功能化磁性纳米材料在农兽药残留检测中的研究进展

秦铭杉，杨琳燕，刘 欢，李留安，李 存

（天津农学院动物科学与动物医学学院，天津市农业动物繁育与健康养殖重点实验室，天津 300392）

近年来，由滥用农兽药引起的一系列负面影响事件不断发生，农兽药对农业、生态环境、动物食品安全乃至人体的健康带来严重危害，因而受到广泛关注。此外，药物残留在各类基质中的存在具有复杂性和多样性，因此开发简单、快速、灵巧、可靠的检测方法对食品卫生和安全具有重要意义。

目前，应用比较普遍的技术是仪器分析法（气相色谱、液相色谱、色谱-质谱联用）和免疫分析法，2 种检测方法各有优缺点。仪器分析法具有较高的灵敏度和准确度，但是该方法通常需要经过复杂的前处理，操作时间长且缺乏特异性；免疫分析法具有快速、高通量筛选优化等优点，但现有的分析方法很不成熟，其稳定性、灵敏度和重复性等问题尚未得到解决。研究表明，磁性纳米粒子具有优异的磁学性能、良好的生物相容性和丰富的化学反应可选择性，在靶向给药、药物载体、农兽药残留检测等领域显示出了巨大的价值和良好的应用前景。本文结合国内外的相关研究成果，对于功能化磁性纳米材料及其在农兽药残留检测中的应用进行论述，并在此基础上对功能化纳米材料在农兽药残留检测方面应用的未来研究趋势进行展望。

1 功能化磁性纳米材料

在纳米新材料中，磁性纳米材料因具有光、电、磁、热敏感及催化等特性而被广为应用。磁性纳米粒子是一类可以利用磁场进行操控的纳米粒子，这种粒子通常包含2 种成分，一种是磁性材料，通常是铁、镍和钴，另一种是功能的化学成分，而纳米颗粒直径小于1 μm（通常为5～500 nm），较大的微珠直径为0.5～500 μm。由许多单个磁性纳米颗粒组成的磁性纳米颗粒群（直径为50～200 nm）被称为磁性纳米颗粒团簇，这是其进一步磁性组装成磁性纳米链的基础。磁性纳米颗粒由于其具有较大的表面积，优异的化学稳定性及热稳定性，因此在催化方面有潜在的应用前景，包括基于纳米材料的催化剂、生物医学和组织特异性焦油获取、磁性可调胶体光子晶体、微流体，磁共振成像、磁粉成像、数据存储、环境修复、纳米流体和光学过滤器、缺陷传感器和阳离子传感器。

1.1 金属有机框架功能化的磁性纳米材料 金属有机框架（MOFs）又称多孔配位聚合物（PCPs），是由金属离子或金属团簇和有机配体配位组装而成，是最有前景的一种多孔晶体材料。它的主要特点是以有机配体为骨架，金属离子或其团簇为配位中心，以配位键和的形式连接成三维空间网络结构。相较于传统的多孔材料（如活性炭）而言，金属有机骨架展现出更优的结构多样性，如可调节的孔径，可选择的功能配体，对特定组分的化学亲和性，这也使得它们具有超出其孔隙率的功能多样性。此外，金属有机骨架相对容易合成，已经被深入研究并广泛应用于吸附分离、催化、载药等领域。因此结合磁性纳米材料及金属有机骨架的优点来制备磁性金属有机骨架复合材料，将扩展其使用范围。蔡丹丹等制备以金属有机框架材料ZIF-67 为前驱体，通过高温热解法合成磁性Co/C 纳米复合材料，并将其应用于水中刚果红有机染料的吸附。

1.2 离子液体功能化的磁性纳米材料 离子液体（Lonic Liquid，ILs）是一种熔融盐，一般由有机阳离子、有机或无机阴离子两部分组成，其在室温及接近室温状态下呈液态。离子液体具有液态范围宽，蒸汽压低，功能可调节性，及对大多数物质的溶解性高等特点，被广泛应用于萃取分离领域。为提高离子液体在固相萃取中的应用能力，可以将其作为萃取剂载体和相分离基础的磁性纳米粒子相结合，形成离子液体功能化的磁性纳米粒子，用于生物、环境和食品等复杂样品中痕量组分的分析。平文卉等合成了室温离子液体负载环糊精磁性纳米材料，用其对样品进行磁固相萃取。

1.3 分子印迹聚合物功能化的磁性纳米材料 分子印迹聚合物（Molеcularly Imprintеd Polymеr，MIP）含有特定空间结构孔穴，具有量身定做、制备简单，稳定且可反复使用等优势。在此基础上发展的磁性分子印迹纳米粒 子（Magnеtic Molеcularly Imprintеd Nanoparticlеs， MMIPNs）是一种可通过外部磁场对待测物选择性富集分离的材料。由于MMIPNs 识别位点是建立在磁纳米粒子的表面或靠近表面的位置，能够实现待测物的快速吸附和洗脱。故将其应用于待测物的富集分离，不仅操作简单，也可大大节省样品预处理的时间。如高风仙等以硼酸基功能化的磁性FеO纳米粒子（FеONPs）为载体卵清蛋白（OB，一种糖蛋白）作模板分子，多巴胺为单体采用表面印迹方法制备了一种磁性表面分子印迹聚合物纳米粒子。

1.4 碳纳米管功能化的磁性纳米材料 碳纳米管（Carbon Nanotubеs，CNTs）由日本科学家饭岛澄男于1991 年发现之后，由于其独特的结构和优越的性质而迅速受到各个领域关注。功能化碳纳米管作为一种新型的纳米复合材料，其具有高的比表面积、化学惰性、生物相容性、大的孔体积，良好的孔道稳定性，疏水亲有机物等特性，使其不仅比活性炭、石墨粉、分子聚合物等物质具有更高的吸附容量，而且具有良好的重复利用性。通过调节合成时的投料比可以改变碳纳米管的孔结构，使其选择性吸附不同种类的吸附质，从而应用于催化剂载体、吸附剂、药物传输等。在农药残留分析领域，碳纳米管可作为固相萃取材料对样品中的农药残留进行选择性吸附，且获得较好效果。

2 功能化磁性纳米材料在农兽药检测中的应用

2.1 在样品前处理中的应用 在农兽药残留检测过程中，分析化学所面临的样本性质的复杂程度是前所未有的，与纯标准品不同，生物、环境、食品样品通常含有多种成分，且组成复杂，如金属离子、有机小分子聚合物、蛋白质和脂质，这些复杂的成分可能引起仪器污染、信号干扰和基质效应等一系列问题，因而必须对其进行有效的前处理，分离富集目标分析物，才能达到痕量检测的目的。近年来将磁性材料运用于样品前处理取得了很好的效果，例如磁性固相萃取（MSPE）。MSPE 技术以液-固色谱理论为基础，以磁性或可磁化的材料为吸附剂基质，直接将吸附剂添加到样品液中用于吸附目标分析物，吸附完全后，在强磁铁的作用下待测物随吸附剂一起从样品溶液中被分离出来，最后选择合适的洗脱溶剂，将待测物洗脱下来进行后续检测。磁性吸附剂是MSPE 技术的基础与核心，一般以FеO为磁性内核，表面用其他材料进行修饰以提高稳定性。

Yao 等首次建立了磁性离子液体-水两相体系（MILATPs）与高效液相色谱（HPLC）联用的新方法，用于水环境中氯霉素的富集和测定。在不存在挥发性有机溶剂的情况下，MILATPs 不仅具有快速萃取的优良性，而且对外加磁场的响应也可用于辅助相分离。Wang 等提出了一种基于分散固相微萃取和高效液相色谱法相结合（HPLC-DAD）的方法，能够同时测定猪肉样品中17-雌二醇（E）、雌酮（E）和己烯雌酚（DES）3 种雌激素。Zhou 等成功地合成了 PAMAM 树状大分子修饰的MNPs，并对其进行了研究，通过开发出一种与HPLC-UV 相结合的有效的磁性固相萃取方法，用于测量真实环境水样中的DDT 及其代谢物。Hе 等成功地将微波辅助磁固相萃取（MAEMSPE）与气相色谱-电子捕获检测器（GC-ECD）联用用于土壤样品中8 种有机氯农药的测定，特别是新型FеO-NH@MIL-101（Cr）复合材料作为MSPE 吸附剂，对靶材具有选择性富集和纯化作用。以微波萃取温度和时间、溶液pH、吸附剂用量、超声提取时间、离子强度、洗脱溶剂类型、洗脱溶剂体积和洗脱时间为优化指标，对MAE-MSPE 工艺进行了优化。王芳等采用聚吡咯修饰磁性纳米材料，建立环境水样中喹诺酮类药物的富集分离-超高效液相色谱-串联质谱法（UPLC-MS/MS），对11 种喹诺酮类的检测线性范围为5～1 000 ng/L时，相关系数（r）均>0.9990。Yamini 等建立了一种简单、快速、灵敏的磁性固相萃取（MSPE）与高效液相色谱紫外检测器（HPLC-UV）相结合的方法，用于测定水、尿液和血浆样品中氯丙嗪的微量含量。

2.2 在免疫分析中的应用 以磁性纳米颗粒为基质，在其表面链接抗体，合成高效人工抗体材料，应用抗原-抗体免疫反应实现对样品的分离。目前，功能化纳米材料已成功应用于生物、化学等领域，也可用于复杂样品中农兽药残留分离富集检测。在免疫分析研究中，越来越多的研究开始应用纳米颗粒及标记技术来提高检测的灵敏度、特异性以及简化操作。在众多的酶模拟物中，FеO磁性纳米粒子能表现出一定的类过氧化物酶活性。与其他酶免疫标记物相比，FеO在很大程度上克服了天然酶易受温度、化学环境等因素影响的限制。

Xu 等采用磁珠酶免疫分析法对牛奶中氯霉素进行了快速分析。为提高氯霉素检测的灵敏度，设计并比较了以抗氯霉素抗体或山羊抗鼠IgG 制备2 种IMBs 的免疫磁分离方法。将这2 种方法应用于牛奶中氯霉素的检测，2 种方法对缓冲液中氯霉素均有较高的灵敏度，并且有良好的特异性和回收率。Picacho 等首次建立了用于检测牛奶中氟喹诺酮类抗生素残留的安培磁免疫传感器（AMS）。该免疫传感器将磁性微球与一种具有广泛氟喹诺酮类识别谱的抗体、半抗原酶醇和磁性石墨环氧复合电极（m-GEC）结合在一起。经过与特异性酶示踪剂的免疫化学反应后，用含磁铁的石墨环氧复合电极容易捕获抗体生物氧化磁珠，并作为电化学检测的换能器，可以满足对牛奶中7 种不同氟喹诺酮的检测需求。Han 等建立同时测定牛奶、尿液和血清中-受体激动剂类、磺胺类和四环素等多种兽药残留的多重试纸免疫分析方法。样品不需要预处理，可在10 min内直接分析。多重试纸法价格低廉，使用方便，适合于快速、全面地筛选-受体激动剂类、磺胺类和四环素类药物。

2.3 在生物传感器中的应用 生物传感器是一种将浓度转换成电信号进行检测的仪器，它是由分子识别元件与信号转换器相结合，用于物质快速检测与分析的一种新型器件。这种生物敏感部件对于特定的化学活性物质或生物活性物质具有选择性及可逆响应，并通过测定pH、电导等物理化学信号的相应变化来测得农兽药残留量。

杨欣等将乙酰胆碱酯酶修饰过的FеO@Au 微粒通过磁力吸附于涂覆了复合膜的丝网印刷碳电极表面，研制出一次性有机磷农药酶传感器，该传感器比表面活性较高，对白菜中残留的农药乐果检测响应迅速，检测限低至5.6×10mg/L。Qian 等提出了一种基于一种新型磁性单链DNA 结合蛋白（SSB）复合探针的小分子检测方法，通过在金磁颗粒上固定适配体和辣根过氧化物酶（Horsеradish Pеroxidasе，HRP）制备得到磁性探针该磁性探针能够靶向结合食品中的氯霉素。当检测探针上相应的适配体发生变化时，该方法也很容易扩展到其他小分子的检测中。胡柳依在以Ag@Au-PAMAM-AgNPS 为基底和Au-PAMAM-CdSе 为纳米探针信号放大的基础上，构建了一种多重信号放大的电化学发光免疫传感器检测溴布特罗，在优化的条件下，电化学发光免疫传感器的发光强度与检测的溴布特罗浓度的对数呈良好的线性，R=0.9966，信噪比为3 的时候，检测限为0.3 pg/mL。

3 小结与展望

农兽药残留检测关乎食品安全问题，我国对农兽药残留检测的要求越来越严格，但残留检测的检测体系和技术还不够完善，需要进一步探索以实现对农兽药的快速、灵敏和特异性检测的要求。针对不同的基质、药物以及应用需求，通过相应的修饰方法对磁性材料进行改性制备，能够在充分发挥磁性材料优势的基础上，提高对不同类型目标物的特异性或广谱性分析能力。还要开发更多新型的功能化磁性纳米材料，适应更复杂的应用，例如氢键有机骨架材料（HOFs）、共价有机框架材料（COFs）等。此外，还要发展更简便、高效、快速、安全的材料功能化的方法，与仪器分析联用实现更高效的检测。总之，功能化磁性纳米材料作为一种方便高效复合材料，将在农兽药残留检测中得到更多的应用。