磁固相萃取在乳及乳制品安全檢測中的應用進展

陳 潔，張叢蘭，左祥莉，楊登想，劉 齊,*

（1.湖北大學知行學院糧食與食品工程學院，湖北 武漢 430011；2.湖北大學知行學院生物與化學工程學院，湖北 武漢 430011）

乳及乳制品在膳食結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位，其食品安全問題也尤為受到關(guān)注。乳及乳制品的安全檢測項目主要包括外源性有毒有害物質(zhì)（如農(nóng)獸藥殘留、污染物、非法添加物）、食品添加劑、重金屬元素等理化檢測和微生物檢驗。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，乳與乳制品的檢測越來越多地借助于各類精密儀器。現(xiàn)代儀器分析基本可以分為樣品前處理單元、組分分離單元、組分檢測單元，其中樣品前處理起著至關(guān)重要的作用[1]。在選用樣品前處理方法時，是否能最大限度地去除測定的干擾物、被測組分的回收率是否高、操作是否簡便、成本是否低、是否影響檢測人員健康和環(huán)境、應用范圍是否廣泛等都是前處理方法需要考慮的因素。在諸多前處理方法中，固相萃取具有富集倍數(shù)較高的優(yōu)點，主要被應用于成分組成復雜的樣品中被檢測物質(zhì)的富集和分離，以此來提高檢測的靈敏度。但是，作為一種普及的萃取方法，固相萃取也有一定的缺點：在對大體積的樣品進行分析時，吸附劑的消耗量會大大增加，而且樣品過多時操作復雜且耗費時間較長；如果被測樣品不是純液體，而是膠體或者含有小顆粒固體物質(zhì)時，固相萃取柱可能被堵塞；在對某些分析時間較長的樣品進行萃取時，為了能使樣品溶液快速通過固體吸附劑，需要外部施加較高的壓強，從而增加了試驗操作步驟，使檢驗過程變得繁瑣。近十幾年，各種新型材料被越來越多地開發(fā)并作為吸附劑應用于固相萃取中，其中磁性材料的出現(xiàn)備受研究者們的青睞。以磁性材料作為吸附劑的固相萃取被稱為磁固相萃取，該技術(shù)的出現(xiàn)克服了上述固相萃取的缺點。對分離富集領(lǐng)域而言，磁固相萃取的應用將是該領(lǐng)域的一座里程碑。

1 磁性固相萃取技術(shù)簡介

1.1 磁性固相萃取的原理

固相萃取（Solid-phase extraction，SPE）也稱固相提取，是利用“選擇性吸附”和“選擇性洗脫”的液相色譜分離原理的萃取方式，其過程可分為吸附和洗脫兩個過程。固相萃取法的萃取劑是固體，其萃取體系包括具有一定官能團的固體吸附劑（稱之為固相）以及樣品和溶劑組成的液相，通過待測組分與共存的干擾組分在固相萃取劑上作用力強弱不同，從而使它們彼此分離。當復雜的樣品溶液在正壓、負壓或重力作用下通過吸附劑時，吸附劑會通過極性相互作用、疏水相互作用或離子交換等作用力選擇性地保留目標化合物和少量與目標化合物性質(zhì)相近的干擾物，其他組分則透過吸附劑流出，然后用另一種洗脫能力較強的溶劑體系選擇性地把目標物洗脫下來，從而實現(xiàn)對復雜樣品的分離[2]。SPE 的主要優(yōu)點是使用方便，時間快，一般只需少量的萃取溶劑。為了提高樣品分析的選擇性，SPE 方法與紫外可見分光光度法、高效液相色譜法、氣相色譜法、質(zhì)譜法等方法相結(jié)合使用，尤其針對含有大量油脂和蛋白質(zhì)等成分的復雜基質(zhì)樣品時，具有成本低、分析能力強、樣品分析結(jié)果準確等優(yōu)點[3-4]。

磁固相萃取（Magnetic solid phase extraction，MSPE），是以磁性或可磁化的材料作為吸附劑的固相萃取技術(shù)。在MSPE 過程中，磁性吸附劑不直接填充到吸附柱中，而是被添加到樣品的溶液或者懸浮液中，將目標分析物吸附到分散的磁性吸附劑表面，在外部磁場作用下，目標分析物隨磁性吸附劑一起遷移，最后用合適的溶劑洗脫被測物質(zhì)，從而與樣品的基質(zhì)分離開來。磁性萃取材料相較于常規(guī)的固相萃取材料而言，其比表面積更大，且不需要繁瑣的裝柱過程，可以直接加入樣品溶液進行萃取[5]。在萃取過程中可以完全均勻分散到樣品溶液中與被測物質(zhì)充分接觸，因此在低濃度的微量萃取中只需要較短的平衡時間和少量的吸附劑。相比一般固相萃取的吸附劑，磁性萃取材料有超順磁性，當無外加磁場作用時幾乎不表現(xiàn)磁性，吸附過程完成后，通過外加磁場使表面吸附有被測物質(zhì)的磁性萃取材料能迅速吸附到容器壁上，達到固體與液體的快速分離，不需要其他的過程，因此極大縮短了常規(guī)分析時所需要的時間，使得磁固相萃取比其他固相萃取有較高的萃取效率和萃取能力。磁固相萃取可以單獨或與過濾、沉淀、溶劑交換聯(lián)合使用，用于樣品的前處理。

1.2 磁性固相萃取吸附劑的合成

用于磁性固相萃取吸附劑的材料通常是磁性納米復合材料，其結(jié)構(gòu)主要由磁核、涂層和改性物質(zhì)3部分組成。磁核一般由鐵、鈷、鎳及其氧化物等物質(zhì)構(gòu)成，最常見的是鐵氧化物，如四氧化三鐵和氧化鐵等，但純的鐵氧化物由于具有磁性很容易聚團，使原有磁性消失[6]。為了解決這個問題，需要在磁核的表面涂上合適的涂層。常用的涂層大致可分為有機涂層（如聚酰胺、殼聚糖等）和無機涂層（如二氧化硅、石墨烯等）。磁核表面的涂層不但可防止磁核被氧化，還可使磁核的磁性更加持久，磁性納米復合材料中的改性物質(zhì)也可以增強磁性固相萃取吸附劑的吸附能力[7]。

合成磁性納米顆粒（Magnetic nanoparticles，MNPs）的常用方法有溶劑熱合成法、水熱法、化學共沉淀法、熱分解法、微乳液法、溶膠-凝膠法等。化學共沉淀法是將二價鐵鹽和三價鐵鹽按比例混合加入堿性沉淀劑反應；溶劑熱合成法常將水合三氯化鐵、無水乙酸鈉、乙二醇以及乙二胺按照一定的比例進行混合，并給予合適的溫度和壓力使其發(fā)生反應，其中乙二醇作溶劑和還原劑，乙二胺作沉淀劑，乙酸鈉提供靜電斥力以控制粒徑；熱分解法多采用有機金屬前驅(qū)體在高溫高壓下反應；溶膠-凝膠法以金屬鹽為原料，水解轉(zhuǎn)化為溶膠，再脫去小分子后縮合形成凝膠；微乳液法借助表面活性劑的作用，使三價鐵均勻地分散在熱力學穩(wěn)定且不相溶的水相和油相中，逐漸加入適量的堿而形成MNPs。

制備的磁性納米顆粒通過修飾改性增強其吸附能，可以使用二氧化硅殼層、碳殼層、有機聚合物殼層、金屬氧化物殼層等對其包覆修飾[8]。如碳納米管修飾磁性納米顆粒利用的是碳材料本身的吸附性和官能團的疏水性以及共軛結(jié)構(gòu)等使得磁性納米復合材料對于被富集物的吸附作用更加牢固，從而得到更好的富集效果。離子液體的修飾作用也是研究熱點，離子液體有良好的溶解性，在無機化合物和有機化合物中都可以溶解，從而提高磁性納米復合材料的分散性，具有低揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性的特點使離子液體在磁性材料的表面改性修飾中占據(jù)了重要地位[9]。

2 磁固相萃取在乳及乳制品安全檢測中的應用進展

2.1 抗生素檢測

液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法和高效液相色譜法（HPLC）盡管，精度和靈敏度高，但色譜法需要使用復雜的設(shè)備并對操作人員的技術(shù)要求較高，而且色譜法分析前樣品制備過程冗長且復雜。利用新型的二維親水相互作用色譜/反相液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜系統(tǒng)（2DHILIC/RP-MS/MS）分析乳制品中的β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類、氨基糖苷類、苯甲酚類、喹諾酮類和磺酰胺類7 類20 種抗生素殘留，奶粉和牛奶樣品檢出限和定量限分別為0.10～2.40 μg/kg 和0.33～7.92 μg/kg[10]。該法通過建立二維2D-HILIC/RP-MS/MS 系統(tǒng)，并增加了流速可變的泵，對儀器的要求較高。采用磁性固相萃取方法結(jié)合高效液相色譜法對牛奶中的四環(huán)素類進行檢測，檢出限和定量限可達1.8～2.9 μg/L 和6.1～9.79 μg/L，且只需采用HPLC-UV 檢測，吸附材料可循環(huán)使用15 次以上[11]。將MSPE 與高效液相-二極管陣列檢測器（HPLC-DAD）結(jié)合，測定牛奶中四環(huán)素類和青霉素類抗生素，定量限達到了8.09～9.63 ng/mL[12]。Fu 等[13]、李兆乾[14]、Tolmacheva 等[15]和李亞珍[16]分別采用MSPE 與HPLCMS、HPLC 聯(lián)用檢測了牛奶中的磺胺類抗生素。其中MSPE 與高效液相-安培檢測器（HPLC-AD）結(jié)合使用，回收率在92%～105%，相對標準偏差在6%～10%，檢測限2.0～2.5 ng/mL，具有高的準確性和低的檢測限，且吸附劑可以重復使用不少于5 次[15]。磁固相萃取還用于喹諾酮類抗生素[17-18]、莫昔克丁（MOX）驅(qū)蟲藥類[19]的檢測。MSPE 還可與熒光光譜法結(jié)合檢測喹諾酮類藥物，具有低的檢出限和定量限[14]。

2.2 真菌毒素檢測

在真菌毒素測定樣品的前處理方法中，SPE 常用于目標分析物的提純和預濃縮，填料是SPE 柱的關(guān)鍵，SPE 萃取劑雖然分離效率高，但選擇性強的分離材料成本高，且操作時費時費力。MSPE 可以通過施加外部磁場將目標分析物輕松從大體積樣本中分離出來。Shuib 等[20]使用高效液相色譜-柱后光化學衍生和熒光檢測法測定牛奶中的黃曲霉毒素M1，檢測限和定量限分別為2 ng/L 和4 ng/L。利用離子液體改性的磁性沸石咪唑酸鹽骨架ILM/ZIF-8 磁性材料吸附牛奶樣品中的黃曲霉毒素（AFB1、AFB2、AFG1和AFG2），采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UHPLC-MS/MS）檢測，檢出限和定量限分別為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為前處理可以省去親和層析柱的消耗，無需采用柱后衍生。核-殼聚（多巴胺）磁性納米顆粒與HPLC-MS 結(jié)合，可用于玉米赤霉烯酮類真菌毒素的測定[22]。

2.3 農(nóng)藥殘留檢測

在色譜分析中，樣品中農(nóng)藥殘留的提取和凈化是至關(guān)重要的。凈化是將待測物與提取液中的干擾物分離的步驟，一般樣品的提取與凈化常常一步完成，提取與凈化的界限已十分模糊，但對于在樣品中含量很低的待測成分，往往在完成提取后還需凈化這一步。其中SPE 是常用的柱色譜凈化方法。而采用MSPE則可以提取、凈化同步完成。采用基于C18 功能化的磁性二氧化硅納米顆粒作為吸附劑測定牛奶樣品中的20 種有機氯農(nóng)藥，沉淀蛋白質(zhì)后，通過超聲處理將Fe3O4@SiO2@C18 納米顆粒分散在牛奶樣品中進行MSPE[23]。結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜檢測，得出檢出限為0.1～0.3 μg/L、定量限為0.2～0.9 μg/L，與報道采用超聲法提取加上濃硫酸凈化處理方法得到的檢出限和定量限接近，且大大簡化了前處理過程，吸附劑材料可重復使用3 次。

2.4 塑化劑檢測

鄰苯二甲酸酯（PAEs）在環(huán)境樣品中的殘留量極低，加之樣品基質(zhì)的干擾嚴重，通常利用現(xiàn)有的儀器進行直接檢測較困難，需要在儀器分析前對樣品中的PAEs 進行富集。前處理采用MSPE 方法具有萃取時間短、相分離速度快、有機溶劑消耗少等優(yōu)點。于玲等[24]以磁性氧化石墨烯（Fe3O4/GO）作為新型凈化劑改進傳統(tǒng)QuEChERS（Quick、Easy、Cheap、Effective、Rugged、Safe）方法對乳制品樣本進行預處理，有機溶劑用量少，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜檢測16 種鄰苯二甲酸酯，檢出限為0.5～2.5 μg/kg，定量限為2.0～7.5 μg/kg，磁吸附操作取代了從傳統(tǒng)QuEChERS 方法中的離心，縮短了樣品前處理時間。吳娟娟[25]以納米團鐵膠體溶液作為磁源合成的磁性碳球（MSC）吸附劑用于牛奶樣品中3 種PAEs（鄰苯二甲酸二烯丙酯（DAP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、鄰苯二甲酸二丙酯（DPRP））的分離富集，結(jié)合HPLC-UV 檢測，檢出限為0.1～0.2 ng/mL。

2.5 污染物檢測

采用基于C18 功能化的磁性二氧化硅納米顆粒（Fe3O4@SiO2@C18）作為吸附劑，結(jié)合GC-MS 檢測牛奶樣品中的6 種多氯聯(lián)苯，得到檢出限為0.1～0.3 μg/L、定量限為0.2～0.9 μg/L，與超聲提取加濃硫酸凈化的處理方法得出的檢出限和定量限水平接近，但前處理過程得到簡化[23]。每份牛奶樣品只需2 mL甲酸和125 μL 乙腈提取劑，2.3 mL 正己烷解析劑，大大降低了有機試劑的消耗，該吸附劑還可循環(huán)使用。MSPE-GC-MS 方法用于測量食用牛奶和奶粉中的16 種多環(huán)芳烴（PAHs），檢出限和定量限分別在0.040～0.075 μg/kg 和0.121～0.227 μg/kg之間[26]。初次提取后，磁性固相萃取的吸附劑可省去多步SPE 工藝，消除多步色譜柱洗脫程序的需要。

從近年MSPE 技術(shù)在乳制品安全檢測中的應用概況（表1）可以看出，當前MSPE 技術(shù)主要應用于抗生素殘留、真菌毒素、持久性環(huán)境有機污染物、塑化劑等檢測中，檢測方法主要是色譜法和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法。

表1 MSPE 技術(shù)在乳及乳制品安全檢測中的應用Table 1 Application of MSPE technology in safety detection of milk and dairy products

續(xù)表1 MSPE 技術(shù)在乳及乳制品安全檢測中的應用Continue table 1 Application of MSPE technology in safety detection of milk and dairy products

3 總結(jié)與展望

近十幾年的時間內(nèi)，磁性納米材料作為一種新型材料備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注，并將磁性納米材料應用于固相萃取中。目前磁固相萃取技術(shù)在環(huán)境科學、細胞分離、藥物轉(zhuǎn)運、食品科學等許多領(lǐng)域都體現(xiàn)出了良好的應用前景，并且取得了較理想的應用效果。近年來，磁固相萃取在檢測乳制品等組分復雜的樣品處理中得到了越來越多的應用，如藥物殘留、有機物污染的檢測等。對食品基質(zhì)復雜的樣品進行檢測，采用磁固相萃取作為微量甚至衡量物質(zhì)分析的前處理過程，檢出限低，回收率適宜，且具有操作方法簡單，過程快速便捷的優(yōu)點，更易于被普及和推廣。當前磁固相萃取技術(shù)的應用還處于發(fā)展階段，在食品尤其是乳制品安全檢測中應用的時間還不夠長，且影響磁固相萃取效果的因素比較多，如吸附劑的種類及用量、溶液pH 值、萃取時間，萃取溫度等，因此在試驗過程中往往需要對萃取條件進行優(yōu)化。另外，提高磁固相萃取吸附劑材料的循環(huán)使用次數(shù)也是今后的研究方向之一。