固相萃取吸附材料在植物激素樣品前處理中的應(yīng)用新進(jìn)展

林舒婷, 丁青青, 張文敏,4, 張 蘭, 盧巧梅*

(1. 福州大學(xué)福建省高校測(cè)試中心, 福建 福州 350116; 2. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 福建 福州 350116; 3. 食品安全與生物分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350116; 4. 閩江師范高等專科學(xué)校化學(xué)與生物工程系, 福建 福州 350108)

植物激素(plant hormones, PHs)在植物生長(zhǎng)過程中發(fā)揮著重要作用,調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、發(fā)育及抗逆的各個(gè)過程。按照生理功能以及化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,PHs可分為生長(zhǎng)素類(auxin, Aux)、赤霉素類(gibberellins, GAs)、脫落酸(abscisic acid, ABA)、細(xì)胞分裂素類(cytokinins, CTKs)、乙烯(ethylene, ETH)、油菜素內(nèi)酯類(brassinosteroids, BRs)、獨(dú)腳金內(nèi)酯類(strigolactones, SLs)和茉莉酸類(jasmonic acids, JAs)等(基本信息見表1)[1,2]。據(jù)報(bào)道,Aux、CTKs、ABA、JAs等含量約1～100 ng/g FW(鮮重)之間,GAs低于0.1 ng/g FW, BRs含量最低(少于1 pg/g FW)[3]。同時(shí),各類PHs又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和官能團(tuán)差異,顯示不同的酸堿性。例如,酸性激素包括Aux、GAs、ABA、JAs、SA等幾大類,ETH、BRs和SLs總體表現(xiàn)為中性,CTKs由于帶有數(shù)目較多的氨基而表現(xiàn)為弱堿性。

鑒于植物內(nèi)源激素含量少,迫切需要高效靈敏的分析手段來準(zhǔn)確測(cè)定PHs濃度。液相色譜-質(zhì)譜系列技術(shù)(包括LC-MS、LC-MS/MS、UPLC-MS/MS)具有分離快速、鑒定準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),在有機(jī)物定性、定量檢測(cè)中應(yīng)用廣泛,已成為目前PHs高靈敏度分析、交叉作用研究的最主流方法[4～6]。

1 植物激素的樣品前處理方法

植物組織中PHs含量少且濃度范圍跨度大,又含有糖類、蛋白、色素等雜質(zhì)成分,分析前要選擇適當(dāng)?shù)奶崛　⒓兓透患襟E。根據(jù)“相似相溶原理”, 80%甲醇是PHs分析最常用的提取劑。用有機(jī)溶劑提取內(nèi)源激素時(shí),植物基質(zhì)中其他組分會(huì)被一并提取,故需要進(jìn)一步凈化。PHs的純化方法包括液液萃取、固相萃取和各種微萃取技術(shù)[7,8]。此外,PHs早期研究中,受到前處理方法、檢測(cè)儀器靈敏度等因素限制,常用到幾克甚至幾十克植物材料,這對(duì)于某些珍貴樣品不利,同時(shí)勢(shì)必要消耗更多的吸附材料和有機(jī)溶劑。

固相萃取技術(shù)(solid phase extraction, SPE)是PHs分離的經(jīng)典前處理方法[9],具有溶劑消耗少、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì),但傳統(tǒng)SPE小柱存在容易堵塞、操作耗時(shí)等不足?；赟PE類似原理,衍生發(fā)展了一些新技術(shù),包括基質(zhì)分散固相萃取(matrix solid phase dispersion extraction, MSPD)、分散固相萃取(dispersive solid phase extraction, dSPE)、磁性固相萃取(magnetic solid phase extraction, MSPE)、移液器尖端固相萃取法(pipette tip solid phase extraction, PT-SPE)、固相微萃取(solid phase microextraction, SPME)等改進(jìn)形式。上述方法在PHs樣品前處理中都有應(yīng)用。吸附劑材料是影響SPE系列方法萃取效率和選擇性的關(guān)鍵因素,也直接影響PHs檢測(cè)的回收率和靈敏度等重要指標(biāo)。

表 1 植物激素基本信息表

2 植物激素的固相萃取吸附材料

本文重點(diǎn)針對(duì)SPE及其有關(guān)技術(shù),討論碳基材料、有機(jī)骨架化合物以及選擇性更強(qiáng)的分子印跡聚合物、超分子化合物等幾類功能化吸附材料在PHs樣品前處理中的最新應(yīng)用。

2.1 碳基材料

碳元素存在許多同素異形體。碳納米管、石墨烯等材料具有比表面積高、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于功能化修飾等性能,作為PHs的固相萃取吸附劑研究非?；钴S。

2.1.1碳納米管

碳納米管(carbon nanotubes, CNTs)是由石墨片層以sp2雜化圍繞中心軸卷曲而成,有單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁碳納米管(multiwalled Carbon Nanotubes, MWCNTs)兩類。自1991年發(fā)現(xiàn)以來,CNTs就以其良好的機(jī)械強(qiáng)度、吸附能力和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)在樣品前處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[10]。

CNTs對(duì)有機(jī)物有很強(qiáng)的親和力,尤其對(duì)結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)、萘環(huán)的目標(biāo)物。Wang等[11]首次將MWCNTs用作SPE吸附劑來萃取豆芽樣品中IBA和NAA。實(shí)驗(yàn)選擇80 mg MWCNT吸附材料,1 mL甲醇-水溶液(90∶10, v/v)洗脫,結(jié)果表明,提取和凈化效果明顯優(yōu)于商品化C18-SPE小柱。該HPLC方法回收率大于81.4%,檢出限低至3.0 ng/mL。

固相微萃取(SPME)是一種非溶劑型微萃取技術(shù)。其中,中空纖維(hollow fiber, HF)膜保護(hù)萃取方式既能保證吸附材料免受復(fù)雜基質(zhì)的干擾,又能利用HF孔洞結(jié)構(gòu)提高目標(biāo)物萃取的選擇性。國(guó)內(nèi)師彥平課題組利用CNTs具有表面積大、吸附能力高的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用溶膠-凝膠技術(shù)和表面活性劑輔助分散法將CNTs固定在HF壁孔中,制備成一種新型的微萃取材料-碳納米管增強(qiáng)的中空纖維(CNTs-HF),用于一系列化合物的SPME萃取富集。在PHs應(yīng)用上,該課題組開發(fā)了基于β-環(huán)糊精修飾碳納米管的中空纖維固相微萃取技術(shù)(CNTs-β-CD-HF-SPME)[12]。與單純HF材料相比,CNTs-β-CD-HF材料孔洞結(jié)構(gòu)明顯減少,但該材料的富集效果和選擇因子卻非常理想,對(duì)NAA和2-NOA的富集倍數(shù)分別為275和283倍,遠(yuǎn)高于CNTs-HF材料(153和118倍)和常規(guī)HF材料(34倍和95倍),表明β-環(huán)糊精和CNTs的加入,增強(qiáng)了材料與目標(biāo)物之間的疏水作用和尺寸效應(yīng)。隨后,課題組又相繼提出碳納米管增強(qiáng)的中空纖維電膜萃取(CNTs-HF-EME)[13]。在該研究中,以電遷移作為萃取動(dòng)力來加快傳質(zhì)過程,加入CNTs有助于提高萃取性能和方法靈敏度,對(duì)番茄樣品中NAA和NOA進(jìn)行檢測(cè),樣品提取時(shí)間縮短至30 s。在前期研究的基礎(chǔ)上,又改進(jìn)提出了N摻雜碳納米管的中空纖維固相微萃取法(N-doped CNTs-HF-SPME)[14]。通過N摻雜引入了更多堿性位點(diǎn)和正電荷表面,對(duì)2種Aux的萃取效果順序?yàn)镹-doped CNTs-HF-SPME>CNTs-HF-SPME>HF-SPME,證實(shí)N摻雜碳納米管能改善萃取性能。

乙烯是唯一的一類氣態(tài)植物激素,具有調(diào)控果實(shí)成熟和葉片衰老的作用,也是一種被公認(rèn)為可安全處理農(nóng)產(chǎn)品的激素組分,在水果采摘前和收獲后都有廣泛應(yīng)用。CNTs材料在ETH檢測(cè)上有不少應(yīng)用[15～17]。2020年,Chen等[17]制備了一種基于單壁碳納米管的納米復(fù)合材料(Cu-Tm-coated MoS2/SCNT),用于實(shí)時(shí)檢測(cè)不同水果表面的ETH釋放量,檢測(cè)靈敏度低至0.1 ng/mL。

2.1.2石墨烯

作為一種新型二維碳納米材料,石墨烯(graphene, G)具有蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)[18]。G及其復(fù)合材料在樣品前處理中的應(yīng)用與CNTs類似,比表面積大、π-π相互作用強(qiáng)等特性使其對(duì)有機(jī)物表現(xiàn)出優(yōu)異吸附性。在吸附過程中直接使用G容易發(fā)生團(tuán)聚,故在實(shí)際應(yīng)用中,通過改性修飾來提高G材料的吸附選擇性和分散性。氧化石墨烯(graphene oxide, GO)作為石墨烯的重要衍生物之一,其制備過程大致如下:以Hummers及其改進(jìn)方法為例[19],反應(yīng)體系由石墨、NaNO3、KMnO4以及濃H2SO4組成,產(chǎn)物經(jīng)冷凍干燥、超聲處理后獲得GO。GO表面含有親水性含氧基團(tuán)(例如羧基、羥基等),更容易被結(jié)構(gòu)修飾。

Wang等[20]分別制備了SiO2、GO硅球(GO/SiO2)、三(吲哚基)甲烷復(fù)合GO硅球(Ntim-GO/SiO2)等3種材料作為SPE小柱的吸附劑,用于SA萃取。研究者發(fā)現(xiàn)Ntim-GO/SiO2與酸性目標(biāo)物之間存在更多的氫鍵和疏水作用位點(diǎn),同時(shí)Ntim與GO形成協(xié)同效應(yīng),因此萃取效果最高。將GO進(jìn)一步還原,獲得的還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, RGO)同樣含有少量含氧官能團(tuán),有利于提高吸附作用位點(diǎn)和制備成各種復(fù)合材料。Li等[21]采用化學(xué)共沉淀法制備磁性G,再將β-CD修飾到其表面,合成Fe3O4/RGO@β-CD作為MSPE技術(shù)的吸附劑?；讦?CD的主-客體分子識(shí)別能力,對(duì)具有吲哚環(huán)的IAA和IPA、具有萘環(huán)的NAA和2-NOA表現(xiàn)出理想的特異性吸附,選擇因子介于1.01～2.44之間。2018年,Chen等[22,23]合成類似材料,研究了蔬菜樣品中多種PHs的殘留情況。引入離子液體(ionic liquid, IL)可提供較多的氫鍵、疏水、靜電作用位點(diǎn),并顯著提高萃取效果。Cao等[24]制備Fe3O4@SiO2/GO/β-CD/IL復(fù)合材料,比表面積和孔體積分別為55.44 m2/g和0.22 cm3/g,孔徑平均為15.91 nm,萃取效果優(yōu)于Fe3O4@SiO2/GO、Fe3O4@SiO2/GO/β-CD以及Fe3O4@SiO2/GO/IL。隨著原位SPME發(fā)展,Fang等[25]制備了一種基于C18和二烯丙基二甲基氯化銨的氧化石墨烯(C18@GO@PDDA)復(fù)合材料,首次實(shí)時(shí)追蹤了鎘脅迫下蘆薈樣品中SA的濃度變化。

作為傳統(tǒng)SPE小柱的微型化改進(jìn)裝置,移液器尖端固相萃取法(PT-SPE)需要的吸附劑和有機(jī)溶劑量更少,更符合綠色化學(xué)要求。Wang等[26]采用Hummers方法,以GO、聚吡咯和過硫酸鉀等混合物合成了一種新型氧化石墨/聚吡咯(GO/Ppy)泡沫材料。加入聚吡咯能擴(kuò)大材料的比表面積、增加親水基團(tuán)。3.0 mg材料吸附填充于50 μL移液器槍頭中,經(jīng)過2.0 mL甲醇-氨水(80∶20, v/v)洗脫后進(jìn)行HPLC-DAD檢測(cè),3種Aux回收率大于89.4%。2018年,同課題組通過點(diǎn)擊化學(xué)制備了新型離子液體-硫醇-氧化石墨烯(IL-TGO)[27]作為PT-SPE吸附劑,加入硫醇和離子液體可防止石墨烯片聚集。方法對(duì)IAA、NAA和2,4-D的吸附量分別為21.7、41.8和30.7 μg/mg,萃取機(jī)理涉及離子交換、靜電、氫鍵和π-π堆積等多重作用。

dSPE技術(shù)于2003年首次提出[28],將吸附劑直接分散在樣品溶液中,具有萃取快速、樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn)。Zhang等[29]將氧化石墨烯SiO2納米復(fù)合材料(SiO2@GO)作為dSPE吸附劑,優(yōu)化了吸附劑用量、樣品溶液pH值、解吸溶液等參數(shù),最終在擬南芥、桃子等5種植物樣品中實(shí)現(xiàn)了4種Aux的快速提取純化。

磺化石墨烯(sulfonated graphene, SG)也可以避免單純G的團(tuán)聚現(xiàn)象,有效增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性。Ling等[30]將聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和SG組成的導(dǎo)電復(fù)合膜(PEDOT-SG)電化學(xué)沉積在碳纖維束上,基于SPME方法來提取JA和MeJA,富集倍數(shù)超過420倍。

2.1.3石墨炭黑材料

石墨炭黑(graphitized carbon black, GCB)是一類典型的疏水性材料,由炭黑在惰性氣體中高溫煅燒獲得?；贕CB能與植物葉綠素存在極強(qiáng)的π-π作用,故在PHs樣品前處理中常作為dSPE、QuEChERS等方法的凈化吸附劑[31,32],用于去除植物基質(zhì)中其他干擾物。

馮鈺锜團(tuán)隊(duì)[33]選擇GCB作為dSPE方法的分散劑和吸附劑,建立了dSPE-UPLC-MS/MS高通量分析包括Aux、CTKs、GAs、JAs等在內(nèi)的54種PHs,方法回收率為80.3%～120.4%,并成功地用于研究水稻中內(nèi)源激素的時(shí)空分布。Sutcharitchan等[34]以39種PHs為研究對(duì)象,選擇C18、伯仲胺(primary secondary amine, PSA)、GCB等材料中的一種或組合幾種,作為dSPE吸附劑,發(fā)現(xiàn)C18對(duì)所有目標(biāo)物的保留行為較弱,PSA對(duì)酸性和極性激素有較強(qiáng)的親和力,而GCB對(duì)CTKs吸附明顯,導(dǎo)致該類激素的洗脫回收率低于10%。2020年,Jiang等[35]選擇聚乙烯基吡咯烷酮-石墨炭黑(PVPP-GCB)作為dSPE吸附劑,再結(jié)合陽離子交換SPE方法來凈化茶葉基質(zhì),用于13種酸性PHs及其類似物的分離檢測(cè),探討了生物(害蟲侵害)和非生物(光照)脅迫下不同時(shí)期茶葉樣品中激素含量變化,對(duì)深入了解PHs對(duì)茶葉生長(zhǎng)發(fā)育及脅迫響應(yīng)的機(jī)制具有指導(dǎo)意義。

2.1.4碳氮材料

碳、氮兩種元素通過sp2雜化形成的層狀碳基材料稱為氮化碳。石墨化氮化碳(graphitized carbon nitride, g-C3N4)兼具離域大π鍵、良好分散性和生物兼容性,是理想的吸附材料[36]。Qiangba等[37]合成g-C3N4@SiO2復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn),加入HCl對(duì)材料進(jìn)行質(zhì)子化可提高萃取效率,對(duì)IBA等目標(biāo)物的吸附容量在500～558.8 μg/g范圍,回收率達(dá)到81.1%～121.8%。Xie等[38]制備了基于Au摻雜g-C3N4材料(g-C3N4/Au)的分子印跡聚合物膜,用于特異性識(shí)別GA3,方法靈敏度高、選擇性好。

2020年,本課題組[39]基于氧化碳氮材料(oxygenated carbon nitride, OCN),合成了一種魚鱗狀磁性納米復(fù)合材料(Co@Co3O4/OCN)。通過在OCN納米片上原位摻雜氮,增加材料的吸附位點(diǎn)。該材料表現(xiàn)出良好的分散性,用作MSPE高效吸附劑實(shí)現(xiàn)了3種Aux的吸附萃取。選擇對(duì)鎘有明顯富集作用的紫蘇植物作為實(shí)際樣品,揭示了鎘脅迫下不同部位Aux的含量響應(yīng)規(guī)律。

2.1.5其他碳材料

碳纖維(carbon fibers, CFs)材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。2019年,Zou等[40]合成了新型碳纖維涂層(CCFs),將N,O-雙(三甲基甲硅烷基)三氟乙酰胺試劑直接在纖維上衍生,采用GC-MS技術(shù)分析小麥樣品中JA、IAA、ABA。該鉛筆型CCFs-SPME裝置可實(shí)現(xiàn)提取/衍生化、進(jìn)樣等過程快速完成。次年,同課題組開發(fā)了碳纖維離子液體材料(CFs-IL)作為SPME涂層[41],結(jié)合LC-MS/MS法高靈敏萃取和檢測(cè)13種激素(包括中性、酸性和堿性組分),檢出限為1.3～55.7 pg/mL。

過渡金屬碳化物材料具有類G結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為MXene,研究正興起。Ti3C2MXene具有二維微裂紋結(jié)構(gòu),比表面積大、孔隙率高,適合用于PHs提取。2021年,Luo等[42]制備了磁性吸附劑Fe3O4@Ti3C2@β-CD,結(jié)合原位衍生和UPLC-MS/MS技術(shù),在單一油菜籽(4～6 mg)中獲得了12種PHs超微定量和時(shí)空分布的信息。碳基材料在PHs固相萃取系列方法中的應(yīng)用見表2。

表 2 碳基材料在植物激素固相萃取系列方法中的應(yīng)用

2.2 金屬有機(jī)框架材料

金屬有機(jī)框架材料(metal organic frameworks, MOFs)是一類由金屬離子及有機(jī)配體自組裝而成的多孔材料,分為IRMOFs系列、ZIFs系列、UiO系列以及MILs系列[43]。這種無機(jī)-有機(jī)雜化材料具有結(jié)構(gòu)多樣化、比表面積大、表面易修飾、孔徑尺寸可調(diào)節(jié)等特點(diǎn),適合作為PHs樣品前處理的固體吸附劑。

2.2.1IRMOFs系列

IRMOFs系列材料具有立方體結(jié)構(gòu)、孔容積較大,其中MOF-5(也稱IRMOF-1)最具有代表性。Hu等[44]采用共價(jià)鍵和法首次制備磁性MOF-5材料,對(duì)非極性(多環(huán)芳烴)和極性化合物(赤霉素類)均顯示出優(yōu)異的富集能力。他們先對(duì)Fe3O4微球進(jìn)行羥基化和氨基化改性,制備成Fe3O4-NH2磁球;然后采用六水合硝酸鋅以及對(duì)苯二甲酸合成MOF-5材料;緊接著,將上述MOF-5和Fe3O4-NH2在120 ℃條件下水熱反應(yīng)10 h,即制得磁性MOF-5材料。結(jié)合LC-MS/MS方法,實(shí)現(xiàn)了植物樣品中GA3、GA1、GA7和GA4的高靈敏分析。

Yaghi等[45]合成了手性MOF-520材料,用于醇類、苯酚類和羧酸類等16種代表性化合物(包括JA和GA3兩類激素異構(gòu)體)的分析。該方法精確計(jì)算了2種GA3異構(gòu)體中部分碳-碳單鍵、雙鍵鍵角的細(xì)微差別,還實(shí)現(xiàn)了(-)-JA和(+)-JA異構(gòu)體的選擇性區(qū)分,改變了JA絕對(duì)構(gòu)型及晶體結(jié)構(gòu)研究相對(duì)缺乏的現(xiàn)狀。

2.2.2ZIFs系列

ZIFs系列是一類沸石咪唑酸酯骨架的MOF,經(jīng)典代表性物質(zhì)ZIF-8具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、極大的比表面積和適宜的小孔尺寸,非常適合吸附小分子化合物。You等[46]通過一鍋煮法制備了沸石咪唑酯骨架-8/聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯) (ZIF-8/poly(MMA-EGDMA))整體包覆的攪拌棒吸附萃取(SBSE)涂層,用于分析蘋果和梨中的5種PHs,檢出限為0.11 ng/mL。與商品化聚乙二醇(PEG)和聚(MMA-EGDMA)涂層相比,該涂層具有氫鍵、疏水和靜電等多重相互作用,提取效率更高。2018年,Xu等[47]通過微波輔助加熱法制備了ZIF-8@SiO2核-殼微球,發(fā)現(xiàn)經(jīng)3次涂覆后,材料的比表面積高達(dá)977.058 m2/g,用于Aux和CTKs兩類激素的萃取,回收率介于82.7%～111.0%。

師彥平團(tuán)隊(duì)合成了基于聚沸石咪唑鹽-67(ZIF-67)骨架的磁性羥基化多壁碳納米管復(fù)合材料(Fe3O4-MWCNTs-OH@poly-ZIF67),對(duì)多苯環(huán)和多羧基結(jié)構(gòu)的分析物表現(xiàn)出良好的萃取能力和選擇性[48],成功測(cè)定了水果樣品中痕量NAA殘留。在ZIF-67研究基礎(chǔ)上,該課題組通過室溫化學(xué)沉淀法首次制備了圓柱形銪沸石咪唑骨架(ZIF-Eu)材料,并將羧基多壁碳納米管(MWCNTs-COOH)纏繞在ZIF-Eu周圍,由此獲得磁性納米復(fù)合材料Fe3O4-MWCNTs-COOH/ZIF-Eu。該材料對(duì)NAA萃取效果理想,對(duì)苯、酚和酮類化合物萃取能力較差。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),該復(fù)合材料的吸附性能優(yōu)于單純Fe3O4-MWCNTs-COOH和ZIF-Eu兩種材料[49]。2021年,He等[50]將ZIF-67煅燒生成磁性Co和N摻雜的多孔碳結(jié)構(gòu)(Co@NC),該前體既能提供石墨碳,還可作為微孔有機(jī)網(wǎng)絡(luò)材料(MON-2NH2)核-殼結(jié)構(gòu)的核心。最終制備鈷摻雜的碳氮-微孔有機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Co@NC-MON-2NH2)復(fù)合材料作為MSPE吸附劑,用于蔬菜中SA、NAA等4種激素的分析,證實(shí)MON是一種很有前景的新型吸附材料。

2.2.3UiO系列

UiO系列由金屬鋯與有機(jī)配體配位形成,與ZIF系列相比,中心離子與配體之間的結(jié)合力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好。Liu等[51]通過溶劑熱法合成UiO-67,首次作為dSPE吸附劑,同時(shí)富集水果樣品中的8種PHs。2018年,本課題組在MOFs材料UiO-66基礎(chǔ)上,合成了聚丙烯腈靜電紡絲(UiO-66/PAN)納米纖維[52],纖維的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于萃取過程的快速傳質(zhì)。結(jié)合PT-SPE-HPLC法用于4種Aux富集和檢測(cè),方法有機(jī)溶劑用量少,檢出限介于0.01～0.02 ng/mL。

2.2.4MILs系列

MILs系列MOFs是一類三維的、具有類似沸石拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多孔金屬-羧酸化合物。2020年,Qin等[53]制備了介孔二氧化硅納米顆粒-金屬有機(jī)骨架(MSN@MIL-101(Fe))復(fù)合材料,結(jié)合dSPE方法萃取5種PHs,最終在綠豆芽中檢出IAA和ABA。方法靈敏度和富集效果都明顯優(yōu)于上述SiO2@GO[29]以及UiO-67材料[51]。MOFs材料另一個(gè)很重要的應(yīng)用領(lǐng)域是氣體吸附與分離,在氣態(tài)ETH萃取方面有初步嘗試。Zhang等[54]合成了一種開放金屬位點(diǎn)的復(fù)合材料(MIL-101-Cr-SO3Ag),發(fā)現(xiàn)金屬位點(diǎn)和π絡(luò)合物的引入能提高ETH吸附的選擇性。

2.2.5其他MOFs材料

MOF-199(也稱HKUST-1)材料普遍基于1,3,5-均苯三甲酸和硝酸銅配位制備,具有不飽和金屬位點(diǎn)和優(yōu)良穩(wěn)定性。Zhang等[55]制備了新型雜化涂層MOF-199/CNTs用于幾種水果樣品中痕量ETH無損分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,摻雜CNTs可提高材料的耐腐蝕性和富集能力,材料萃取容量高達(dá)80 μg/L,檢出限為0.016 μg/L。

2016年,Zhang等[56]合成了基于對(duì)苯二甲酸銅的金屬骨架(CuTPA MOF)復(fù)合材料(表面積為708 m2/g,總孔體積為0.39 cm3/g)。在4 L容器中,每50 mg MOF材料可吸收和釋放ETH高達(dá)654 μL/L。該研究為水果采摘后應(yīng)用ETH誘導(dǎo)和促進(jìn)果實(shí)成熟提供支持。隨后,該課題組開發(fā)了另一種基于鋁鹽修飾金屬骨架材料的新型納米顆粒(Al-MOF)[57],用于ETH的存儲(chǔ)和釋放研究。該材料在低于101.3 kPa的不同壓力下,對(duì)ETH具有恒定的吸附速率。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下,ETH吸收率為41.0 cm3/g,與MIL-101材料的吸附能力(42.0 cm3/g)相當(dāng)。這項(xiàng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)ETH存儲(chǔ)和釋放的精確控制,有望推廣應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)。MOFs材料用于SPE系列方法的匯總見表3。

表 3 金屬有機(jī)骨架材料在植物激素固相萃取系列方法中的應(yīng)用

2.3 共價(jià)有機(jī)框架材料

共價(jià)有機(jī)框架(covalent organic frameworks, COFs)主要由輕質(zhì)元素(C、H、O、N、B等)通過共價(jià)鍵連接而成,于2005年提出,成為繼MOFs之后另一類重要的三維有序材料[58]。目前,COFs合成方法包括水熱法、室溫合成法、微波輔助法等。該類材料在PHs吸附萃取中的研究還相當(dāng)稀少,尚有很大的應(yīng)用前景。

根據(jù)共價(jià)鍵官能團(tuán)不同,COFs材料細(xì)分為含硼類、三嗪類、亞胺類。其中,亞胺類COFs以醛胺脫水縮合發(fā)生席夫堿反應(yīng),合成條件簡(jiǎn)單、應(yīng)用較為廣泛[59]。2020年,Li等[60]以Fe3O4納米顆粒為磁芯,1,3,5-三甲?；g苯三酚(Tp)和2,6-二氨基蒽醌(DA)發(fā)生席夫堿縮合反應(yīng)。合成Fe3O4@COF(TpDA)材料的殼層厚度約75 nm,比表面積高達(dá)180.2 m2/g。結(jié)合MSPE-HPLC-DAD方法,首次用于果蔬樣品中7種Aux萃取,檢出限介于4.68～7.51 ng/mL。

2.4 分子印跡聚合物

作為一類高選擇性材料,分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymer, MIP)在樣品前處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。中山大學(xué)李攻科課題組較早將MIP應(yīng)用于Aux[61,62]、BRs[63,64]、GAs[65]等幾類激素的特異性分析。Campanella等[66]在沒有模板分子的情況下,開發(fā)了一種以4-乙烯基吡啶(4-VP)為功能單體、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)為交聯(lián)劑的新型聚合物,能實(shí)現(xiàn)IAA特異性萃取。2018年,Li等[67]合成了纖維素磁性分子印跡聚合物微球,選擇β-CD和4-VP兩種功能單體來增強(qiáng)識(shí)別IAA的能力。類似地,Wang等[68]選擇甲基丙烯酸(MAA)和β-CD功能單體,合成了聚合物β-CD/MAA-MIPs,對(duì)Aux的選擇性吸附效果優(yōu)于常規(guī)β-CD-MIPs及MAA-MIPs等材料,再次印證了雙功能單體能提供更多吸附位點(diǎn),有利于增強(qiáng)特異性識(shí)別能力。

在分子印跡樹脂應(yīng)用上,凹凸棒石/親水性分子印跡整體樹脂(AT/HMIMR)材料具有比表面積大、親水性能優(yōu)的特點(diǎn),其中,凹凸棒石具有納米多孔結(jié)構(gòu)和一定的陽離子交換能力,作為PT-SPE吸附劑能實(shí)現(xiàn)植物樣品中Aux選擇性萃取[69,70]。Aihebaier等[71]提出微萃取棒分子印跡方法(MI-μ-SPE),通過在HF中填充MIP顆粒形成微萃取棒,借助HF的孔洞效應(yīng)和保護(hù)作用,可以選擇性地優(yōu)先吸附IBA。結(jié)合HPLC方法對(duì)綠豆芽中IBA檢出限為7.5 ng/g。

以KT為模板分子,Han等[72]提出離子液體雜化分子印跡材料-過濾頭固相萃取法(IL-HIM-FSPE)測(cè)定豆芽中2種CTKs。Wang等[73]使用腺嘌呤為模板分子,開發(fā)了3-氨基苯酚-六亞甲基四胺(MIAPH)分子印跡樹脂,用于選擇性識(shí)別KT和BA,萃取效果優(yōu)于HLB和C18等商品化吸附劑。本課題組將分子印跡和固相微萃取相結(jié)合,開發(fā)分子印記固相微萃取涂層(molecularly imprinted solid phase microextraction, MISPME)[74～77],分別實(shí)現(xiàn)了CTKs和Aux兩類激素的選擇性萃取。結(jié)合HPLC-DAD檢測(cè)法,對(duì)IAA和IPA的富集因子分別為158和146,對(duì)2種CTKs的檢出限為0.3 ng/mL。自制MISPME涂層具有分子印跡識(shí)別、靜電引力、π-π相互作用等多重吸附機(jī)理。

2.5 超分子化合物

超分子(supramolecular)化合物憑借空間匹配效應(yīng)和主-客體分子識(shí)別能力,在樣品前處理應(yīng)用中一般作為吸附材料的改性劑。環(huán)糊精、冠醚、杯芳烴和葫蘆脲等各類超分子化合物均能輔助提高目標(biāo)物的萃取選擇性[78]?；讦?CD“外親水、內(nèi)疏水”的分子結(jié)構(gòu),PHs很容易被吸附到立體疏水空腔中,經(jīng)β-CD改性的CNTs、GO、MIP等復(fù)合材料萃取選擇性都明顯增強(qiáng)[12,21-24,42,67,68]。

杯芳烴被認(rèn)為是第三代超分子化合物的典型代表。三嗪改性硅膠杯芳烴(NCS)是一種混合模式吸附劑,吸附機(jī)理包括空腔尺寸、疏水性、氫鍵、π-π作用等。NCS-SPE-HPLC方法已成功用于測(cè)定辣椒和小麥樣品不同生長(zhǎng)部位的IAA和IBA,選擇性吸附行為和理論計(jì)算的結(jié)果相符合[79]。

作為第四代超分子化合物,葫蘆脲(CB[n],n=5～8,10,14等)呈桶形結(jié)構(gòu),擁有親水性端口和疏水性空腔。該類化合物端口的羰基帶負(fù)電,容易與帶正電的有機(jī)物發(fā)生分子間相互作用。CTKs類激素含有腺嘌呤和苯基脲母環(huán)結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)一定的正電性,適合被CB[n]選擇性萃取。Zhang等[80]首先在無水條件下合成CB[8]材料,氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢滴加3-異氰基酰氨基丙基三乙氧基硅烷,完成CB[8]功能化修飾形成過羥基葫蘆脲(PCB[8]),再加入Fe3O4@SiO2微球,最終制備磁性的過羥基葫蘆脲(MPC)材料,對(duì)CTKs的吸附量為10.15～18.28 nmol,富集因子大于200。該材料的吸附驅(qū)動(dòng)力在于PCB[8]與分析物之間的主客體以及氫鍵相互作用。

3 總結(jié)和展望

新型固相吸附劑的研究是樣品前處理研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。綜上所述,PHs種類豐富、結(jié)構(gòu)多樣,含有羥基、氨基、羧基、苯環(huán)等作用位點(diǎn),并帶有一定的極性和酸堿性。碳基材料、有機(jī)骨架化合物、分子印跡聚合物等材料都具有物化性能優(yōu)異、比表面積大、易于結(jié)構(gòu)改性等特點(diǎn),適合應(yīng)用于PHs的吸附萃取。它們之間的作用機(jī)理主要涉及疏水、氫鍵、π-π堆積、主客體識(shí)別等多重作用力。

然而,G材料的團(tuán)聚問題導(dǎo)致吸附性能下降,碳氮材料制備過程存在縮聚不完全現(xiàn)象。部分MOFs(IRMOF系列)在空氣或溶劑(水相)中不穩(wěn)定,易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌或改變。COFs材料質(zhì)量很輕,通過簡(jiǎn)單離心法較難徹底分離,限制了其在dSPE方法中應(yīng)用。MIP技術(shù)中,模板分子流失、吸附過程較慢、萃取容量較低等問題亟待解決。超分子化合物較少能單獨(dú)作為SPE有關(guān)方法的吸附材料。盡管這些不足使得上述材料作為SPE有關(guān)方法的吸附劑應(yīng)用上受到一定限制,然而,通過進(jìn)一步功能化修飾或者制備性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料是一個(gè)重要的改進(jìn)途徑。同時(shí),如何實(shí)現(xiàn)上述材料的低成本生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用,也是未來重要的一個(gè)發(fā)展方向。不可否認(rèn),上述材料在PHs分析萃取中仍將發(fā)揮越來越大的作用。

此外,PHs原位、超高靈敏度分析和時(shí)空分布研究逐漸熱門。這要?dú)w功于分析方法(例如色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)配合各種衍生化增敏方法)和樣品前處理技術(shù)(開發(fā)了性能更好的新方法和新材料)的同步發(fā)展,使得毫克級(jí)、亞毫克級(jí)鮮樣甚至于單個(gè)葉片、花蕊、種子都能成為實(shí)際植物樣品,PHs分析將朝著更小樣品量、更高靈敏度、更高通量等方向發(fā)展。