磁固相萃取在食品分析中的研究进展

李燕莹,周庆琼,陈羽中,林子豪,戚 平,毛新武

(广州市食品检验所,广东广州 510000)

传统的样品前处理方法有固(液)液萃取、索氏提取、超声等,这些方法容易在萃取过程中将蛋白、油脂等组分同时萃取出来,引入基质干扰。因此,一些新型的样品前处理方法逐渐被开发出来,常用的有固相萃取(Solid phase extraction,SPE)、凝胶渗透色谱法等。SPE具有富集倍数高等优点,但是其装填柱子繁琐,淋洗过程麻烦。而凝胶渗透色谱法一般需要专用凝胶渗透色谱仪,成本较高;并且同样需要洗脱,耗时较长。

磁固相萃取(Magnetic solid phase extraction,MSPE)作为一种新型样品前处理方法,相比于传统SPE有许多优势[1]:吸附快速,磁性材料一般粒径较小,比表面积较大,相比于传统SPE材料更容易实现相之间的平衡,可以极大缩短吸附时间;节省填充时间,传统SPE需要装填柱子,而MSPE只需将磁性吸附剂加入样品溶液中;分离容易,只需在磁场帮助下,就可实现分离,不需洗脱;可以实现自动化的在线样品处理[2](图1)。近年来,MSPE已经广泛应用于食品分析[3]、药品测试[4-5]、环境测试[6-7]、生物测试[8-9]等领域。本文主要综述碳化合物、表面活性剂、离子液体、金属-有机骨架化合物、氧化物、高分子、分子印迹聚合物这几类材料表面修饰的MSPE磁性吸附剂的研究进展,为磁固相萃取在食品分析中的应用提供依据。

图1 在线自动磁分散固相微萃取检测婴幼儿食品中氟喹诺酮类

1 MSPE操作流程和MSPE磁性材料

MSPE操作流程为:将磁性吸附剂加入样品溶液中,等待磁性吸附剂与待测物相互吸附后,引入外界磁场,实现磁性吸附剂和样品溶液的分离。然后使用合适的洗脱溶液淋洗磁性吸附剂,将待测物洗脱。最后引入外界磁场将洗脱后的磁性吸附剂与待测物分离(图2)。

图2 磁固相萃取操作流程示意图

2 MNPs的表面修饰及其在食品分析中的应用

一般MNPs容易团聚,疏水性差;另外,功能化的非磁材料可以增强吸附特异性。因此,使用非磁材料表面修饰MNPs可以得到较好的选择性富集效果。下文着重介绍不同物质表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用。

2.1 碳表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

有机小分子表面修饰磁性微球主要是依靠分子的特殊官能团与富集物质分子结构的相似性,产生比较牢固的物理或化学吸附,从而达到选择性富集的效果。Yu等[30]使用苯并呋喃-2-羧酸表面修饰Fe3O4测定果汁中的棒曲霉素,因为苯并呋喃-2-羧酸分子结构与棒曲霉素类似,依靠分子间π-π键作用吸附,检出限(Limits of detection,LOD)达到0.15 μg/L,优于大部分传统前处理方法,并且操作耗时短。Pastor-Belda等[31]使用油酸表面修饰CoFe2O4(CoFe2O4/oleic acid)完成婴幼儿食品中烷基酚类的富集检测。Huang等[32]先制备Fe3O4@SiO2-NH2微球,再使用EDC/sulfo-NHS对其表面羧基化,然后添加合适的DNA适配体,制备磁性纳米适配体微球Fe3O4@SiO2@Apt。由于其选择的DNA适配体结构与氯霉素类化合物有极高的相似性,用于富集牛奶样品中的几种氯霉素,LOD结果好。

C18表面修饰磁性微球是利用C18官能团极好的疏水性,对于疏水性物质的富集有良好体现[33]。Maddah等[34]使用C18磁性纳米微球,用于富集水样中的二嗪农和杀螟松,富集倍数达到172和184。Shen等[35]使用Fe3O4/C18富集水果以及蔬菜中的有机磷农药残留,在不同的洗脱方式下,回收率可达80.2%～93.8%。

石墨烯(G)或氧化石墨烯(GO)表面修饰磁性微球,通过石墨烯层与富集物质分子之间的π-π键作用吸附,对一些含有共轭π键的有机组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,表面修饰在外层的GO表面存在的-COOH和GO的 π-π键共轭作用使得吸附效果良好,LOD可达4.3～7.5 ng/mL,回收率70.6%～94.5%。Zhang等[37]合成三维离子液体-氧化石墨烯(3D-IL@mGO)表面修饰Fe3O4,用于植物油中多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)检测,LOD低至0.05～0.30 μg/kg,回收率80.2%～115%。另外,石墨烯表面修饰Fe3O4也是比较有效的富集材料。Bai等[38]利用石墨烯和酰胺分子的π-π键作用牢固吸附,使用石墨烯表面修饰Fe3O4材料实现了水及绿茶中的酰胺类除草剂的富集。

碳纳米管本身具有很强的疏水性及大共轭结构,是优良的吸附材料。Ding等[39]使用碳纳米管表面修饰MNPs提取牛奶中的雌激素,使用HPLC-FLD检测,LOD为4～8 μg/L,回收率94%～107%。Wu等[40]使用多层碳纳米管表面修饰MNPs(c-MWCNT-MNPs)富集香油中的酚类物质,通过c-MWCNT-MNPs与酚类分子之间形成氢键及分子间π键,抗干扰能力强,操作简易。

2.2 表面活性剂表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

表面活性剂表面修饰磁性微球,无论是形成半胶束还是吸附胶束聚体,都不仅可以提供疏水吸附力,还可以提供静电吸附力。相比碳修饰材料,这类MSPE磁性材料对有机盐类分子有更好的吸附性。

2.3 离子液体(Ionic liquid,IL)表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

离子液体在室温一般呈液态,是由不同的阴阳离子构成的盐,属于非分子溶剂,有良好的化学和电化学稳定性[44]。离子液体结合磁性微球使用,可以大大加快萃取后的分离过程,提高样品前处理效率。

Zheng等[44]使用聚合离子液体(Polymeric ionic liquid,PIL)表面修饰MNPs(PIL-MNPs)对茶和饮料中4种有机磷农药进行萃取,富集因子可达84～161,LOD低至0.01 μg/L,回收率81.4%～112.6%。Wu等[45]使用PIL-MNPs对食品中的苋菜红进行萃取,同时应用自动化的MSPE过程,HPLC测定LOD为4.1～14 ng/mL,在线分光光度法测定LOD为220 ng/mL;日内RSD在 1.2%～2.5%之间,日间RSD在2.5%～3.2%之间;并且10 min就能完成一次萃取过程,自动化程度高。

另一种方法是使用磁性离子液体(Magnetic ionic liquid,MIL)进行萃取,这种离子液体本身带有磁性。离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁盐([C4mim][FeCl4])在2004年被发现具有磁性[46-47]。基于MSPE技术思路,直接使用磁性离子液体萃取富集后,使用磁铁进行分离。相比于传统的MSPE技术,可以节约制备磁性微球的时间,提高效率。

Wang等[48]结合磁性离子液体-分散液液微萃取技术,萃取植物油中的三嗪类除草剂残留,其LOD和RSD大大低于传统的QuEChERS法,并省去了离心等繁琐步骤。实验中使用1-己基-3-甲基咪唑四氯化铁盐([C6mim][FeCl4])作为离子液体,表面修饰羰基铁粉(CIP)形成CIP-MIL结合物,CIP-MIL可以提高[C6mim][FeCl4]在磁铁下的吸附力,使得整个流程在磁性吸附分离这一步骤更加高效。

2.4 金属-有机骨架化合物(Metal-organic frameworks,MOFs)表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

MOFs是一种类沸石材料,由含氧、氮等的多齿有机配体(大多是芳香多酸或多碱)与过渡金属离子自组装配而成的配位聚合物。其比表面积大、密度低、微孔的孔隙可以在一定范围内调整,可以作为理想的小分子储存或萃取用材料[49]。一些MOFs已经在分析测试领域有着良好的表现,如MIL[50]、ZIF-8[51]和UiO-66[52]等。用MOFs表面修饰MNPs,既可以保持MOFs本身良好的吸附富集性能,又能缩短萃取材料和溶液的分离时间,将两者的优点完美结合(图3)[53]。

图3 金属-有机骨架化合物(MOFs)表面修饰MSPE材料

在食品分析领域,使用MOFs富集金属元素的报道相对较多,如Cd(II)[54]、Hg(II)[55]、Pb(II)[56]、Ni(II)[57]等,而富集有机物报道相对较少。其中几例列举如下:Rocío-Bautista等[58]使用(MOF)HKUST-1 和 Fe3O4MNPs富集废水和水果茶中的8种PAHs,其LOD为0.8 ng/L,但是富集水果茶中PAHs回收率仅75%,其原因可能是水果茶中基质复杂,结构类似PAHs的小分子也可以占据吸附位点导致PAHs吸附性变差;Zhang等[59]使用Fe3O4@SiO2@UiO-66 富集贝类的软骨藻酸,LOD为1.45 pg/mL。

另有一种MOFs和MNPs配合的技术,在MOFs表面修饰的MNPs外层再包覆一层多孔碳,MOFs类似一个有机桥联剂,主要吸附依靠MOFs支撑的材料,MOFs在其中更多是作为扩大比表面积的骨架使用。由于多孔碳对于酚类或者含胺基有机物有着强吸附作用,萃取富集效果更佳。Liu等[60]使用直接碳化的ZIF-67表面修饰磁粉,萃取葡萄和苦瓜中的苯脲类除草剂,LOD为0.17～0.46 ng/g,回收率良好。他们课题组使用同样的思路,使用直接碳化的MIL-53表面修饰磁粉形成MIL-53-C(Fe)富集牛奶和果汁中的酚类内分泌物[61];使用直接碳化的MOF-5表面修饰Fe3O4,吸附苹果样品中的氨基甲酸酯类化合物[62]。

2.5 氧化物表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

Ibarra等[67]使用SiO2/Ph表面修饰Fe3O4进行牛奶中的四环素类抗生素富集检测,LOD可达2～9 μg/L,回收率92.5%～103.7%,结果理想,效率高。Su等[68]使用更复杂的多层core-shell结构制备Fe3O4@SiO2@MOF/TiO2材料,以Fe3O4为核心,在SiO2保护层外再表面修饰一层MOF/TiO2外壳,测定水中的三唑类杀菌剂,LOD低至0.19～1.20 ng/L,回收率90.2%～104.2%。

2.6 高分子表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

高分子表面修饰材料主要包括两大类:一、天然高分子,如壳聚糖[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。高分子表面修饰MNPs可以使其生物相容性变好,并且改善容易氧化和稳定性差等缺陷。如果选择合适的带官能团高分子进行表面修饰,依靠不同的官能团,其对于不同化合物亦有选择性富集的效果。

Wang等[74]使用多孔高分子卟啉表面修饰磁性微球(M-PPOP)富集水果汁和番茄汁中的苯脲除草剂,富集因子可达51～106。在实验中,作者通过富集因子、辛醇/水分配系数(Kow)以及氢键贡献/接受对M-PPOP在不同结构化合物吸附效果进行判断。PAHs高富集因子值主要依托π键堆叠作用及疏水作用(氢键作用在PAHs类物质占比极小),而苯脲类物质富集因子值明显高于简单结构的酚类物质,虽然两者的正辛醇-水分配系数很接近,但是苯脲类物质分子上氢键更多,所以在M-PPOP中有很好富集效果。所以M-PPOP比较适用于吸附具有较大π电子共轭体系、更多的氢键位点和更强疏水性的化合物。Mahpishanian等[75]使用β-环糊精表面修饰石墨烯磁性微球(β-CD/MRGO)吸附蜂蜜中有机氯农药残留,β-环糊精本身是杯状结构,外层亲水内层疏水,对于弱极性的有机氯化合物有很好的选择性吸附效果;再使用石墨烯作为β-环糊精的负载骨架,依靠石墨烯的多层结构可以极大拓展β-环糊精的比表面积及稳定性;最后再结合Fe3O4磁粉,使分离变得简便。使用这一方法,在蜂蜜基底干扰严重的情况下,LOD可达0.52～3.21 ng/kg,并且由于β-环糊精吸附速率快,萃取时间只要3 min,相比使用碳纳米管的类似方法耗时40 min[76]有很大优势。

2.7 分子印迹聚合物(Molecular imprinted polymers,MIPs)表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用

分子印迹技术((Molecular imprinting technology,MIT)属于一种特异性吸附技术,通过构建大尺寸分子独有的空穴结构,对样品分子或者分子上的官能团进行特异性吸附,选择性极好。一般使用高分子单体和模板(待测物分子)通过交叉偶联聚合,再除去待测物分子,聚合层就会留下待测分子的空穴,即为分子印迹聚合物[77-78]。

Su等[79]使用Fe3O4@SiO2-NH2微球作为载体,以聚丙烯酰胺作为印迹层,制备Fe3O4@MIPs,在土豆和辣椒中罗丹明B的吸附效果可达104.6 mg/g,并且选择性极好(α=1.88)。另外可以使用碳纳米管等理想的骨架材料作为印迹层的支撑层。Yin等[80]使用磁性碳纳米管作为结构骨架,表面修饰聚多巴胺,在修饰过程中使用人血清白蛋白制成分子印迹(MWCNTs@Fe3O4@MIPs),最后用于富集人血清白蛋白,得益于碳纳米管骨架极大扩展了磁性微球的比表面积,使得吸附材料的吸附时间及效果均优于使用同样材料但不使用碳纳米管基材修饰的MIT技术。

磁性纳米颗粒的表面修饰及其在食品分析中的应用见表1。

表1 磁性纳米颗粒的表面修饰及其在食品分析中的应用Table 1 Surface modification of magnetic nanoparticles and their application for food analysis

3 结论与展望

本文介绍了碳化合物、表面活性剂、离子液体、金属-有机骨架化合物、氧化物、高分子、分子印迹聚合物这几类材料表面修饰MNPs及其在食品分析中的应用,富集的样品包括食品添加剂、农药残留、抗生素、激素类及重金属离子,基本上覆盖了食品分析中的大部分应用。这些MSPE技术的回收率绝大部分位于80%～120%区间,检出限基本都能达到ng/mL或ng/g数量级,部分方法检出限甚至可以达到ng/L或ng/kg数量级,在食品分析测试中有着理想的应用前景。但是这些MSPE技术也有缺点:主要以实验室研究及小规模测试为主,商品化的步伐相对较慢。MSPE技术未来的发展可能在以下几方面:一、寻找更易控制、产量更高的MNPs制备方法;二、拓展MNPs表面修饰技术,多种修饰方法结合使用,或使用新的表面修饰材料达到选择性更佳的选择吸附效果;三、现阶段MSPE技术主要还是以疏水材料富集水样基底有机物为主,日后或许可以直接使用专一性MSPE磁性材料富集各种基底的待测物;四、与其他样品前处理技术结合使用,开发可重复使用材料降低成本;五、往自动化方向发展。