磁性共價有機骨架材料在食品安全分析中的應(yīng)用研究

楊大雨 陳姿穎 龐 杰 嚴志明

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350000)

食品安全是“食物中有毒、有害物質(zhì)對人體健康影響的公共衛(wèi)生問題”，也是人們熱切關(guān)注的重點話題。樣品前處理操作是食品安全分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而新型吸附材料的開發(fā)則是樣品前處理技術(shù)研究領(lǐng)域中的重點[1]。作為新崛起的中國納米科學(xué)技術(shù)研究，納米材料的出現(xiàn)和快速發(fā)展為解決食品安全分析樣品前處理中所存在的樣品成分復(fù)雜、基體干擾嚴重、待測組分含量低等問題提供了新的思路和途徑[2-3]。特別是共價有機骨架材料(covalent organic framework，COFs)，自2005年被報道以來[4]，因其明確有序的晶體多孔結(jié)構(gòu)和孔徑可調(diào)、密度低、機械強度高、比表面積大、吸附能力強、化學(xué)和熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在氣體分離與儲存、催化、能量轉(zhuǎn)換和儲存、傳感、光電等方面都顯示了巨大的應(yīng)用前景[5-8]。但也正是由于它的低密度，使之很難從基質(zhì)中分離，限制了其在分離和富集領(lǐng)域的進一步應(yīng)用[9]。

磁性共價有機骨架材料(magnetic covalent organic framework，MCOFs)是由COFs與磁性納米顆粒相結(jié)合(目前研究得最多的是Fe3O4[10])形成的具有一定磁性以及特殊結(jié)構(gòu)(核殼結(jié)構(gòu)[11]、海膽狀結(jié)構(gòu)[12]、正四面體結(jié)構(gòu)[13]、花束形結(jié)構(gòu)[14]等)的復(fù)合材料。除了擁有COFs的固有優(yōu)點外，MCOFs還具有磁性納米顆粒的特殊的磁響應(yīng)性、選擇性和重復(fù)利用性等特點[15]，完美解決COFs難以回收的問題，使其在樣品前處理應(yīng)用中成為一種優(yōu)良的吸附材料，極大地促進食品安全檢測分析技術(shù)向簡單、快速、高效、低成本和低污染等方向發(fā)展。目前，許多研究報道將MCOFs用作磁性固相萃取(Magnetic Solid Phase Extraction，MSPE)的吸附劑，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出MSPE與高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)甚至其他檢測儀器的聯(lián)用技術(shù)，構(gòu)建的新體系具有選擇性高、抗干擾能力強、重復(fù)利用性能好等優(yōu)點，尤為適合復(fù)雜食品樣品分析中目標物的分離富集，已被廣泛應(yīng)用于食品安全分析的樣品前處理過程。基于此，文章擬對MCOFs在食品安全檢測分析中的應(yīng)用研究進行綜述，介紹MCOFs的常用制備方法，論述MCOFs在食品安全分析檢測中的實例，并展望MCOFs在今后實際檢測應(yīng)用中的發(fā)展方向。

1 MCOFs的制備

隨著對MCOFs的研究日益深入，迄今為止，已經(jīng)發(fā)展出多種方法用于MCOFs的制備。常用的制備方法有原位合成法、原位生長法、包覆法以及單體聚合法等。

1.1 原位合成法

原位合成法是指先通過其他方法合成COFs，然后再通過原位還原磁性納米粒子將其固定在COFs表面以合成MCOFs的方法。

Yan等[16]采用溶劑熱法原位還原鎳離子，制備了磁性共價三嗪骨架/鎳復(fù)合材料CTFs/Ni(如圖1)，并在快速萃取檢測塑料包裝材料中鄰苯二甲酸酯試驗中展現(xiàn)出了良好的重復(fù)使用性和制備重現(xiàn)性，且對目標鄰苯二甲酸酯具有較高的萃取效率。

圖1 CTFs/Ni合成示意圖[16]

1.2 原位生長法

原位生長法是指先通過其他方式合成所需磁性納米粒子，并在不聚集的情況下在其表面引入基團以形成基團功能化的納米球，再將COFs單體通過化學(xué)反應(yīng)接枝到納米球表面，用于隨后COF殼的原位生長，進而得到表面分布均勻的MCOFs。

Vanesa等[17]通過Fe3O4與多巴胺的原位功能化迅速得到了氨基功能化的磁性納米粒子，再在COF單體裝飾和隨后的COF生長之后，得到了磁性復(fù)合物mTpBD-Me2。此MCOFs在海水中海洋生物毒素的高效磁性固相萃取方面表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

Li等[18]在研究MCOFs吸附去除水溶液中雙酚的試驗中，即根據(jù)原位生長策略(如圖2)，在加入原硅酸四乙酯(TEOS)和三乙氧基硅烷(APTES)以保證磁芯Fe3O4納米粒子不聚集的情況下，在Fe3O4表面引入—NH2以形成氨基官能化的納米球(Fe3O4—NH2)；然后通過席夫堿反應(yīng)將TpBD的單體Tp接枝到Fe3O4—NH2的表面，用于隨后的TpBD殼的原位生長。因此，制備了核殼Fe3O4@TpBD 納米球。預(yù)接枝的Tp作為核和殼之間的橋梁，為COFs生長提供了核中心，并改善了殼結(jié)構(gòu)的均勻性。

圖2 單體介導(dǎo)的核殼Fe3O4@TpBD納米球原位生長策略說明[18]

1.3 包覆法

包覆法與原位生長法制備過程類似，是指首先通過其他方法合成所需的磁性納米顆粒，并以此納米顆粒為模板，通過一定手段控制COFs單體在其表面進行反應(yīng)包覆，進而得到以磁性納米顆粒為核、COFs為殼的MCOFs。

Zhang等[19]以Fe3O4和SiO2為核心和連接層，以化學(xué)穩(wěn)定的非晶COFs(TpBD)為吸附殼，成功構(gòu)建出多孔雙殼納米球(Fe3O4@ SiO2@TpBD)，如圖3。且在同時測定3種不同焦油含量的非吸煙者和吸煙者中的14種痕量雜環(huán)芳香胺試驗中表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附能力。

圖3 Fe3O4@SiO2@TpBD的合成示意圖[19]

Gao等[20]利用包覆法合成的棕色Fe3O4@TbBd(如圖4)在進行多肽的選擇性富集和蛋白質(zhì)的同時排除中展現(xiàn)了對肽的高吸附容量、快速吸附動力學(xué)和良好的可重復(fù)使用性。

圖4 核殼結(jié)構(gòu)磁性復(fù)合納米球(Fe3O4@TbBd)包覆法合成示意[20]

1.4 單體聚合法

單體聚合法，又稱一鍋式反應(yīng)法，是將COFs的單體、合成磁性納米顆粒的前體溶液以及相關(guān)催化劑置于同一密閉容器內(nèi)，在一定條件下直接合成MCOFs的方法。

Wang等[21]通過一鍋式溫溶液相法，將一定量的1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(即TAPB)混合在1，4-二氧六環(huán)中，并加入相對量的Fe3O4顆粒，最終開發(fā)出一種表面形貌可控的、高活性且穩(wěn)定的磁性共價有機框架Fe3O4@AT-COF，并作為電催化劑成功應(yīng)用于高效檢測水樣中的對硝基苯酚和鄰硝基苯酚。

Zhang等[22]和Ma等[23]采用微波輔助高溫離子熱方法單體聚合了一種新型磁性多孔碳質(zhì)聚合物材料CTF@Fe2O3復(fù)合物(如圖5)，分別應(yīng)用于快速分離水溶液中的有機染料和酚類污染物。獲得的CTF@Fe2O3復(fù)合材料具有高表面積、高吸附容量和快速吸附動力學(xué)。

圖5 微波輔助高溫離子熱方法合成CTF@Fe2O3復(fù)合物[22]

此外想要使MCOFs得到更廣泛的應(yīng)用，還可以對MCOFs進行功能化處理。可從三方面考慮：① 對COFs功能化(特定的孔徑設(shè)計或與功能基團鍵合)后再與磁性納米粒子結(jié)合[24]；② COFs與功能化后的磁性納米粒子合成[25]；③ 合成MCOFs后再與功能性基團鍵合[26-27]。

2 MCOFs在食品安全分析中的應(yīng)用

MSPE是一種應(yīng)用磁性吸附材料作為固相萃取吸附劑從而對樣液中的目標組分進行分離與富集的新型固相萃取技術(shù)[28]。磁性吸附劑種類的選擇是影響MSPE萃取效果的關(guān)鍵，且對所建立分析方法的準確度起著關(guān)鍵作用[29]。MCOFs是由COFs與磁性納米顆粒相結(jié)合形成，MCOFs的超順磁性和高比表面積能使之在進行固液分離時能夠快速地對外界磁場產(chǎn)生響應(yīng)并實現(xiàn)分離[30]，這在很大程度上節(jié)省了試驗時間，簡化了試驗操作步驟，同時提高了富集效率[31]。此外，COFs根據(jù)形成共價鍵的官能團不同可分為三嗪、含硼和亞胺三類骨架[6]，而不同骨架的COFs為MCOFs提供了多種類、多功能化的應(yīng)用潛能，使MCOFs在更多情景下的食品安全分析過程中提高檢測結(jié)果的準確性，使基于MCOFs的樣品前處理技術(shù)在實際應(yīng)用中得到更多的發(fā)展。表1為近年來基于MCOFs的MSPE在食品安全分析檢測方面的實例。

表1 近幾年有關(guān)MCOFs在食品安全分析檢測方面的實例

2.1 農(nóng)藥殘留檢測

農(nóng)藥殘留問題是隨著農(nóng)藥大量生產(chǎn)和廣泛使用而產(chǎn)生的。中國是農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)產(chǎn)品種植過程中普遍會使用農(nóng)藥以應(yīng)對各種蟲害和疾病，然而現(xiàn)階段農(nóng)藥毒性和所引起的抗藥性現(xiàn)象非常嚴重[43]，傳統(tǒng)樣品前處理技術(shù)進行分離富集時由于基體干擾效應(yīng)而檢測結(jié)果不佳，因此MCOFs作為一種快速、有效、實用的新興吸附劑，在農(nóng)藥殘留分析檢測方面顯示了巨大前景。

Li等[32]提出一鍋式反應(yīng)法合成膦酸功能化MCOFs材料Fe3O4@COF-PA，并通過對Fe3O4@COF-PA的合成后修飾制備了新型的Zr4+固定化磁性納米復(fù)合材料Fe3O4@COF@Zr4+，如圖6。該復(fù)合材料通過π—π堆積相互作用、氫鍵和Zr4+磷酸鹽配位反應(yīng)表現(xiàn)出對有機磷農(nóng)藥的高富集能力和選擇性。在優(yōu)化的條件下，所提出的MSPE與氣相色譜—熒光檢測器(GC-FPD)聯(lián)用技術(shù)顯示出良好的線性關(guān)系(R2≥0.999 0)和對有機磷農(nóng)藥的低檢測限(0.7～3.0 μg/kg)。此外，該方法成功地用于添加蔬菜樣品中有機磷農(nóng)藥的定量，回收率在87%～121%，相對標準偏差小于8.9%。

圖6 Fe3O4@COF@Zr4+納米復(fù)合材料的示意制備工藝及其在磁性固相萃取中的應(yīng)用[32]

Lu等[33]合成了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的含硝基的功能化MCOFs材料Fe3O4@TpBD-(NO2)2，并建立了一種基于Fe3O4@TpBD-(NO2)2的MSPE與高效液相色譜—紫外檢測器(HPLC-UV)聯(lián)用的，檢測萵苣和黃瓜樣品中6種新煙堿類殺蟲劑殘留的靈敏方法，如圖7所示。試驗表明，其在0.1～30.0 ng/mL范圍內(nèi)具有良好的線性，檢出限為0.02～0.05 ng/mL(信噪比S/N=3)。將此法用于6種新煙堿類殺蟲劑，其富集系數(shù)高達170～250，回收率在77.5%～110.2%，結(jié)果令人滿意。

圖7 Fe3O4@TpBD-(NO2)2微球的合成及其在蔬菜樣品的MSPE程序[33]

Li等[34]通過可控原位生長法制備了核殼型MCOFs材料Fe3O4@COF(TpBD),并將其作為磁性固相萃取吸附劑用于同時測定水果和市售果汁中的5種苯并咪唑殘留。試驗結(jié)果表明，該方法與HPLC-UV聯(lián)用，在0.01～0.20 μg/mL范圍內(nèi)對痕量苯并咪唑的定量檢測是靈敏有效的，檢測限和定量限分別小于2.9，9.7 ng/mL。將該方法應(yīng)用于水果和果汁樣品，回收率為85.3%～102.3%，相對標準偏差小于8.6%，是一種很有潛力的用于實際樣品中苯并咪唑測定的新型吸附劑。

2.2 獸藥殘留檢測

獸藥殘留通常存在于雞蛋、肉品、奶品等食品中。此類食品富含脂肪、蛋白質(zhì)等基體成分，而傳統(tǒng)前處理技術(shù)往往存在步驟多、操作難和無法有效降低基體成分干擾致使的檢測結(jié)果不佳的缺點[44]。將MCOFs與常規(guī)前處理方法結(jié)合則可有效提高獸藥殘留分析的準確性。

Guan等[35]采用簡單的溶劑熱法合成了以Fe3O4納米粒子為磁芯，1,3,5-三甲酰基間苯三酚和對苯二胺通過席夫堿反應(yīng)合成的COF(TpPa-1)為殼層的一種具有核殼結(jié)構(gòu)的MCOFs復(fù)合材料COF(TpPa-1)@Fe3O4，并與HPLC-UV聯(lián)用，建立了牛奶樣品中痕量6種氟喹諾酮類藥物(依諾沙星、氟羅沙星、氧氟沙星、諾氟沙星、培氟沙星和洛美沙星)殘留的高靈敏分析方法。結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下，該方法的檢出限為0.05～0.20 μg/L，加標回收率為90.4%～101.2%，是一種有效的MSPE吸附劑。

Liu等[36]以磁性Fe3O4納米粒子為核，TbBd為殼，進一步修飾羧基，成功構(gòu)建了一種新型MCOF復(fù)合材料Fe3O4@TbBd-COOH，如圖8，并在其作為磁性固相萃取吸附劑的基礎(chǔ)上，與高效液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)聯(lián)用，對肉類樣品中7種磺胺類藥物進行了富集和檢測。結(jié)果表明，該方法在痕量肉類樣品中磺胺類藥物方面具有良好的線性關(guān)系，測定系數(shù)(R2)≥0.998 4，加標回收率在85.34%～102.61%，有顯著的靈敏度(LODs在0.1～0.4 μg/kg范圍內(nèi))和令人滿意的重現(xiàn)性(相對標準偏差小于6.9%)。

圖8 Fe3O4@TbBd-COOH的制備工藝及其在磁性固相萃取中的應(yīng)用[36]

此外，Liu等[37]還通過用沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)代替羧基對Fe3O4@TbBd進行修飾，重新得到了一種新型MCOF復(fù)合材料Fe3O4@TbBd@ZIF-8，如圖9所示。試驗發(fā)現(xiàn)，該Fe3O4@TbBd@ZIF-8復(fù)合材料對鎮(zhèn)靜劑具有良好的選擇性，作為MSPE吸附劑，可高選擇性、高效地富集肉類中的鎮(zhèn)靜劑殘留。采用HPLC-MS/MS檢測，該方法在0.03～70.00 μg/kg范圍內(nèi)線性良好(相關(guān)系數(shù)R2在0.998 2～0.999 9)，靈敏度高(檢出限在0.04～0.20 μg/kg)，精密度高(相對標準偏差小于5.5%)。

圖9 核殼磁性復(fù)合微球Fe3O4@TbBd@ZIF-8的合成及其在鎮(zhèn)靜劑富集中的應(yīng)用[37]

2.3 有機污染物檢測

有機污染物污染存在于食品生產(chǎn)、加工、運輸和貯存的全過程。它們具有高毒性(可致癌)、強生物積累性和長期殘留性，可以在食物鏈中富集傳遞最終對人體造成傷害[45]。有機污染物在食品中同樣具有濃度低和基質(zhì)復(fù)雜的特點，而MCOFs的應(yīng)用則有效降低了食品中其他基質(zhì)干擾，快速地富集食品中的有機污染物，提高了分析結(jié)果的準確性。

Li等[38]通過溶劑熱法合成Fe3O4@COF(TpBD)復(fù)合材料，利用Fe3O4@COF(TpBD)材料與內(nèi)分泌干擾物(EDCs)之間的π—π相互作用和氫鍵，開發(fā)了一種從不同肉類樣品(包括雞肉、豬肉和蝦)中富集EDCs的高效方法。在優(yōu)化條件下，所得Fe3O4@COF(TpBD)材料對內(nèi)分泌干擾物具有良好的萃取性能，線性度好(R2≥0.998 6)。此外，該方法經(jīng)加標肉類(包括雞肉、豬肉和蝦)驗證，準確度令人滿意，平均回收率在89.6%～108.9%，相對標準偏差小于6.3%。

Zhang等[39]通過原位生長法制出一種氟化磁性共價有機框架Fe3O4@TpPa-F4，并開發(fā)了基于此復(fù)合材料的氟化磁性固相萃取(FM-SPE)和HPLC-MS/MS技術(shù)聯(lián)用的前處理方法，用于檢測牛奶樣品中的超痕量全氟化碳，如圖10所示。在優(yōu)化的參數(shù)下，所開發(fā)的方法在0.1～250.0 ng/L的范圍內(nèi)顯示了6種全氟化碳的良好線性，相關(guān)系數(shù)R2=0.995 2，相應(yīng)的檢出限為0.005～0.050 ng/L(S/N=3)。此外，該方法還進一步應(yīng)用于不同品牌和包裝的牛奶樣品，其中發(fā)現(xiàn)超痕量全氟化碳的質(zhì)量濃度為10.36～729.34 ng/L。

圖10 牛奶樣品中的Fe3O4@TpPa-F4制備和FM-SPE過程示意圖[39]

Liang等[40]通過將磁性納米粒子填充到碳納米管內(nèi)部，并在外部沉積共價有機骨架殼，制成了海參狀MCOF復(fù)合材料CTC-COF@MCNT，如圖11。該復(fù)合材料對炸雞和烤牛肉樣品中雜環(huán)芳族胺表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附能力。MSPE與超高效液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜法(UHPLC-MS/MS)聯(lián)用測定結(jié)果顯示，建立的方法表現(xiàn)出寬線性范圍和高靈敏度，檢出限為0.005 8～0.025 0 ng/g。

圖11 CTC-COF@MCNT的合成過程[43]

2.4 毒素檢測

赭曲霉毒素是在黃曲霉毒素后又一個引起世界廣泛關(guān)注的霉菌毒素，包括7種具有類似結(jié)構(gòu)的化合物，其中毒性最大、分布最廣、與人類健康關(guān)系最密切的是赭曲霉毒素A。馬甜甜等[24]通過共價鍵合將COF材料TpBD修飾在磁性Fe3O4納米粒子表面，制備出磁性Fe3O4@TpBD復(fù)合材料，如圖12所示。在最優(yōu)萃取條件下(萃取時間5 min，吸附劑用量5 mg，溶液pH為6，體積比為8∶10∶1∶1的甲醇∶乙腈∶甲酸∶水混合溶液作為解析溶劑，解析體積0.5 mL)，采用SMPE/HPLC檢測，赭曲霉毒素A在啤酒、白酒以及醋中的檢出限(S/N=3)和定量限(S/N=10)分別為0.05，0.17 μg/L，回收率為82.2%～106.1%，循環(huán)使用7次后萃取效率仍能保持在85.5%以上。

圖12 Fe3O4@TpBD的制備及其MSPE流程[24]

2.5 包裝中有害物質(zhì)檢測

塑料因價格便宜、性能良好而在食品包裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是塑料內(nèi)的一些化合物，如鄰苯二甲酸酯、雙酚類物質(zhì)等，具有強烈的生殖與發(fā)育毒性和致癌性，且會通過與食品的接觸而遷移到食品內(nèi)部，從而會對人體健康產(chǎn)生威脅[46-47]。食物基質(zhì)復(fù)雜且塑料包裝中遷入食品的有害物質(zhì)的量有限，傳統(tǒng)前處理技術(shù)往往不能準確地測定其結(jié)果，而將MCOFs與常規(guī)前處理方法結(jié)合則可有效解決這一問題。

Lu等[41]制備了一種新型的COFs功能化親水磁性石墨烯材料magG@PDA@TbBd，如圖13所示，并將其作為一種獨特的磁性固相萃取基質(zhì)與氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀共同應(yīng)用于包裝牛奶樣品中9種鄰苯二甲酸酯的檢測分析。結(jié)果顯示，在優(yōu)化條件下，所制備的復(fù)合材料對50～8 000 ng/mL范圍內(nèi)的鄰苯二甲酸酯有良好的線性關(guān)系(R2≥0.999 0)和可靠的回收率(為91.4%～105.2%)，檢出限為0.004～0.020 ng/mL。

圖13 magG@PDA@TbBd的合成示意圖[41]

鄧澤慧[42]在室溫下制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的MCOFs微球TAPB-TPA-COFs@Fe3O4，如圖14，并將其作為磁性固相萃取的吸附劑應(yīng)用到檢測不同塑料包裝的茶飲料中4種酚類內(nèi)分泌干擾物(壬基酚、辛基酚、雙酚A和雙酚AF)中。HPLC-FLD檢測發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的MSPE方法在0.05～1 000.00 ng/mL的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)擁有良好的線性關(guān)系，R2≥0.995，檢出限為0.08～0.21 ng/mL，回收率為81.3%～118.0%，且該MCOFs可重復(fù)使用20次以上而沒有顯著萃取效率的損失。

圖14 TAPB-TPA-COFs@Fe3O4微球磁性固相萃取流程圖[42]

3 展望

磁性共價有機骨架材料具有選擇性好、抗基體干擾能力強、重復(fù)性好、操作簡單方便等優(yōu)點，易于與多種儀器聯(lián)用，可有效提高食品中痕量目標物分析的靈敏度和準確性。但是現(xiàn)階段有關(guān)磁性共價有機骨架材料的研究仍處于發(fā)展和理論時期，在實際應(yīng)用過程中還未得到大規(guī)模應(yīng)用。未來關(guān)于磁性共價有機骨架材料的研究，可以考慮以下幾個方面：

(1) 制備技術(shù)優(yōu)化。磁性共價有機骨架材料是一個新興的多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，涉及有機、無機、物理、材料等諸多學(xué)科，制備出穩(wěn)定性好、富集效果優(yōu)、可重復(fù)使用且對自然和人體安全無毒的磁性共價有機骨架材料是未來研究的重點。

(2) 與人工智能結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品標準化、自動化。在智能化時代，將磁性共價有機骨架材料的制備與人工智能有機聯(lián)系起來，可實現(xiàn)磁性共價有機骨架材料的標準化、自動化生產(chǎn)，以此可減少試驗誤差，也可進一步擴大磁性共價有機骨架材料的應(yīng)用面。

(3) 拓展新種類，開發(fā)新技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。可進一步拓展磁性共價有機骨架材料的種類和鍵合方式，同時開發(fā)新的基于磁性共價有機骨架材料的前處理技術(shù)與后續(xù)現(xiàn)場快檢技術(shù)的聯(lián)用，以實現(xiàn)現(xiàn)場食品安全分析的快速、準確檢測。