新型固相微萃取技術在食品安全檢測中的應用進展

（湖州市食品藥品檢驗研究院，浙江湖州313000）

食品安全是關系國計民生與社會和諧發展的重大問題。隨著現代工業的迅速發展，生態環境的惡化，導致食品在生產、加工、儲存、流通過程中，有可能受到有毒、有害化學品的污染，如農藥殘留、獸藥殘留、重金屬、生物毒素、工業污染物以及食品加工過程中形成的致癌、致畸變物質，長期攝入會造成潛在食源性危害。食品樣品基質十分復雜，干擾物質多，而有機污染物及重金屬在食品中的含量一般較低甚至痕量，所以食品中有害物質的分析是復雜系統的痕量分析。傳統的樣品前處理技術如蒸餾、過濾、液-液萃取等方法存在耗時長、繁瑣、有機溶劑用量大等缺點，因此發展簡便、有效和綠色環保的前處理技術是分析研究者一直關注的研究熱點之一。

固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）是在固相萃取的基礎上發展而來的一種新型樣品前處理技術，由加拿大Pawliszyn[1]研究小組于1989年首先提出。SPME技術集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，操作快捷簡便，樣品和溶劑用量少，易于實現自動化，與當今國際上提倡的綠色環境友好型樣品前處理要求相符。SPME在發展之初主要是與氣相色譜（gas chromatography，GC）聯用進行樣品分析，然而GC難以滿足多種物質尤其是不易揮發或高極性物質的分析要求，為拓寬SPME技術的應用，1995年，Chen等[2]設計出固相微萃取-高效液相色譜（solid phase microextraction-liquid chromatography，SPME-HPLC）聯用接口裝置，并由Supelco公司生產出商品。隨著質譜技術的發展，SPME又越來越多地與氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass expectrum，GC-MS）、液相色譜-質譜（liquid chromatography-mass expectrum，LCMS）聯用并取得很大進展[3-4]。SPME發展至今，已被廣泛應用到環境監測[5]、食品檢驗[6]等領域。本文主要簡介了SPME的新型制備方法，重點綜述了近5年來SPME技術在食品安全分析樣品前處理中的應用研究新進展，以期為食品安全快速檢測新技術的推廣應用提供參考。

1 固相微萃取原理及制備技術

固相微萃取技術的基本原理是通過物理或者化學的方法，將具有吸附萃取功能的涂膜材料固載在一定的基質表面，與樣品進行直接微萃取或頂空微萃取，將目標分析物富集濃縮，直接聯用進樣裝置或解吸后進樣，從而對樣品中的目標物進行準確分析。在固相微萃取過程中，影響微萃取效率的因素主要可分為兩個部分：（1）萃取條件，包括萃取時間、萃取溫度、樣品基質pH值、解析溶液等；（2）萃取頭的設計及涂層的性質、厚度和體積。萃取頭的設計上，最初為以石英纖維為載體的纖維式，后出現可自行攪拌的萃取棒式[7]、管內固相微萃取[8]，近些年新發展的有針尖式固相微萃取[9]、芯片微萃取（chip based microextraction，CBME）[10]、固相微萃取膜（solid phase microextraction membrane，SPMEM）[11]。

微萃取涂層是SPME的核心部分，涂層的性質決定了整個萃取過程的選擇性和靈敏度。涂層的吸附萃取性能、厚度、耐溶劑性、熱穩定性等，都會影響目標物的富集和分析。為追求對目標分析物實現選擇性的高倍富集，SPME涂層材料的研制是SPME研究的重要方向。目前SPME涂層的制備方法[12]主要有直接涂漬法、溶膠-凝膠技術、化學鍵合和聚合、分子印記技術、電化學沉積等。電化學沉積法作為新型SPME制備技術，是以金屬絲為底材，通過電化學方法將涂層沉積在金屬絲表面，以金屬絲為底材提高了萃取頭的機械強度；作為近年來的研究熱點，分子印跡聚合物涂層，包含分子印記技術和SPME技術的優點，具有高度的選擇性和靈敏度。隨著新型材料制備技術的發展，SPME涂層材料已從最開始的聚合物、多孔碳材料擴展到離子液體[13]、碳納米管[14]、氧化石墨烯[15]、金屬及金屬氧化物納米粒子[16]、金屬有機框架材料[17]等新型材料。納米材料經適當的表面修飾，可高選擇性地結合目標分子，納米復合材料的開發及在分離和檢測領域的應用已越來越受到重視。金屬有機框架材料（metalorganic frameworks，MOFs）是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的雜化材料，多樣性的框架空隙結構表現出良好的吸附性能。復合MOFs材料作為SPME涂層應用于有毒有害物質、重金屬的吸附與分離是當下國內外的研究熱點[18]。隨著SPME技術的不斷發展，微型化的芯片SPME[19]和在線SPME[20]也不斷涌現，為食品安全分析前處理方法研究提供了新的思路。

2 SPME在食品中有機污染物殘留檢測的應用

2.1 農藥殘留

農藥殘留物通過食物鏈不斷累積，對人類的健康及生態環境造成極大的危害。在食品中存在的農藥的類型有：有機磷農藥、氨基甲酸酯類、殺蟲劑、殺真菌劑等，食品中農藥殘留檢測過程中，樣品前處理是農殘檢測的重要環節。傳統的農藥前處理方法如液-液萃取、索氏提取、固相萃取，都較耗時、耗試劑，且操作繁瑣。開發和建立快速、靈敏、高效的農藥殘留檢測技術是當前重要的研究方向。SPME技術作為一種新型綠色環保前處理技術，在食品農藥殘留檢測中已有廣泛應用。Song等[21]利用碳納米管修飾強化的中空纖維固相微萃取器（carbon nano tube-hollow-fiber-solid phase microextraction，CNTs-HF-SPME），與液相色譜-二極管陣列檢測（liquid chromatography-diode array detector，HPLC-DAD）聯用，萃取和檢測蘋果基質中5種氨基甲酸酯類農藥，得到較好的穩定性，檢出限為0.09 ng/g～6.0 ng/g。功能化聚合物納米復合材料膜因具有更優化的吸附性能和穩定性，作為SPME萃取材料也有廣泛的應用。Jafari等[22]運用電沉積法制備聚吡咯/蒙脫土納米復合物，作為固相微萃取膜與氣相色譜-電暈放電離子遷移譜（gas chromatography-corona discharge ion migration spectrim，GC-CD-IMS）結合，測定蔬菜、水果等基質中的二嗪農和倍硫磷農藥，得到較滿意的回收率。Wu等[23]結合多孔芳香構架和離子液體1-（三乙氧基甲硅烷基）丙基-3-丙氨基咪唑六氟磷酸鹽制備復合材料膜，發現該材料對有機氯農藥具有很高的富集率，通過優化萃取條件，獲得較好的試驗重現性和穩定性，用該復合膜與氣相色譜-電子俘獲檢測（gas chromatography-electron capture detector，GC-ECD）聯用，成功分析果汁和牛奶樣品中的有機氯農藥，回收率在76.1%～121.3%之間。Li等[24]以環芳烴作為功能單體通過溶膠凝膠法構建分子印跡聚合物固相微萃取纖維（molecular imprinted polymer-solid phase microextraction，MIP-SPME），用于萃取甲基對硫磷及相似有機磷農藥，功能基團及分子結構的相似性使得聚合物纖維膜對目標物具有較高的選擇性和特異性識別作用，結合氣相色譜檢測，應用于水果樣品中的有機磷農藥分析，相較于液-液萃取，該MIP-SPME表現更低的檢出限和更高的回收率。

正因為SPME前處理技術操作快速簡便，易于自動化，有研究者將SPME與質譜直接聯用，實現食品中痕量有害物質殘留的在線快速篩選。Gómez-Ríos等[25]以包覆聚合物粒子的網絲構建了固相微萃取裝置，與高分辨質譜聯用，實現食品和環境基質中農藥殘留的在線快速篩選和定量分析。該模式下，吸附分析物的萃取頭通過傳輸裝置與質譜聯用，同時快速完成熱解析和離子化，進入質譜定量檢測。該快速篩查方法檢出限在ng/mL級以下，可以在2分鐘內完成檢測分析，是SPME技術作為食品痕量有害物質快速篩選手段的新應用。

2.2 獸藥殘留

隨著養殖業的迅速發展，動物性食品中獸藥殘留問題已愈來愈引起人們的重視。動物源食品中獸藥殘留甚微，傳統的檢測方法已經不能滿足現代社會的要求。隨著SPME技術的發展，已越來越多地與液相色譜、液相色譜-質譜技術結合，并在食品中獸藥殘留檢測中取得較大的進展。彭英等[26]用原位聚合法在經多巴胺修飾的不銹鋼絲表面鍵合聚（甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯）材料，并以之作為SPME纖維涂層，與高效液相色譜聯用，建立牛奶中4種磺胺類藥物殘留的分析方法，獲得較好的涂層制備重現性和試驗重現性，平均加標回收率在68.2%～100.3%之間。Gao等[27]通過在中空纖維管內壁修飾氧化石墨烯構建新型管內SPME，與高效液相色譜聯用，萃取和檢測強化牛肉中的多巴胺與克倫特羅。對萃取膜進行表征及重復性試驗，萃取材料表現出較好的性能和穩定性，對強化牛肉中的多巴胺和克倫特羅的檢出限分別為0.01 μg/mL 和 0.03 μg/mL，加標回收率為 85.8%～109.8%和78.8%～101.4%。

近年來，很多研究者已不再滿足于傳統的SPME制備材料和方式，如磁性納米顆粒、骨架結構材料、聚離子液體等新型材料的應用，以及層層自組裝等新型制備方式的嘗試開啟SPME制備技術的新領域。Lan等[28]將磁性氧化鐵顆粒覆載于沸石咪唑酯骨架結構材料（Fe3O4@ZIF-8），并以此為載體，層層自組裝磁性分子印跡聚合物膜（molecular imprinted polymer，MIP），制備一種新型多孔多層磁性分子印跡聚合物膜（MIP@Fe3O4@ZIF-8），并通過電磁作用力黏接于固相微萃取纖維頭，用于萃取食品中的4種雌激素，ZIF-8的高孔隙率和層層自組裝的制備方式不僅增強了萃取膜的穩定性，還大大增加了膜的分子印跡位點，使得萃取膜對4種雌激素表現出較高的萃取容量和快速的吸附和解析動力學。Mei等[29]制備基于聚離子液體的多個ycxv單片纖維式固相微萃取涂層，利用聚離子液體作為一種活躍介質，與高效液相色譜聯用，用于高效萃取和檢測飲用水和牛奶中的6種雌激素，檢出限達到 0.04 μg/L～0.11 μg/L，加標回收率在 75.6%～118%之間。Zhang等[30]通過原位聚合法制備了一種多孔性聚（甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯）單片纖維式固相微萃取裝置，用于萃取牛奶和蜂蜜中的5種苯并咪唑類藥物，再通過高效液相色譜檢測分析，檢出限低于μg/L級，回收率在72.1%～121%之間。

2.3 其他有機污染物

SPME技術在對食品中生物毒素、合成染料、多氯聯苯（polychlorinated biphenyl，PCBs）、多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs）、鄰苯二甲酸酯類化合物（phthalic acid ester，PAEs）等污染物的檢測中也有著廣泛的應用。Chen等[31]自制靜電紡絲纖維，用于固相微萃取河豚魚肉組織中的河豚毒素，其萃取效率優于商品化固相微萃取纖維。制備的SPME與HPLC-MS/MS聯用所建立的河豚魚中河豚毒素分析方法，其檢出限為2.3 ng/g，低于國家標準方法。Li等[32]利用氧化石墨烯在鹽條件下易發生凝聚的機理，建立基于鹽條件下氧化石墨烯的分散固相微萃取技術，與高效液相色譜聯用，高效萃取和分析水樣中的孔雀石綠和結晶紫，回收率達89.7%～116.4%。Xu等[33]利用離子液體分散的多壁碳納米管為固相微萃取基質，結合高效液相色譜，用于檢測分析食品中的羅丹明B染料。

Abolghasemi等[34]以不銹鋼絲為基底，在其表面通過原位聚合法制備ZnO納米粒子/聚噻吩/六角晶格硅納米復合物涂層，以此作為SPME萃取頭，對多環芳烴類化合物表現出較高的萃取效率。Luo等[35]利用聚烯烴熱縮管的疏水特性，以此為SPME萃取裝置，成功富集水樣中的鄰苯二甲酸酯類化合物，與HPLC聯用，建立了飲用水中PAEs的檢測新方法。Kamalabadi等[36]通過電化學氧化法制備聚吡咯納米線修飾纖維膜，應用于頂空固相微萃取技術，與離子遷移光譜聯用，建立食品中雙酚A的殘留檢測方法，分析方法簡潔、有機試劑消耗低，加標回收率達93%～96%。Lv等[37]把沉積聚多巴胺（poly-dopamine，PDA）膜的不銹鋼絲浸漬于含金屬有機骨架材料MIL-53（Fe）的水溶液中，制備了PDA-MIL-53（Fe）復合膜，用于固相微萃取涂層，對多氯聯苯類類化合物具有較高的萃取容量，結合GCMS，應用于多氯聯苯的殘留檢測分析。

3 SPME在食品中重金屬檢測的應用

隨著現代工業的發展，重金屬的污染日益嚴重，以各種化學狀態存在的重金屬易通過食物鏈而生物富集，進入生物體，嚴重威脅人類和生物體的健康安全。因此研究和開發高效的食品中重金屬富集與檢測方法具有重要的現實意義。食品樣品中重金屬含量低，基體復雜，常需要在儀器測定前輔以合適的樣品前處理技術。

Wang等[38]構建基于微流控芯片陣列的磁性固相微萃取體系，與電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrum，ICP-MS）聯用，用于在線檢測生物樣品中的6種重金屬元素（Cu、Zn、Cd、Hg、Pb和Bi），分析方法靈敏度高，可實現自動化控制。Lin等[39]利用基于多孔性碳的頂空固相微萃取技術與氣相色譜-介質阻擋放電發射光譜（gas chromatography-dielectric barrier discharge emission spectrum，GC-DBDOES）聯用，檢測大米中不同形態的汞化合物，與常規方法相比，該分析方法具有便捷、耗費少、效益高等優點。Su等[40]制備氧化石墨烯/二氧化硅復合物，以此為固相微萃取中空纖維膜涂層，用于萃取水中的Mn、Co、Ni、Cu、Cd和Pb6種重金屬，并與 ICP-MS聯用實現在線檢測分析，檢出限達到ng/L級，回收率在89%～119%之間。Bahar等[41]把TiO2納米粒子分散在辛酸中作為萃取溶劑，通過毛細作用力被植入聚丙烯多孔中空纖維段，構建了新型固相微萃取頭，用于萃取大米、牛奶和水樣中的Pb（II），并通過原子吸收光譜檢測，分析方法達到了99.3%的回收率。

4 結論與展望

固相微萃取與檢測儀器聯用的發展進程中，鑒于其操作簡單、高效、環保等優點，被廣泛應用于食品安全檢測分析領域。為進一步推動其發展、擴大其應用范圍，SPME技術可以從以下幾方面繼續展開研究工作：（1）研發具有高萃取容量和高靈敏度新型涂層，開發功能化修飾納米復合材料涂層，同時提高涂層壽命，擴大萃取對象；（2）研究高選擇性、特異性涂層，如分子印跡、免疫親和技術等在SPME方面的應用還有很大的發展空間；（3）芯片SPME作為微型化的固相萃取模式得到了迅速發展，目前已在重金屬及有機污染物的檢測中有一定的應用，將是SPME的重要發展方向之一；（4）開發新型SPME裝置，提高自動化水平，同時發展在線聯用SPME技術，提高樣品處理效率，拓展其應用領域。