地球科学进展

地球科学进展, 2019, 34(1): 84-92 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0084

环境样品中氨基糖分析检测方法的研究进展

魏金娥,1, 张洪海1,2, 陈岩,1,*,*, 杨桂朋1,2

1. 中国海洋大学化学化工学院,山东 青岛 266100

2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室,山东 青岛 266237

Progress on Analytical Methods of Amino Sugars in Environmental Samples

Wei Jin’e,1, Zhang Honghai1,2, Chen Yan,1,*,*, Yang Guipeng1,2

1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

2. Function Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China

收稿日期: 2018-10-10   修回日期: 2018-12-02   网络出版日期: 2019-02-26

基金资助: 中央高校基本科研业务费专项项目“东海溶解有机物的光化学降解及对活性气体产生机制的影响研究”.  编号：201762030

Received: 2018-10-10   Revised: 2018-12-02   Online: 2019-02-26

作者简介 About authors

魏金娥（1995-），女，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事海洋中氨基糖的生物地球化学循环研究.

WeiJin’e(1995-),female,WeifangCity,ShandongProvince,Masterstudent.Researchareasincludemarinebiogeochemistrycyclesofaminosugars.E-mail:weijine@stu.ouc.edu.cn

陈岩（1982-），男，山东淄博人，实验师，主要从事海洋生物地球化学循环研究.E-mail:yanchen@ouc.edu.cn

ChenYan(1982-),male,ZiboCity,ShandongProvince,Engineer.Researchareasincludemarinebiogeochemistrycycles.E-mail:yanchen@ouc.edu.cn

摘要

氨基糖作为环境中重要的生源有机质，其含量和组成信息能够反映有机质来源和微生物对有机质的贡献。国内外针对环境中氨基糖的分析测定开展了大量的研究，但系统地评述其分析方法及最新进展的工作仍然较少。从前处理方法和检测技术等方面，系统归纳了气相色谱法、高效液相色谱法和红外光谱法3类常用的氨基糖分析方法的优缺点和适用条件。在前处理方面，气相色谱法前处理过程较为繁琐且需衍生化处理，而高效液相色谱法前处理相对简单且更易实现自动化；在仪器检测方面，气相色谱法能同时检测环境中4种主要的氨基糖（氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基甘露糖和胞壁酸），并且比高效液相色谱法稳定，而红外光谱法虽具有结构定性方面的优势，但其灵敏度较低。总之，尚未有一种分析方法既能保证氨基糖的灵敏分析又能兼顾实验效率，因此在分析环境样品中氨基糖时应根据样品形态和检测要求合理选择分析方法。在检测分析方面，今后可以在分析方法的经济性、兼容互补性以及在线自动化等方面着力开展工作，为更深入地开展环境中氨基糖生物地球化学过程的研究提供技术支持。

关键词： 氨基糖 ; 分析方法 ; 气相色谱 ; 液相色谱 ; 红外光谱

Abstract

As a kind of important biogenic organic matter, amino sugars can effectively provide insights for the source of organic matters and the contribution of bacterial organic matters based on their concentrations and compositions in the environment. A large number of studies on the analysis of amino sugars have been conducted for environmental samples throughout the world. However, comprehensive and systematic reviews of new progress on the analytical method are still rare. From the aspects of pretreatment methods and detection techniques, the advantages and disadvantages and applicable conditions of three common methods (eg. gas chromatography, high performance liquid chromatography and infrared spectroscopy) were systematically summarized. In terms of pretreatment, the process of the gas chromatography is cumbersome and requires derivatization, while the pretreatment of high performance liquid chromatography is relatively simple and easier to automate. In respect of instrument detection, the gas chromatography can detect four amino sugars (glucosamine, galactosamine, mannosamine and muramic acid) simultaneously and is more stable than the high performance liquid chromatography. In addition, the infrared spectroscopy method has the advantages of structural qualitative, however, its sensitivity is lower. There is no analytical method that can guarantee both sensitive analysis of amino sugars and experimental efficiency. Therefore, the analytical method should be reasonably selected according to the form of the sample and the requirements in the analysis of amino sugars. Further work should focus on economy, compatibility and online automation of analytical methods, so as to provide technical support for the research on biogeochemical processes of amino sugars in the environment.

Keywords： Amino sugars ; Analytical methods ; Gas chromatography ; Liquid chromatography ; Infrared reflectance spectroscopy.

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本文引用格式

魏金娥, 张洪海, 陈岩, 杨桂朋. 环境样品中氨基糖分析检测方法的研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(1): 84-92 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0084

Wei Jin’e, Zhang Honghai, Chen Yan, Yang Guipeng. Progress on Analytical Methods of Amino Sugars in Environmental Samples. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(1): 84-92 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0084

1 引 言

氨基糖（Amino Sugar，AS）是一类含氮的碳水化合物，是环境中总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）和总有机氮（Total Organic Nitrogen, TON）的重要组成部分，在碳、氮循环过程中发挥着关键作用。目前，可以定量分析的AS主要有氨基葡萄糖（Glucosamine， GlcN）、氨基半乳糖（Galactosamine， GalN）、氨基甘露糖（Mannosamine， ManN）和胞壁酸（Muramic Acid， MurA）4种。在土壤和水环境中，GlcN和GalN是含量最丰富的2种AS，存在于大多数的动植物及微生物体内。MurA是细菌特有的AS，与GlcN以1∶1的比例组成细菌细胞壁肽聚糖[1]。MurA通常存在于活细菌和刚死亡的细菌中，因此被作为估算环境中细菌生物量的指标之一[2]。ManN主要是细菌的产物[3]，在环境中含量较低且来源不具有专一性。由于AS的异源性，不同AS之间的比值可以作为指示有机质来源的标志之一，一般地，当GlcN/GalN较高时（>8），表明有机质中几丁质含量较高，而当GlcN/GalN≤2时，表明细菌有机质是AS的主要贡献者[4]。

AS已经在土壤[5,6]、湖泊河流[2,7]、海洋[8,9]等环境中开展研究，成为环境科学、地球科学和生命科学等领域的研究热点。随着仪器分析技术的发展，AS的检测方法也取得了长足的进步。早期分析AS的方法有电化学法[10]、光度法[11]和电泳法[12]等，这些方法检出限较高，受样品杂质影响大，对复杂环境样品分析受限。随着分析方法的发展，气相色谱（Gas Chromatography,GC）和高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography,HPLC）结合高分辨检测器具有低检出限、高灵敏度和准确度等优点，逐渐成为分析AS的主要手段。本文综述了分析AS常用的分离检测方法及其最新的研究进展，为开展氨基糖类化合物的研究提供借鉴和参考。

2 气相色谱法

2.1 气相色谱—氢火焰离子化检测法

Zhang等[13]提出的氢火焰离子化检测法（Gas Chromatography-Flame Ionization Detection, GC-FID）具有选择性好、样品用量少、灵敏度高等优点，能够检测土壤中4种主要AS。AS样品的GC方法处理过程如图1所示，准确称量定量样品于水解瓶中，加入10 mL 6 mol/L HCl，在105 ℃下水解8 h。冷却至室温后加入内标物1（肌醇），振荡摇匀后过滤。滤液被真空干燥，残余物溶解于一定量蒸馏水中，并用0.4 mol/L KOH调pH为6.6~6.8。离心，上清液再次被真空干燥，残渣溶于3 mL无水甲醇，离心，上清液在N2下吹扫干燥。将残渣溶解于1 mL水中，并加入内标物2（N-甲基氨基葡萄糖），冷冻干燥。之后加入300 μL衍生化试剂，在70~80 ℃条件下加热30~35 min。冷却至室温后，加入1 mL乙酸酐再次加热20 min，除去过量的衍生化试剂。最后，衍生物溶于乙酸乙酯—正己烷混合溶剂（v/v=1∶1），GC分析。该方法的定量限、检测时间、相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）如表1所示。

图1

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图1   AS样品的GC方法处理过程

Fig. 1   Preparation scheme of AS samples with GC method


表1   GC-FID、高效液相色谱—荧光检测法(HPLC-FLD)和高效阴离子交换色谱—安培检测法(HPAEC-PAD)分析AS的检测指标比较

Table 1  Comparison of detection indices of AS by GC-FID,High Performance Liquid Chromatography-Fluorescence Detection(HPLC-FLD)and High Performance Anion Exchange Chromatography-Pulsed Amperometric Detection(HPAEC-PAD)

分析方法检出限定量限检测时间/minRSD/%分析对象
GC-FID-10~20 μg/mL19.5<2土壤[13]
HPLC-FLD1.7~9.0 μg/g4.2~29.9 μg/g262土壤和植物[14]
HPAEC-PAD1~4 nmol/L-902~11海水[15]

注：-表示文献中没有给出此数值

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AS化合物的挥发性和热稳定性较差、沸点高，不适合直接进行GC分析，所以需要衍生化反应将其转化成易挥发组分进行测定。然而，衍生过程比较耗时，不适合批量处理样品，且容易产生副产物。目前最常用的衍生化方法是糖腈乙酰化衍生法，衍生方程式[16]如图2所示（以GlcN和MurA为例）。该方法与糖醇乙酸酯衍生法[17,18]相比，操作简单，耗时更少，各AS色谱峰单一，适合定量分析[19]。

图2

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图2   GlcN和MurA糖腈乙酰化衍生方程式（据参考文献[16]修改）

Fig. 2   Schemes for formation of the aldononitrile acetate derivatized GlcN and MurA (modified after reference [16])


在自然环境中，AS通常以乙酰氨基糖的形式存在（如几丁质、肽聚糖），水解时强酸可能会使样品中AS脱去酰基，从而低估了AS对TOC的贡献[1]。另有研究指出，在使用GC-FID方法检测AS时，环境中或微生物培养中的某些氨基糖苷类抗生素可能干扰部分AS的定量[20]。Liang等[16]建议在原有的非极性毛细管柱之后增加一根固定相性质不同的色谱柱来消除此干扰。GC-FID方法虽存在一定的弊端，但从已报道的文献来看，在检测AS方面GC-FID是一种较为成熟的方法，并广泛应用于土壤中AS的检测。

2.2 气相色谱—同位素比例质谱法

为了探讨环境中有机质的来源及生源有机质对总有机质的贡献，AS含量已经被广泛测定。但是受分析方法所限，AS在环境中的循环转化机制、周转速率等问题却很少被研究。稳定同位素技术能够区分新合成的和原来存在的AS，结合特定同位素分析能够同时获得待测物分子信息和化合物同位素特征[21]，为AS循环转化过程的研究提供信息。此外，利用含稳定同位素标记物的底物进行培养实验还可以估算微生物种群的周转速率[22]。

1984年就已提出同位素比例质谱法（Gas Chromatography-Isotope Ratio Mass Spectrometry, GC-IRMS）[23]，该方法是利用燃烧将经GC分离的有机物中的C转化成CO2,或者将N转化成N2后，在载气的携带下进入IRMS进行检测。Glaser等[24]首次运用GC-IRMS方法分析土壤中AS的δ13C来量化微生物残骸的稳定性。δ13C表示的是有机组分中同位素的富集程度，是判断有机质来源的常用指标[25]，计算公式如下[23,26]：

δ=(RsqRst-1)×1000,

式中：δ表示样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差(‰)；Rsq为样品的同位素比值，即样品中重原子个数占轻原子个数的比例；Rst为标准物质的同位素比值。GC-IRMS对近天然丰度的化合物检测灵敏度高，然而，当待测化合物同位素丰度较高时IRMS检测准确度会下降，同时还有污染检测器的风险[26]。另外，衍生过程会引入碳原子，并且可能产生副产物，增加方法的不确定度，限制了GC-IRMS方法的应用范围。

2.3 气相色谱—质谱法

质谱法（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）集合了GC的高效分离和MS的高灵敏度的优点，前处理过程与其他GC方法相同。不同点在于，GC-MS是利用电子轰击电离源（Electron Ionization, EI）或者化学电离源（Chemical Ionization, CI）的高能量将流出GC的有机物按照一定规律形成一系列不同质量/电荷比的离子碎片，利用这些碎片信息对待测物进行定性定量分析。已有研究表明，CI电离源更适合AS的检测，因为CI是一种软电离方式，产生的碎片少，灵敏度较高。而EI电离源灵敏度较低，不适用于MurA的检测[27]。

当培养系统中同位素丰度较高时，GC-IRMS应用受限，在这种情况下，常利用GC-MS对同位素比值进行测定。同位素的富集程度可用原子百分超（Atom Percentage Excess, APE）来表示[28]，如公式(2)所示：

APE=(Re-Rc1+(Re-Rc))×100,

式中：Re表示培养样品中的同位素富集比例，Re=A(F+n)/AF，即含同位素的色谱峰面积A(F+n)与母峰的峰面积AF的比值，n为碎片峰中含有的同位素数目;Rc为原始样品中天然同位素富集比例，计算方法同上。若待测化合物产生多个碎片峰，需将各碎片同位素比例进行加权平均计算后得到该化合物同位素比例。GC-MS不仅能提供同位素比值信息，还可以提供分子结构信息，因此在土壤AS的循环转化过程研究中被广泛应用。

3 高效液相色谱法

3.1 高效液相色谱—荧光检测法

HPLC具有分离效能高、选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点，适合分析高沸点、大分子量、热不稳定有机物。高效液相色谱—荧光检测法（High Performance Liquid Chromatography-Fluorescence Detection, HPLC-FLD）在测定氨基酸方面得到了广泛的应用，只有少量的研究将此方法应用于环境中AS的检测[29,30]。Zelles[31]成功用HPLC-FLD方法检测土壤中的GlcN和MurA。在此基础上，Appuhn等[32]首次同时定量土壤和根系水解物中的4种AS，并且实现自动化分析，使该方法更加简捷高效。HPLC-FLD方法的检出限、定量限、检测时间和RSD如表1所示。HPLC-FLD在检测AS方面尚未被普遍应用，原因主要如下：①AS化合物本身并无荧光性，需要将其衍生为适合荧光检测器的化合物，但衍生产物会自发分解，因此在实验过程中要严格控制pH、反应物浓度和反应时间等条件[32];②HPLC-FLD检测AS时易受氨基酸干扰;③中性糖不能与AS同步被检测。为拓宽HPLC-FLD方法的应用范围，在今后的工作中，可以将同时高效检测环境样品中AS和氨基酸作为该方法的研究重点。

3.2 高效阴离子交换色谱—安培检测法

高效阴离子交换色谱—安培检测法（High Performance Anion Exchange Chromatography-Pulsed Amperometric Detection, HPAEC-PAD）是HPLC应用于AS检测中的又一重要方法，图3为AS样品的HPAEC-PAD方法处理过程[15]。简言之，用3 mol/L HCl在100 ºC下水解样品5 h，水解液被分为2份，一份用于GlcN,ManN和GalN的分析（水解液1），另一份用于MurA的分析（水解液2），水解液1在中和步骤之前加入内标物（3-氨基-3-脱氧葡萄糖盐酸盐）。用AG11 A8树脂除去H+后，分别对2份溶液进行纯化，并向水解液2中加入内标物（α-1-葡萄糖磷酸二钠盐水合物），最后HPAEC-PAD分析。分析GlcN,ManN和GalN时，流动相为12 mmol/L NaOH和1 mmol/L BaAc2，而分析MurA时所用的流动相为100 mmol/L NaOH和100 mmol/L NaAc。HPAEC-PAD方法的检出限、检测时间和RSD如表1所示。

高效阴离子交换色谱（High Performance Anion Exchange Chromatography，HPAEC）是利用不同AS羟基的pKa存在的轻微差异实现AS的分离[15]。安培检测法(Pulsed Amperometric Detection, PAD)是利用在高pH溶液中待测分子的羟基在金工作电极表面被催化氧化得到电信号，实现对AS的灵敏检测[33]。HPAEC-PAD方法不仅具有HPLC的优点，还具有无需衍生处理、无预浓缩过程和不用有机溶剂等特点[15]，主要应用于糖类及其衍生物的检测[34]。然而，此方法具有许多不足之处[35]：①由于MurA与其他3种AS（GlcN，ManN和GalN）的性质不同，为实现高的回收率，需要在不同的条件下分别进行纯化和洗脱过程，因此大大增加了工作量；②大气中CO2可能进入色谱系统中,与阴离子交换柱上的活性位点结合，妨碍AS分子与色谱柱的结合，导致GalN与ManN不能完全分离，同时会减少AS的保留时间，影响方法的重现性；③可能存在未知色谱峰干扰MurA的定量；④在等度洗脱的条件下，分子会发生共洗脱现象，导致个别AS含量的高估；⑤使用固相萃取柱脱盐时，可能会造成AS的损失或者污染。基于上述问题，Cheng等[35]提出了一些解决方法，如所有流动相必须在进入色谱系统前除去溶液中溶解的CO2，并用300 mmol/L NaOH清洗柱子8 min以消除碳酸盐对分析柱的影响；此外，将用树脂除酸改为氮吹除酸，来减少中和过程中外来污染物的引入。与HPLC-FLD方法比较，HPAEC-PAD最大的优点是干扰较小，这也是其被普遍应用的主要原因。

图3

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图3   AS样品的HPAEC-PAD方法处理过程（据参考文献[15]修改）

Fig. 3   Preparation scheme of AS samples with HPAEC-PAD method (modified after reference [15])


3.3 高效液相色谱—同位素比例质谱法

高效液相色谱—同位素比例质谱法（High Performance Liquid Chromatography-Isotope Ratio Mass Spectrometry, HPLC-IRMS）是检测稳定同位素比值的重要工具之一，其工作原理与GC-IRMS类似，都是将待测样品中含碳化合物定量转化成CO2进行分析。不同的是，GC-IRMS采用的是燃烧氧化法，而HPLC-IRMS采用的是湿法氧化，将经HPLC分离后的有机物在液相中通过氧化剂在高温下氧化成CO2，CO2由载气携带从液相中脱离，干燥后进入IRMS检测器。Krummen等[36]提出HPLC-IRMS方法后，就被广泛应用于氨基酸[37]、糖[38]和有机污染物[39]的同位素检测中。2009年，此方法才首次被运用到AS的δ13C检测中[40]。HPLC-IRMS具备HPLC方法优点的同时，也存在着HPLC分析AS时显现出的不足。因此，Dippold等[41]结合GC和HPLC方法的前处理方法对样品的纯化过程进行了改进，使一次性分离4种AS成为可能。HPLC-IRMS方法是对GC-IRMS方法的补充，弥补了GC方法因衍生而造成的不确定度增加的缺点，适合AS化合物的同位素分析[36]。

3.4 超高效液相色谱—高分辨率质谱

随着科技的进步和新发明的出现，分析仪器向着更高效、灵敏、快捷的方向发展。超高效液相色谱(Ultra Performance Liquid Chromatography, UPLC)拥有更小的填料粒径，分离效果更佳，应用范围更广。UPLC与普通HPLC相比，优势在于[42]：①系统稳定性更高；②重现性更好；③分离能力更强；④具有更高通量。不仅分离手段得到了提高，检测手段也有了很大的进步。静电场轨道阱质谱作为高分辨率质谱(High Resolution Mass Spectrometry, HRMS)能够实现在高分辨率下同时定性定量分析。与传统的四级杆质谱和离子阱质谱相比，HRMS扫描速率更快，一次运行能够检测的分析物数量是传统质谱分析数量的几倍[43]。Hu等[44]成功利用超高效液相色谱—高分辨率质谱（Ultra Performance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry, UPLC-HRMS）和同位素稀释技术实现对土壤中游离AS和氨基酸的通量分析，推动AS的研究向通量组学和代谢组学方向发展，为更好地了解土壤中生物化学组分的循环路径提供了信息。从目前相关文献报道看，UPLC-HRMS在分析AS方面的应用较少，一方面可能因为此方法尚不成熟，还需进一步完善；另一方面可能因为UPLC-HRMS仪器使用及维护成本高，方法难以被广泛推广。

4 红外光谱法

红外光谱法（Infrared Reflectance spectroscopy, IR）在定性分析方面应用较多，主要用于已知物的鉴定和未知物结构的测定。在定量分析方面，因其灵敏度相对较低，对很多微量组分的定量并不理想，所以应用较少。但近几年依然有少量的研究聚焦在用IR方法检测环境中AS的含量[45,46,47]，此方法的主要优势在于：①样品检测快速，检测一个样品只需要6 min，适合大批量样品检测；②样品用量少；③与GC和HPLC方法相比，IR成本低廉；④在整个分析过程中无危险试剂使用。Dick等[45]利用近红外光谱对土壤中的总氨基糖氮（Total Amino Sugar-Nitrogen, TAS-N）含量进行了很好的估算（R2=0.90）。Zhang等[46]用中红外光谱预测土壤水解物中3种重要的AS（GlcN，GalN和MurA）的浓度，以GC测量值为自变量，IR预测值为因变量，进行线性拟合，R2>0.90，说明所建立的校正模型具有较强的预测能力。以上2个用IR预测AS浓度的研究均得到了较好的结果，而Zhang等[47]却没能用IR方法成功估计土壤中游离AS含量。一方面，可能因为游离AS在土壤中含量较少，用IR方法不能有效地预测。另一方面，可能因为不同的前处理过程对检测结果影响较大，Zhang等[47]所用的前处理方法不适合IR检测。不同分析方法前处理过程比较如表2所示。通过比较发现，前处理过程的总体思想是用酸将AS水解出来，再经过一系列的纯化过程除去样品中的干扰物质。分析AS常用的水解试剂是HCl，具体什么浓度的HCl能达到最佳的水解效果，目前还没有定论，还需进一步验证。纯化方法主要有无水甲醇除盐和固相萃取柱萃取等。无水甲醇除盐的方法处理周期较长，不适合批量分析，而固相萃取柱萃取的方法实验成本较高，但有可能实现纯化过程的自动化。因此，在实际样品分析时应根据实验要求选择不同的前处理方法和检测手段，以达到最佳实验效果。

表2   不同分析方法前处理比较

Table 2  Comparison for pretreatment of different analytical methods

分析方法水解纯化衍生状况应用参考文献
GC-FID6 mol/L HCl调pH、无水甲醇需要土壤[13]
HPLC-FLD6 mol/L HCl无需要土壤和根系[14]
HPAEC-PAD3 mol/L HCl固相萃取柱不需要海水[15]
HPLC-IRMS6 mol/L HCl调pH、无水甲醇、固相萃取柱不需要土壤[40]
IR6 mol/L HCl调pH、无水甲醇不需要土壤[45]

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IR手段在高空间分辨率的组分分析方面具有很大的潜力，尤其是傅里叶变换红外光谱可以实现在微米级别甚至纳米级别上的组分分析。此外，二次离子质谱、X射线光电子能谱分析等手段在此方面也具有独特的优势，应用前景巨大。这些分析手段可能成为AS分析方法研究的未来发展方向。

5 分析方法的比较

本文比较了不同分析方法在AS分析方面的优缺点及其发展趋势（表3）。通过比较发现：①在应用对象方面，对土壤和沉积物中AS的定量分析较多采用GC-FID和HPLC-FLD，而HPAEC-PAD在水体中AS的定量分析方面应用较为广泛。此外，结合MS在结构分析方面的优势，GC-MS和UPLC-HRMS在定量的同时可以提供AS分子结构信息，GC-IRMS和HPLC-IRMS则在开展稳定同位素示踪研究时被广泛应用。②在前处理方面，GC方法的前处理过程较为繁琐且需衍生化处理，而HPLC方法的前处理过程相对简单且更易实现自动化。③在仪器检测方面，GC方法能同时检测环境中4种主要的AS（GlcN，GalN，ManN和MurA），且比HPLC方法稳定，而IR方法虽具有结构定性方面的优势，但其灵敏度较低。④在发展趋势方面，所有方法的前处理过程都向自动化方向发展，检测仪器向智能化和小型化方向发展。遗憾的是，在上述方法中，尚未有一种分析方法既能保证AS的灵敏分析又能兼顾实验效率。因此，在分析AS时应该根据样品的形态及检测要求合理选择分析方法。

表3   AS分析方法比较

  Comparison of analytical methods for AS

分析方法应用对象优势不足发展趋势
GC-FID土壤中GlcN，GalN，ManN和MurA同时定量4种AS

①样品须经过衍生化处理；

②易受氨基糖苷类抗生素干扰

衍生过程由离线向“在线”发展
GC-IRMS土壤和海洋沉积物中AS的δ13C受样品中杂质影响较小①样品须经过衍生化处理；②检测丰度高的同位素时，准确度会下降多同位素同时检测
GC-MS土壤中AS的APE不仅能提供同位素比值信息还能提供分子结构信息

①样品须经过衍生化处理；

②在定量方面有一定的缺陷

向高分辨质谱发展
HPLC-FLD土壤和根系中GlcN，GalN，ManN和MurA实现在线衍生化①需要衍生化处理；②受氨基酸干扰强；③不能同时检测中性糖发展同时高效检测AS和氨基酸的方法
HPAEC-PAD海水和沉积物中GlcN，GalN，ManN和MurA①无需衍生化前处理；②干扰较小①MurA不能与其他3种AS同时分析；②易受CO2影响前处理过程向自动化发展
HPLC-IRMS土壤中AS的δ13C无需衍生化前处理①对CO2污染敏感；②MurA不能与其他3种AS同时分析多同位素同时检测
UPLC-HRMS土壤中游离GlcN和MurA①无需衍生化前处理；②仪器灵敏度高、检测速度快

①仪器使用及维护成本高；

②仪器需要专业的人员进行维护操作

向多维液相色谱发展
IR土壤中TAS-N，GlcN，GalN和MurA①无危险试剂使用；②检测快速；③与色谱方法相比，成本低相对于色谱方法，方法的灵敏度不高向高空间分辨率的组分分析方向发展

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6 总结与展望

AS是环境中重要的一类生物标志物，对指示有机物来源、估算生源有机质的贡献及研究环境中碳、氮循环路径都有重要意义。鉴于此，对AS分析方法的研究与改进越来越受到环境科学、地球科学和生命科学等领域科研工作者的关注和重视。本文综述了近年来环境样品中AS的各种分析方法，对比了各种方法的前处理、应用对象及优势与不足等，同时展望了未来的发展趋势。总结发现，GC-FID和HPAEC-PAD方法相对成熟，应用广泛，但高灵敏度、高分辨率的检测方法发展迅猛，在检测环境中低含量AS方面应用越来越广泛，与传统检测方法形成互补。未来AS分析方法以及AS在环境中迁移转化过程的研究可以在以下3个方面开展：①在微生物中或由微生物合成的AS种类大约有26种，而目前多数研究通常只定量环境中含量相对较高的4种AS（GlcN，GalN，ManN和MurA），因此在提升AS的分离效果和检测灵敏度方面亟待加强；②AS在环境中的循环转化路径、周转机制尚不清楚，需要设计更完善的实验进行探究；③AS作为一类重要的含氮碳水化合物，在陆地生态系统中的研究已经逐步开展，而其在海洋科学领域的研究尚未得到足够的重视。海水和海洋沉积物中氨基糖类化合物的研究将为阐明海洋中生源有机质的形成与降解机理提供证据，进而为评估异养细菌在海洋碳、氮循环过程中发挥的重要作用提供新的思路。

参考文献

Benner R , Kaiser K .

Abundance of amino sugars and peptidoglycan in marine particulate and dissolved organic matter

[J]. Limnology and Oceanography, 2003, 48(1): 118-128.

[本文引用: 2]

Carstens D , Köllner K E , Bürgmann H , et al .

Contribution of bacterial cells to lacustrine organic matter based on amino sugars and D-amino acids

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2012, 89:159-172.

[本文引用: 2]

He Hongbo , Zhang Wei , Xie Hongtu , et al .

A GC/MS method to assess N ratios in soil amino sugars and amino acid enantiomers

[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46(2): 289-298.

[本文引用: 1]

何红波，张威，解宏图，等 .

测定土壤氨基糖和氨基酸手性异构体中氮同位素比值的气相色谱/质谱方法

[J]. 土壤学报, 2009, 46(2): 289-298.

[本文引用: 1]

Ren Chengzhe , Yuan Huamao , Song Jinming , et al .

Amino sugars and their indicating role in the cycling of organic matter in marine environment

[J]. Advances in Earth Science, 2017, 32(9): 959-971.

[本文引用: 1]

任成喆，袁华茂，宋金明，等 .

海洋环境中的氨基糖及其在有机质循环过程中的指示作用

[J]. 地球科学进展, 2017, 32(9): 959-971.

[本文引用: 1]

Hu Y , Zheng Q , Zhang S , et al .

Significant release and microbial utilization of amino sugars and D-amino acid enantiomers from microbial cell wall decomposition in soils

[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 123: 115-125.

[本文引用: 1]

Glaser B , Turrión M , Alef K .

Amino sugars and muramic acid—Biomarkers for soil microbial community structure analysis

[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(3): 399-407.

[本文引用: 1]

Carstens D , Schubert C J .

Amino acid and amino sugar transformation during sedimentation in lacustrine systems

[J]. Organic Geochemistry, 2012, 50: 26-35.

[本文引用: 1]

Benner R , Kaiser K .

Abundance of amino sugars and peptidoglycan in marine particulate and dissolved organic matter

[J]. Limnology and Oceanography, 2003, 48(1): 118-128.

[本文引用: 1]

Davis J , Kaiser K , Benner R .

Amino acid and amino sugar yields and compositions as indicators of dissolved organic matter diagenesis

[J]. Organic Geochemistry, 2009, 40(3): 343-352.

[本文引用: 1]

Prabhu S V , Baldwin R P .

Electrocatalysis and detection of amino sugars, alditols, and acidic sugars at a copper-containing chemically modified electrode

[J]. Analytical Chemistry, 1989, 61(20): 2 258-2 263.

[本文引用: 1]

Reissig J L , Storminger J L , Leloir L F .

A modified colorimetric method for the estimation of N-acetylamino sugars

[J]. Journal of Biological Chemistry, 1955, 217(2): 959-966.

[本文引用: 1]

Suzuki S , Shimotsu N , Honda S , et al .

Rapid analysis of amino sugars by microchip electrophoresis with laser-induced fluorescence detection

[J]. Electrophoresis, 2001, 22(18): 4 023-4 031.

[本文引用: 1]

Zhang X , Amelung W .

Gas chromatographic determination of muramic acid, glucosamine, mannosamine, and galactosamine in soils

[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1996, 28(9): 1 201-1 206.

[本文引用: 3]

Indorf C , Dyckmans J , Khan K S , et al .

Optimisation of amino sugar quantification by HPLC in soil and plant hydrolysates

[J]. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47(4): 387-396.

[本文引用: 2]

Kaiser K , Benner R .

Determination of amino sugars in environmental samples with high salt content by high-performance anion-exchange chromatography and pulsed amperometric detection

[J]. Analytical Chemistry, 2000, 72(11): 2 566-2 572.

[本文引用: 6]

Liang C , Read H W , Balser T C .

GC-based detection of aldononitrile acetate derivatized glucosamine and muramic acid for microbial residue determination in soil

[J/OL]. Journal of Visualized Experiments, 2012. [2018-09-30]. .

[本文引用: 4]

Benzing-purdie L .

Glucosamine and galactosamine distribution in a soil as determined by gas liquid chromatography of soil hydrolysates: Effect of acid strength and cations

[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 45: 66-70.

[本文引用: 1]

Kögel I , Bochter R .

Amino sugar determination in organic soils by capillary gas chromatography using a nitrogen-selective detector

[J]. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde, 1985, 148(3): 260-267.

[本文引用: 1]

Zhang Wei , He Hongbo , Zhang Ming , et al .

Analysis of soil hydrolyzed monosaccharides by gas chromatography as aldononitrile acetates derivatives

[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 913-916.

[本文引用: 1]

张威，何红波，张明，等 .

糖腈乙酰酯衍生气相色谱法测定土壤水解性单糖

[J]. 土壤通报, 2008, 39(4): 913-916.

[本文引用: 1]

Liang C , Pedersen J A , Balser T C .

Aminoglycoside antibiotics may interfere with microbial amino sugar analysis

[J]. Journal of Chromatography A, 2009, 1 216(27): 5 296-5 301.

[本文引用: 1]

Rinne K T , Saurer M , Streit K , et al .

Evaluation of a liquid chromatography method for compound-specific δ13C analysis of plant carbohydrates in alkaline media

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2012, 26(18): 2 173-2 185.

[本文引用: 1]

Zhu R , Lin Y S , Lipp J S , et al .

Optimizing sample pretreatment for compound-specific stable carbon isotopic analysis of amino sugars in marine sediment

[J]. Biogeosciences, 2014, 11(17): 4 869-4 880.

[本文引用: 1]

Barrie A , Bricout J , Koziet J .

Gas chromatography—Stable isotope ratio analysis at natural abundance levels

[J]. Biomedical Mass Spectrometry, 1984, 11(11): 583-588.

[本文引用: 2]

Glaser B , Gross S .

Compound-specific δ13C analysis of individual amino sugars—A tool to quantify timing and amount of soil microbial residue stabilization

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2005, 19(11): 1 409-1 416.

[本文引用: 1]

Wei Hailun , Cai Jingong , Wang Guoli , et al .

The diversity of organic matter in marine sediments and the suspiciousness of source parameters: A review

[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(10): 1 024-1 033.

[本文引用: 1]

韦海伦, 蔡进功, 王国力, 等 .

海洋沉积物有机质赋存的多样性与物源指标的多疑性综述

[J]. 地球科学进展, 2018, 33(10): 1 024-1 033.

[本文引用: 1]

Tian Qiuxiang , Zhang Wei , Yan Ying , et al .

The application of stable isotope techniques in investigating cycling of soil organic components

[J]. Soils, 2011, 43(6): 862-869.

[本文引用: 2]

田秋香，张威，闫颖，等 .

稳定性同位素技术在土壤重要有机组分循环转化研究中的应用

[J]. 土壤, 2011, 43(6): 862-869.

[本文引用: 2]

He H , Xie H , Zhang X , et al .

A gas chromatographic/mass spectrometric method for tracing the microbial conversion of glucose into amino sugars in soil

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2005, 19(14): 1 993-1 998.

[本文引用: 1]

He H , Xie H , Zhang X .

A novel GC/MS technique to assess 15N and 13C incorporation into soil amino sugars

[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(5): 1 083-1 091.

[本文引用: 1]

Fernandes L , D'Souza F , Matondkar S G P , et al .

Amino sugars in suspended particulate matter from the Bay of Bengal during the summer monsoon of 2001

[J]. Journal of Earth System Science, 2006, 115(3): 363-370.

[本文引用: 1]

Niggemann J , Lomstein B A , Schubert C J .

Diagenesis of amino compounds in water column and sediment of Lake Baikal

[J]. Organic Geochemistry, 2018, 115: 67-77.

[本文引用: 1]

Zelles L .

The simultaneous determination of muramic acid and glucosamine in soil by high-performance liquid chromatography with precolumn fluorescence derivatization

[J]. Biology and Fertility of Soils, 1988, 6(2): 125-130.

[本文引用: 1]

Appuhn A , Joergensen R G , Raubuch M , et al .

The automated determination of glucosamine, galactosamine, muramic acid, and mannosamine in soil and root hydrolysates by HPLC

[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2004, 167(1): 17-21.

[本文引用: 2]

Cataldi T R , Campa C , De Benedetto G E .

Carbohydrate analysis by high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection: The potential is still growing

[J]. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 2000, 368(8): 739-758.

[本文引用: 1]

Cao L , Tian H , Wu M , et al .

Determination of curdlan oligosaccharides with high-performance anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection

[J]. Journal of Analytical Methods in Chemistry, 2018, DOI:10.1155/2018/3980814.

[本文引用: 1]

Cheng X , Kaplan L A .

Improved analysis of dissolved carbohydrates in stream water with HPLC-PAD

[J]. Analytical Chemistry, 2001, 73(3): 458-461.

[本文引用: 2]

Krummen M , Hilkert A W , Juchelka D , et al .

A new concept for isotope ratio monitoring liquid chromatography/mass spectrometry

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2004, 18(19): 2 260-2 266.

[本文引用: 2]

Lorrain A , Graham B , Ménard F , et al .

Nitrogen and carbon isotope values of individual amino acids: A tool to study foraging ecology of penguins in the Southern Ocean

[J]. Marine Ecology Progress Series, 2009, 391: 293-306.

[本文引用: 1]

Richter A , Wanek W , Werner R A , et al .

Preparation of starch and soluble sugars of plant material for the analysis of carbon isotope composition: A comparison of methods

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2009, 23(16): 2 476-2 488.

[本文引用: 1]

Hofstetter T B , Berg M .

Assessing transformation processes of organic contaminants by compound-specific stable isotope analysis

[J]. Trends in Analytical Chemistry, 2011, 30(4): 618-627.

[本文引用: 1]

Bodé S , Denef K , Boeckx P .

Development and evaluation of a high-performance liquid chromatography/isotope ratio mass spectrometry methodology for δ13C analyses of amino sugars in soil

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2009, 23(16): 2 519-2 526.

[本文引用: 2]

Dippold M A , Boesel S , Gunina A , et al .

Improved δ13C analysis of amino sugars in soil by ion chromatography-oxidation-isotope ratio mass spectrometry

[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2014, 28(6): 569-576.

[本文引用: 1]

Theodoridis G , Gika H G , Wilson I D .

Mass spectrometry-based holistic analytical approaches for metabolite profiling in systems biology studies

[J].Mass Spectrometry Reviews, 2011, 30(5): 884-906.

[本文引用: 1]

Milne S B , Mathews T P , Myers D S , et al .

Sum of the parts: Mass spectrometry-based metabolomics

[J]. Biochemistry, 2013, 52(22): 3 829-3 840.

[本文引用: 1]

Hu Y , Zheng Q , Wanek W .

Flux analysis of free amino sugars and amino acids in soils by isotope tracing with a novel liquid chromatography/high resolution mass spectrometry platform

[J]. Analytical Chemistry, 2017, 89(17): 9 192-9 200.

[本文引用: 1]

Dick W A , Thavamani B , Conley S , et al .

Prediction of β-glucosidase and β-glucosaminidase activities, soil organic C, and amino sugar N in a diverse population of soils using near infrared reflectance spectroscopy

[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 56: 99-104.

[本文引用: 3]

Zhang B , Yang X , Drury C F , et al .

A mid-infrared spectroscopy method to determine the glucosamine, galactosamine, and muramic acid concentrations in soil hydrolysates

[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 77(3): 842.

[本文引用: 2]

Zhang L , Yang X , Drury C , et al .

Infrared spectroscopy estimation methods for water-dissolved carbon and amino sugars in diverse Canadian agricultural soils

[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2018, 98(3): 484-499.

[本文引用: 3]

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