固相萃取技術(shù)在磺胺類藥物殘留分析中的研究進(jìn)展

張艷梅，錢珊珊，趙志勇，鄂恒超，范婷婷，李曉貝，陳 磊，董 慧，周昌艷，趙曉燕*

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，上海 201403；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海)，上海 201403；3.中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所 生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

磺胺類藥物(Sulfonamides，簡(jiǎn)稱SAs)是具有對(duì)氨基苯磺酰胺結(jié)構(gòu)的一類藥物的總稱。SAs于1908年被首次合成，后來被廣泛用作染料生產(chǎn)的中間體，德國(guó)化學(xué)家G.Domagk于1932年首次發(fā)現(xiàn)其抗感染作用，隨后10年又發(fā)展出一系列SAs，如磺胺吡啶、磺胺嘧啶等。目前人工合成的SAs衍生物已達(dá)到10 000多種，常用的SAs的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。SAs效價(jià)高、抗菌譜廣、毒性小且使用方便[1]，在大型畜禽養(yǎng)殖業(yè)中常被作為飼料添加劑用于預(yù)防、治療動(dòng)物疾病以及促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)。但SAs的不合理使用會(huì)導(dǎo)致其通過肉類食品在人體內(nèi)蓄積，給人體造成各種潛在危害。且SAs存在嚴(yán)重副作用和潛在的致癌性，其耐藥性問題也日益嚴(yán)重。因此，各國(guó)對(duì)食品中SAs的最高殘留量均有明確規(guī)定，國(guó)際食品法典委員會(huì)(CAC)規(guī)定食品和飼料中SAs的總量不得超過0.1 mg/kg；歐盟規(guī)定動(dòng)物源食品中SAs總的最大殘留量為100 μg/kg[2]；我國(guó)除了規(guī)定總殘留量不超過100 μg/kg外，還規(guī)定牛乳中磺胺二甲嘧啶的殘留量不超過25 μg/kg[3]。

圖1 常用的幾種SAsFig.1 Several common SAs

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)SAs的檢測(cè)方法做了大量研究。高效液相色譜法(HPLC)[4-5]和高效液相色譜-質(zhì)譜法(HPLC-MS)[6-9]由于選擇性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為最廣泛使用的檢測(cè)方法。由于SAs普遍存在于基質(zhì)非常復(fù)雜的食品、土壤和農(nóng)產(chǎn)品中，且樣品中目標(biāo)組分含量低，化學(xué)特性復(fù)雜，干擾物多，因此，目標(biāo)組分的提取、凈化及濃縮等步驟必不可少。樣品前處理一般應(yīng)滿足以下要求：(1)能夠從復(fù)雜的樣品中將目標(biāo)物富集并得到良好的回收率；(2)通過凈化能有效地去除干擾物，減少基質(zhì)干擾和系統(tǒng)污染；(3)步驟簡(jiǎn)單、易操作。目前廣泛采用的凈化技術(shù)包括加壓液體萃取(PLE)、基質(zhì)固相分散(MSPD)、QuEChERS、固相萃取(Solid phase extraction,SPE)，而SPE在生物、食品和環(huán)境分析中已逐步取代了液液萃取[10]。SPE具有以下優(yōu)勢(shì)[11]：可最大限度地降低溶劑使用，綠色環(huán)保；選擇性和靈敏度高，方便使用，節(jié)省時(shí)間；成本低；可與不同檢測(cè)手段兼容。

常用于SAs的固相萃取材料有HLB、C18、Oasis MCX，這些材料雖然較為通用，但對(duì)SAs缺乏選擇性和特異性。快速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用的整體柱材料、磁性材料、分子印跡材料、共價(jià)有機(jī)骨架材料等新型材料能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的高選擇性和高特異性地識(shí)別、萃取和富集，并具有較高的吸附能力和穩(wěn)定性；同時(shí)研制的各種SPE裝置也變得更加小型化，更易操作[12]。本文重點(diǎn)介紹了近年來基于整體柱材料、磁性材料、分子印跡材料、共價(jià)有機(jī)骨架材料等新型材料發(fā)展的固相萃取技術(shù)，包括移液槍頭式固相萃取、磁性固相萃取、分子印跡固相萃取、管內(nèi)固相萃取和其他固相萃取模式，并總結(jié)了它們?cè)赟As殘留分析中的研究進(jìn)展，如表1所示。

表1 固相萃取技術(shù)用于SAs殘留分析的實(shí)例Table 1 Examples of solid phase extraction for residue analysis of SAs

(續(xù)表1)

sulfanilamide(SA),sulfadiazine(SD),sulfathiazole(STZ),sulfamerazine(SM),sulfamethazine(SMZ),sulfameter(SME),sulfamethoxypyridazine(SMP),sulfamonomethoxine(SMM),sulfachloropyridazine(SCP),sulfadoxine(SDO),sulfamethoxazole(SMX),sulfisoxazole(SSA),sulfadimethoxine(SDM),sulfaquinoxaline(SQX),sulfachloropyrazine(SPZ),sulfapyridine(SPD),sulfamethizole(SMTZ),sulfadoxine(SDX),sulfisoxazole(SIZ),sulfadimethoxine(SDM),sulfadiazine(SDZ),sulfamerazine(SMR),sulfamethizol(SMT),sulfadiazine(SDZ),sulfathiazole(ST),sulfaquinoxaline(SQ),sulfisoxazole(SIA),sulfamethyldiazine(SM1),sulfamethazine(SM2)

1 移液槍頭式固相萃取(Pipette tip solid phase extraction，PT-SPE)

PT-SPE是將吸附劑填入移液槍頭中，從而使得固相萃取更加小型化并讓分析變得更加環(huán)境友好。PT-SPE是目前最受關(guān)注的固相萃取方法，主要是因?yàn)槠湫枰奈讲牧陷^少，明顯減少了有機(jī)溶劑的用量，節(jié)約了成本[46]。該方法簡(jiǎn)單易行，不需要額外的特殊儀器，待富集物質(zhì)的轉(zhuǎn)移分配機(jī)理與傳統(tǒng)的 SPE 大致相同。該方法洗脫后的溶液無需真空濃縮，可直接用于LC 或 MS分析。移液槍頭可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣、定量、凈化和富集，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)前處理方法操作復(fù)雜、有機(jī)溶劑用量大、目標(biāo)物易損失等技術(shù)缺陷[47-48]。

目前已經(jīng)發(fā)展了幾種商業(yè)化的槍頭，包括 OMIX(Varian)、MonoTip(GL Science)、 ZipTip(Millipore)、 NuTip(Glygen)、Hyper-Sep Tip(Thermo Fisher)、Stage Tip(Proxeon Biosystems)等，主要用于痕量藥物檢測(cè)和蛋白組學(xué)研究[49-51]。Shen等[13]以HLB材料作為固相基質(zhì)分散(Matrix solidphase dispersion，MSPD)填料，將目標(biāo)樣品與MSPD填料研磨混勻后裝入200 μL移液槍頭，組裝成PT-MSPD裝置，再結(jié)合LC-MS/MS對(duì)水產(chǎn)品中的14種SAs進(jìn)行了定量檢測(cè)。Liu等[14]將合成的一種由低共熔溶劑(DESs)修飾的氧化石墨烯作為綠色吸附材料，結(jié)合PT-SPE快速提取并檢測(cè)了河水中的磺胺甲基嘧啶。Yan課題組[15]以石墨烯作為吸附劑，利用100 μL移液槍頭，制備了石墨烯-移液槍頭固相萃取裝置，將其用于環(huán)境水中SAs的萃取，回收率為90.4%～108%。隨后，他們以改進(jìn)的方法制備出石墨烯材料，并結(jié)合石墨烯-移液槍頭固相萃取對(duì)牛奶樣品進(jìn)行處理，建立了牛奶中SAs殘留的檢測(cè)方法[16]。相比于傳統(tǒng)的固相萃取材料，比如C18、HLB、SCX、PCX、多壁碳納米管，1 mg的石墨烯材料能夠容納10 mL的樣品量，極大地提高了待測(cè)物質(zhì)的吸附量。Qi等[17]基于氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)制備了一款PT-SPE小柱，結(jié)合HPLC檢測(cè)，建立了蜂蜜和牛奶樣品中SAs殘留的檢測(cè)方法，回收率為62.3%～109%。Yan等[18]通過兩步法合成了SNW-1@PAN納米纖維，將12.5 mg SNW-1@PAN裝在1.0 mL移液槍頭尖端，組裝成PT-SPE小柱，用于豬肉和雞肉中5種SAs的檢測(cè)分析。由于SNW-1的芳香環(huán)和二嗪環(huán)與SAs中的芳香環(huán)具有較強(qiáng)的π-π相互作用，使得SNW-1@PAN對(duì)SAs具有較強(qiáng)的萃取效果，回收率為86.0%～111%。Chen等[19]通過在MOF(NH2-MIL-68)表面進(jìn)行原位反應(yīng)合成了雜化MOF@COF材料，并將其填充在200 μL槍頭中。該材料具有較強(qiáng)的π-π相互作用和親水相互作用，使得其對(duì)SAs具有較強(qiáng)的萃取能力和吸附能力。聚合物整體柱由于具有原位制備、通透性好，傳質(zhì)阻力低、表面易于改性等優(yōu)點(diǎn)，近年來在固相萃取介質(zhì)等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[52-53]。

2 磁性固相萃取(Magnetic solid phase extraction，M-SPE)

將磁性納米粒子(Magnetic nanoparticles，MNPs)作為吸附劑選擇性地吸附樣品溶液中的目標(biāo)物發(fā)展而來的M-SPE，被廣泛地應(yīng)用于食品安全檢測(cè)中[54-56]。MNPs是一種超順磁性的納米物質(zhì)，可以被磁場(chǎng)吸引，且在去除磁場(chǎng)后不保留殘余磁性。因此，可以利用磁場(chǎng)將附著在目標(biāo)分析物上的MNPs從原基質(zhì)中移除，且在磁場(chǎng)移除后不會(huì)凝聚[57]。MNPs用于固相萃取，不需要填充在柱子中，顯著節(jié)省了時(shí)間，相比于傳統(tǒng)的SPE，極大地簡(jiǎn)化了樣品處理過程[55,57]。該方法在樣品前處理過程中具有明顯優(yōu)勢(shì)：MNPs通過吸附解吸對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行處理，可重復(fù)使用；表面積大，能夠提高樣品的吸附量；表面可以進(jìn)行官能團(tuán)修飾，增加目標(biāo)物的選擇性；操作簡(jiǎn)單,快速省時(shí)，可避免離心過濾等實(shí)驗(yàn)操作。

張仟春等[21]采用微波輻射懸浮聚合法制備了磁性微球，建立了磁性聚合物微球萃取富集/高效液相色譜-紫外聯(lián)用測(cè)定5種SAs的分析方法，其在豬肉和雞肉樣品中的加標(biāo)回收率分別為78.8%～97.6%和89.8%～108%，能夠滿足復(fù)雜樣品中痕量SAs的分析檢測(cè)需求。王澤嵐等[22]制備了多層核殼聚苯胺硅磁復(fù)合物(Fe3O4@ SiO2@ PANI)，通過構(gòu)建表面疏松的多層核殼復(fù)合材料，充分暴露纖維狀 PANI 表面官能團(tuán)，以增強(qiáng)其對(duì)痕量目標(biāo)物的識(shí)別能力，并用于選擇性萃取和富集牛奶樣品中4種痕量的SAs，該方法選擇性好、靈敏度高、背景干擾低，適用于乳制品中痕量SAs的測(cè)定。吳姍姍等[23]在磁性二氧化硅(Fe2O3@SiO2)內(nèi)外表面分別接枝甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA)和甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，酸解后最終制備出磁性反相限進(jìn)材料Fe2O3@SiO2-SMA-GMMA，并將其作為固相萃取的填料，結(jié)合HPLC建立了牛奶和牛血清中SAs的檢測(cè)方法。近年來，一些新型的磁性復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于SAs殘留檢測(cè)的前處理中[24-31]。Wang等[25]和Li等[26]合成了Fe3O4@GO磁性納米材料作為M-SPE的吸附劑，將GO與Fe3O4相結(jié)合制得的吸附劑材料與目標(biāo)物之間既能產(chǎn)生強(qiáng)的 π-π 相互作用又能產(chǎn)生氫鍵相互作用，實(shí)現(xiàn)了磺胺的高效富集。劉小燕等[28]以一步法合成了離子液體磁性石墨烯(IL@MGO)，制備的M-SPE材料能夠重復(fù)使用9次，適用于水體中SAs的分析。Tolmacheva等[29]利用超交聯(lián)聚苯乙烯(HCP)和Fe3O4磁性納米粒子，制備了一種新型的磁性納米復(fù)合材料，成功地用于水樣和牛奶樣品中4種磺胺藥物殘留的檢測(cè)分析。Xia等[30]合成了介孔結(jié)構(gòu)的Fe3O4@ JUC-48納米復(fù)合材料作為M-SPE吸附劑，該材料具有獨(dú)特的形貌，較大的比表面積，高磁性，開放的吸附位點(diǎn)和高化學(xué)穩(wěn)定性，可快速有效地從復(fù)雜生物樣品(如雞肉，豬肉和蝦)中萃取SAs。Li等[31]合成了基于石墨烯的磁性納米復(fù)合材料(CoFe2O4-graphene，CoFe2O4-G)，并首次將其用于SAs的前處理中，該材料經(jīng)丙酮和純水清洗后可重復(fù)使用。

3 分子印跡固相萃取(Molecularly imprinted solid phase extraction,MI-SPE)

分子印跡技術(shù)(Molecular imprinting technique，MIT)基于模擬抗原-抗體的識(shí)別機(jī)理，對(duì)模板分子表現(xiàn)出特殊選擇性和良好的識(shí)別能力，在色譜分離、固相萃取、生物傳感、催化和藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[58]。SAs分子的磺酰胺基和對(duì)苯胺基均具有非共價(jià)鍵作用位點(diǎn)，既可作為氫鍵受體，與氫原子作用形成穩(wěn)定的復(fù)合物；又可作為氫鍵供體，與電負(fù)性較強(qiáng)的N和O原子作用，當(dāng)磺胺藥物分子作為模板分子時(shí)，非常容易實(shí)現(xiàn)分子自組裝和識(shí)別作用。

梁雨濤等[32]采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合與片段印跡技術(shù)相結(jié)合的方法合成的印跡聚合物對(duì)SAs的吸附量為1.48 mg/g。Qin等[33]以SMR、SMZ和SMX3種模板分子和2-乙烯基吡啶(2-VP)、MAA和AM3種功能單體，制成了9種MIPs材料和3種NIPs，結(jié)果顯示SMR和2-VP制成的MIPs對(duì)分析的5種SAs具有較強(qiáng)選擇性，富集因子(EF)為411～506。該課題組[34]進(jìn)一步選取SMR和SMZ作為復(fù)合模板分子，并以2-VP為功能單體，結(jié)果顯示雙模板-功能單體分子間的多位點(diǎn)協(xié)同作用優(yōu)化了聚合物的印跡孔穴，使之對(duì)多種磺胺藥物均表現(xiàn)出較強(qiáng)的親和力和選擇性。另外，為了提高M(jìn)I-SPE的萃取選擇性，該課題組[35]以Fe3O4/CS 為載體，SMZ和SMX為復(fù)合模板分子，采用表面法制備得到具有核殼式結(jié)構(gòu)的 Fe3O4/CS@MIP磁性MIP吸附材料，并將其轉(zhuǎn)移至聚丙烯SPE小柱，獲得了較強(qiáng)的吸附能力(QSMX=4.32 mg/g，QSMZ=4.13 mg/g)、較好的選擇性(kSMX=3.52，kSMZ=3.83)和較快的萃取速度(9 min)。Wang等[36]合成了一種能同時(shí)識(shí)別8種氟喹諾酮類、8種磺胺類和4種四環(huán)素類藥物的混合模板分子印跡聚合物，并以該聚合物作為吸附劑建立了一種基質(zhì)固相萃取方法，實(shí)現(xiàn)了豬肉中20種藥物的提取、檢測(cè)和分析，回收率為74.5%～103%。近年來，智能型的高分子聚合物作為分子印跡材料被廣泛報(bào)道，筆者所在團(tuán)隊(duì)前期對(duì)此部分內(nèi)容已進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)[59]。

4 管內(nèi)固相萃取(In-tube solid phase extraction,IT-SPE)

IT-SPE由Eiisert和Pawlisyzn在1997年首次提出[60]，通常是在石英毛細(xì)管柱內(nèi)壁涂上固定相或在柱內(nèi)填充/原位聚合介質(zhì)，所以又被稱作毛細(xì)管固相萃取。IT-SPE具有較大的比表面積，可以縮短達(dá)到萃取平衡的時(shí)間，且通過增加鍵合在管壁的萃取相的厚度或者增加毛細(xì)管長(zhǎng)度和內(nèi)徑，可使富集倍數(shù)大大提高。按照固定相的形式，IT-SPE可分為開管柱SPE、填充柱SPE和整體柱SPE。目前應(yīng)用較為廣泛的是聚合物整體柱萃取技術(shù)(Polymer monolith microextraction，PMME)，該技術(shù)采用管內(nèi)聚合整體材料的毛細(xì)管作為萃取介質(zhì)，具有雙連續(xù)結(jié)構(gòu)和雙孔分布，集萃取、凈化、富集于一體，無需溶劑萃取，具有操作簡(jiǎn)單、快速、富集倍數(shù)高等特點(diǎn)。相比于其他形式的固相萃取，IT-SPE更易與其它分離儀器或檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、小型化、高通量等。

馮鈺锜課題組以聚(甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯)毛細(xì)管整體柱作為萃取裝置，建立了雞蛋中SD和SMZ殘留量的PMME/HPLC檢測(cè)方法[37]，并進(jìn)一步將建立的PMME技術(shù)應(yīng)用到雞肉、牛奶、蛋中SAs的多殘留檢測(cè)[38-39]。賈瓊課題組[40]制備了γ-MAPS接枝的NaTiNTs化學(xué)改性的聚(甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整體柱，建立了以此整體柱為分離富集介質(zhì)的PMME-HPLC/DAD方法，并對(duì)蜂蜜樣品中的8種磺胺類物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。Zhao等[41]設(shè)計(jì)出一種芯片IT-SPE，即在芯片萃取通道內(nèi)合成嵌入石墨烯的多孔聚合物整體柱作為SPE萃取相，并與無鞘流液式微流控芯片電泳聯(lián)用富集分離了3種SAs。

5 其他固相萃取(Other solid phase extraction，other SPE)

作為一類新型多孔晶體材料，金屬有機(jī)骨架(MOFs)和共價(jià)有機(jī)骨架材料(COFs)因具有多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大的比表面積和可調(diào)的孔徑，在樣品前處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[61]。Jia等[42]采用溶劑熱合成方法制備了金屬有機(jī)骨架/氧化石墨烯(MIL-101(Cr)@GO)，并將其作為吸附劑應(yīng)用于MSPE萃取牛奶中的痕量SAs。王欣梅等[44]以三聚氰胺/鄰苯二甲醛共價(jià)有機(jī)骨架材料作為SPE吸附劑，填充在3 mL的SPE空柱里，再結(jié)合UPLC-MS/MS，建立了環(huán)境水樣中6種SAs殘留的檢測(cè)方法，樣品加標(biāo)回收率為82.5%～105%。此外，將SPE與不同分析儀器在線聯(lián)用[62-63]是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。周嬋媛等[45]通過酸化法制備了氧化海泡石(O-Sep) 功能化材料，將其填充于聚醚醚銅(PEEK) 制成的 2.0 mm 內(nèi)徑微柱中，構(gòu)建了在線萃取裝置，建立了O-Sep在線微固相萃取/高效液相色譜聯(lián)用分析方法(O-Sep/μ -SPE/HPLC)，并用于環(huán)境水樣中3種SAs的分析。

6 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了幾種SPE在SAs殘留檢測(cè)分析中的研究進(jìn)展。SAs具有不易降解的特點(diǎn)，消費(fèi)者食用SAs的殘留動(dòng)物源性產(chǎn)品可能會(huì)產(chǎn)生抗藥性。因此，SAs殘留的檢測(cè)分析備受關(guān)注，發(fā)展操作簡(jiǎn)便、萃取效果好的SPE方法顯得尤為重要。筆者認(rèn)為，SPE在SAs分析中的研究可以朝以下幾方面發(fā)展：(1)繼續(xù)發(fā)展一些新型智能化材料，如MOFs@GO等雜化材料、MIP材料、原位聚合的整體柱材料等，其中MIP材料需要重點(diǎn)解決其模板分子泄露的問題，實(shí)現(xiàn)SAs的特異性和高效性富集；(2)發(fā)展新型萃取模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的快速和高通量富集；(3)研制相關(guān)萃取解析裝置，將SPE與不同分析儀器在線聯(lián)用，更好地發(fā)揮SPE在樣品前處理中的作用。