石墨相氮化碳在食品分析前處理制備技術中的發展和應用

馬 帥，由天艷，王 坤，王 蒙，潘立剛

（1.北京農業質量標準與檢測技術研究中心，北京 100097；2.江蘇大學農業裝備工程學院，現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013）

食品安全問題是關系到國計民生的重大問題，隨著人們生活水平的提高及環保意識的增強，環境污染帶來的食品安全問題日趨成為人們關注的焦點。工業重金屬、農藥殘留以及真菌毒素等污染物會經食品長期攝入積累而成為人類健康的潛在影響因素，不僅能引起急性或慢性中毒，還具有明顯的致畸、致癌和致突變性。因此，需要發展綠色環保、高效快速、簡便的新型前處理制備技術，為食品中污染物的高通量快速篩查提供可靠的技術支持，這對確保人民群眾“舌尖上的安全”具有重要的意義。

樣品前處理制備技術是復雜樣品（如食品、環境、生物或制藥）分析的重要步驟，尤其是分析物處于痕量或超痕量水平。正確的樣品前處理技術不但可以通過濃縮分析物來確保較高的分析靈敏度，而且可以通過去除基質干擾來提高方法的選擇性[1-2]。此外，正確的樣品前處理方法可以有效預防對分析儀器的損害。迄今為止，根據分析物的性質和基質的復雜性，已經發展了多種樣品前處理方法，包括QuEChERS、固相萃取（solidphase extraction，SPE）、固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）和磁性固相萃取（magnetic solid-phase extraction，MSPE）法等[3-5]。在各種樣品前處理方法中，吸附劑具有至關重要的作用，吸附劑富集凈化能力和選擇性主要取決于其表面特定吸附位點的類型。目前，已開發出多種具有特殊結構和物理化學性質的吸附劑，可用于復雜基質樣品中痕量無機/有機分析物的富集凈化和測定，如C18、二氧化硅、聚丙烯酸酯、碳納米管、石墨烯、陶瓷金屬氧化物及分子印跡聚合物等[6-13]。

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種新型的二維石墨烯類似物，具有良好的生物相容性、表面可修飾和較強的吸附親和力等優異性能。同時，g-C3N4具有多種綠色前體，容易剝落成超薄納米片，在酸性和堿性環境（pH 3～11）中都穩定，比普通吸附劑（C18、二氧化硅、聚丙烯酸酯、碳納米管等）更具有創新潛力和廣泛應用前景[14-15]。近年來，g-C3N4已與SPE、MSPE和SPME法相結合用于樣品的預處理。為了提高研究者對g-C3N4優越性能的認識并推廣其作為吸附劑在樣品前處理中的應用，本文對g-C3N4的結構、吸附機理以及在樣品前處理應用進行了綜述。

1 g-C3N4的結構性能

C3N4聚合物及其前體的合成歷史可以追溯到1834年，其首先由Berzelius教授開發并由Liebig教授命名為“melon”[16]。C3N4共有5 種結構（α-C3N4、β-C3N4、g-C3N4、cubic-C3N4和pseudocubic-C3N4），其中g-C3N4的結合能最低、硬度最小、結構最穩定。g-C3N4是由C、N之間共價鍵形成的原子層堆疊而成，在微觀上是一種類似石墨烯的二維層狀結構，tri-s-triazine是g-C3N4最穩定的存在單元。目前，g-C3N4的合成方法主要有化學氣相沉淀法、高溫高壓合成法、溶劑熱聚合法、電化學沉積法和熱分解法[17]。其中，熱分解法操作安全簡便，反應條件易受控制，且能大批量合成，是目前使用最廣泛的合成方法。各種簡單、綠色、富含氮的前體可用于合成g-C3N4，如三聚氰胺、硫脲、尿素、六亞甲基四胺、三聚氰胺-氰酸超分子和含氮離子液體等[18-20]。

g-C3N4具有特殊的化學和熱穩定性，包括超高硬度、低密度、良好的生物相容性、表面可修飾性和較強的吸附親和力等[21-22]。其內置富氮官能團和電子離域性質賦予其多種吸附機制，包括絡合效應、氫鍵、氧化還原反應、π-π共軛效應、疏水作用、酸堿反應和靜電相互作用等[23]。g-C3N4的吸附效率和選擇性與其結構和表面理化性質有關，包括結構缺陷、表面功能基團、比表面積和等電點等。這些特性與材料的合成溫度、前體聚合度、溶液pH值以及離子濃度有關。

直接熱分解得到的g-C3N4比表面積和表面活性位點有限，而經過剝離或刻蝕的超薄g-C3N4具有明顯的表面缺陷和N橋結構，這有利于對其表面進行修飾。因此，研究人員探索了對g-C3N4進行結構改性或表面功能化修飾，以拓展其應用范圍[24]。目前，已有研究人員探索了多種用于提高g-C3N4吸附性能和選擇性的改性方法，包括軟/硬模板法、質子化法、原子后摻雜法、原位合成法、氧化法以及高分子化合物連接法[25-26]。

2 g-C3N4的吸附機理及改性

2.1 g-C3N4的吸附機理

吸附劑的吸附機理主要取決于材料的結構及表面物理化學性質，包括特定的表面缺陷、表面官能團、比表面積和等電點等。g-C3N4的拓撲結構是通過叔胺連接的tri-s-triazine二維石墨結構，其內置官能團是—NH2/—NH—/＝N—，這些官能團提供了選擇性吸附目標物的基本位點[27]。其中，芳香族的三嗪環可以形成非定域化的共軛π鍵，可以通過π-π雙鍵或三鍵、疏水作用以及靜電相互作用與黃酮、酚酸和多環芳烴等目標物反應；—NH2/—NH—/＝N—可以通過絡合作用和氧化還原反應吸附酚酸、農藥等目標物；離子化合物也可以通過靜電作用被吸附，在中性溶液中g-C3N4帶負電，對陽離子化合物有較好的吸附[28]。此外，g-C3N4末端的—NH2還可以通過氫鍵相互作用、金屬離子鰲和或酸堿反應來識別其他化合物。g-C3N4是由C和N形成的sp2雜化六元環，N取代C所形成的C—N鍵使得六元環的π離域降低，使其芳香性低于石墨烯[29]。g-C3N4的平面結構是由線性g-C3N4分子通過—NH—與—NH2之間的氫鍵連接而成，這比石墨烯及其他碳基材料中的共價鍵弱很多，可保證g-C3N4在溶液中具有更好的分散性[30]。芳香性的降低和接觸面積的增加使得g-C3N4對化合物具有更高的回收率和吸附能力，作為路易斯堿的g-C3N4在樣品前處理及測定中具有廣泛的應用前景。

2.2 g-C3N4吸附行為的影響因素

通常，經熱分解制備的g-C3N4是不同尺寸和結構聚合物的混合物，微觀組織和縮聚程度的差異是由合成時的前體、反應條件和反應溫度決定。因此，要對制備和吸附條件進行優化，包括前體的類型、聚合溫度、溶液pH值和離子強度等。

2.2.1 前體的類型

各種簡單、綠色富氮前體可用于合成g-C3N4，其中三聚氰胺、硫脲和尿素為最常用的3 種前體。通過這種前體所合成的3 種g-C3N4具有相同的tri-s-triazine二維石墨結構和內置官能團—NH2/—NH—/＝N—。但是，3 種g-C3N4的孔徑和等電點差別較大，其中以尿素為前體所合成的g-C3N4孔徑最大，以三聚氰胺、硫脲和尿素為前體合成的3 種g-C3N4的等電點分別為5.0、4.4和5.1[29]。

2.2.2 熱分解溫度

熱分解溫度是影響g-C3N4聚合度的最主要因素，而與吸附行為相關的結構缺陷、表面功能、比表面積和等電點都由g-C3N4的聚合度來確定。例如，以尿素為前體，在不同溫度（450～650 ℃）下得到不同聚合度的g-C3N4，g-C3N4對伊紅Y的吸附量隨熱分解溫度的升高而增加，這主要與樣品的比表面積有關。同時，熱分解溫度對g-C3N4的形貌也有影響。例如，以三聚氰胺為前體，隨著溫度的降低，得到納米棒、微膠囊、多孔四棱柱狀的g-C3N4，而在最高溫度下制備的g-C3N4具有最大的比表面積和吸附能力[31]。

2.2.3 溶液pH值

通過熱分解得到的g-C3N4的等電點大約是4～5，這是在g-C3N4表面氫離子、羥基離子和胺基之間的反應化學平衡所致[29]。當溶液pH值低于等電點時，g-C3N4帶正電，對陰離子化合物有較好的吸附作用。反之，若溶液pH值高于等電點，g-C3N4帶負電，對陽離子化合物有較好的吸附。

2.2.4 離子強度

g-C3N4對離子化合物的吸附機制包括離子交換、表面絡合和靜電作用。有研究已經證明，離子強度對g-C3N4的吸附有顯著影響，鈉離子濃度會影響雙電極層的厚度和界面電位，與內球面絡合和π-π共軛相比，外球面絡合和陽離子交換對離子強度變化更為敏感[31]。

2.3 g-C3N4的改性

盡管由小分子前體通過熱聚合所制備的g-C3N4具有多種優異性能，然而其仍存在以下缺點：比表面積較小，一般在20 m2/g以下；層與層之間的距離較大（0.67 nm）；材料內阻較大。為了進一步提高g-C3N4的吸附能力和選擇性，研究者開發了多種技術對其結構及表面進行改性，包括形貌調控、質子化、原子后摻雜以及原位合成改性等。

2.3.1 形貌調控

通過對g-C3N4的形貌進行調控，如制備出多孔/介孔結構、納米球、納米棒、量子點及納米片等，可以有效地提高g-C3N4材料的比表面積和吸附性能。Wang Xinchen等[32]采用硬模板法，可控制得具有不同孔結構和比表面積的介孔氮化碳（mpg-C3N4），并通過實驗證明該孔結構可有效地提高材料的吸附能力。Sun Jianhua等[33]采用硬模板法制備得到粒徑均一、壁厚可控的g-C3N4空心球，其比表面積和吸附性能都比g-C3N4好。Xu Jing等[34]開發了一種綠色的“軟模板”合成mpg-C3N4的方法，考察了不同類型軟模板對合成材料的影響，結果表明Triton X-100和離子液體可以作為有效的軟模板，這樣可以避免酸刻蝕造成g-C3N4結構的不穩定。

2.3.2 元素摻雜改性

元素摻雜改性可以通過調整g-C3N4的電子結構、表面點位及相對比表面積來提高其吸附和選擇性能。摻雜元素包括S、P、B等非金屬元素和Au、Ag、Cu、Zn等金屬元素。一般認為非金屬元素的摻雜可以取代結構中的C、N等元素，產生晶格缺陷，從而提高光生電子-空穴對的分離效果；而金屬摻雜時，金屬原子通過與N配位的方式嵌入孔穴中，形成光生電子-空穴的淺勢捕獲陷阱，從而延長了電子和空穴的復合時間。Zhu Yunpei等[35]在制備g-C3N4時添加了羥基乙叉二膦酸，制備得到了P摻雜的g-C3N4納米花，不僅提高了g-C3N4的比表面積和傳質速率，同時也由于P的摻雜提高了材料的導電性。載金納米粒子g-C3N4片（Au/g-C3N4）可提高g-C3N4的吸附能力和選擇性，除了比表面積的增加外，表面的Zeta電位也降低，這使得雜化物通過靜電作用對中性介質中的陽離子化合物和酸性介質中的陰離子化合物表現出更強的親和力[36]。

2.3.3 復合改性

復合改性是將g-C3N4與其他類石墨烯材料、金屬氧化物、金屬硫化物、復合金屬氧化物、鹵化物、貴金屬、高分子化合物（聚苯胺、聚噻吩）等結合在一起，通過形成p-n異質結（半導體材料/g-C3N4界面）、Schottky異質結（金屬/g-C3N4界面）、表面等離子體共振效應等，提高材料的吸附性能和選擇性。此外，當與Fe3O4等磁性粒子進行復合時，除增加比表面積外，也會使得材料本身具有磁性，利于材料的回收和利用，Fe3O4/g-C3N4是目前應用較為廣泛的一種食品樣品前處理方法[37]。

2.3.4 質子化作用

g-C3N4與強酸的質子化可以在不發生結構改變的情況下提高g-C3N4的比表面積和吸附能力，改變g-C3N4的表面點位。酸蝕或熱退火后N空位和氣孔的形成使得g-C3N4的比表面積增加。Zhang Yongcai等[25]將g-C3N4浸泡在硝酸和鹽酸水溶液中即可制備H+-g-C3N4，而對g-C3N4的結構和官能團沒有影響。質子化所用酸的種類對材料的吸附性能存在影響，H+-g-C3N4-HCl的比表面積和對Cr的吸附能力大于H+-g-C3N4-HNO3和g-C3N4。

3 g-C3N4在樣品前處理中的應用

作為一種綠色高效的吸附劑，g-C3N4已經與分散固相萃取（dispersive solid phase extraction，DSPE）、MSPE、SPE和SPME法結合，應用于樣品的前處理，g-C3N4對有機/無機化合物具有較強的吸附能力和穩定的可回收效果，開發更多基于g-C3N4的應用模式是未來發展方向之一。

3.1 DSPE模式

Ding Xinru等[38]設計并制備了天鵝絨狀石墨相氮化碳（V-g-C3N4）作為DSPE吸附劑，并將其與高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）相結合用于水果中黃酮類化合物的提取。該學者對前處理條件進行優化：水/甲醇（體積比1.0～3.0）、NaCl質量分數（5.0%～15.0%）、pH值（3.0～7.0）。所制備的V-g-C3N4具有較大的表面積、良好的分散性和生物活性，可以在20 s內實現對水果中黃酮類化合物的快速吸附。在優化的前處理和HPLC條件下，該方法具有良好的精密度（3.6%～4.7%）和靈敏度（定量限0.60～3.75 ng/mL），適用于黃酮類化合物的前處理及測定。

Wang Jiaqin等[39]設計并制備了天鵝絨狀石墨相氮化碳（V-g-C3N4）作為DSPE吸附劑，與實時直接分析質譜相結合用于水樣中苯氧基羧酸的高通量快速測定。V-g-C3N4表面積大、分散性好，可在1 min內完成對水樣中氧基羧酸吸附和洗脫。所建立的方法具有良好的回收率（79.9%～119.1%）、相對標準差（0.23%～9.82%）（重復5 次）。該研究前處理方法簡單、快速、靈敏、樣品制備量少，毒性有機溶劑消耗量少，可用于氧基羧酸的高通量篩選測定。

3.2 MSPE模式

MSPE具有簡單快速、易分離、吸附效率高及平衡時間短等優點，在食品樣品前處理中得到了廣泛的應用。直接使用g-C3N4作為SPE吸附劑，片狀的g-C3N4容易再聚合，導致吸附能力降低且很難通過高速離心與液相分離。為了避免上述情況，在g-C3N4納米片表面固定Fe3O4粒子應用于MSPE是一個有效的解決方案，Fe3O4具有超順磁性，磁性g-C3N4/Fe3O4很容易通過磁分離從溶液中分離出來。此外，Fe3O4還具有親水性，相對于g-C3N4的疏水表面，可以吸引水相接觸疏水的g-C3N4進行吸附。

Yang Jing等[40]采用原位生長法制備了g-C3N4/Fe3O4，對材料進行了X射線衍射、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜以及熱重分析等表征。該學者將所合成的g-C3N4/Fe3O4作為MSPE吸附劑與HPLC相結合用于Salicornia herbacea L.中酚酸含量的測定。該學者對吸附和解吸等前處理條件進行了優化，g-C3N4/Fe3O4用量為15 mg，洗脫溶劑為水/甲醇/甲酸（1∶1∶0.2，V/V）（洗脫兩次，每次體積0.5 mL）。方法的回收率為92.4%～99.5%，檢測限為17.5～42.6 ng/mL，精密度為2.8%～3.8%（n＝5），該方法可用于水楊屬植物中原兒茶酸、咖啡酸和阿魏酸的測定。實驗結果還表明g-C3N4/Fe3O4在酚類化合物、有機酸甚至其他含碳環結構的生物活性化合物的吸附分離方面具有潛在的應用前景。Fan Shanshan等[41]制備了V-g-C3N4/Fe3O4，建立了不同茶葉中黃酮類化合物的MSPE-HPLC檢測方法。研究表明，優化后的吸附劑用量為1 mg，解吸溶劑為甲醇/丙酮/乙酸（1∶1∶0.02，V/V）（共1.0 mL）。所建立的方法具有良好的重現性、靈敏度（定量限：0.075～0.100 mg/mL）和回收率（88.2%～107.2%）。V-g-C3N4/Fe3O4可以與黃酮類化合物相互作用，Fe3O4表面的氫鍵和V-g-C3N4的疏水性以及π-π相互作用都可以促進V-g-C3N4/Fe3O4對黃酮類化合物的吸附。Zhao Bingxin等[42]采用水熱法合成了g-C3N4/Fe3O4/MoS2，通過X射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡技術對合成材料進行表征，并將其作為MSPE吸附劑與HPLC相結合應用于雞肉和雞蛋中痕量氟喹諾酮的分離濃縮和測定。對影響萃取效率的各種參數進行了研究和優化。在優化條件下，該方法在2～300 μg/L范圍內具有良好線性（R2≥0.999 3）、加標回收率（89.3%～99.6%，相對標準偏差不高于4.5%），檢測限為0.5～2.0 μg/L，定量限為1.7～6.7 μg/L。鄭浩博[43]通過物理研磨共混合制備g-C3N4/Fe3O4納米片作為MSPE吸附劑，與氣相色譜-質譜聯用檢測食用油中多環芳烴。對優化后的MSPE前處理條件進行優化：吸附劑用量為20 mg、萃取時間為1 min、解吸溶劑為甲苯、解吸時間為1 min。所建立的方法具有良好的加標回收率（91.0%～121.7%，相對標準偏差不高于10.2%）和較低的檢測限0.1～0.3 ng/g。所建立的方法便捷、廉價、省時，可以作為食用油中多環芳烴的日常檢測方法。

3.3 SPE模式

Qiangba Gezhen等[44]以三聚氰胺為原料，經簡單熱解制備了g-C3N4@SiO2，并將其作為SPE吸附劑與HPLC相結合，用于椰汁樣品中苯甲酸、水楊酸、吲哚丁酸和萘乙酸的檢測。g-C3N4@SiO2對4 種芳香酸具有良好的吸附能力，可以在5 min內完成吸附凈化。在優化條件下，該方法具有良好的線性（20～1 000 ng/mL）、較高的回收率（81.1%～121.8%）、較低的檢測限（1.9～5.7 ng/mL），日內和日間精密度分別低于9.5%和10.4%。Speltini等[45]制備了g-C3N4@SiO2，并采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜等方法對其進行了表征。然后將材料作為SPE吸附劑用于水樣中氟喹諾酮的富集凈化，材料的富集系數高達500，所建立的方法具有較高的回收率（70%～101%）和精密度（相對標準偏差不高于12%）。g-C3N4@SiO2具有制備簡單、價格低廉、可重復使用的優點。Guan Wenbi等[46]將g-C3N4作為SPE吸附劑用于不同果汁樣品中苯甲酰脲類農藥的測定，并對吸附劑用量、萃取時間、樣品體積、解吸溶劑的選擇和體積進行了優化。在最佳條件下，該方法檢出限為6 μg/L，回收率為70.4%～96.4%。g-C3N4是一種很有前景的SPE吸附劑，可用于污染物的富集和痕量分析。

3.4 SPME模式

SPME具有操作簡單、靈敏度高、無溶劑、反應速度快、易于自動化等優點，在食品中污染物檢測等領域得到了廣泛的應用。SPME纖維涂層對分析方法的靈敏度和選擇性有明顯的影響，到目前為止，已經報道了許多用于商業SPME纖維涂層的材料，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯（divinylbenzene，DVB）/PDMS、碳分子篩（carboxen，CAR）/PDMS、聚乙二醇（carbowax，CW）/DVB、碳納米管、石墨烯等[37]。g-C3N4具有優異的熱穩定性和化學穩定性，其存在增強了SPME纖維涂層的機械穩定性，是一種很好的SPME涂層材料。Xu Na等[30]將g-C3N4應用于SPME纖維的涂層，與氣相色譜-質譜相結合，用于分析薯片中的溴氰菊酯、橙花醇、苯丙胺、十二烷、氨甲酰亞胺和丙烯酰胺。結果表明，該方法具有較寬的線性范圍（0.5～250 μg/g）、較高的回收率（80.2%～109.9%）和較低的檢出限0.018 μg/g。與商品化100 μm PDMS和85 μm CAR/PDMS相比，g-C3N4具有更好的吸附能力和耐久性。Zhang Ning等[47]采用原位水熱法在纖維表面制備ZnO/g-C3N4萃取涂層，與氣相色譜-質譜結合用于9 種農藥的分離和測定。該學者對前處條件進行了優化：吸附時間為30 min、吸附溫度為50 ℃、解吸溫度為250 ℃、解吸時間為15 min。所建立方法具有較寬的線性范圍（0.003～5.0 ng/mL）、較低的檢出限（0.001～0.002 5 ng/mL）和較高的靈敏度（相對標準偏差5.3%～11.3%）。此方法已成功應用于黃瓜、梨、綠茶、閩江水中9 種農藥殘留量的測定，這些結果表明，ZnO/g-C3N4復合材料為樣品的前處理和分析提供了一種很有前途的選擇。

4 結 語

g-C3N4是通過叔胺連接的tri-s-triazine二維石墨結構，具有豐富的表面缺陷和含氮官能團（—NH2/—NH—/＝N—），豐富的酰胺基和富電子結構使g-C3N4具有較強的吸附富集能力。g-C3N4作為食品分析前處理吸附劑的研究和應用才剛剛起步，g-C3N4的結構、表面改性以及與多種前處理模式的結合是未來兩個主要的研究發展方向。采用模板法、質子化法、原位摻雜法以及有機/無機官能團的引入等方法對g-C3N4的結構和表面化學性質進行改性，可以使g-C3N4具有更強的富集凈化性能。除了本文中介紹的SPE、MSPE和SPME模式之外，可以開發更多的基于g-C3N4的提取模式用于分析物的提取/富集，如填充吸附劑微萃取、攪拌棒吸附萃取、基質固相分散、攪拌濾餅吸附萃取、轉盤吸附劑萃取等。隨著新的提取方式、表面改性方法和生物流/體內分析技術的發展，g-C3N4在食品分析前處理中的應用將更具有創新潛力和廣闊應用前景。