MWCNT-MIP技术在兽药残留分析前处理中的应用进展

林 涛，王宗楠，贺利民*

(1.东莞出入境检验检疫局综合技术中心，广东东莞523000;2.华南农业大学兽医学院兽医药理研究室，广州510642)

碳纳米管(Carbon nano-tube，CNT)是碳的同素异形体之一，由碳六元环构成的类石墨平面卷曲成无缝筒状的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生完全键合(图1)［1］。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管(Single-walled carbon nano-tube，SWCNT)，多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nano-tube，MWCNT)。自1991年日本科学家Iijima［2］发现 MWCNT 以来，因其具有尺寸小、比表面积大、电导率高、机械、化学稳定性和热稳定性良好、界面效应强、易于共价功能化修饰一系列优点。这种结构独特，性能优异的新型纳米材料，作为吸附材料可用于富集复杂基质中的药物残留、有机污染物、金属离子和生物大分子等［3］，具有广泛的应用前景。

图1 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的结构示意图

分子印迹技术(Molecular imprinting technology，MIT)是合成对特定分子具有特异识别特性的功能高分子材料制备技术，起源于二十世纪30年代的“模板学说”，到二十世纪末才引起广泛关注和快速发展［4］。分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymer，MIP)是一种模拟自然界中抗原与抗体特异性识别机制，利用模板分子、具有结构互补的功能单体及交联剂共聚而形成在空间结构和结合位点上与模板分子完全匹配的高分子聚合物［5］。因其具有特异性识别能力，能从复杂样品中选择性分离富集目标物，且制备简单，能够反复使用，机械强度较高，稳定性好，非常适合作为固相萃取(Solidphase extraction，SPE)的填充材料，用于试样的前处理，特别是复杂样品的分离、净化和富集获得了广泛应用［6］。

通过在多壁碳纳米管表面接枝分子印迹聚合物(MWCNT-MIP)，融合二者的优势，有望成为复杂基质试样中痕量物质分析前处理净化技术的研究热点。

1 MWCNT和MIP在兽药残留分析前处理净化中的应用

1.1 MWCNT在固相萃取中的应用 MWCNT具有比表面积大、稳定性好等优点，近年来，作为SPE吸附材料已用于兽药残留分析的净化和富集。Wang等［7］以 MWCNT为SPE 吸附剂，萃取、净化猪肉样品中地西泮、艾司唑仑、阿普唑仑和三唑仑4种苯二氮卓类药物残留，采用气相色谱-串联质谱检测，地西泮的检测限达到2 μg/kg，其它三种药物的检测限为5 μg/kg。Zhao 等［8］采用 MWCNT 作为SPE吸附剂，通过离子阱气相色谱-串联质谱测定猪肉样品中巴比妥、异戊巴比妥和苯巴比妥三种巴比妥类药物残留，三种药物的回收率均在75%-96%之间，检测限达到0.2 μg/kg。同时，比较了C18 SPE小柱与MWCNT-SPE小柱，结果表明，后者明显优于前者。Hou等［9］建立了基于 MWCNT分散固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱法测定猪肉中18种磺胺类药残留，讨论了MWCNT的类型、pH、萃取时间、MWCNT的用量及洗脱液类型等因素对萃取效果的影响，磺胺类药的平均回收率在89.2% ～117.9%之间。Lu等［10］使用 MWCNT作为SPE填料，分离净化、富集鸡蛋、牛奶和蜂蜜中的氯霉素残留，通过对MWCNT-SPE条件的优化，建立了液相色谱-串联质谱测定该3种食品基质中氯霉素残留方法，氯霉素的回收率大于95.8%，相对标准偏差小于10%，三种食品基质中氯霉素的决定限达 0.006 μg/kg。

1.2 MIP在固相萃取中的应用 由于MIP独特的性能，近年在兽药残留分析测定的前处理分离、净化和富集方面得到了广泛应用。Sellergren［11］首次将合成的MIP制备成固相萃取小柱，用于Pentanamidie药物的选择性净化、富集，获得很好的效果。Zheng等［12］采用虚拟模板技术制备了对替米考星具有高度交叉反应的MIP，用于饲料等复杂基质中替米考星的分离、净化和富集，较传统的C18等SPE小柱在回收率和净化效果方面都具有明显优势。Zhang等［13］用莱克多巴胺为模板，制备的MIP固相萃取小柱用于猪尿中莱克多巴胺等β-兴奋剂残留的净化、富集，效果理想。此外，基于MIP-SPE技术用于动物可食性组织［14-15］、牛奶［16-17］、血液［18-19］和水样［20-21］等基质中兽药残留的分离、净化和富集也有大量报道。

2 MWCNT-MIP在兽药残留分析前处理中的应用MWCNT和MIP分别作为SPE吸附材料已广

泛用于可食性动物组织、牛奶、蜂蜜等动物性食品及血浆、尿液等生物介质中兽药残留的分离、净化和富集。但随着分析检测要求的越来越高和试样介质的越来越复杂，单一的MWCNT或MIP吸附材料都面临各种挑战，已无法完全满足兽药残留分析前处理分离、净化和富集的需要。因此，研究者开始考虑如何充分发挥二者的优势，期望在试样前处理技术方面达到增效作用。为此，利用MWCNT表面积大的特点，将MWCNT作为合成MIP的载体，在其表面接枝一层MIP高分子材料的改性思路引起研究者的重视［22］。首先对MWCNT进行功能化处理，一方面增强其在聚合物溶液中的分散性，另一方面其表面功能化处理后产生的官能团参与

MIP的聚合，使MIP通过化学键合而连接在MWC-NT表面上。目前，常用的方法有沉淀聚合法、溶胶凝胶法和电沉积法等。

MWCNT-MIP复合材料既有碳纳米管超强的力学性能和巨大的比表面积，又有印迹聚合物专一选择识别性能，从而克服了两者的不足，又结合了两者的优点:(1)能够针对不同性质的目标分子，通过设计不同官能团修饰MWCNT，再接枝上以目标分析物为模板制得的MIP，达到提高萃取能力和特异性选择的目的;(2)制备聚合物过程不需要经过研磨、过筛等繁琐工序，避免了材料的浪费及识别位点的破坏;(3)机械强度高，同样使得识别位点不易被破坏;(4)具有极大的比表面积，模板分子几乎可以完全除去，最大限度地提高了有效结合位点的比例;(5)结合位点大多暴露于材料的表面，表现出较高的结合容量。同时，模板分子容易接近到材料的分子印迹位点，从而具有较快的结合动力学特性［23］。由于该技术兴起于二十世纪末，国内外相关文献较少，尤其是在兽药残留分析前处理领域还未得到广泛的应用。Liu等［24］利用分子印迹技术和溶胶-凝胶法成功的在MWCNT表面接枝一层萘夫西林-MIP，将该吸附材料用于实际样品中萘夫西林残留的净化和富集，表明该复合材料能够选择性吸附鸡蛋中的萘夫西林，回收率在61.3% ～84.3%之间。该方法成本低廉，操作简单，且制备的MWCNT-MIP小柱可重复利用。Zhang等［25］先将MWCNT用硝酸处理羧化，再加入氯化亚砜使其表面酰氯功能化，然后将其与无水四氢呋喃和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEOS)混合，磁力搅拌，得到乙烯基修饰的MWCNT。然后，以红霉素作为模板，丙烯酰-β-环糊精和甲基丙烯酸(MAA)作为双功能单体在乙烯基修饰的MWCNT表面合成MIP，合成过程如图2［25］所示。制备的MWCNT-MIP复合聚合物材料作为SPE小柱填料，可高选择、高效的净化、富集鸡肉试样中的红霉素残留，回收率在85.3% ～95.8%之间。

图2 多壁碳纳米管接枝分子印迹聚合物示意图

3 结语

与微米级分子印迹聚合物相比，多壁碳纳米管接枝分子印迹聚合物将材料颗粒提高到了纳米级，具有选择性良好、结合容量高、结合动力学快的特性，已成为分子印迹学研究的新热点。但该技术尚处于起步阶段，研究还不够深入，存在许多亟待解决的科学问题:(1)目前，该技术结合位点的吸附作用机理不够明确，相关的热力学及动力学研究也较少;(2)在碳纳米管表面接枝不同药物-印迹聚合物的合成方法研究较少，尚未形成完善的合成理论体系;(3)对印迹位点可接近性的相关表征手段较少，因而难以评价该技术制备的印迹聚合物在结合速率上的优越性;(4)在目前的合成方法中，制备的MWCNT-MIP仍然存在形状不规则，粒径不均一、作用位点类型不统一、聚合时间较长及由于较高的聚合温度导致亲和力下降等问题。因此，加大机理研究力度、完善合成研究方法、增加表征方法是解决当前MWCNT-MIP制备技术面临问题的有效手段。可以相信，随着研究的不断深入，MWCNTMIP技术在兽药残留分析前处理方面的应用前景将更加广阔。

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