分子印跡固相萃取技術(shù)在食品有害物質(zhì)分析中的應(yīng)用

呂瑞鶴 萬鄭凱 何 娟

(1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州,450001;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,河南鄭州,450001)

分子印跡固相萃取技術(shù)在食品有害物質(zhì)分析中的應(yīng)用

呂瑞鶴1萬鄭凱2何 娟1

(1.河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州,450001;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,河南鄭州,450001)

固相萃取是對樣品富集、分離的一種有效方法,因而得到廣泛應(yīng)用。分子印跡是近些年發(fā)展起來的新技術(shù),由于分子印跡聚合物具有高的選擇性,被應(yīng)用于環(huán)境、藥物、生物、食品等樣品的分析。本文介紹了固相萃取和分子印跡技術(shù)的原理以及兩者結(jié)合用于固相萃取的過程,對近10年來國內(nèi)外分子印跡固相萃取技術(shù)在檢測食品中農(nóng)藥和獸藥殘留方面中的應(yīng)用、分子印跡固相萃取技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題以及將來的發(fā)展進行了展望。

分子印跡聚合物 固相萃取 食品安全分析 在線 離線

在分析實際樣品過程中,由于樣品預(yù)處理過程復(fù)雜,所耗費的時間較長,因此在整個分析過程中最有可能出現(xiàn)誤差和錯誤。目前,樣品預(yù)處理過程常用的方法有液-液萃取(Liquid-Liquid Extraction,LL E)和固相萃取(Solid-Phase Extraction,SPE)。SPE是從溶液中萃取和分離分析物的一種技術(shù),是作為補充或取代LL E而發(fā)展起來的。與LL E相比,由于其具有操作簡單、使用靈活、回收率高、處理的樣品體積小、消耗溶劑少、易于自動化等優(yōu)點,被許多實驗室和分析工作者所采用。SPE是一個柱色譜分離過程,其分離機理、吸附劑和溶劑的選擇等方面與高效液相色譜(HPLC)有許多相似之處。根據(jù)吸附劑性質(zhì)不同,SPE吸附劑可分為正相吸附劑(硅藻土、硅膠、氧化鋁、硅酸鎂等),反相吸附劑(C8、C18等)和離子吸附劑。另外還有一些特殊吸附劑如免疫、聚合物吸附劑等。常用的吸附劑由于缺乏選擇性,對復(fù)雜的環(huán)境、生物體系中的樣品很難進行分離,而免疫吸附劑雖然選擇性好,但由于操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差、合成周期長、價格昂貴等缺點,所以它的應(yīng)用在一定程度上受到限制。隨著環(huán)境、生物等復(fù)雜體系樣品的增多,分析工作者急需一種克服上述缺陷的新型吸附劑,而分子印跡聚合物 (Molecularly Imprinted Polymers,MIPs)恰好可以滿足這一需求。

1 分子印跡固相萃取原理

用分子印跡聚合物裝填的固相萃取柱叫分子印跡固相萃取柱(MISPE),分子印跡聚合物是一種新興的分子識別材料,它模擬自然界存在的分子識別作用,如酶與底物、抗體與抗原等特異性識別機制,人工制備的具有對“模板分子(待分離、識別的分子)”選擇性結(jié)合位點的聚合物,由于它預(yù)識別能力較高,穩(wěn)定性較好,制備方法簡單,成本低,潛在的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注[1]。在作為SPE吸附劑時,MIPs一般有下面幾種合成方法:本體聚合[2]、原位聚合[3]、懸浮聚合[4]、多步溶脹聚合[5]等。其中本體聚合是傳統(tǒng)的制備MIPs的方法中最常見和使用最廣泛的。即將模板、功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和溶劑加入反應(yīng)器中,混合溶液中通入氮氣除氧,然后密封。聚合以后,合成的塊狀聚合物需通過研磨、篩分,得到適當(dāng)?shù)腗IPs顆粒。通過溶劑洗脫或在一定條件下水解除去模板分子,聚合物中就留下了空穴,其大小、形狀及留下來的結(jié)合位點與原來模板分子完全匹配,這樣的空穴便可以與混合物中待分離的分析物進行可逆的特異性結(jié)合,從而達到分離、純化、富集的目的[6]。

MIPs作為SPE的吸附劑可以彌補普通吸附劑選擇性差的不足,而且要比免疫吸附劑的穩(wěn)定性好,還可以重復(fù)使用多次,因此在復(fù)雜環(huán)境、生物等體系中少量物質(zhì)的分離富集以及藥物的純化方面都表現(xiàn)出很好的應(yīng)用。

MISPE的操作模式分為在線模式(on-line)和離線模式(off-line)。在線模式指的是將MISPE柱與其它儀器相連。目前MISPE采用最多的還是離線模式,這種模式比在線操作簡單,可選用的溶劑較多,因此有更高的富集倍數(shù)和較好的選擇性。離線模式一般分為4個部分:活化(conditioning)、上樣(loading)、淋洗(washing)、洗脫(eluting)。

2 MISPE食品安全分析中的應(yīng)用

近年來,食品安全性問題日益突出。食品中農(nóng)藥、獸藥殘留嚴(yán)重危害人民的健康,世界各國均在積極制定相關(guān)法令政策及研發(fā)更為快速、準(zhǔn)確、靈敏的檢測方法。許多食品樣品的基體和組成相當(dāng)復(fù)雜,被分析物處于痕量狀態(tài),易受到干擾,樣品前處理方法已成為食品安全分析關(guān)鍵步驟。近幾年MISPE方法越來越多地應(yīng)用于食品中化合物的富集、分離,研究對象包括食品中殺蟲劑和藥物的殘留,食品中的風(fēng)味物質(zhì)以及添加劑。

2.1 食品中藥物殘留方面分析

食品中的農(nóng)藥殘留含量一般都很低,上機分析前就必須對其進行提取和富集操作,分子印跡固相萃取柱具有特異性和親和性,可克服樣品體系復(fù)雜、預(yù)處理繁雜等不利因素,提高分析儀器的檢測能力。

Chap uis等[7]報道了以特丁津和莠滅凈為模板分子,采用低溫紫外引發(fā)制備印跡聚合物,用該聚合物裝填3mL固相萃取柱,能從復(fù)雜基質(zhì)葡萄酒和土壤中選擇性萃取加標(biāo)莠去津及其代謝物,與免疫親和層析柱(Immunosorbents IS)的分離、凈化、富集效果比較,結(jié)果表明兩者的液相圖譜分離效果相當(dāng),在10-8級檢測中,均能達到基線平穩(wěn)、定量準(zhǔn)確。

Tamayoa等人[8]用分子印跡技術(shù)檢測蔬菜中殘留的苯基脲類除草劑,采用硅膠為犧牲載體的新方法合成分子印跡聚合物,以異丙隆和利谷隆作模板分子,以甲基丙烯酸(MAA)和三氟甲基丙烯酸(TFMAA)作功能單體,加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、偶氮二異丁氰(A IBN)和無水甲苯,再加入有孔硅膠,劇烈搖動使聚合物混合物滲透至硅膠孔內(nèi),采用熱引發(fā)制備聚合物,最后用甲醇抽提除去模板分子。用該聚合物裝填 HPLC柱可直接檢測蔬菜樣品中的苯基脲類除草劑,檢測限可達0.1μg/g。

2.2 食品中獸藥殘留方面的分析

獸藥殘留分析樣品中基質(zhì)復(fù)雜、干擾物質(zhì)多,樣品基質(zhì)和待測組分具有不確定性。待測物的樣品前處理和檢測是藥物殘留分析的2個基本主題?，F(xiàn)階段獸藥殘留的檢測工作逐漸簡化,而樣品前處理越來越成為分析過程中的關(guān)鍵。MISPE使獸藥殘留分析的前處理邁上一個新臺階。

氯霉素是一種有效的廣譜性抗生素,它可當(dāng)作人體藥物和獸藥使用,但是不當(dāng)使用也可能導(dǎo)致使用者中毒。Schirmer等人[9]檢測蜂蜜及其他蜂產(chǎn)品中的氯霉素時,用氯霉素為模板分子,MAA為功能單體,用 EDMA作交聯(lián)劑、AIBN為引發(fā)劑和氯仿為溶劑,于60℃熱引發(fā)24 h制得分子印跡聚合物,用該聚合物裝填固相萃取柱對蜂產(chǎn)品中氯霉素進行富集,用RP-HPLC定量檢測,該方法對氯霉素的檢測限能達0.1μg/mL。

Baggiani等[10]研究了用MIPs用作固相萃取柱中的吸附材料來分離純化葡萄酒中的嘧啶胺類殺菌劑。分子印跡聚合物用有孔氯珠為基質(zhì),用MAA為功能單體,以EGDMA為交聯(lián)劑制備印跡聚合物并作為固相萃取柱的填料,分離富集紅酒中的殺菌劑嘧霉胺,分離純化后用 HPLC檢測,該方法能選擇性地檢測出嘧霉胺,而非嘧啶胺類如苯霜靈,克氯得及其他結(jié)構(gòu)類似物均未檢出,檢測限能達0.1μg/mL。

De Prada等[11]研究了一種在線MISPE過程用來選擇性富集和伏安法測定牛奶中衡量的磺胺甲基嘧啶,通過實驗得到的濃縮因子為45。這種方法的檢測限低于國際食品法典委員會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(牛奶中磺胺甲基嘧啶的最大殘留量25 mg/L),因此可以定量的檢測牛奶中的磺胺甲基嘧啶殘留。

2.3 食品中有害添加物質(zhì)物質(zhì)及生物毒素的分析

食品中的有害物質(zhì)除了農(nóng)藥和獸藥殘留,還有食品添加劑和禁用物質(zhì)的違規(guī)添加。蘇丹紅Ⅰ屬于偶氮類化工染色劑,其化學(xué)衍生物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均具有致癌性,因此在食品中禁止使用。2004年,歐盟開始要求禁止進口摻有蘇丹紅的辣椒產(chǎn)品。Puoci等[12]建立一個簡單的MISPE方法從食品中預(yù)富集痕量的蘇丹紅Ⅰ,結(jié)果表明當(dāng)使用 HPLC不能檢測到蘇丹紅Ⅰ時,MISPE是一個有效地檢測痕量蘇丹紅的方法。

周文輝等[13]采用以三聚氰胺為模板分子合成了對三聚氰胺具有較好選擇性的分子印跡聚合物。以該分子印跡聚合物為固相萃取材料填充固相萃取小柱,可以從奶粉、純牛奶等奶制品中選擇性地分離、富集三聚氰胺,并有效地去除奶制品中的復(fù)雜基質(zhì),取得了良好的效果。對奶粉和液態(tài)奶提取液的加標(biāo)回收率分別為91%～103%、93%～98%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)分別為719%和 111%。該分子印跡聚合物還有望用于其它奶制品的分析。

Maier等[14]用MISPE方法來檢測紅酒中的致癌物質(zhì)毒汁菌素赭曲霉素,他們發(fā)現(xiàn)非印跡聚合物與MIPs對模板分子具有相類似的選擇性,并且將NIPs代替MIPs作為SPE的吸附劑來避免模板分子的流出。

Zhou等[15]發(fā)明了一種在線MISPE-PE方法,使用熒光檢測器來快速檢測小麥中的赭曲霉素A,每一個分析過程低于5分鐘。而且,MISPE-PE與LC/MS聯(lián)用可以對赭曲霉素A進行快速的定性和定量分析。

3 MISPE的存在問題及展望

雖然MISPE在復(fù)雜環(huán)境體系的分析中顯示了其優(yōu)越性并取得了很大進展,但是仍然存在一些問題有待解決。具體表現(xiàn)為以下幾方面:(1)結(jié)合位點的作用機理、傳質(zhì)機理仍不清楚,從分子水平上更好地理解分子識別過程仍需開展大量工作;(2)目前MIP在合成后模板分子滲漏現(xiàn)象難以得到根本解決,限制了MIT在痕量分析中的實際應(yīng)用。解決此問題的有效方法是采用替代模板聚合法。以后在MIP制備方法上需進行更多探索性工作;(3)印跡聚合的過程和MIPs的應(yīng)用一般在有機溶劑中進行,這與天然的分子識別過程大多發(fā)生在水溶液中相矛盾,因此將印跡過程和識別過程從有機相向水相的轉(zhuǎn)化仍是個難題。

MISPE極大提高了固相萃取的選擇性,簡化了樣品前處理,但該技術(shù)仍不很完善。如其容量不夠大,富集倍數(shù)不夠高;識別能力受上樣溶劑影響較大,在水溶液中選擇性較差;結(jié)合位點的非均一性和低傳質(zhì)效率阻礙萃取效率和選擇性的提高;分子印跡萃取劑的種類有限等。MISPE應(yīng)在以下幾方面完善發(fā)展:(1)新型分子印跡固相萃取劑的研究;(2)加強與其他樣品前處理技術(shù)的融合滲透;(3)將MISPE與其他分離檢測方法如毛細管電泳、免疫分析、生物傳感器等結(jié)合是未來MIT在獸藥殘留分析中應(yīng)用研究的熱點;(4)食品的安全問題還包括包裝材料的有害物質(zhì)遷移到食品中。包裝材料的有害物質(zhì)向食品遷移極大地危害了人民的健康,因此有害物質(zhì)的遷移越來越受到關(guān)注[16],對遷移到食品中的有害物質(zhì)的分析將成為一個熱點。

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Application of Molecular Imprinting Solid Phase Extraction Technique in Food Safety Detection

LvRuihe1,WanZhengkai2,HeJuan1
(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,HenanZhengzhou450001,China;2.CollegeofScience,HenanAgriculturalUniversity,HenanZhengzhou450001,China)

Solid phase extraction is an effective method to enrich and separate samples.Molecularly imprinted Polymers with high selectivity are applied in the areas of environment,drugs,organisms,food,etc.The principles of solid phase extraction and molecularly imprinted polymers and the operation procedure of solid phase extraction using molecularly imprinted polymers as the sorbents are introduced.The correlative papers published about applications of molecularly imprinted solid phase extraction in determination herbicide and獸藥 residue are discussed,including recent advances and the problems.

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