量。 - 簡便 (Easy)：操作步驟簡單直觀，減少了人為操作誤差，降低了對操作人員技能水平的要求。
- 便宜 (Cheap)：顯著減少有機溶劑與實驗耗材使用，相較傳統方法耗材成本可減少95%。
- 有效 (Effective)：回收率高，並能有效減少基質效應 (matrix effect)，
確保分析結果的準確性。 - 耐用 (Rugged)：對操作條件的微小變化具有較好的耐受性，因此穩定性高、再現性高。
- 安全 (Safe)：減少了有機溶劑的使用及廢液的產生，降低了實驗室人員的暴露風險和環境污染。
QuEChERS 最初是專為蔬果中的農藥殘留分析 (pesticide residue) 而開發的方法，
因其可廣泛應用於複雜基質 (matrix) 中分析物的萃取 (extraction) 與純化 (purification)，
並且具高穩定性，因此 QuEChERS 已被廣泛應用於萃取多種分析物及汙染物，
如動物用藥殘留 (animal drug residue)、黴菌毒素 (mycotoxin)、
多環芳香烴 (PAHs)、多氯聯苯 (PCBs)、多溴聯苯醚 (PBDEs) 等。
QuEChERS 已被國際組織，如美國分析化學家協會 (AOAC International) 和
歐洲標準化委員會 (CEN) 採納為標準方法，例如 AOAC 2007.01 和 EN 15662:2008 。
QuEChERS 是結合液液微萃取 (liquid-liquid microextraction) 和
鹽析效應 (salting-out effect)將目標分析物由樣品基質轉移至有機溶劑中進行萃取；
再透過分散固相萃取 (dispersive solid-phase extraction, d-SPE) 移除干擾雜質，達成有效的淨化。
- 採樣及前處理 (Sampling and pre-treatment)：將樣品以均質機 (blender; homogenizer) 粉碎、
均質 (homogenization)，以增加其反應表面積、提高萃取效率。 - 萃取 (Extraction)：加入萃取溶劑 (一般多使用乙腈 (acetonitrile)) 及萃取粉劑，
充分振盪促使目標物從基質中萃取到有機相 (organic phase) 中，
後續進行高速離心，使目標分析物轉移至有機相上清液中。 - 淨化 (Clean-up)：將上清液中加入淨化粉劑，再次充分振盪與離心，
使雜質與淨化粉劑結合、吸附後沉澱。 - 分析 (Analysis)：淨化後的上清液可經濃縮與回溶，
再以 HPLC、LC-MS/MS 或 GC-MS/MS 等高階儀器進行定性與定量分析。
在QuEChERS方法中，樣品與萃取溶劑、粉劑的充分振盪與混合是確保分析物從複雜基質中
高效萃取出來的關鍵步驟，而試管振盪器的優點包含：
- 提升萃取效率：
劇烈的振盪有助於促進目標分子由水層轉移至有機層，能夠最大化地萃取目標分子。 - 確保分析再現性與降低人為誤差：
手搖振盪容易因操作人員的疲勞或不同人員的搖晃方式差異而會影響萃取效果的再現性。
振盪器則能夠確保每次運行中，每個樣品都受到相同且一致的振盪條件，
從而顯著提高結果的再現性。 - 提高基質破碎和混合效果：
依臺灣衛生福利部食品藥物管理署 (TFDA) 公告之方法，
部份方法會在振盪過程中加入陶瓷均質石 (ceramic homogenizer)，
進一步研磨和破碎樣品基質，增加樣品與萃取溶劑的接觸表面積。
尤其對於較黏稠的樣品或被樣品細胞、蠟質包裹的目標分子更為重要，
相較於傳統手搖振盪，可以更完整地萃取目標分子。 - 節省時間與人力，提高樣品通量：
手搖振盪大量樣品耗時且費力。然而，振盪器可以同時處理多個樣品，
提高樣品處理的效率和通量、有效減少勞動強度。
| Tornado 100 試管振盪器 (Multi-Tube Vortex Mixer) |
高速分散裝置 (High speed dispersing) |
手搖 (Hand shaking) |
|
| 振盪方式 | 創新 3D 振盪 | 垂直上下振動 | 人工手動劇烈搖晃 |
| 振盪速度 | 最大 3000 rpm | 最大 1750 次/分鐘 | 依人員 |
| 萃取效率 | 高 | 高 | 中等 |
| 再現性 | 高 | 高 | 低 |
| 通量 | 中 | 高 | 低 |
| 勞動強度 | 低 | 低 | 高 |
| 安全性 | 是，保護上蓋 | 是，保護上蓋 | 無 |
| 重量 | 中 (約 12kg) | 最重 (約 50kg) | – |
| 尺寸 | 中 | 大 | – |
| 設備成本 | 中 | 高 | – |
下方表格為 P 單位進行「食品中動物用藥殘留量檢驗方法－
β-內醯胺類抗生素多重殘留分析 (MOHWV0051.01)」方法的結果。
以雞肉為基質執行添加試驗，並使用Tornado 100 及 高速分散裝置 (原公告方法使用) 同時進行樣品前處理、
再以 LC-MS/MS 分析其添加濃度。
| 分析物名稱 | 高速分散裝置 回收率 (%) |
Tornado 100 回收率 (%) |
RPDa (%) |
|
| 1 | Amoxicillin | 88 | 85 | 3.5 |
| 2 | Ampicillin | 91 | 87 | 4.5 |
| 3 | Cefalexin | 94 | 90 | 4.3 |
| 4 | Cefazolin | 86 | 88 | 2.3 |
| 5 | Cefotaxime | 89 | 97 | 8.6 |
| 6 | Cephapirin | 88 | 87 | 1.1 |
| 7 | Desacetyl cefapirin | 97 | 88 | 9.7 |
| 8 | Nafcillin | 86 | 84 | 2.4 |
| 9 | Penicillin V | 83 | 82 | 1.2 |
| 10 | Piperacillin | 91 | 98 | 7.4 |
由表格可以觀察到Tornado 100 與高速分散裝置相對差異百分比均落在 ±10% 以內，
顯示其振盪效果與原機台相當。
ROCKER QuEChERS 專用的試管振盪器，告別手搖不勻、耗時耗力
Tornado 100 試管振盪器
- 創新 3D 高速振盪，可使樣品充分混合均勻
- 15 mL 與 50 mL QuEChERS 離心管皆適用
- 雙模式操作 (連續/間歇)，彈性使用
- 節省空間達 80%、無位移問題
- 保護上蓋，開蓋即停機，有效提昇防護功能、防止液體噴濺，提供高度安全性
傳統樣品前處理技術包括液液萃取法 (liquid-liquid extraction, LLE)、
固相萃取法 (solid-phase extraction, SPE)、超臨界流體萃取法 (supercritical fluid extraction, SFE)、
固相微萃取法 (solid-phase microextraction, SPME) 及液相微萃取法 (liquid-phase microextraction, LPME) 等，
其中又以液液萃取法 (LLE) 與固相萃取法 (SPE) 最常應用於農藥殘留分析，
QuEChERS 技術發展之前更是如此。過去，萃取複雜基質中的目標分析物時，經常結合兩種以上傳統方法，
甚至搭配微波 (microwave) 或超音波 (ultrasonic) 等技術以提升效率。
然而，這種做法費時、易造成目標分析物損失、增加前處理成本、降低偵測靈敏度，
進而影響實驗結果的準確性與精密度。隨著 QuEChERS 技術的開發與普及，
除了農藥，許多領域已逐漸採用 QuEChERS 取代傳統方法。
以下表格列舉 QuEChERS、液液萃取法和固相萃取法的差異：
| 方法 | QuEChERS | 液液萃取 (LLE) | 固相萃取 (SPE) |
| 萃取溶劑用量 | 極少 | 中等至大量 | 較少 |
| 萃取時間 | 非常快 | 慢 | 中等 |
| 設備要求 | 離心機、振盪器、 萃取管、d-SPE管 (即淨化管) |
分液漏斗、振盪器 | SPE 管柱 (SPE column)、 過濾裝置 (manifold)、 正/負壓裝置 |
| 純化效率 | 高 | 一般，需後續純化 | 高且可選擇性強 |
| 乳化現象 (emulsion) |
否 | 是，故回收率差 | 否 |
| 技術門檻 | 低 | 高 | 低 |
| 自動化 | 可 | 否，勞動密集 (搖動) | 可 |
| 高通量 (high throughput) |
高 | 中 | 高 |
延伸閱讀：固相萃取
為促進 QuEChERS 技術在不同實驗室之間的一致性，國際間已發展出數項具代表性的標準方法。
以下列出最常被採納於食品與農藥殘留分析的兩個國際標準：
| 方法 | 方法編號 | |
| Pesticide Residues in Foods by Acetonitrile Extraction and Partitioning with Magnesium Sulfate | AOAC 2007.01 | |
| Foods of Plant Origin – Determination of Pesticide Residues Using GC-MS and/or LC-MS/MS Following Acetonitrile Extraction/Partitioning and Clean-up by Dispersive SPE – QuEChERS-method | EN 15662:2018 | |
在臺灣，衛生福利部食品藥物管理署 (TFDA) 亦針對各類食品與動物產品，公告或建議採用 QuEChERS 作為樣品前處理的官方分析方法。
以下列出部分常見方法：
| 方法 | 方法編號 |
| 食品中殘留農藥檢驗方法－多重殘留分析方法(五) | MOHWP0055.05 |
| 農藥多重殘留分析方法(五)之擴增品項－Afidopyropen等15項 | TFDAP0017.06 |
| 食品中殘留農藥檢驗方法－多重殘留分析方法(六) | TFDAP0007.04 |
| 食品中殘留農藥檢驗方法－極性農藥及其代謝物多重殘留分析方法 | TFDAP0006.01 |
| 禽畜產品中殘留農藥檢驗方法－多重殘留分析方法 | MOHWP0056.01 |
| 禽畜產品中殘留農藥檢驗方法－多重殘留分析方法(二) | TFDAP0028.00 |
| 動物產品中殘留農藥檢驗方法－極性農藥及其代謝物多重殘留分析方法 | TFDAP0033.00 |
| 禽畜產品中農藥多重殘留分析方法之擴增品項－滅脫定等22項農藥之檢驗 | TFDAP0020.03 |
| 食品中動物用藥殘留量檢驗方法－乙型受體素類多重殘留分析 | MOHWV0041.05 |
| 水產品中動物用藥殘留量檢驗方法－硝基咪唑類及其代謝物之多重殘留分析 | TFDAV0032.00 |
* 因方法眾多，僅列出部份方法供參，其它方法詳情請至臺灣衛生福利部食品藥物管理署查詢
應用
- 食品分析：農產品及畜禽產品中的農藥、動物用藥分析；食品中的黴菌毒素分析
- 生化分析：生物組織中的抗生素、動物用藥分析
- 環境分析：水樣與土壤中的有機磷、有機氯分析
參考文獻
- A review of extraction, analytical and advanced methods for determination of pesticides in environment and foodstuffs, 2018
- QuEChERS – Fundamentals, relevant improvements, applications and future trends, 2019
- Vibrational extraction QuEChERS for analysis of antiparasitic agents in fish by liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry, 2019, Oliveira, L. G., et al.
- 新前處理技術－QuEChERS 之簡介, 2011
- 臺灣衛生福利部食品藥物管理署
