功能性Fe3O4 納米顆粒在痕量農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展

尹雪峰, 丁 婉, 石壯壯, 劉炳澤, 張曉旭, 常巧英

(1.新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊 830017；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 營養(yǎng)與健康研究院，北京 100193；3.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京 100176)

化學(xué)農(nóng)藥作為防治農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有害生物的一類小分子化學(xué)品，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量及保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量具有關(guān)鍵性作用。截至2023 年，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織 (FAO) 統(tǒng)計報告稱，2021 年全球農(nóng)藥使用量約為350 萬噸[1]。廣泛應(yīng)用的農(nóng)藥在發(fā)揮效益的同時，由于一些不科學(xué)的使用方式，例如過量施用、違規(guī)使用禁限用的高殘留高毒性農(nóng)藥以及施用過程中安全防護(hù)措施不到位等，均可能導(dǎo)致環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留現(xiàn)象，經(jīng)多種途徑暴露后最終成為危害人體健康的潛在因素。因此，大量研究致力于開發(fā)可量化人體內(nèi)農(nóng)藥殘留水平的方法。農(nóng)藥殘留檢測分析主要包括兩部分：基質(zhì)樣本的前處理過程，以及常用的色譜、光譜等定性定量檢測。傳統(tǒng)的液-液萃取法、固相萃取法等是常用的基質(zhì)樣本前處理方法，但由于存在操作耗時、靈敏性及準(zhǔn)確度差、環(huán)境不友好等缺點，該類方法在分析復(fù)雜基質(zhì)樣本及痕量農(nóng)藥殘留水平時具有局限性，尤其是在分析人體小樣本量血清基質(zhì)中的微量農(nóng)藥殘留時問題較為突出[2-3]。

目前，利用磁性納米吸附材料富集目標(biāo)物，是精準(zhǔn)靶向痕量目標(biāo)物且不受基質(zhì)干擾的高效分析方法之一，例如在Fe3O4超順磁納米顆粒表面修飾天然高分子聚合物、碳基材料、金屬有機(jī)框架材料和無機(jī)材料等。近年來，該類材料由于具有磁分離及靶向目標(biāo)物的高效吸附特性，受到了國內(nèi)外研究團(tuán)隊的廣泛關(guān)注，已有部分探討該類磁性納米吸附材料在食品及環(huán)境水樣本中農(nóng)藥殘留分析領(lǐng)域應(yīng)用的綜述，但缺乏和人體血清等復(fù)雜基質(zhì)中微量農(nóng)藥殘留分析的關(guān)聯(lián)?；诖耍疚臄M介紹近5 年來磁性吸附材料Fe3O4納米顆粒在痕量農(nóng)藥目標(biāo)物富集中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并重點闡述該類磁性吸附材料的制備過程、靶向農(nóng)藥目標(biāo)物的吸附原理、應(yīng)用現(xiàn)狀等創(chuàng)新性研究成果，并嘗試就其在復(fù)雜基質(zhì)應(yīng)用過程中存在的問題和今后可能的研究發(fā)展方向進(jìn)行分析展望。

1 Fe3O4 磁核的制備

功能性Fe3O4納米顆粒 (NPs) 由超順磁性的納米粒子，如Fe 和Fe3O4磁核，以及可修飾的功能性材料組成。其中磁核負(fù)責(zé)提供磁偶極子，表現(xiàn)為對外加磁場的快速響應(yīng)，并且一旦外部磁場被移除，則納米顆粒就會恢復(fù)到其天然分散狀態(tài)[4]。因此當(dāng)功能性Fe3O4納米顆粒被應(yīng)用于復(fù)雜樣品基質(zhì) (如血清和尿液) 中痕量農(nóng)藥的富集時，這種超順磁性可在外部磁場作用下實現(xiàn)快速分離，同時超順磁性的強(qiáng)弱是控制目標(biāo)物運動及決定富集時間的關(guān)鍵。目前有關(guān)Fe3O4磁核的合成方法主要包括化學(xué)共沉淀法、熱分解法、溶劑熱反應(yīng)法等[5]，以下擬闡述實驗室?guī)追N常見合成方法的控制條件及應(yīng)用特點。

1.1 化學(xué)共沉淀法

化學(xué)共沉淀法是實驗室合成Fe3O4磁核的一種常見且比較簡易的方法，具有低成本、易操作和高產(chǎn)量等優(yōu)點[6]。Fe3O4磁核合成通常發(fā)生在室溫條件下或低于100 ℃的環(huán)境中，在惰性氣體保護(hù)下，向Fe2+/Fe3+的水溶液中加入一定量的堿即可獲得。共沉淀法合成Fe3O4磁核的化學(xué)反應(yīng)原理如圖1 所示：

圖1 共沉淀法合成Fe3O4 納米磁核的化學(xué)反應(yīng)原理Fig.1 Chemical reaction principle for the synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by co-precipitation method

Fe3O4磁核的飽和磁性大小由反應(yīng)體系中的多種條件共同決定，包括但不限于鐵鹽的種類、Fe2+/Fe3+的比例、pH 值、反應(yīng)溫度及時間等。表1總結(jié)了影響Fe3O4磁核飽和磁性及粒徑的關(guān)鍵控制條件[7-14]。其中鐵鹽的種類，如氯化鐵和氯化亞鐵水合物前體經(jīng)成核和結(jié)晶形成的Fe3O4磁核，其飽和磁性大于由硫酸鐵和氯化鐵水合物等其他前體合成磁核的飽和磁性；此外，溫度對飽和磁性也有影響，例如比較Hubetska 等[8]與Esmaeili-Shahri 等[10]的研究可發(fā)現(xiàn)，較高溫度下所合成磁核的飽和磁性反而較弱，推測造成該現(xiàn)象的原因可能是由于較高的反應(yīng)溫度加快了Fe3O4磁核的成核和結(jié)晶速度，弱化了顆粒的磁飽和度，即使能產(chǎn)生較大的粒徑，但該磁核本身呈現(xiàn)為輕質(zhì)及較低的飽和磁化強(qiáng)度，因此飽和磁性較弱；當(dāng)Fe2+/Fe3+的比例較小，即Fe3+添加量更多時，所合成磁核的飽和磁性會更大[10-11]，可能的原因是合成原理中，每合成1 分子的Fe3O4磁核需要1 分子Fe2+及2 分子Fe3+，當(dāng)Fe3+較多時，可促進(jìn)Fe3O4磁核的成核，而固定的Fe2+含量不會加快結(jié)晶的過程，因此，所合成的磁核成核緊實，表現(xiàn)為飽和磁性較強(qiáng)。

表1 化學(xué)共沉淀法合成Fe3O4 磁核的影響因素Table 1 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by chemical co-precipitation method

利用化學(xué)共沉淀法合成Fe3O4磁核具有操作簡易、生產(chǎn)安全，且所合成磁核的可溶性好、產(chǎn)量較大等優(yōu)點，但缺點是粒徑的可控性差。由于粒徑和粒子的比表面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，比表面積越大，空間搶位現(xiàn)象越少，因而更有利于進(jìn)一步的化學(xué)修飾或在目標(biāo)物吸附中應(yīng)用[15]，但實際應(yīng)用中也并非粒徑越小越有利，其原因是經(jīng)過相同的合成流程后，粒徑與磁核飽和磁性之間在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)正相關(guān)遞增關(guān)系[16]，飽和磁性決定了納米顆粒后續(xù)應(yīng)用的磁響應(yīng)時間和富集效率，因此在將該磁核應(yīng)用到不同種類基質(zhì)及不同樣本量體系中富集痕量農(nóng)藥時，選擇穩(wěn)定粒徑下飽和磁性較高的磁核，對保證提取的高效性及穩(wěn)定性均具有重要意義。因此，實際應(yīng)用中仍需優(yōu)化反應(yīng)中的各影響條件以解決粒徑可控的問題。

1.2 熱分解法

為了合成粒徑穩(wěn)定的Fe3O4磁核，科學(xué)家們提出了另一種合成方法，即熱分解法。該方法是將有機(jī)金屬前體在高沸點的有機(jī)溶劑中進(jìn)行熱裂解，繼而合成金屬氧化物磁性納米材料[17]。有機(jī)金屬前體包括五羰基鐵 (Fe(CO)5) 及乙酰丙酮鐵(Fe(acac)3)，所合成的磁核呈現(xiàn)單分散性，具有外觀形貌規(guī)整、尺寸均一等優(yōu)點。圖2 為以Fe(acac)3為例的化學(xué)合成反應(yīng)流程。

圖2 熱分解法合成Fe3O4 納米磁核的化學(xué)反應(yīng)原理Fig.2 Chemical reaction principle for the synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by thermal decomposition method

根據(jù)熱分解法化學(xué)反應(yīng)原理，以Fe(acac)3作為前體所合成的磁核，其平均粒徑與化學(xué)共沉淀法相當(dāng)，但分布更均勻，在一定程度上解決了化學(xué)共沉淀法的缺點 (表2)[18-24]，同時通過優(yōu)化相關(guān)條件還可實現(xiàn)對飽和磁性及粒徑大小的控制，例如，Lee 等[22]通過控制溫度變化合成了粒徑和飽和磁性可控的Fe3O4磁核。倘若有機(jī)金屬前體的濃度、反應(yīng)溫度及還原劑種類等因素發(fā)生改變，同樣會對Fe3O4磁核粒徑和飽和磁性產(chǎn)生直接影響。例如，對比 Corrêa 等[19]與Jovi? Orsini 等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，在合成過程中，前體Fe(acac)3的熱分解溫度越高，所合成的Fe3O4磁核的粒徑越大，原因可能是高溫加速了Fe3O4磁核成核和結(jié)晶的速度；但同時發(fā)現(xiàn)，較大的粒徑并不能帶來強(qiáng)的飽和磁性，這是由于決定飽和磁性的關(guān)鍵因素是反應(yīng)中所用還原劑的還原性強(qiáng)弱，Corrêa 等合成的磁核粒徑更大但飽和磁性卻更弱，原因是由于其所用還原劑1,2-辛二醇的還原性弱于Jovi? Orsini 等所用的1,2-十六烷二醇所致。

表2 熱分解法合成Fe3O4 磁核的影響因素Table 2 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by thermal decomposition method

采用熱分解法合成磁核也存在不可避免的缺點。例如，由于有機(jī)金屬前體Fe(CO)5具有高毒性，在合成過程中會釋放出CO 氣體，因而不能滿足綠色化學(xué)和反應(yīng)安全性的要求；此外，未經(jīng)特殊處理的Fe3O4磁核只能分散在有機(jī)溶劑中，雖可通過硅酸鹽或其他水溶性表面活性劑處理以實現(xiàn)其在水相中的分散，但考慮到實驗效率和上述分散介質(zhì)限制的缺點，其對于后續(xù)從血清或水相基質(zhì)中富集農(nóng)藥目標(biāo)物而言仍然是不適用的。

1.3 溶劑熱反應(yīng)法

除上述2 種方法外，合成水溶性Fe3O4磁核的常見方法還有溶劑熱反應(yīng)法，也稱為水熱合成法。該合成方法通常是將前體Fe3+的鹽溶液在溫度高于200 ℃的條件下進(jìn)行回流反應(yīng)，或者在高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)。圖3 為該方法合成磁核的化學(xué)反應(yīng)流程[25]。

圖3 溶劑熱反應(yīng)法合成Fe3O4 納米磁核的化學(xué)反應(yīng)原理Fig.3 Chemical reaction principle for synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by solvothermal reaction method

在溶劑熱合成過程中，溶劑熱反應(yīng)法多以FeCl3·6H2O 作為前體，通過控制還原劑、溫度等條件可合成不同飽和磁性和粒徑的Fe3O4磁核[26]。表3 中同時也列舉了近些年利用溶劑熱反應(yīng)法合成Fe3O4磁核的現(xiàn)狀[27-33]，較早有Jing 等[32]建立的一種簡單有效的微波輔助溶劑熱合成法，該方法可通過控制前體底物的添加量合成長度可調(diào)節(jié)的超順磁性Fe3O4納米晶體 (12～25 nm) 和納米團(tuán)簇 (40～90 nm)；Huang 等[33]則通過控制還原劑乙二醇與其他多元醇的體積比，合成了55～500 nm之間可調(diào)粒徑的磁核，該結(jié)果表明還原劑在控制Fe3O4磁核的粒徑大小和形貌方面起到了重要作用，是較為經(jīng)典的溶劑熱反應(yīng)方法。溶劑熱反應(yīng)法所合成Fe3O4磁核的優(yōu)點是飽和磁性較強(qiáng)，但粒徑均大于前2 種合成方法，因而造成所得粒子的比表面積相對較小，相關(guān)研究也多是應(yīng)用于大樣本量水樣中重金屬、陰/陽染料離子等的提取過程中，并不適用于小樣本量基質(zhì)中目標(biāo)物的分離和分析。

表3 溶劑熱反應(yīng)法合成Fe3O4 磁核的影響因素Table 3 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by solvothermal reaction method

綜上，采用以上3 種方法合成的Fe3O4磁核，雖在飽和磁性和粒徑上具有差別，但都可利用磁核的超順磁特性分離基質(zhì)中目標(biāo)物。其中，化學(xué)共沉淀法合成的磁核可水溶，飽和磁性穩(wěn)定，控制條件后可保證較小的粒徑，適合小樣本量基質(zhì)中目標(biāo)物的富集，但還需優(yōu)化條件以實現(xiàn)粒徑的可控性；熱分解法合成的磁核粒徑小且均一，但不可水溶；溶劑熱反應(yīng)法合成的磁核可水溶，但粒徑大，不適合用于小樣本量基質(zhì)中目標(biāo)物的富集。此外，在考慮該Fe3O4納米顆粒的應(yīng)用時，為了吸附基質(zhì)中的多種目標(biāo)物，還需在磁核表面修飾功能性基團(tuán)或材料以形成具備功能性的Fe3O4NPs。

2 Fe3O4 納米顆粒的功能化修飾及應(yīng)用

目前用于合成功能性Fe3O4NPs 的包覆材料或功能基團(tuán)主要有天然高分子聚合物、碳基材料、金屬有機(jī)框架 (MOFs) 材料、離子液體 (IL) 以及無機(jī)材料等[34-36]。進(jìn)行功能化修飾時，可依據(jù)吸附目標(biāo)物的特性、樣品基質(zhì)特性等來選擇修飾材料。例如，為了去除水環(huán)境中污染物及重金屬離子等，研究者多選擇天然高分子聚合物作為修飾材料合成功能性Fe3O4NPs，既能保證吸附去除目標(biāo)物的目的，又避免了對環(huán)境造成二次污染[37-39]。以下我們將以修飾材料的分類為標(biāo)準(zhǔn)，分別闡述常用的各類材料在農(nóng)藥殘留檢測分析中的應(yīng)用特點。

2.1 天然高分子聚合物

天然高分子聚合物包括殼聚糖 (CTS)、環(huán)糊精(β-CD) 和纖維素 (cellulose) 等，具有來源廣泛、在環(huán)境中易降解且不會發(fā)生二次污染等優(yōu)點。采用天然高分子聚合物提取基質(zhì)中有機(jī)污染物或脂溶性農(nóng)藥的原理，主要是通過該類材料表面豐富的-OH、-NH2等官能團(tuán)，在物理吸附或化學(xué)相互作用力 (如疏水作用、氫鍵和靜電作用等) 下達(dá)到包裹或附著的目的。此類天然高分子聚合物中目前使用最廣泛的是殼聚糖材料。Mohammadi 等[40]開發(fā)了一種殼聚糖-Fe3O4磁性納米材料 (Fe3O4@CS)，結(jié)合氣相色譜-火焰離子化檢測 (GC-FID)，用于富集分析水果和蔬菜樣品中的馬拉硫磷 (malathion)和殺螟丹 (cartap hydrochloride)，使得2 種農(nóng)藥的檢出限 (LOD) 分別達(dá)到了0.3 和1.0 ng/mL 的較低水平。但由于殼聚糖的水溶性較差，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，且易受復(fù)雜基質(zhì)干擾，導(dǎo)致提取結(jié)果重復(fù)性差，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

為了克服這一問題，研究者使用改性殼聚糖或?qū)ぞ厶桥c其他材料相結(jié)合，開發(fā)出了基于殼聚糖的Fe3O4磁性納米復(fù)合材料，如將殼聚糖基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的直接改性方式等。Tian 等[41]利用硅烷偶聯(lián)劑KH560 將殼聚糖改性后合成Fe3O4@SiO2@CTS 復(fù)合材料 (圖4)，用于分離環(huán)境水樣品中的多氯聯(lián)苯類污染物 (polychlorinated biphenyis，PCBS)，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用 (GC-MS) 分析技術(shù)，實現(xiàn)了對3 種PCBS 的檢測，具有更為優(yōu)異的提取能力，目標(biāo)物的LODs =0.02～0.15 ng/mL。除此之外，將殼聚糖與其他材料組合也可豐富檢測目標(biāo)物的種類，具有多靶點、高效率等優(yōu)點，例如殼聚糖-MOF (MIL-53(Al))、殼聚糖-有機(jī)高分子聚合物 (聚噻吩) 的Fe3O4磁性復(fù)合材料對富集大米、蔬菜、小鼠肝臟組織及水體基質(zhì)中的二嗪磷 (diazinon)、乙硫磷 (ethion)、三嗪類及新煙堿類殺蟲劑具有較佳效果，LODs 范圍為0.01～0.07 ng/mL[42-43]。

圖4 Fe3O4@SiO2@CTS 的合成和應(yīng)用示意圖[41]Fig.4 Schematic diagram of the synthesis and application of Fe3O4@SiO2@CTS [41]

此外，另一種天然高分子聚合物β-CD 通過疏水性內(nèi)腔和親水性外端，能有效包裹脂溶性農(nóng)藥，達(dá)到從基質(zhì)中分離目標(biāo)物的效果。β-CD 結(jié)構(gòu)上的疏水和親水兩性特征，一方面可以促進(jìn)Fe3O4磁性納米材料在多種復(fù)雜基質(zhì)中的相容性，另一方面可抑制復(fù)雜樣本中蛋白質(zhì)、多糖等成分的干擾。例如Liang 等[44]將β-CD 修飾到Fe3O4磁核表面，能夠滿足蜂蜜、果蔬及環(huán)境水體基質(zhì)中6 種苯甲酰脲類農(nóng)藥的富集分析，目標(biāo)物L(fēng)ODs 可達(dá)到0.04～0.8 ng/g 和0.02～0.05 ng/mL 微量水平。Wang等[45]開發(fā)了一種β-CD 與脂質(zhì)雙層磁性復(fù)合材料Fe3O4@β-CD-LB，用于富集土壤中9 種有機(jī)氯類農(nóng)藥，通過β-CD 的疏水性內(nèi)腔及脂質(zhì)雙分子層同時吸附目標(biāo)物，實現(xiàn)更高效分析的目標(biāo)，LODs 達(dá)到了0.0045～0.034 ng/g 的痕量水平 (圖5)。除此之外，為了提高Fe3O4@β-CD 的顆粒分散性和熱穩(wěn)定性，研究者還加入了獨特的籠狀結(jié)構(gòu)和有助于穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)的低聚硅氧烷。如Ma 等[46]合成的Fe3O4@POSS@β-CD 納米顆粒，取15 mg 吸附劑劑量，即可實現(xiàn)對蘋果汁中有機(jī)磷類農(nóng)藥的高效吸附 (LODs=0.5～0.7 ng/g)，且穩(wěn)定性高，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD) 小于5.9% (圖6)。另外，天然高分子聚合物中的纖維素也可用于Fe3O4磁核的表面修飾，以實現(xiàn)水樣基質(zhì)中三嗪類和三唑類農(nóng)藥的富集分析[47]。

圖5 Fe3O4@β-CD-LB 的合成和應(yīng)用示意圖[45]Fig.5 Schematic diagram of the synthesis and application of Fe3O4@β-CD-LB[45]

圖6 Fe3O4@POSS@β-CD 的合成和應(yīng)用示意圖[46]Fig.6 Schematic diagram of the synthesis and application of Fe3O4@POSS@β-CD[46]

天然高分子聚合物作為Fe3O4納米顆粒的功能化修飾材料，用于吸附基質(zhì)中微量農(nóng)藥的研究目前相對較為完整，在環(huán)境水樣品中有機(jī)污染物及脂溶性較強(qiáng)農(nóng)藥的富集分析領(lǐng)域具有較優(yōu)的應(yīng)用前景，但在實現(xiàn)多種類不同極性農(nóng)藥的富集方面，還需解決水溶性差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定及重復(fù)性不足等問題。

2.2 碳基材料

碳基材料是基于碳單質(zhì)的復(fù)合材料，包括碳納米管 (carbon nanotubes)、活性炭 (activated carbon)、石墨烯 (graphene，G)、氧化石墨烯 (graphene oxide，GO) 等，一般可以從天然樹脂、纖維、石墨中制備得到，具有來源廣泛、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、比表面積大等優(yōu)點。相比于傳統(tǒng)活性炭或石墨材料，碳基材料-Fe3O4磁性復(fù)合材料在富集基質(zhì)中多種目標(biāo)物時可呈現(xiàn)快速分離、表面可修飾等優(yōu)點，近些年在微量農(nóng)藥殘留檢測分析的應(yīng)用中快速發(fā)展并得到了廣泛研究[48]。

2.2.1 碳納米管 碳納米管是由一個或多個碳原子層組成的、長度可控的管狀結(jié)構(gòu)材料。由于其具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，且長度與直徑比值大，比表面積較大，已被廣泛應(yīng)用于吸附、分離研究領(lǐng)域。在碳納米管的外表面嵌入Fe3O4磁性納米粒子，結(jié)合高效液相色譜/液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC/LC-MS) 或GC-MS 技術(shù)手段，可實現(xiàn)對農(nóng)藥目標(biāo)物的痕量分析。Gao 等[49]首次合成Fe3O4@MCNTs，結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測法 (HPLCUV)，分析了茶湯樣品中3 種擬除蟲菊酯類殺蟲劑殘留，LODs 達(dá)到了 0.010～0.018 ng/g 的微量水平；同樣是針對水樣基質(zhì)，Wang 等[50]利用相同的材料富集分析了8 種三唑類殺菌劑殘留，LODs 達(dá)0.56～6.95 ng/L 水平。為了突破基質(zhì)限制，F(xiàn)rugeri 等[51]進(jìn)一步通過改性碳納米管的表面結(jié)構(gòu)，合成了可限制其吸附大分子的Fe3O4@RACNTs，以滿足在復(fù)雜生物樣品基質(zhì)中的應(yīng)用。其制備流程 (圖7)為首先將Fe3O4磁核嵌入碳納米管的結(jié)構(gòu)中，再加入牛血清白蛋白 (BSA) 包裹Fe3O4-CNTs 形成保護(hù)層，以避免其與西蘭花、茄子、花椰菜和豆?jié){等基質(zhì)中的大分子結(jié)合，而有機(jī)磷類農(nóng)藥目標(biāo)物可滲透穿過BSA 層被碳納米管結(jié)構(gòu)捕獲，經(jīng)洗脫后進(jìn)行分析，LOD=0.74 ng/mL，且RSD 小于4%。該方法有效拓寬了碳納米管提取法的應(yīng)用基質(zhì)范圍。

2.2.2 石墨烯 石墨烯 (G) 的疏水性二維結(jié)構(gòu)，對提取分析基質(zhì)中脂溶性農(nóng)藥目標(biāo)物具有分散性強(qiáng)、結(jié)果穩(wěn)定、提取高效等優(yōu)點；氧化石墨烯(GO) 是石墨烯經(jīng)過氧化后的產(chǎn)物，具有比石墨烯表面官能團(tuán)更豐富的優(yōu)點。相比碳納米管材料，石墨烯及氧化石墨烯材料比表面積更大、sp2成鍵更豐富，依據(jù)其表面的π-π 共軛作用力，表現(xiàn)出對目標(biāo)物較強(qiáng)的主客體識別性能[52]，因此G/GOFe3O4磁性納米顆粒應(yīng)用的基質(zhì)范圍更廣、吸附痕量農(nóng)藥種類更多。例如利用G/GO 復(fù)合Fe3O4納米顆粒的材料可用于環(huán)境水、多種水果蔬菜、茶湯、蜂蜜等不同基質(zhì)中農(nóng)藥目標(biāo)物的富集分離[53-57]，其分離流程與Nodeh 等[53]較早提出的流程 (圖8)相似：依賴石墨烯本身的疏水性結(jié)構(gòu)，經(jīng)石墨烯修飾的納米吸附劑吸附富集復(fù)雜基質(zhì)中的目標(biāo)物后，根據(jù)Fe3O4磁核的磁分離特性從基質(zhì)中分離，進(jìn)而選擇合適的洗脫劑洗脫后進(jìn)行檢測分析。

圖8 基于石墨烯復(fù)合Fe3O4 納米顆粒從多種基質(zhì)中分離農(nóng)藥目標(biāo)物的流程示意圖[53]Fig.8 Schematic representation for analyzing pesticides in various matrices by graphene-based Fe3O4 enrichment procedure[53]

但也正是由于石墨烯及氧化石墨烯的疏水特性，使得單層石墨烯材料易發(fā)生堆疊和聚集，從而影響比表面積大小和分析的精密度[57]?；诖藛栴}，將二維結(jié)構(gòu)的石墨烯片重構(gòu)形成三維石墨烯 (3D-G/GO)，使其具有低密度、高比表面積、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點，在用于吸附農(nóng)藥目標(biāo)物時呈現(xiàn)出了高效的痕量特性。如Shokouh 等[58]較早設(shè)計制備了一種磁性三維石墨烯納米復(fù)合材料 (3DG-Fe3O4，圖9)，經(jīng)吸附方法優(yōu)化并結(jié)合GC-MS檢測分析，對蘋果、橘子、葡萄、櫻桃和杏中8 種有機(jī)磷類殺蟲劑的LODs 可達(dá)1.2～5.1 ng/L的痕量水平，且日內(nèi)和日間RSD ≤ 6.9%，精密度較優(yōu)。除此之外，將石墨烯材料與其他材料進(jìn)行復(fù)合也是解決其聚集問題的有效途徑，例如GOMOF、GO-β-CD、GO-有機(jī)高分子聚合物的Fe3O4磁性復(fù)合材料對富集水果、蔬菜、多種環(huán)境水基質(zhì)中的三唑類、芳香胺雜環(huán)類及有機(jī)磷類等農(nóng)藥殘留時均有較佳表現(xiàn)，LODs 范圍為0.005～1.58 ng/mL[59-62]。G/GO 修飾的Fe3O4磁性吸附材料由于比表面積大的優(yōu)勢，在富集分離目標(biāo)物時所用吸附劑劑量較少 (0.2 mg/mL)，并且制備工藝簡單，作為凈化劑等已實現(xiàn)大規(guī)模工廠化制備，因此現(xiàn)階段在實踐中得到了廣泛應(yīng)用。

圖9 三維石墨烯-Fe3O4 納米復(fù)合材料的形成機(jī)理示意圖[58]Fig.9 Schematic illustration of the formation mechanism of the 3D-G-Fe3O4 aerogel [58]

2.3 金屬有機(jī)框架材料

金屬有機(jī)框架 (metal organic frameworks，MOF) 材料是另一類具有大比表面積的功能性材料，由無機(jī)金屬中心體連接有機(jī)配體組成，呈現(xiàn)孔隙率高、粒徑可調(diào)、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，依賴多種π-π、σ-π、p-π 共軛，范德華力以及氫鍵等分子間相互作用，已廣泛應(yīng)用于小分子目標(biāo)化合物的富集分離中。

2.3.1 直接組裝金屬氧化物 此類材料是指金屬氧化物直接與Fe3O4磁核進(jìn)行自組裝，形成疏水性較強(qiáng)的磁性納米顆粒。例如華北理工大學(xué)研究團(tuán)隊合成的新型Fe3O4@MOF-808 磁性固體吸附材料，通過π-π、疏水相互作用和氫鍵等分子間作用力，大大提高了對苯甲酰脲類殺蟲劑的吸附效果。將基于該Fe3O4@MOF-808 吸附材料的MSPE前處理技術(shù)和高效液相色譜法分析相結(jié)合，實現(xiàn)了低檢出限 (0.04～0.15 ng/mL)、寬線性范圍(0.15～50 ng/mL) 和理想的回收率 (84.6%～98.3%)，該方法已成功應(yīng)用于快速靈敏地檢測茶飲料和果汁樣品中的苯甲酰脲類殺蟲劑，同時還可用于吸附高度共軛結(jié)構(gòu)以及高疏水性的各類農(nóng)藥[63]。與之效果類似的還有Seebunrueng 等[64]制備的層狀雙金屬 (Mg、Al) 氫氧化物自組裝的Fe3O4@SiO2磁性復(fù)合材料，用于富集分離水基質(zhì)中5 種三唑類殺菌劑，分析結(jié)果呈現(xiàn)出日內(nèi)和日間的高精密度，但其LODs = 1～2.5 ng/mL，未達(dá)痕量水平。另外，Cu、Zr、Cr、Zn 等多種金屬氧化物與磁性Fe3O4直接組裝形成的復(fù)合材料對分析水果、蔬菜、茶、環(huán)境水等基質(zhì)中的苯醚甲環(huán)唑類和有機(jī)磷類農(nóng)藥具有高準(zhǔn)確度，在最佳前處理條件下，所用吸附劑的劑量很少，僅在0.1～1 mg/mL 范圍即可，但缺點是檢出限同樣不能達(dá)到痕量水平[65-68]。

為了更好地體現(xiàn)該納米顆粒的優(yōu)點，解決不能痕量分析的缺點，Liu 等[69]將Zr 金屬氧化物直接連接Fe3O4納米顆粒形成復(fù)合材料，用于富集分離環(huán)境水中的15 種有機(jī)磷類農(nóng)藥，并通過附ESI 源的質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測 (圖10)，大大縮短了提取分析的時間 (1 min)，同時實現(xiàn)了痕量檢出水平(LODs = 0.14～16.39 ng/L)，通過ZrO2與磷酸鹽類化合物的結(jié)合力試驗證實，該創(chuàng)新性方法適用于多種基質(zhì)中磷酸鹽類化合物檢測分析。

圖10 基于Fe3O4-ZrO2 及ESI 源-質(zhì)譜法檢測環(huán)境水中15 種有機(jī)磷類農(nóng)藥的流程示意圖[69]Fig.10 Schematic illustration of the detection of 15 organophosphorus pesticides in environmental water based on Fe3O4-ZrO2 and ESI source-mass spectrometry[69]

同樣可達(dá)到痕量檢出水平 (LODs = 1.08～18.10 ng/L) 的還有Jiang 等[70]研發(fā)的Fe3O4磁性金屬有機(jī)骨架MIL-101 (Cr) 材料，結(jié)合高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 (HPLC-MS/MS) 法分析水稻樣本中的7 種三嗪類除草劑，回收率在79.3%～116.7%之間，RSD 為0.5%～13%，具有快速、可預(yù)濃縮富集、高靈敏度及高選擇性等優(yōu)勢。金屬氧化物直接修飾的Fe3O4磁性納米顆粒具有較好的水溶性，因此適用基質(zhì)多為液體樣本，但可富集分離的農(nóng)藥種類有限，因而又出現(xiàn)了不同有機(jī)配體、離子液體等改性的金屬有機(jī)框架材料。

2.3.2 改性金屬氧化物 除金屬氧化物與Fe3O4納米顆粒直接連接形成的納米吸附劑外，由有機(jī)配體進(jìn)行改性調(diào)節(jié)得到的納米復(fù)合材料可有效富集分離不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的多種類型農(nóng)藥。如Wang等[71]利用磺酸功能化制備了Fe3O4@PDA@Zr-SO3H 納米復(fù)合材料，可實現(xiàn)對水體中有機(jī)氯類農(nóng)藥的快速吸附，并且該復(fù)合材料還具備可重復(fù)使用、靈敏度高、表面積大、親水性好等優(yōu)勢。Niu等[72]建立了ATP@Fe3O4@ZIF-8 新型磁性固相萃取方法，與高效液相色譜法聯(lián)用，可用于茶湯中苯甲酰脲類農(nóng)藥的檢測分析。但當(dāng)應(yīng)用到復(fù)雜基質(zhì)如生物尿液、血液等樣本中時，這種簡單有效的方法很難達(dá)到高效分析而不受基質(zhì)影響的目的，因此研究者進(jìn)一步建立了適用于復(fù)雜基質(zhì)的目標(biāo)物分離方法。以較為常用的三價金屬離子(如Cr、Fe 等) 和羧酸配體形成Fe3O4復(fù)合納米顆粒，將該類型納米材料作為SPME 纖維涂層，通過控制SPME 萃取頭涂層的極性和厚度，針對復(fù)雜基質(zhì)中的化合物進(jìn)行高效吸附，利用其高孔隙率和比表面積，實現(xiàn)痕量檢出的目的。如Liu 等[73]成功合成了Fe3O4-MWCNT 的MOF 材料，使其擁有抗基質(zhì)干擾能力及良好的吸附特性，對水果和蔬菜樣品中的三唑類殺菌劑進(jìn)行檢測分析，LODs可達(dá)0.52～1.83 ng/mL 的微量水平。

為了豐富可分析的農(nóng)藥目標(biāo)物種類，F(xiàn)e3O4@MIL-100 (Fe) 等納米復(fù)合材料被成功制備，結(jié)合HPLC-UV 可用于檢測有機(jī)磷類農(nóng)藥在水果 (蘋果、橙子) 和蔬菜 (番茄、卷心菜和黃瓜) 中的殘留情況，該方法對所有目標(biāo)物均具有良好的精密度 (日內(nèi)和日間的RSD ≤ 9.4%)，LODs 為0.21～2.28 ng/mL 微量水平，這種氧化鐵納米粒子成功涂覆在磁核表面形成的納米復(fù)合材料，展現(xiàn)了良好的結(jié)晶度及多孔性，不僅如此，還表現(xiàn)出較優(yōu)的線性、靈敏度、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，以及易于操作和低耗能等優(yōu)勢[74]。除此之外，Senosy 等[75]較早在Fe3O4@MIL-100 (Fe) 基礎(chǔ)上首次包覆有機(jī)高分子聚合物聚乙烯亞胺 (polyethyleneimine, PEI)材料，用作吸附氟環(huán)唑 (epoxiconazol)、氟硅唑(flusilazole)、戊唑醇 (tebuconazole) 和三唑酮(triadimefon) 4 種農(nóng)藥殘留，通過對吸附劑材料、萃取時間、pH 值、離子強(qiáng)度、洗脫溶劑和洗脫劑體積的不斷優(yōu)化，各農(nóng)藥回收率均達(dá)到理想水平，同樣表現(xiàn)出高靈敏度、高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

除了將MOF 材料與有機(jī)高分子聚合物相結(jié)合外，將離子液體 (IL) 固定在Fe3O4/ZIF-8 的表面上，制成離子液體改性的磁性沸石咪唑酸鹽骨架(Fe3O4/ZIF-8/IL) 則是另一種MOF 新型材料，在優(yōu)化后的最佳條件下，聯(lián)苯菊酯 (bifenthrin)、氯菊酯 (permethrin)、氰戊菊酯 (cypermethrin)、氟氰戊菊酯 (flucythrinate) 4 種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的LODs = 6.5～101.7 ng/mL，日內(nèi)RSD 為 9.70%，日間RSD 為11.95%，雖然豐富了所分析農(nóng)藥目標(biāo)物的種類，但其缺點是未達(dá)到微量或痕量水平，且精密度較低[76]。除此之外，天然高分子聚合物修飾的MOF 復(fù)合材料還能用于吸附有機(jī)磷類農(nóng)藥(OPPs)。例如Ghorbani 團(tuán)隊[77]制備的多復(fù)合型Fe3O4@Chitosan@SiO2@ZIF-67 材料，一方面保證了對OPPs 的精確定量，另一方面通過增大吸附劑表面積、降低吸附劑成本以及提高吸附劑重復(fù)利用率等方式，提升了吸附效率。Li 等[78]采用相同金屬配體研發(fā)的Fe3O4@COF@Zr4+復(fù)合材料，同樣對OPPs 有著高效的吸附能力，通過研究樣品基質(zhì)pH 值、提取時間、離子強(qiáng)度、脫硫等提取條件對方法的影響，開發(fā)出了準(zhǔn)確度高、靈敏度強(qiáng)、可重復(fù)使用及檢出限達(dá)到痕量水平 (LODs = 0.7～3.0 ng/g) 的檢測分析方法，且其應(yīng)用流程 (圖11)在實驗室中操作也較為簡便。總結(jié)分析相關(guān)各類文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，此類改性金屬氧化物材料具有線性范圍廣、準(zhǔn)確度高、精密度好等優(yōu)勢，因此近年來在測定多種水果蔬菜等色素干擾較大的基質(zhì)中的農(nóng)藥殘留量時，以金屬氧化物為主要修飾材料的納米顆粒的應(yīng)用逐漸增多[79]，其中對目標(biāo)物的高選擇性是其排除基質(zhì)干擾的最大優(yōu)勢。

圖11 Fe3O4@COF@Zr4+ 納米復(fù)合材料的制備工藝流程及其在磁性固相萃取中的應(yīng)用示意圖[78]Fig.11 Schematic of fabrication process of Fe3O4@COF@Zr4+ nanocomposites and the application in magnetic solid phase extraction[78]

目前，金屬有機(jī)框架材料在農(nóng)藥檢測領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，前景廣闊，眾多科研工作者紛紛將目光聚集于此，并成功研制了更多不同種類可滿足不同需求的新型材料。MOF 材料親水性較好，且能夠避免植物細(xì)胞中色素的干擾，因而具有高度選擇性和痕量分離特性，萃取效率高，但粒徑相對較大，對于小樣本量的生物基質(zhì) (例如血清) 而言，還需進(jìn)一步優(yōu)化粒徑和比表面積。

2.4 無機(jī)材料

無機(jī)材料因具有電學(xué)、光學(xué)及生物功能等各方面的突出優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于光催化、光傳感器、細(xì)胞成像及藥物靶向治療等諸多行業(yè)中[80]。在農(nóng)藥殘留目標(biāo)物分析方面，無機(jī)材料多作為中間體或者中間橋梁作用而存在。例如，SiO2作為包覆材料時，由于其可以在Fe3O4的表面形成物理沉降，暴露出活性成分Si-OH，因而作為上述其他材料的涂層而被廣泛應(yīng)用[81]。但也有少部分科研工作者將其直接應(yīng)用于富集分離復(fù)雜基質(zhì)中的殘留農(nóng)藥，例如Liu 等[82]較早研發(fā)了一種基于乙腈溶劑的分散微萃取Fe3O4涂層，用于分析食用油中的有機(jī)磷類農(nóng)藥，在該方法中，起萃取作用的主要是乙腈溶劑，但創(chuàng)新性地將Fe3O4作為載體，以流體形式包覆乙腈溶劑形成萃取劑，實現(xiàn)了對脂溶性極強(qiáng)基質(zhì)中殘留農(nóng)藥的檢測分析。與之類似，Li 等[83]將TiO2作為配體，鏈接十六烷基三甲基銨改性的Fe3O4顆粒，制備成Fe3O4@TiO2無機(jī)納米材料，從而實現(xiàn)了對水體中多種農(nóng)藥的高效富集，LODs = 26～30 ng/L，但由于該納米顆粒不具備選擇性，盡管回收率較高，農(nóng)藥的檢出限仍不能達(dá)到痕量水平。此外，Liu 等[84]就魚體內(nèi)的127 種農(nóng)藥殘留進(jìn)行分析，采用Fe3O4@TiO2無機(jī)納米材料可實現(xiàn)“一步法”前處理，但仍達(dá)不到痕量檢出的目的 (LODs = 1～250 ng/mL)。因此，對目標(biāo)分析物的選擇性不足這一缺點，導(dǎo)致了無機(jī)納米材料最終僅作為其他高選擇性材料的中間架橋作用而存在。

3 小結(jié)與展望

近年來，農(nóng)藥檢測分析的相關(guān)技術(shù)發(fā)展受到了大量的關(guān)注，也取得了豐碩的研究成果，新方法的不斷開發(fā)和更新在一定程度上滿足了農(nóng)藥殘留檢測的實際需求，同時也大力推動了農(nóng)藥檢測技術(shù)的發(fā)展。本文介紹的功能性Fe3O4納米顆粒具備痕量農(nóng)藥殘留分析的突出優(yōu)點，且正如上文中提到的，針對不同農(nóng)藥目標(biāo)物而言，極性強(qiáng)弱決定了納米顆粒進(jìn)行分類吸附時的分子間作用力種類和大小，因此除上述已詳細(xì)論述的內(nèi)容之外，進(jìn)一步對其他類似功能性Fe3O4納米顆粒富集分離農(nóng)藥的特點進(jìn)行了列舉 (表4)[85-105]。例如，就三唑類農(nóng)藥而言，分子內(nèi)苯環(huán)的存在使其容易與功能性基團(tuán)發(fā)生共軛效應(yīng)，因此具備自組裝能力的MOF 材料或有機(jī)高分子聚合物更適用于富集基質(zhì)中該類農(nóng)藥[92,99,104]；而對弱極性農(nóng)藥而言，疏水作用力是其能從基質(zhì)中分離出來的主要作用力方式，因此選擇具備強(qiáng)疏水作用力的有機(jī)小分子作為功能性納米提取劑的修飾材料，對水果、蔬菜、食用油及血清基質(zhì)中弱極性農(nóng)藥而言都可實現(xiàn)較優(yōu)的痕量檢出限[93,101]。

表4 其他功能化 Fe3O4 納米顆粒在農(nóng)藥殘留分析中的應(yīng)用Table 4 Application of other functional Fe3O4 nanoparticles in the analysis of pesticide residues

綜上所述，利用功能性材料修飾的Fe3O4納米顆粒越來越具備分析物靶向性和基質(zhì)目標(biāo)性，也正在向成熟的商業(yè)化和高通量化方向發(fā)展，但同時仍然存在以下幾點亟待解決的問題。

1) 針對化學(xué)極性較弱、脂溶性較強(qiáng)的農(nóng)藥而言，通過分子間相互作用可靶向設(shè)計多種該類納米吸附劑，但大多數(shù)此類納米吸附劑水溶性較差，吸附流程需依賴混勻或振蕩渦旋等輔助操作，因而關(guān)于低毒性、水溶性納米吸附材料的設(shè)計和制備仍具有進(jìn)步的空間。

2) 除此之外，本文介紹的納米顆粒總體是依據(jù)靶向吸附的高選擇性而實現(xiàn)目標(biāo)物的痕量分析，與傳統(tǒng)液-液萃取和固相萃取等前處理方法相比，往往不具備高通量和普適性，成為其商業(yè)化發(fā)展中的主要技術(shù)難點。因而如何提高此類納米吸附劑的高通量特性仍需科研工作者的不斷挖掘，如納米顆粒復(fù)合制劑的制備、納米顆粒組合應(yīng)用等方式的探索有望進(jìn)一步解決該問題。

現(xiàn)階段農(nóng)藥殘留檢測分析技術(shù)在實際應(yīng)用中要解決的問題主要包括對目標(biāo)物的痕量富集、檢測準(zhǔn)確性、高通量篩選和快速化測定。依賴納米吸附顆粒的農(nóng)藥殘留檢測分析手段與其他技術(shù)手段相比，已經(jīng)實現(xiàn)了高靈敏度及高穩(wěn)定性的優(yōu)點，是納米顆粒在檢測分析多種類型樣本基質(zhì)中不同數(shù)量級濃度及不同種類農(nóng)藥殘留的有利方法，因而具有廣闊的研究及應(yīng)用空間。因此，應(yīng)適時根據(jù)我國相關(guān)農(nóng)藥使用標(biāo)準(zhǔn)及管理規(guī)定進(jìn)行針對性的設(shè)計、研發(fā)，以促進(jìn)該類方法的持續(xù)化發(fā)展和應(yīng)用，以期在《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》政策下為中國的食品安全提供一定的事實保障。