新型納米材料在食品非靶向分析中的應用研究進展

許錦帆，陳俊豪，李 薇，孔德明

（南開大學 化學學院，分析科學研究中心 天津市生物傳感與分子識別重點實驗室，天津 300071）

食品安全關系到民生安全，受到了黨和國家的高度關注。《中共中央國務院關于深化改革加強食品安全工作的意見》（2019 年5 月9 日）指出，“我國食品安全工作仍面臨不少困難和挑戰，形勢依然復雜嚴峻。微生物和重金屬污染、農藥獸藥殘留超標、添加劑使用不規范、制假售假等問題時有發生”。食品安全事故具有突發性和隱匿性，且隨機性強、嚴重性高、傳播范圍廣。隨著各種食品安全事故被報道，各地對食品安全的重視程度不斷提升，但相應應急處理方案仍需完善，亟需發展對食品中化學危害因子進行高效篩查的分析方法。由于食品中可能存在的化學危害因子種類多、數目大，而食品基質復雜，故對食品進行快速、準確的非靶向分析極其重要［1］。

非靶向分析是一種通過多種分析方法識別未知化學因子，并基于組學對不同成分進行分析或通過現有數據庫識別樣品中化學物質的廣譜分析方法［2］。在食品安全分析應用中，相對于靶向分析，非靶向分析能快速、有效地對樣品中的化學危害因子進行排查，因此非靶向分析在食品生產流水線檢測、食品安全事件緊急處理、食品安全性評估等領域均有較多應用［3］。

在進行食品安全非靶向分析時往往需要解決兩個關鍵問題［4］：一是食品樣品基體復雜，干擾物多，嚴重影響準確測定；二是食品中的未知危害因子多為痕量水平，對檢測方法的靈敏度有較高要求。因此在大部分分析檢測中，樣品前處理是至關重要的環節。合適的樣品前處理技術，能有效去除基質干擾、降低基質效應、減少測量誤差、提高測量準確度，同時不造成體系二次污染。

樣品前處理技術發展的關鍵在于吸附劑材料的開發。近年來新型納米材料發展迅速，在不同領域應用廣泛。納米材料憑借其納米尺度的超小尺寸、大比表面積、獨特的結構特性，成為吸附劑材料的優良選擇［5］。金屬有機骨架（MOFs）、共價有機骨架（COFs）、磁性納米材料等新型納米材料具有優異的結構性能和吸附能力，在食品非靶向分析樣品前處理中有諸多應用。

1 樣品前處理方法

改進和發展樣品前處理技術是近年來的研究熱點。已經成熟的樣品前處理技術包括液-液萃取（LLE）［6-7］、固相萃取（SPE）［8］、固相微萃取（SPME）［9］、分散固相萃取（DSPE）［10］和QuEChERS［11］等。

LLE 利用物質在兩種互不相溶的溶劑中溶解度或分配系數不同，使物質從一種溶劑轉移到另一種溶劑。LLE的溶劑消耗量大，效率低。SPE利用目標物與吸附劑之間的疏水、靜電、π-π、氫鍵等相互作用將目標分子從液相奪取到固相吸附劑上，目前已取代LLE成為樣品前處理的重要方法。SPME根據相似相溶原理，將吸附涂層暴露在樣品上方，對樣品中揮發性甚至難揮發性物質進行富集。SPME 可在采樣、萃取的同時對分析物進行濃縮，大大加快分析速度。DSPE則簡化了樣品處理的流程，避免樣品損失。

QuEChERS 是目前食品安全非靶向篩查最常用的前處理方法。開發于2003 年的QuEChERS 技術因具有快速（Quick）、簡便（Easy）、便宜（Cheap）、高效（Effective）、耐用（Rugged）、安全（Safe）等特點而被廣泛使用。其基本流程是，樣品經乙腈提取后，加入無水硫酸鎂、氯化鈉進行鹽析，再加入凈化劑如乙二胺N-丙基硅膠（PSA）、石墨化炭黑（GCB）和C18基硅膠，去除大部分雜質（包括色素、脂肪、有機酸、蛋白質等），隨后通過離心達到凈化目的。近年來也發展了改良的QuEChERS技術，優化了試劑用量，并開發出更多凈化劑［12-13］。Huang 等［14］使用一步QuEChERS 法（sin-QuEChERS）對茶葉中的多種農藥及其代謝產物進行非靶向高通量篩查。將茶葉粉碎，用含0.1%甲酸的乙腈振蕩提取，加鹽離心后，采用如圖1 所示的納米固相萃取柱純化，柱中填料為2 g 硫酸鎂、80 mg PSA 和65 mg 多壁碳納米管（MWCNTs）。相比傳統方法，該方法不需離心，僅需幾秒鐘即可完成凈化步驟，實現了茶葉中農藥殘留的快速篩查。

圖1 一步QuEChERS納米固相萃取柱示意圖［14］Fig.1 A schematic diagram of sin-QuEChERS nano catridges［14］

QuEChERS 等方法仍具有凈化試劑用量大、凈化效率低、不能重復使用、處理時間長等缺點，對干擾基質的去除效果有待進一步提高。

性能優異的樣品前處理材料能有效去除食品樣品中的干擾物，減少待測物質在前處理過程中的損失，降低對體系的二次污染和生產成本，簡化操作過程，更符合實際應用要求，因此此類材料有待進一步的開發和應用。

2 新型納米材料在樣品前處理中的應用

2.1 MOFs材料

MOFs是一類通過金屬離子或金屬簇與有機配體配位自組裝形成的具有周期性多維網狀結構的新型納米多孔材料［15］，其結構可通過改變有機連接體的幾何結構和無機金屬離子或金屬離子簇的配位方式進行靈活設計，具有比表面積大、孔隙率高、骨架結構多樣等優點，在復雜基質樣品前處理、吸附和分離、儲存、傳感、藥物遞送等方面得到了廣泛應用［16-17］。

目前已報道的用于食品安全非靶向篩查樣品前處理的MOFs 材料不多。Shao 等［18］合成了分層級微/介孔MOF 磁性納米球H-MOFn@Fe3O4，其孔隙大小與蔬菜中色素基質的尺寸匹配，對色素有優異的去除能力。MOF 的外殼層數可通過逐層組裝控制，當層數為6 時，色素去除率高且材料用量少（30 mg）。該材料可回收258種不同物理化學性質的化學危害因子，處理時間僅5～8 min，并能多次循環使用，在非靶向分析中具有優異性能。此工作開辟了MOFs 材料應用于食品安全非靶向篩查的道路，但其制備過程復雜、周期長、難以批量生產，在實際應用中仍有很大進步空間。

2.2 COFs材料

COFs 為一種新興的納米有機多孔材料，首次報道于2005年，是一類由C、H、B、O、N 等輕原子構成，通過共價鍵連接形成的結構有序的結晶型有機多孔材料［19］。COFs材料具有從零維到三維的拓撲結構，從微孔到介孔的孔徑大小，以及多元的單體組成。擁有比表面積大、穩定性高、孔隙率高度規則等特點，在樣品前處理、化學傳感、氣體儲存、電化學等領域顯示出廣闊的應用前景，吸引了眾多學者的關注。

COFs材料憑借其優異的性能，已廣泛應用于食品安全非靶向分析的前處理過程［20-24］。2022年本課題組基于此前開發出的具有快速傳質能力的大孔徑分層級COFs（HCOFs）［25］，報道了一種使用球形二氧化硅納米顆粒（SiO2NPs）為犧牲模板合成HCOFs 的簡單方法（圖2）［20］。合成的HCOFs 具有海綿狀多孔結構及相互交織的大/介/微孔通道，大孔通道的引入使COFs 內部的介孔和微孔充分暴露，比表面積（742.22 m2/g）比原始COFs（481.27 m2/g）提高了1.5 倍，有利于提高內部孔的利用率和材料的整體吸附能力。這使得HCOFs 在樣品前處理過程中表現出超快速的去除基質干擾的能力。用3 mg HCOFs 處理蔬菜樣品，可在3 s 內去除99%以上的葉綠素和97%以上的葉黃素，是已有報道的最短時間。此外，HCOFs 在重復使用10 次以上后，仍能保持良好的性能。將HCOFs 應用于非靶向分析的樣品前處理時，試劑用量少，重復使用性能好，能夠實現不同食品樣品中基質干擾的快速去除和化學危害因子的回收，且可顯著縮短處理時間，為食品中毒等緊急事件中化學危害因子的快速檢測提供了新的方法。

圖2 HCOFs的合成及其在食品化學危害因子非靶向分析中的應用［20］Fig.2 Preparation of HCOFs and their applications in sample pretreatment for non-targeted analysis of chemical hazards in foods［20］

在處理富含脂肪的食品時，脂質的存在會嚴重影響檢測靈敏度并縮短儀器壽命，長期以來一直缺乏用于脂質去除的理想非靶向分析樣品前處理材料。本課題組［21］以三聚氰胺泡沫（MF）作為載體制備了COF 整體材料MF@COF（圖3）。MF表面具有豐富的氨基，可作為COF 原位生長的反應位點，故采用一鍋法制備MF@COF。MF 具有優異的機械彈性，COF 負載在MF 上做成整體材料，可有效避免粉末狀COF在離心操作中去除不完全，造成二次污染的潛在風險，且操作過程簡便。MF的大孔通道和COF高度有序的介/微孔網絡相互協同，對客體分子（甘油三酯）表現出快速吸附動力學和超高吸附能力，能在30 s 內從高脂食物提取液中去除99%以上的脂肪，同時保留323 種理化性質差異較大的化學危害因子。MF@COF具有高疏水性、強吸油能力和可重復使用性，擁有良好的油/水分離能力，為富含脂肪食品的樣品前處理技術開發提供了新思路。

圖3 MF@COF的合成（A）及其在富含脂肪類食品中化學危害因子非靶向分析中的應用（B）［21］Fig.3 MF@COF preparation（A） and its application in sample pretreatment for chemical hazard non-targeted analysis in fat-rich food（B）［21］

盡管COFs 材料在實驗室研究中取得了優異的效果，但在實際中的應用卻非常有限。COFs 材料的合成成本較高，價格昂貴，且多數COFs為粉末結構，可加工性差，限制了其廣泛應用。如何將優異的材料轉化為真正實用的產品，建立產學研一體化模式，破解材料轉化困難的瓶頸，是研究者們未來需要思考的方向。

2.3 磁性材料

傳統QuEChERS 法需要通過離心操作分離凈化劑，操作復雜。而磁性材料作為樣品前處理的凈化劑時，可在前處理完成后通過外加磁場的方法進行收集，使食品的高通量分析更加簡便、快速［26］。常用的磁性材料包括磁性石墨烯基材料（mG）［27］、磁性碳納米管（mCNTs）［28］、磁性COFs（MCOFs）［29-30］和磁性分子印跡聚合物（MMIP）［31-32］等。

Chen等［33］將廉價易得的柑橘皮活化、碳化后，與Fe3O4結合，制備了一種三維磁性Fe3O4-生物炭復合材料。該復合材料具有大量納米孔且比表面積高，可通過π-π 作用吸附色素。利用外部磁場將吸附劑與體系分離，可節省時間，且污染少。Shao 等［34］以甲基丙烯酰胺（MAAM）作為功能單體、二甲基丙烯酸乙烯酯（EGDMA）為交聯劑，合成了磁性超交聯核殼聚合物復合材料Fe3O4@poly（MAAM-co-EGDMA）。使用該吸附劑處理動物油和植物油樣品時，可去除90%以上的脂質并高效回收565 種化學危害因子。

但一些磁性碳材料的制備需要較高溫度，實驗條件苛刻。

2.4 樣品前處理材料的對比

除上述材料外，也有其他新型納米材料被應用于非靶向分析樣品前處理，如共價有機聚合物（COPs）［35］、分子印跡聚合物（MIP）［36-37］。表1從使用的樣品前處理方法、吸附劑用量、吸附時間、循環使用性和化學危害因子回收率等方面對近年來報道的食品非靶向分析樣品前處理材料進行了全面對比。

表1 食品非靶向分析樣品前處理材料對比Table 1 Comparison of sample pretreatment materials for non-targeted analysis in food safety

3 樣品前處理技術在非靶向分析中的應用

非靶向分析技術可在食品安全監測中定性檢測、全面分析化學危害因子。用于食品安全非靶向分析的分析化學技術主要包括液相色譜-質譜（LC-MS）［14，38］、氣相色譜-質譜（GC-MS）［39］、核磁共振（NMR）［40-42］和毛細管電泳-質譜（CE-MS）［43-45］等，并通過代謝組學［42，46］或化學數據庫檢索［47］的方法識別化學危害因子。近年來隨著分析儀器的發展，高分辨儀器已在食品監測領域發揮重要作用［48］。如四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜（Q-Orbitrap-HRMS）［49］在高分辨率、高掃描速率、揮發性化合物分析等方面具有綜合優勢；飛行時間質譜（TOF MS）［50］具有簡便、快速、通量高的特點，方便與GC 聯用，特別適用于食品安全高通量檢測。Liang 等［47］基于超高效液相色譜-高分辨質譜（UHPLC-HRMS）的片段特征，構建了一個包含3 710 種獸藥及其代謝產物的內部質譜數據庫，通過研究和總結其質譜裂解特性，建立了非靶向篩選策略，用于雞蛋中未知藥物的篩查。Tang 等［49］為篩選雞蛋中的鹵代有機污染物（HOP），采用全掃描模式的氣相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質譜（GC-Q-Orbitrap-HRMS），開發了由相鄰等拓撲結構之間的豐度比組成的等拓撲結構分布算法（ARNI），對氯/溴進行特異性篩選，共發現了1 059種HOP同源物，并總結出其總體污染特征。

對于不同的非靶向分析技術，使用的樣品前處理方法往往也略有不同。表2 列出了近年來常見的幾種食品非靶向分析技術，并從樣品前處理方法、適用的分析物、檢測的線性范圍、檢出限等方面進行了對比。

表2 食品非靶向分析技術對比Table 2 Comparison of sample pretreatment methods for non-targeted analysis in food safety

4 總結與展望

本文圍繞食品安全非靶向分析介紹了樣品前處理方法、用于樣品前處理的納米材料及樣品前處理在非靶向分析技術中的應用，列表比較了近年來用于樣品前處理的納米材料。目前，樣品前處理材料在降低基質影響、回收化學危害因子方面已取得諸多成果。但部分材料仍存在原料價格昂貴，對一些化學危害因子的回收率低等問題。未來有待開發出制備方法更簡單、成本更低、化學穩定性更高的材料，實現材料的高效性、快速性、便攜性、循環使用性和多功能性，使其更符合食品安全的風險預警、日常監測和應急事件處理要求，促進非靶向分析的實際應用。