磁固相萃取在食品分析中的研究進展

李燕瑩,周慶瓊,陳羽中,林子豪,戚 平,毛新武

(廣州市食品檢驗所,廣東廣州 510000)

傳統的樣品前處理方法有固(液)液萃取、索氏提取、超聲等,這些方法容易在萃取過程中將蛋白、油脂等組分同時萃取出來,引入基質干擾。因此,一些新型的樣品前處理方法逐漸被開發出來,常用的有固相萃取(Solid phase extraction,SPE)、凝膠滲透色譜法等。SPE具有富集倍數高等優點,但是其裝填柱子繁瑣,淋洗過程麻煩。而凝膠滲透色譜法一般需要專用凝膠滲透色譜儀,成本較高;并且同樣需要洗脫,耗時較長。

磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction,MSPE)作為一種新型樣品前處理方法,相比于傳統SPE有許多優勢[1]:吸附快速,磁性材料一般粒徑較小,比表面積較大,相比于傳統SPE材料更容易實現相之間的平衡,可以極大縮短吸附時間;節省填充時間,傳統SPE需要裝填柱子,而MSPE只需將磁性吸附劑加入樣品溶液中;分離容易,只需在磁場幫助下,就可實現分離,不需洗脫;可以實現自動化的在線樣品處理[2](圖1)。近年來,MSPE已經廣泛應用于食品分析[3]、藥品測試[4-5]、環境測試[6-7]、生物測試[8-9]等領域。本文主要綜述碳化合物、表面活性劑、離子液體、金屬-有機骨架化合物、氧化物、高分子、分子印跡聚合物這幾類材料表面修飾的MSPE磁性吸附劑的研究進展,為磁固相萃取在食品分析中的應用提供依據。

圖1 在線自動磁分散固相微萃取檢測嬰幼兒食品中氟喹諾酮類

1 MSPE操作流程和MSPE磁性材料

MSPE操作流程為:將磁性吸附劑加入樣品溶液中,等待磁性吸附劑與待測物相互吸附后,引入外界磁場,實現磁性吸附劑和樣品溶液的分離。然后使用合適的洗脫溶液淋洗磁性吸附劑,將待測物洗脫。最后引入外界磁場將洗脫后的磁性吸附劑與待測物分離(圖2)。

圖2 磁固相萃取操作流程示意圖

2 MNPs的表面修飾及其在食品分析中的應用

一般MNPs容易團聚,疏水性差;另外,功能化的非磁材料可以增強吸附特異性。因此,使用非磁材料表面修飾MNPs可以得到較好的選擇性富集效果。下文著重介紹不同物質表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用。

2.1 碳表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

有機小分子表面修飾磁性微球主要是依靠分子的特殊官能團與富集物質分子結構的相似性,產生比較牢固的物理或化學吸附,從而達到選擇性富集的效果。Yu等[30]使用苯并呋喃-2-羧酸表面修飾Fe3O4測定果汁中的棒曲霉素,因為苯并呋喃-2-羧酸分子結構與棒曲霉素類似,依靠分子間π-π鍵作用吸附,檢出限(Limits of detection,LOD)達到0.15 μg/L,優于大部分傳統前處理方法,并且操作耗時短。Pastor-Belda等[31]使用油酸表面修飾CoFe2O4(CoFe2O4/oleic acid)完成嬰幼兒食品中烷基酚類的富集檢測。Huang等[32]先制備Fe3O4@SiO2-NH2微球,再使用EDC/sulfo-NHS對其表面羧基化,然后添加合適的DNA適配體,制備磁性納米適配體微球Fe3O4@SiO2@Apt。由于其選擇的DNA適配體結構與氯霉素類化合物有極高的相似性,用于富集牛奶樣品中的幾種氯霉素,LOD結果好。

C18表面修飾磁性微球是利用C18官能團極好的疏水性,對于疏水性物質的富集有良好體現[33]。Maddah等[34]使用C18磁性納米微球,用于富集水樣中的二嗪農和殺螟松,富集倍數達到172和184。Shen等[35]使用Fe3O4/C18富集水果以及蔬菜中的有機磷農藥殘留,在不同的洗脫方式下,回收率可達80.2%～93.8%。

石墨烯(G)或氧化石墨烯(GO)表面修飾磁性微球,通過石墨烯層與富集物質分子之間的π-π鍵作用吸附,對一些含有共軛π鍵的有機組分有很好的富集作用。Tian等[36]使用Fe3O4@TiO2/GO萃取牛奶中的雌激素,表面修飾在外層的GO表面存在的-COOH和GO的 π-π鍵共軛作用使得吸附效果良好,LOD可達4.3～7.5 ng/mL,回收率70.6%～94.5%。Zhang等[37]合成三維離子液體-氧化石墨烯(3D-IL@mGO)表面修飾Fe3O4,用于植物油中多環芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)檢測,LOD低至0.05～0.30 μg/kg,回收率80.2%～115%。另外,石墨烯表面修飾Fe3O4也是比較有效的富集材料。Bai等[38]利用石墨烯和酰胺分子的π-π鍵作用牢固吸附,使用石墨烯表面修飾Fe3O4材料實現了水及綠茶中的酰胺類除草劑的富集。

碳納米管本身具有很強的疏水性及大共軛結構,是優良的吸附材料。Ding等[39]使用碳納米管表面修飾MNPs提取牛奶中的雌激素,使用HPLC-FLD檢測,LOD為4～8 μg/L,回收率94%～107%。Wu等[40]使用多層碳納米管表面修飾MNPs(c-MWCNT-MNPs)富集香油中的酚類物質,通過c-MWCNT-MNPs與酚類分子之間形成氫鍵及分子間π鍵,抗干擾能力強,操作簡易。

2.2 表面活性劑表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

表面活性劑表面修飾磁性微球,無論是形成半膠束還是吸附膠束聚體,都不僅可以提供疏水吸附力,還可以提供靜電吸附力。相比碳修飾材料,這類MSPE磁性材料對有機鹽類分子有更好的吸附性。

2.3 離子液體(Ionic liquid,IL)表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

離子液體在室溫一般呈液態,是由不同的陰陽離子構成的鹽,屬于非分子溶劑,有良好的化學和電化學穩定性[44]。離子液體結合磁性微球使用,可以大大加快萃取后的分離過程,提高樣品前處理效率。

Zheng等[44]使用聚合離子液體(Polymeric ionic liquid,PIL)表面修飾MNPs(PIL-MNPs)對茶和飲料中4種有機磷農藥進行萃取,富集因子可達84～161,LOD低至0.01 μg/L,回收率81.4%～112.6%。Wu等[45]使用PIL-MNPs對食品中的莧菜紅進行萃取,同時應用自動化的MSPE過程,HPLC測定LOD為4.1～14 ng/mL,在線分光光度法測定LOD為220 ng/mL;日內RSD在 1.2%～2.5%之間,日間RSD在2.5%～3.2%之間;并且10 min就能完成一次萃取過程,自動化程度高。

另一種方法是使用磁性離子液體(Magnetic ionic liquid,MIL)進行萃取,這種離子液體本身帶有磁性。離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氯化鐵鹽([C4mim][FeCl4])在2004年被發現具有磁性[46-47]。基于MSPE技術思路,直接使用磁性離子液體萃取富集后,使用磁鐵進行分離。相比于傳統的MSPE技術,可以節約制備磁性微球的時間,提高效率。

Wang等[48]結合磁性離子液體-分散液液微萃取技術,萃取植物油中的三嗪類除草劑殘留,其LOD和RSD大大低于傳統的QuEChERS法,并省去了離心等繁瑣步驟。實驗中使用1-己基-3-甲基咪唑四氯化鐵鹽([C6mim][FeCl4])作為離子液體,表面修飾羰基鐵粉(CIP)形成CIP-MIL結合物,CIP-MIL可以提高[C6mim][FeCl4]在磁鐵下的吸附力,使得整個流程在磁性吸附分離這一步驟更加高效。

2.4 金屬-有機骨架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs)表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

MOFs是一種類沸石材料,由含氧、氮等的多齒有機配體(大多是芳香多酸或多堿)與過渡金屬離子自組裝配而成的配位聚合物。其比表面積大、密度低、微孔的孔隙可以在一定范圍內調整,可以作為理想的小分子儲存或萃取用材料[49]。一些MOFs已經在分析測試領域有著良好的表現,如MIL[50]、ZIF-8[51]和UiO-66[52]等。用MOFs表面修飾MNPs,既可以保持MOFs本身良好的吸附富集性能,又能縮短萃取材料和溶液的分離時間,將兩者的優點完美結合(圖3)[53]。

圖3 金屬-有機骨架化合物(MOFs)表面修飾MSPE材料

在食品分析領域,使用MOFs富集金屬元素的報道相對較多,如Cd(II)[54]、Hg(II)[55]、Pb(II)[56]、Ni(II)[57]等,而富集有機物報道相對較少。其中幾例列舉如下:Rocío-Bautista等[58]使用(MOF)HKUST-1 和 Fe3O4MNPs富集廢水和水果茶中的8種PAHs,其LOD為0.8 ng/L,但是富集水果茶中PAHs回收率僅75%,其原因可能是水果茶中基質復雜,結構類似PAHs的小分子也可以占據吸附位點導致PAHs吸附性變差;Zhang等[59]使用Fe3O4@SiO2@UiO-66 富集貝類的軟骨藻酸,LOD為1.45 pg/mL。

另有一種MOFs和MNPs配合的技術,在MOFs表面修飾的MNPs外層再包覆一層多孔碳,MOFs類似一個有機橋聯劑,主要吸附依靠MOFs支撐的材料,MOFs在其中更多是作為擴大比表面積的骨架使用。由于多孔碳對于酚類或者含胺基有機物有著強吸附作用,萃取富集效果更佳。Liu等[60]使用直接碳化的ZIF-67表面修飾磁粉,萃取葡萄和苦瓜中的苯脲類除草劑,LOD為0.17～0.46 ng/g,回收率良好。他們課題組使用同樣的思路,使用直接碳化的MIL-53表面修飾磁粉形成MIL-53-C(Fe)富集牛奶和果汁中的酚類內分泌物[61];使用直接碳化的MOF-5表面修飾Fe3O4,吸附蘋果樣品中的氨基甲酸酯類化合物[62]。

2.5 氧化物表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

Ibarra等[67]使用SiO2/Ph表面修飾Fe3O4進行牛奶中的四環素類抗生素富集檢測,LOD可達2～9 μg/L,回收率92.5%～103.7%,結果理想,效率高。Su等[68]使用更復雜的多層core-shell結構制備Fe3O4@SiO2@MOF/TiO2材料,以Fe3O4為核心,在SiO2保護層外再表面修飾一層MOF/TiO2外殼,測定水中的三唑類殺菌劑,LOD低至0.19～1.20 ng/L,回收率90.2%～104.2%。

2.6 高分子表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

高分子表面修飾材料主要包括兩大類:一、天然高分子,如殼聚糖[69-70]等;二、合成高分子,如聚吡咯[71]、聚呋喃[72]和聚苯乙烯[73]等。高分子表面修飾MNPs可以使其生物相容性變好,并且改善容易氧化和穩定性差等缺陷。如果選擇合適的帶官能團高分子進行表面修飾,依靠不同的官能團,其對于不同化合物亦有選擇性富集的效果。

Wang等[74]使用多孔高分子卟啉表面修飾磁性微球(M-PPOP)富集水果汁和番茄汁中的苯脲除草劑,富集因子可達51～106。在實驗中,作者通過富集因子、辛醇/水分配系數(Kow)以及氫鍵貢獻/接受對M-PPOP在不同結構化合物吸附效果進行判斷。PAHs高富集因子值主要依托π鍵堆疊作用及疏水作用(氫鍵作用在PAHs類物質占比極小),而苯脲類物質富集因子值明顯高于簡單結構的酚類物質,雖然兩者的正辛醇-水分配系數很接近,但是苯脲類物質分子上氫鍵更多,所以在M-PPOP中有很好富集效果。所以M-PPOP比較適用于吸附具有較大π電子共軛體系、更多的氫鍵位點和更強疏水性的化合物。Mahpishanian等[75]使用β-環糊精表面修飾石墨烯磁性微球(β-CD/MRGO)吸附蜂蜜中有機氯農藥殘留,β-環糊精本身是杯狀結構,外層親水內層疏水,對于弱極性的有機氯化合物有很好的選擇性吸附效果;再使用石墨烯作為β-環糊精的負載骨架,依靠石墨烯的多層結構可以極大拓展β-環糊精的比表面積及穩定性;最后再結合Fe3O4磁粉,使分離變得簡便。使用這一方法,在蜂蜜基底干擾嚴重的情況下,LOD可達0.52～3.21 ng/kg,并且由于β-環糊精吸附速率快,萃取時間只要3 min,相比使用碳納米管的類似方法耗時40 min[76]有很大優勢。

2.7 分子印跡聚合物(Molecular imprinted polymers,MIPs)表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用

分子印跡技術((Molecular imprinting technology,MIT)屬于一種特異性吸附技術,通過構建大尺寸分子獨有的空穴結構,對樣品分子或者分子上的官能團進行特異性吸附,選擇性極好。一般使用高分子單體和模板(待測物分子)通過交叉偶聯聚合,再除去待測物分子,聚合層就會留下待測分子的空穴,即為分子印跡聚合物[77-78]。

Su等[79]使用Fe3O4@SiO2-NH2微球作為載體,以聚丙烯酰胺作為印跡層,制備Fe3O4@MIPs,在土豆和辣椒中羅丹明B的吸附效果可達104.6 mg/g,并且選擇性極好(α=1.88)。另外可以使用碳納米管等理想的骨架材料作為印跡層的支撐層。Yin等[80]使用磁性碳納米管作為結構骨架,表面修飾聚多巴胺,在修飾過程中使用人血清白蛋白制成分子印跡(MWCNTs@Fe3O4@MIPs),最后用于富集人血清白蛋白,得益于碳納米管骨架極大擴展了磁性微球的比表面積,使得吸附材料的吸附時間及效果均優于使用同樣材料但不使用碳納米管基材修飾的MIT技術。

磁性納米顆粒的表面修飾及其在食品分析中的應用見表1。

表1 磁性納米顆粒的表面修飾及其在食品分析中的應用Table 1 Surface modification of magnetic nanoparticles and their application for food analysis

3 結論與展望

本文介紹了碳化合物、表面活性劑、離子液體、金屬-有機骨架化合物、氧化物、高分子、分子印跡聚合物這幾類材料表面修飾MNPs及其在食品分析中的應用,富集的樣品包括食品添加劑、農藥殘留、抗生素、激素類及重金屬離子,基本上覆蓋了食品分析中的大部分應用。這些MSPE技術的回收率絕大部分位于80%～120%區間,檢出限基本都能達到ng/mL或ng/g數量級,部分方法檢出限甚至可以達到ng/L或ng/kg數量級,在食品分析測試中有著理想的應用前景。但是這些MSPE技術也有缺點:主要以實驗室研究及小規模測試為主,商品化的步伐相對較慢。MSPE技術未來的發展可能在以下幾方面:一、尋找更易控制、產量更高的MNPs制備方法;二、拓展MNPs表面修飾技術,多種修飾方法結合使用,或使用新的表面修飾材料達到選擇性更佳的選擇吸附效果;三、現階段MSPE技術主要還是以疏水材料富集水樣基底有機物為主,日后或許可以直接使用專一性MSPE磁性材料富集各種基底的待測物;四、與其他樣品前處理技術結合使用,開發可重復使用材料降低成本;五、往自動化方向發展。