磁固相萃取在乳及乳制品安全检测中的应用进展

陈 洁，张丛兰，左祥莉，杨登想，刘 齐,*

（1.湖北大学知行学院粮食与食品工程学院，湖北 武汉 430011；2.湖北大学知行学院生物与化学工程学院，湖北 武汉 430011）

乳及乳制品在膳食结构中占有十分重要的地位，其食品安全问题也尤为受到关注。乳及乳制品的安全检测项目主要包括外源性有毒有害物质（如农兽药残留、污染物、非法添加物）、食品添加剂、重金属元素等理化检测和微生物检验。随着科学技术的发展，乳与乳制品的检测越来越多地借助于各类精密仪器。现代仪器分析基本可以分为样品前处理单元、组分分离单元、组分检测单元，其中样品前处理起着至关重要的作用[1]。在选用样品前处理方法时，是否能最大限度地去除测定的干扰物、被测组分的回收率是否高、操作是否简便、成本是否低、是否影响检测人员健康和环境、应用范围是否广泛等都是前处理方法需要考虑的因素。在诸多前处理方法中，固相萃取具有富集倍数较高的优点，主要被应用于成分组成复杂的样品中被检测物质的富集和分离，以此来提高检测的灵敏度。但是，作为一种普及的萃取方法，固相萃取也有一定的缺点：在对大体积的样品进行分析时，吸附剂的消耗量会大大增加，而且样品过多时操作复杂且耗费时间较长；如果被测样品不是纯液体，而是胶体或者含有小颗粒固体物质时，固相萃取柱可能被堵塞；在对某些分析时间较长的样品进行萃取时，为了能使样品溶液快速通过固体吸附剂，需要外部施加较高的压强，从而增加了试验操作步骤，使检验过程变得繁琐。近十几年，各种新型材料被越来越多地开发并作为吸附剂应用于固相萃取中，其中磁性材料的出现备受研究者们的青睐。以磁性材料作为吸附剂的固相萃取被称为磁固相萃取，该技术的出现克服了上述固相萃取的缺点。对分离富集领域而言，磁固相萃取的应用将是该领域的一座里程碑。

1 磁性固相萃取技术简介

1.1 磁性固相萃取的原理

固相萃取（Solid-phase extraction，SPE）也称固相提取，是利用“选择性吸附”和“选择性洗脱”的液相色谱分离原理的萃取方式，其过程可分为吸附和洗脱两个过程。固相萃取法的萃取剂是固体，其萃取体系包括具有一定官能团的固体吸附剂（称之为固相）以及样品和溶剂组成的液相，通过待测组分与共存的干扰组分在固相萃取剂上作用力强弱不同，从而使它们彼此分离。当复杂的样品溶液在正压、负压或重力作用下通过吸附剂时，吸附剂会通过极性相互作用、疏水相互作用或离子交换等作用力选择性地保留目标化合物和少量与目标化合物性质相近的干扰物，其他组分则透过吸附剂流出，然后用另一种洗脱能力较强的溶剂体系选择性地把目标物洗脱下来，从而实现对复杂样品的分离[2]。SPE 的主要优点是使用方便，时间快，一般只需少量的萃取溶剂。为了提高样品分析的选择性，SPE 方法与紫外可见分光光度法、高效液相色谱法、气相色谱法、质谱法等方法相结合使用，尤其针对含有大量油脂和蛋白质等成分的复杂基质样品时，具有成本低、分析能力强、样品分析结果准确等优点[3-4]。

磁固相萃取（Magnetic solid phase extraction，MSPE），是以磁性或可磁化的材料作为吸附剂的固相萃取技术。在MSPE 过程中，磁性吸附剂不直接填充到吸附柱中，而是被添加到样品的溶液或者悬浮液中，将目标分析物吸附到分散的磁性吸附剂表面，在外部磁场作用下，目标分析物随磁性吸附剂一起迁移，最后用合适的溶剂洗脱被测物质，从而与样品的基质分离开来。磁性萃取材料相较于常规的固相萃取材料而言，其比表面积更大，且不需要繁琐的装柱过程，可以直接加入样品溶液进行萃取[5]。在萃取过程中可以完全均匀分散到样品溶液中与被测物质充分接触，因此在低浓度的微量萃取中只需要较短的平衡时间和少量的吸附剂。相比一般固相萃取的吸附剂，磁性萃取材料有超顺磁性，当无外加磁场作用时几乎不表现磁性，吸附过程完成后，通过外加磁场使表面吸附有被测物质的磁性萃取材料能迅速吸附到容器壁上，达到固体与液体的快速分离，不需要其他的过程，因此极大缩短了常规分析时所需要的时间，使得磁固相萃取比其他固相萃取有较高的萃取效率和萃取能力。磁固相萃取可以单独或与过滤、沉淀、溶剂交换联合使用，用于样品的前处理。

1.2 磁性固相萃取吸附剂的合成

用于磁性固相萃取吸附剂的材料通常是磁性纳米复合材料，其结构主要由磁核、涂层和改性物质3部分组成。磁核一般由铁、钴、镍及其氧化物等物质构成，最常见的是铁氧化物，如四氧化三铁和氧化铁等，但纯的铁氧化物由于具有磁性很容易聚团，使原有磁性消失[6]。为了解决这个问题，需要在磁核的表面涂上合适的涂层。常用的涂层大致可分为有机涂层（如聚酰胺、壳聚糖等）和无机涂层（如二氧化硅、石墨烯等）。磁核表面的涂层不但可防止磁核被氧化，还可使磁核的磁性更加持久，磁性纳米复合材料中的改性物质也可以增强磁性固相萃取吸附剂的吸附能力[7]。

合成磁性纳米颗粒（Magnetic nanoparticles，MNPs）的常用方法有溶剂热合成法、水热法、化学共沉淀法、热分解法、微乳液法、溶胶-凝胶法等。化学共沉淀法是将二价铁盐和三价铁盐按比例混合加入碱性沉淀剂反应；溶剂热合成法常将水合三氯化铁、无水乙酸钠、乙二醇以及乙二胺按照一定的比例进行混合，并给予合适的温度和压力使其发生反应，其中乙二醇作溶剂和还原剂，乙二胺作沉淀剂，乙酸钠提供静电斥力以控制粒径；热分解法多采用有机金属前驱体在高温高压下反应；溶胶-凝胶法以金属盐为原料，水解转化为溶胶，再脱去小分子后缩合形成凝胶；微乳液法借助表面活性剂的作用，使三价铁均匀地分散在热力学稳定且不相溶的水相和油相中，逐渐加入适量的碱而形成MNPs。

制备的磁性纳米颗粒通过修饰改性增强其吸附能，可以使用二氧化硅壳层、碳壳层、有机聚合物壳层、金属氧化物壳层等对其包覆修饰[8]。如碳纳米管修饰磁性纳米颗粒利用的是碳材料本身的吸附性和官能团的疏水性以及共轭结构等使得磁性纳米复合材料对于被富集物的吸附作用更加牢固，从而得到更好的富集效果。离子液体的修饰作用也是研究热点，离子液体有良好的溶解性，在无机化合物和有机化合物中都可以溶解，从而提高磁性纳米复合材料的分散性，具有低挥发性和热稳定性的特点使离子液体在磁性材料的表面改性修饰中占据了重要地位[9]。

2 磁固相萃取在乳及乳制品安全检测中的应用进展

2.1 抗生素检测

液相色谱-串联质谱法和高效液相色谱法（HPLC）尽管，精度和灵敏度高，但色谱法需要使用复杂的设备并对操作人员的技术要求较高，而且色谱法分析前样品制备过程冗长且复杂。利用新型的二维亲水相互作用色谱/反相液相色谱-串联质谱系统（2DHILIC/RP-MS/MS）分析乳制品中的β-内酰胺类、四环素类、大环内酯类、氨基糖苷类、苯甲酚类、喹诺酮类和磺酰胺类7 类20 种抗生素残留，奶粉和牛奶样品检出限和定量限分别为0.10～2.40 μg/kg 和0.33～7.92 μg/kg[10]。该法通过建立二维2D-HILIC/RP-MS/MS 系统，并增加了流速可变的泵，对仪器的要求较高。采用磁性固相萃取方法结合高效液相色谱法对牛奶中的四环素类进行检测，检出限和定量限可达1.8～2.9 μg/L 和6.1～9.79 μg/L，且只需采用HPLC-UV 检测，吸附材料可循环使用15 次以上[11]。将MSPE 与高效液相-二极管阵列检测器（HPLC-DAD）结合，测定牛奶中四环素类和青霉素类抗生素，定量限达到了8.09～9.63 ng/mL[12]。Fu 等[13]、李兆乾[14]、Tolmacheva 等[15]和李亚珍[16]分别采用MSPE 与HPLCMS、HPLC 联用检测了牛奶中的磺胺类抗生素。其中MSPE 与高效液相-安培检测器（HPLC-AD）结合使用，回收率在92%～105%，相对标准偏差在6%～10%，检测限2.0～2.5 ng/mL，具有高的准确性和低的检测限，且吸附剂可以重复使用不少于5 次[15]。磁固相萃取还用于喹诺酮类抗生素[17-18]、莫昔克丁（MOX）驱虫药类[19]的检测。MSPE 还可与荧光光谱法结合检测喹诺酮类药物，具有低的检出限和定量限[14]。

2.2 真菌毒素检测

在真菌毒素测定样品的前处理方法中，SPE 常用于目标分析物的提纯和预浓缩，填料是SPE 柱的关键，SPE 萃取剂虽然分离效率高，但选择性强的分离材料成本高，且操作时费时费力。MSPE 可以通过施加外部磁场将目标分析物轻松从大体积样本中分离出来。Shuib 等[20]使用高效液相色谱-柱后光化学衍生和荧光检测法测定牛奶中的黄曲霉毒素M1，检测限和定量限分别为2 ng/L 和4 ng/L。利用离子液体改性的磁性沸石咪唑酸盐骨架ILM/ZIF-8 磁性材料吸附牛奶样品中的黄曲霉毒素（AFB1、AFB2、AFG1和AFG2），采用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）检测，检出限和定量限分别为2.3～8.1 ng/L 和7.5～26.7 ng/L[21]。相比于前法采用磁固相萃取作为前处理可以省去亲和层析柱的消耗，无需采用柱后衍生。核-壳聚（多巴胺）磁性纳米颗粒与HPLC-MS 结合，可用于玉米赤霉烯酮类真菌毒素的测定[22]。

2.3 农药残留检测

在色谱分析中，样品中农药残留的提取和净化是至关重要的。净化是将待测物与提取液中的干扰物分离的步骤，一般样品的提取与净化常常一步完成，提取与净化的界限已十分模糊，但对于在样品中含量很低的待测成分，往往在完成提取后还需净化这一步。其中SPE 是常用的柱色谱净化方法。而采用MSPE则可以提取、净化同步完成。采用基于C18 功能化的磁性二氧化硅纳米颗粒作为吸附剂测定牛奶样品中的20 种有机氯农药，沉淀蛋白质后，通过超声处理将Fe3O4@SiO2@C18 纳米颗粒分散在牛奶样品中进行MSPE[23]。结合气相色谱-质谱检测，得出检出限为0.1～0.3 μg/L、定量限为0.2～0.9 μg/L，与报道采用超声法提取加上浓硫酸净化处理方法得到的检出限和定量限接近，且大大简化了前处理过程，吸附剂材料可重复使用3 次。

2.4 塑化剂检测

邻苯二甲酸酯（PAEs）在环境样品中的残留量极低，加之样品基质的干扰严重，通常利用现有的仪器进行直接检测较困难，需要在仪器分析前对样品中的PAEs 进行富集。前处理采用MSPE 方法具有萃取时间短、相分离速度快、有机溶剂消耗少等优点。于玲等[24]以磁性氧化石墨烯（Fe3O4/GO）作为新型净化剂改进传统QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）方法对乳制品样本进行预处理，有机溶剂用量少，结合气相色谱-质谱检测16 种邻苯二甲酸酯，检出限为0.5～2.5 μg/kg，定量限为2.0～7.5 μg/kg，磁吸附操作取代了从传统QuEChERS 方法中的离心，缩短了样品前处理时间。吴娟娟[25]以纳米团铁胶体溶液作为磁源合成的磁性碳球（MSC）吸附剂用于牛奶样品中3 种PAEs（邻苯二甲酸二烯丙酯（DAP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸二丙酯（DPRP））的分离富集，结合HPLC-UV 检测，检出限为0.1～0.2 ng/mL。

2.5 污染物检测

采用基于C18 功能化的磁性二氧化硅纳米颗粒（Fe3O4@SiO2@C18）作为吸附剂，结合GC-MS 检测牛奶样品中的6 种多氯联苯，得到检出限为0.1～0.3 μg/L、定量限为0.2～0.9 μg/L，与超声提取加浓硫酸净化的处理方法得出的检出限和定量限水平接近，但前处理过程得到简化[23]。每份牛奶样品只需2 mL甲酸和125 μL 乙腈提取剂，2.3 mL 正己烷解析剂，大大降低了有机试剂的消耗，该吸附剂还可循环使用。MSPE-GC-MS 方法用于测量食用牛奶和奶粉中的16 种多环芳烃（PAHs），检出限和定量限分别在0.040～0.075 μg/kg 和0.121～0.227 μg/kg之间[26]。初次提取后，磁性固相萃取的吸附剂可省去多步SPE 工艺，消除多步色谱柱洗脱程序的需要。

从近年MSPE 技术在乳制品安全检测中的应用概况（表1）可以看出，当前MSPE 技术主要应用于抗生素残留、真菌毒素、持久性环境有机污染物、塑化剂等检测中，检测方法主要是色谱法和色谱-质谱联用法。

表1 MSPE 技术在乳及乳制品安全检测中的应用Table 1 Application of MSPE technology in safety detection of milk and dairy products

续表1 MSPE 技术在乳及乳制品安全检测中的应用Continue table 1 Application of MSPE technology in safety detection of milk and dairy products

3 总结与展望

近十几年的时间内，磁性纳米材料作为一种新型材料备受国内外研究者的关注，并将磁性纳米材料应用于固相萃取中。目前磁固相萃取技术在环境科学、细胞分离、药物转运、食品科学等许多领域都体现出了良好的应用前景，并且取得了较理想的应用效果。近年来，磁固相萃取在检测乳制品等组分复杂的样品处理中得到了越来越多的应用，如药物残留、有机物污染的检测等。对食品基质复杂的样品进行检测，采用磁固相萃取作为微量甚至衡量物质分析的前处理过程，检出限低，回收率适宜，且具有操作方法简单，过程快速便捷的优点，更易于被普及和推广。当前磁固相萃取技术的应用还处于发展阶段，在食品尤其是乳制品安全检测中应用的时间还不够长，且影响磁固相萃取效果的因素比较多，如吸附剂的种类及用量、溶液pH 值、萃取时间，萃取温度等，因此在试验过程中往往需要对萃取条件进行优化。另外，提高磁固相萃取吸附剂材料的循环使用次数也是今后的研究方向之一。