磁性共价有机骨架材料在食品安全分析中的应用研究

杨大雨 陈姿颖 庞 杰 严志明

(福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350000)

食品安全是“食物中有毒、有害物质对人体健康影响的公共卫生问题”，也是人们热切关注的重点话题。样品前处理操作是食品安全分析的关键环节，而新型吸附材料的开发则是样品前处理技术研究领域中的重点[1]。作为新崛起的中国纳米科学技术研究，纳米材料的出现和快速发展为解决食品安全分析样品前处理中所存在的样品成分复杂、基体干扰严重、待测组分含量低等问题提供了新的思路和途径[2-3]。特别是共价有机骨架材料(covalent organic framework，COFs)，自2005年被报道以来[4]，因其明确有序的晶体多孔结构和孔径可调、密度低、机械强度高、比表面积大、吸附能力强、化学和热稳定性高等优点，在气体分离与储存、催化、能量转换和储存、传感、光电等方面都显示了巨大的应用前景[5-8]。但也正是由于它的低密度，使之很难从基质中分离，限制了其在分离和富集领域的进一步应用[9]。

磁性共价有机骨架材料(magnetic covalent organic framework，MCOFs)是由COFs与磁性纳米颗粒相结合(目前研究得最多的是Fe3O4[10])形成的具有一定磁性以及特殊结构(核壳结构[11]、海胆状结构[12]、正四面体结构[13]、花束形结构[14]等)的复合材料。除了拥有COFs的固有优点外，MCOFs还具有磁性纳米颗粒的特殊的磁响应性、选择性和重复利用性等特点[15]，完美解决COFs难以回收的问题，使其在样品前处理应用中成为一种优良的吸附材料，极大地促进食品安全检测分析技术向简单、快速、高效、低成本和低污染等方向发展。目前，许多研究报道将MCOFs用作磁性固相萃取(Magnetic Solid Phase Extraction，MSPE)的吸附剂，并在此基础上发展出MSPE与高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)甚至其他检测仪器的联用技术，构建的新体系具有选择性高、抗干扰能力强、重复利用性能好等优点，尤为适合复杂食品样品分析中目标物的分离富集，已被广泛应用于食品安全分析的样品前处理过程。基于此，文章拟对MCOFs在食品安全检测分析中的应用研究进行综述，介绍MCOFs的常用制备方法，论述MCOFs在食品安全分析检测中的实例，并展望MCOFs在今后实际检测应用中的发展方向。

1 MCOFs的制备

随着对MCOFs的研究日益深入，迄今为止，已经发展出多种方法用于MCOFs的制备。常用的制备方法有原位合成法、原位生长法、包覆法以及单体聚合法等。

1.1 原位合成法

原位合成法是指先通过其他方法合成COFs，然后再通过原位还原磁性纳米粒子将其固定在COFs表面以合成MCOFs的方法。

Yan等[16]采用溶剂热法原位还原镍离子，制备了磁性共价三嗪骨架/镍复合材料CTFs/Ni(如图1)，并在快速萃取检测塑料包装材料中邻苯二甲酸酯试验中展现出了良好的重复使用性和制备重现性，且对目标邻苯二甲酸酯具有较高的萃取效率。

图1 CTFs/Ni合成示意图[16]

1.2 原位生长法

原位生长法是指先通过其他方式合成所需磁性纳米粒子，并在不聚集的情况下在其表面引入基团以形成基团功能化的纳米球，再将COFs单体通过化学反应接枝到纳米球表面，用于随后COF壳的原位生长，进而得到表面分布均匀的MCOFs。

Vanesa等[17]通过Fe3O4与多巴胺的原位功能化迅速得到了氨基功能化的磁性纳米粒子，再在COF单体装饰和随后的COF生长之后，得到了磁性复合物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现出较好的稳定性。

Li等[18]在研究MCOFs吸附去除水溶液中双酚的试验中，即根据原位生长策略(如图2)，在加入原硅酸四乙酯(TEOS)和三乙氧基硅烷(APTES)以保证磁芯Fe3O4纳米粒子不聚集的情况下，在Fe3O4表面引入—NH2以形成氨基官能化的纳米球(Fe3O4—NH2)；然后通过席夫碱反应将TpBD的单体Tp接枝到Fe3O4—NH2的表面，用于随后的TpBD壳的原位生长。因此，制备了核壳Fe3O4@TpBD 纳米球。预接枝的Tp作为核和壳之间的桥梁，为COFs生长提供了核中心，并改善了壳结构的均匀性。

图2 单体介导的核壳Fe3O4@TpBD纳米球原位生长策略说明[18]

1.3 包覆法

包覆法与原位生长法制备过程类似，是指首先通过其他方法合成所需的磁性纳米颗粒，并以此纳米颗粒为模板，通过一定手段控制COFs单体在其表面进行反应包覆，进而得到以磁性纳米颗粒为核、COFs为壳的MCOFs。

Zhang等[19]以Fe3O4和SiO2为核心和连接层，以化学稳定的非晶COFs(TpBD)为吸附壳，成功构建出多孔双壳纳米球(Fe3O4@ SiO2@TpBD)，如图3。且在同时测定3种不同焦油含量的非吸烟者和吸烟者中的14种痕量杂环芳香胺试验中表现出了优异的吸附能力。

图3 Fe3O4@SiO2@TpBD的合成示意图[19]

Gao等[20]利用包覆法合成的棕色Fe3O4@TbBd(如图4)在进行多肽的选择性富集和蛋白质的同时排除中展现了对肽的高吸附容量、快速吸附动力学和良好的可重复使用性。

图4 核壳结构磁性复合纳米球(Fe3O4@TbBd)包覆法合成示意[20]

1.4 单体聚合法

单体聚合法，又称一锅式反应法，是将COFs的单体、合成磁性纳米颗粒的前体溶液以及相关催化剂置于同一密闭容器内，在一定条件下直接合成MCOFs的方法。

Wang等[21]通过一锅式温溶液相法，将一定量的1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(即TAPB)混合在1，4-二氧六环中，并加入相对量的Fe3O4颗粒，最终开发出一种表面形貌可控的、高活性且稳定的磁性共价有机框架Fe3O4@AT-COF，并作为电催化剂成功应用于高效检测水样中的对硝基苯酚和邻硝基苯酚。

Zhang等[22]和Ma等[23]采用微波辅助高温离子热方法单体聚合了一种新型磁性多孔碳质聚合物材料CTF@Fe2O3复合物(如图5)，分别应用于快速分离水溶液中的有机染料和酚类污染物。获得的CTF@Fe2O3复合材料具有高表面积、高吸附容量和快速吸附动力学。

图5 微波辅助高温离子热方法合成CTF@Fe2O3复合物[22]

此外想要使MCOFs得到更广泛的应用，还可以对MCOFs进行功能化处理。可从三方面考虑：① 对COFs功能化(特定的孔径设计或与功能基团键合)后再与磁性纳米粒子结合[24]；② COFs与功能化后的磁性纳米粒子合成[25]；③ 合成MCOFs后再与功能性基团键合[26-27]。

2 MCOFs在食品安全分析中的应用

MSPE是一种应用磁性吸附材料作为固相萃取吸附剂从而对样液中的目标组分进行分离与富集的新型固相萃取技术[28]。磁性吸附剂种类的选择是影响MSPE萃取效果的关键，且对所建立分析方法的准确度起着关键作用[29]。MCOFs是由COFs与磁性纳米颗粒相结合形成，MCOFs的超顺磁性和高比表面积能使之在进行固液分离时能够快速地对外界磁场产生响应并实现分离[30]，这在很大程度上节省了试验时间，简化了试验操作步骤，同时提高了富集效率[31]。此外，COFs根据形成共价键的官能团不同可分为三嗪、含硼和亚胺三类骨架[6]，而不同骨架的COFs为MCOFs提供了多种类、多功能化的应用潜能，使MCOFs在更多情景下的食品安全分析过程中提高检测结果的准确性，使基于MCOFs的样品前处理技术在实际应用中得到更多的发展。表1为近年来基于MCOFs的MSPE在食品安全分析检测方面的实例。

表1 近几年有关MCOFs在食品安全分析检测方面的实例

2.1 农药残留检测

农药残留问题是随着农药大量生产和广泛使用而产生的。中国是农业大国，在农产品种植过程中普遍会使用农药以应对各种虫害和疾病，然而现阶段农药毒性和所引起的抗药性现象非常严重[43]，传统样品前处理技术进行分离富集时由于基体干扰效应而检测结果不佳，因此MCOFs作为一种快速、有效、实用的新兴吸附剂，在农药残留分析检测方面显示了巨大前景。

Li等[32]提出一锅式反应法合成膦酸功能化MCOFs材料Fe3O4@COF-PA，并通过对Fe3O4@COF-PA的合成后修饰制备了新型的Zr4+固定化磁性纳米复合材料Fe3O4@COF@Zr4+，如图6。该复合材料通过π—π堆积相互作用、氢键和Zr4+磷酸盐配位反应表现出对有机磷农药的高富集能力和选择性。在优化的条件下，所提出的MSPE与气相色谱—荧光检测器(GC-FPD)联用技术显示出良好的线性关系(R2≥0.999 0)和对有机磷农药的低检测限(0.7～3.0 μg/kg)。此外，该方法成功地用于添加蔬菜样品中有机磷农药的定量，回收率在87%～121%，相对标准偏差小于8.9%。

图6 Fe3O4@COF@Zr4+纳米复合材料的示意制备工艺及其在磁性固相萃取中的应用[32]

Lu等[33]合成了一种具有核壳结构的含硝基的功能化MCOFs材料Fe3O4@TpBD-(NO2)2，并建立了一种基于Fe3O4@TpBD-(NO2)2的MSPE与高效液相色谱—紫外检测器(HPLC-UV)联用的，检测莴苣和黄瓜样品中6种新烟碱类杀虫剂残留的灵敏方法，如图7所示。试验表明，其在0.1～30.0 ng/mL范围内具有良好的线性，检出限为0.02～0.05 ng/mL(信噪比S/N=3)。将此法用于6种新烟碱类杀虫剂，其富集系数高达170～250，回收率在77.5%～110.2%，结果令人满意。

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

Li等[34]通过可控原位生长法制备了核壳型MCOFs材料Fe3O4@COF(TpBD),并将其作为磁性固相萃取吸附剂用于同时测定水果和市售果汁中的5种苯并咪唑残留。试验结果表明，该方法与HPLC-UV联用，在0.01～0.20 μg/mL范围内对痕量苯并咪唑的定量检测是灵敏有效的，检测限和定量限分别小于2.9，9.7 ng/mL。将该方法应用于水果和果汁样品，回收率为85.3%～102.3%，相对标准偏差小于8.6%，是一种很有潜力的用于实际样品中苯并咪唑测定的新型吸附剂。

2.2 兽药残留检测

兽药残留通常存在于鸡蛋、肉品、奶品等食品中。此类食品富含脂肪、蛋白质等基体成分，而传统前处理技术往往存在步骤多、操作难和无法有效降低基体成分干扰致使的检测结果不佳的缺点[44]。将MCOFs与常规前处理方法结合则可有效提高兽药残留分析的准确性。

Guan等[35]采用简单的溶剂热法合成了以Fe3O4纳米粒子为磁芯，1,3,5-三甲酰基间苯三酚和对苯二胺通过席夫碱反应合成的COF(TpPa-1)为壳层的一种具有核壳结构的MCOFs复合材料COF(TpPa-1)@Fe3O4，并与HPLC-UV联用，建立了牛奶样品中痕量6种氟喹诺酮类药物(依诺沙星、氟罗沙星、氧氟沙星、诺氟沙星、培氟沙星和洛美沙星)残留的高灵敏分析方法。结果表明，在最优条件下，该方法的检出限为0.05～0.20 μg/L，加标回收率为90.4%～101.2%，是一种有效的MSPE吸附剂。

Liu等[36]以磁性Fe3O4纳米粒子为核，TbBd为壳，进一步修饰羧基，成功构建了一种新型MCOF复合材料Fe3O4@TbBd-COOH，如图8，并在其作为磁性固相萃取吸附剂的基础上，与高效液相色谱—串联质谱法(HPLC-MS/MS)联用，对肉类样品中7种磺胺类药物进行了富集和检测。结果表明，该方法在痕量肉类样品中磺胺类药物方面具有良好的线性关系，测定系数(R2)≥0.998 4，加标回收率在85.34%～102.61%，有显著的灵敏度(LODs在0.1～0.4 μg/kg范围内)和令人满意的重现性(相对标准偏差小于6.9%)。

图8 Fe3O4@TbBd-COOH的制备工艺及其在磁性固相萃取中的应用[36]

此外，Liu等[37]还通过用沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)代替羧基对Fe3O4@TbBd进行修饰，重新得到了一种新型MCOF复合材料Fe3O4@TbBd@ZIF-8，如图9所示。试验发现，该Fe3O4@TbBd@ZIF-8复合材料对镇静剂具有良好的选择性，作为MSPE吸附剂，可高选择性、高效地富集肉类中的镇静剂残留。采用HPLC-MS/MS检测，该方法在0.03～70.00 μg/kg范围内线性良好(相关系数R2在0.998 2～0.999 9)，灵敏度高(检出限在0.04～0.20 μg/kg)，精密度高(相对标准偏差小于5.5%)。

图9 核壳磁性复合微球Fe3O4@TbBd@ZIF-8的合成及其在镇静剂富集中的应用[37]

2.3 有机污染物检测

有机污染物污染存在于食品生产、加工、运输和贮存的全过程。它们具有高毒性(可致癌)、强生物积累性和长期残留性，可以在食物链中富集传递最终对人体造成伤害[45]。有机污染物在食品中同样具有浓度低和基质复杂的特点，而MCOFs的应用则有效降低了食品中其他基质干扰，快速地富集食品中的有机污染物，提高了分析结果的准确性。

Li等[38]通过溶剂热法合成Fe3O4@COF(TpBD)复合材料，利用Fe3O4@COF(TpBD)材料与内分泌干扰物(EDCs)之间的π—π相互作用和氢键，开发了一种从不同肉类样品(包括鸡肉、猪肉和虾)中富集EDCs的高效方法。在优化条件下，所得Fe3O4@COF(TpBD)材料对内分泌干扰物具有良好的萃取性能，线性度好(R2≥0.998 6)。此外，该方法经加标肉类(包括鸡肉、猪肉和虾)验证，准确度令人满意，平均回收率在89.6%～108.9%，相对标准偏差小于6.3%。

Zhang等[39]通过原位生长法制出一种氟化磁性共价有机框架Fe3O4@TpPa-F4，并开发了基于此复合材料的氟化磁性固相萃取(FM-SPE)和HPLC-MS/MS技术联用的前处理方法，用于检测牛奶样品中的超痕量全氟化碳，如图10所示。在优化的参数下，所开发的方法在0.1～250.0 ng/L的范围内显示了6种全氟化碳的良好线性，相关系数R2=0.995 2，相应的检出限为0.005～0.050 ng/L(S/N=3)。此外，该方法还进一步应用于不同品牌和包装的牛奶样品，其中发现超痕量全氟化碳的质量浓度为10.36～729.34 ng/L。

图10 牛奶样品中的Fe3O4@TpPa-F4制备和FM-SPE过程示意图[39]

Liang等[40]通过将磁性纳米粒子填充到碳纳米管内部，并在外部沉积共价有机骨架壳，制成了海参状MCOF复合材料CTC-COF@MCNT，如图11。该复合材料对炸鸡和烤牛肉样品中杂环芳族胺表现出优异的吸附能力。MSPE与超高效液相色谱—串联质谱法(UHPLC-MS/MS)联用测定结果显示，建立的方法表现出宽线性范围和高灵敏度，检出限为0.005 8～0.025 0 ng/g。

图11 CTC-COF@MCNT的合成过程[43]

2.4 毒素检测

赭曲霉毒素是在黄曲霉毒素后又一个引起世界广泛关注的霉菌毒素，包括7种具有类似结构的化合物，其中毒性最大、分布最广、与人类健康关系最密切的是赭曲霉毒素A。马甜甜等[24]通过共价键合将COF材料TpBD修饰在磁性Fe3O4纳米粒子表面，制备出磁性Fe3O4@TpBD复合材料，如图12所示。在最优萃取条件下(萃取时间5 min，吸附剂用量5 mg，溶液pH为6，体积比为8∶10∶1∶1的甲醇∶乙腈∶甲酸∶水混合溶液作为解析溶剂，解析体积0.5 mL)，采用SMPE/HPLC检测，赭曲霉毒素A在啤酒、白酒以及醋中的检出限(S/N=3)和定量限(S/N=10)分别为0.05，0.17 μg/L，回收率为82.2%～106.1%，循环使用7次后萃取效率仍能保持在85.5%以上。

图12 Fe3O4@TpBD的制备及其MSPE流程[24]

2.5 包装中有害物质检测

塑料因价格便宜、性能良好而在食品包装领域得到广泛应用。但是塑料内的一些化合物，如邻苯二甲酸酯、双酚类物质等，具有强烈的生殖与发育毒性和致癌性，且会通过与食品的接触而迁移到食品内部，从而会对人体健康产生威胁[46-47]。食物基质复杂且塑料包装中迁入食品的有害物质的量有限，传统前处理技术往往不能准确地测定其结果，而将MCOFs与常规前处理方法结合则可有效解决这一问题。

Lu等[41]制备了一种新型的COFs功能化亲水磁性石墨烯材料magG@PDA@TbBd，如图13所示，并将其作为一种独特的磁性固相萃取基质与气相色谱—质谱联用仪共同应用于包装牛奶样品中9种邻苯二甲酸酯的检测分析。结果显示，在优化条件下，所制备的复合材料对50～8 000 ng/mL范围内的邻苯二甲酸酯有良好的线性关系(R2≥0.999 0)和可靠的回收率(为91.4%～105.2%)，检出限为0.004～0.020 ng/mL。

图13 magG@PDA@TbBd的合成示意图[41]

邓泽慧[42]在室温下制备了具有核壳结构的MCOFs微球TAPB-TPA-COFs@Fe3O4，如图14，并将其作为磁性固相萃取的吸附剂应用到检测不同塑料包装的茶饮料中4种酚类内分泌干扰物(壬基酚、辛基酚、双酚A和双酚AF)中。HPLC-FLD检测发现，优化后的MSPE方法在0.05～1 000.00 ng/mL的质量浓度范围内拥有良好的线性关系，R2≥0.995，检出限为0.08～0.21 ng/mL，回收率为81.3%～118.0%，且该MCOFs可重复使用20次以上而没有显著萃取效率的损失。

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

3 展望

磁性共价有机骨架材料具有选择性好、抗基体干扰能力强、重复性好、操作简单方便等优点，易于与多种仪器联用，可有效提高食品中痕量目标物分析的灵敏度和准确性。但是现阶段有关磁性共价有机骨架材料的研究仍处于发展和理论时期，在实际应用过程中还未得到大规模应用。未来关于磁性共价有机骨架材料的研究，可以考虑以下几个方面：

(1) 制备技术优化。磁性共价有机骨架材料是一个新兴的多学科交叉的研究领域，涉及有机、无机、物理、材料等诸多学科，制备出稳定性好、富集效果优、可重复使用且对自然和人体安全无毒的磁性共价有机骨架材料是未来研究的重点。

(2) 与人工智能结合，实现产品标准化、自动化。在智能化时代，将磁性共价有机骨架材料的制备与人工智能有机联系起来，可实现磁性共价有机骨架材料的标准化、自动化生产，以此可减少试验误差，也可进一步扩大磁性共价有机骨架材料的应用面。

(3) 拓展新种类，开发新技术，实现现场检测。可进一步拓展磁性共价有机骨架材料的种类和键合方式，同时开发新的基于磁性共价有机骨架材料的前处理技术与后续现场快检技术的联用，以实现现场食品安全分析的快速、准确检测。