功能化磁性納米材料在農獸藥殘留檢測中的研究進展

秦銘杉，楊琳燕，劉 歡，李留安，李 存

（天津農學院動物科學與動物醫(yī)學學院，天津市農業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300392）

近年來，由濫用農獸藥引起的一系列負面影響事件不斷發(fā)生，農獸藥對農業(yè)、生態(tài)環(huán)境、動物食品安全乃至人體的健康帶來嚴重危害，因而受到廣泛關注。此外，藥物殘留在各類基質中的存在具有復雜性和多樣性，因此開發(fā)簡單、快速、靈巧、可靠的檢測方法對食品衛(wèi)生和安全具有重要意義。

目前，應用比較普遍的技術是儀器分析法（氣相色譜、液相色譜、色譜-質譜聯(lián)用）和免疫分析法，2 種檢測方法各有優(yōu)缺點。儀器分析法具有較高的靈敏度和準確度，但是該方法通常需要經過復雜的前處理，操作時間長且缺乏特異性；免疫分析法具有快速、高通量篩選優(yōu)化等優(yōu)點，但現(xiàn)有的分析方法很不成熟，其穩(wěn)定性、靈敏度和重復性等問題尚未得到解決。研究表明，磁性納米粒子具有優(yōu)異的磁學性能、良好的生物相容性和豐富的化學反應可選擇性，在靶向給藥、藥物載體、農獸藥殘留檢測等領域顯示出了巨大的價值和良好的應用前景。本文結合國內外的相關研究成果，對于功能化磁性納米材料及其在農獸藥殘留檢測中的應用進行論述，并在此基礎上對功能化納米材料在農獸藥殘留檢測方面應用的未來研究趨勢進行展望。

1 功能化磁性納米材料

在納米新材料中，磁性納米材料因具有光、電、磁、熱敏感及催化等特性而被廣為應用。磁性納米粒子是一類可以利用磁場進行操控的納米粒子，這種粒子通常包含2 種成分，一種是磁性材料，通常是鐵、鎳和鈷，另一種是功能的化學成分，而納米顆粒直徑小于1 μm（通常為5～500 nm），較大的微珠直徑為0.5～500 μm。由許多單個磁性納米顆粒組成的磁性納米顆粒群（直徑為50～200 nm）被稱為磁性納米顆粒團簇，這是其進一步磁性組裝成磁性納米鏈的基礎。磁性納米顆粒由于其具有較大的表面積，優(yōu)異的化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，因此在催化方面有潛在的應用前景，包括基于納米材料的催化劑、生物醫(yī)學和組織特異性焦油獲取、磁性可調膠體光子晶體、微流體，磁共振成像、磁粉成像、數據存儲、環(huán)境修復、納米流體和光學過濾器、缺陷傳感器和陽離子傳感器。

1.1 金屬有機框架功能化的磁性納米材料 金屬有機框架（MOFs）又稱多孔配位聚合物（PCPs），是由金屬離子或金屬團簇和有機配體配位組裝而成，是最有前景的一種多孔晶體材料。它的主要特點是以有機配體為骨架，金屬離子或其團簇為配位中心，以配位鍵和的形式連接成三維空間網絡結構。相較于傳統(tǒng)的多孔材料（如活性炭）而言，金屬有機骨架展現(xiàn)出更優(yōu)的結構多樣性，如可調節(jié)的孔徑，可選擇的功能配體，對特定組分的化學親和性，這也使得它們具有超出其孔隙率的功能多樣性。此外，金屬有機骨架相對容易合成，已經被深入研究并廣泛應用于吸附分離、催化、載藥等領域。因此結合磁性納米材料及金屬有機骨架的優(yōu)點來制備磁性金屬有機骨架復合材料，將擴展其使用范圍。蔡丹丹等制備以金屬有機框架材料ZIF-67 為前驅體，通過高溫熱解法合成磁性Co/C 納米復合材料，并將其應用于水中剛果紅有機染料的吸附。

1.2 離子液體功能化的磁性納米材料 離子液體（Lonic Liquid，ILs）是一種熔融鹽，一般由有機陽離子、有機或無機陰離子兩部分組成，其在室溫及接近室溫狀態(tài)下呈液態(tài)。離子液體具有液態(tài)范圍寬，蒸汽壓低，功能可調節(jié)性，及對大多數物質的溶解性高等特點，被廣泛應用于萃取分離領域。為提高離子液體在固相萃取中的應用能力，可以將其作為萃取劑載體和相分離基礎的磁性納米粒子相結合，形成離子液體功能化的磁性納米粒子，用于生物、環(huán)境和食品等復雜樣品中痕量組分的分析。平文卉等合成了室溫離子液體負載環(huán)糊精磁性納米材料，用其對樣品進行磁固相萃取。

1.3 分子印跡聚合物功能化的磁性納米材料 分子印跡聚合物（Molеcularly Imprintеd Polymеr，MIP）含有特定空間結構孔穴，具有量身定做、制備簡單，穩(wěn)定且可反復使用等優(yōu)勢。在此基礎上發(fā)展的磁性分子印跡納米粒 子（Magnеtic Molеcularly Imprintеd Nanoparticlеs， MMIPNs）是一種可通過外部磁場對待測物選擇性富集分離的材料。由于MMIPNs 識別位點是建立在磁納米粒子的表面或靠近表面的位置，能夠實現(xiàn)待測物的快速吸附和洗脫。故將其應用于待測物的富集分離，不僅操作簡單，也可大大節(jié)省樣品預處理的時間。如高風仙等以硼酸基功能化的磁性FеO納米粒子（FеONPs）為載體卵清蛋白（OB，一種糖蛋白）作模板分子，多巴胺為單體采用表面印跡方法制備了一種磁性表面分子印跡聚合物納米粒子。

1.4 碳納米管功能化的磁性納米材料 碳納米管（Carbon Nanotubеs，CNTs）由日本科學家飯島澄男于1991 年發(fā)現(xiàn)之后，由于其獨特的結構和優(yōu)越的性質而迅速受到各個領域關注。功能化碳納米管作為一種新型的納米復合材料，其具有高的比表面積、化學惰性、生物相容性、大的孔體積，良好的孔道穩(wěn)定性，疏水親有機物等特性，使其不僅比活性炭、石墨粉、分子聚合物等物質具有更高的吸附容量，而且具有良好的重復利用性。通過調節(jié)合成時的投料比可以改變碳納米管的孔結構，使其選擇性吸附不同種類的吸附質，從而應用于催化劑載體、吸附劑、藥物傳輸等。在農藥殘留分析領域，碳納米管可作為固相萃取材料對樣品中的農藥殘留進行選擇性吸附，且獲得較好效果。

2 功能化磁性納米材料在農獸藥檢測中的應用

2.1 在樣品前處理中的應用 在農獸藥殘留檢測過程中，分析化學所面臨的樣本性質的復雜程度是前所未有的，與純標準品不同，生物、環(huán)境、食品樣品通常含有多種成分，且組成復雜，如金屬離子、有機小分子聚合物、蛋白質和脂質，這些復雜的成分可能引起儀器污染、信號干擾和基質效應等一系列問題，因而必須對其進行有效的前處理，分離富集目標分析物，才能達到痕量檢測的目的。近年來將磁性材料運用于樣品前處理取得了很好的效果，例如磁性固相萃取（MSPE）。MSPE 技術以液-固色譜理論為基礎，以磁性或可磁化的材料為吸附劑基質，直接將吸附劑添加到樣品液中用于吸附目標分析物，吸附完全后，在強磁鐵的作用下待測物隨吸附劑一起從樣品溶液中被分離出來，最后選擇合適的洗脫溶劑，將待測物洗脫下來進行后續(xù)檢測。磁性吸附劑是MSPE 技術的基礎與核心，一般以FеO為磁性內核，表面用其他材料進行修飾以提高穩(wěn)定性。

Yao 等首次建立了磁性離子液體-水兩相體系（MILATPs）與高效液相色譜（HPLC）聯(lián)用的新方法，用于水環(huán)境中氯霉素的富集和測定。在不存在揮發(fā)性有機溶劑的情況下，MILATPs 不僅具有快速萃取的優(yōu)良性，而且對外加磁場的響應也可用于輔助相分離。Wang 等提出了一種基于分散固相微萃取和高效液相色譜法相結合（HPLC-DAD）的方法，能夠同時測定豬肉樣品中17-雌二醇（E）、雌酮（E）和己烯雌酚（DES）3 種雌激素。Zhou 等成功地合成了 PAMAM 樹狀大分子修飾的MNPs，并對其進行了研究，通過開發(fā)出一種與HPLC-UV 相結合的有效的磁性固相萃取方法，用于測量真實環(huán)境水樣中的DDT 及其代謝物。Hе 等成功地將微波輔助磁固相萃?。∕AEMSPE）與氣相色譜-電子捕獲檢測器（GC-ECD）聯(lián)用用于土壤樣品中8 種有機氯農藥的測定，特別是新型FеO-NH@MIL-101（Cr）復合材料作為MSPE 吸附劑，對靶材具有選擇性富集和純化作用。以微波萃取溫度和時間、溶液pH、吸附劑用量、超聲提取時間、離子強度、洗脫溶劑類型、洗脫溶劑體積和洗脫時間為優(yōu)化指標，對MAE-MSPE 工藝進行了優(yōu)化。王芳等采用聚吡咯修飾磁性納米材料，建立環(huán)境水樣中喹諾酮類藥物的富集分離-超高效液相色譜-串聯(lián)質譜法（UPLC-MS/MS），對11 種喹諾酮類的檢測線性范圍為5～1 000 ng/L時，相關系數（r）均>0.9990。Yamini 等建立了一種簡單、快速、靈敏的磁性固相萃?。∕SPE）與高效液相色譜紫外檢測器（HPLC-UV）相結合的方法，用于測定水、尿液和血漿樣品中氯丙嗪的微量含量。

2.2 在免疫分析中的應用 以磁性納米顆粒為基質，在其表面鏈接抗體，合成高效人工抗體材料，應用抗原-抗體免疫反應實現(xiàn)對樣品的分離。目前，功能化納米材料已成功應用于生物、化學等領域，也可用于復雜樣品中農獸藥殘留分離富集檢測。在免疫分析研究中，越來越多的研究開始應用納米顆粒及標記技術來提高檢測的靈敏度、特異性以及簡化操作。在眾多的酶模擬物中，F(xiàn)еO磁性納米粒子能表現(xiàn)出一定的類過氧化物酶活性。與其他酶免疫標記物相比，F(xiàn)еO在很大程度上克服了天然酶易受溫度、化學環(huán)境等因素影響的限制。

Xu 等采用磁珠酶免疫分析法對牛奶中氯霉素進行了快速分析。為提高氯霉素檢測的靈敏度，設計并比較了以抗氯霉素抗體或山羊抗鼠IgG 制備2 種IMBs 的免疫磁分離方法。將這2 種方法應用于牛奶中氯霉素的檢測，2 種方法對緩沖液中氯霉素均有較高的靈敏度，并且有良好的特異性和回收率。Picacho 等首次建立了用于檢測牛奶中氟喹諾酮類抗生素殘留的安培磁免疫傳感器（AMS）。該免疫傳感器將磁性微球與一種具有廣泛氟喹諾酮類識別譜的抗體、半抗原酶醇和磁性石墨環(huán)氧復合電極（m-GEC）結合在一起。經過與特異性酶示蹤劑的免疫化學反應后，用含磁鐵的石墨環(huán)氧復合電極容易捕獲抗體生物氧化磁珠，并作為電化學檢測的換能器，可以滿足對牛奶中7 種不同氟喹諾酮的檢測需求。Han 等建立同時測定牛奶、尿液和血清中-受體激動劑類、磺胺類和四環(huán)素等多種獸藥殘留的多重試紙免疫分析方法。樣品不需要預處理，可在10 min內直接分析。多重試紙法價格低廉，使用方便，適合于快速、全面地篩選-受體激動劑類、磺胺類和四環(huán)素類藥物。

2.3 在生物傳感器中的應用 生物傳感器是一種將濃度轉換成電信號進行檢測的儀器，它是由分子識別元件與信號轉換器相結合，用于物質快速檢測與分析的一種新型器件。這種生物敏感部件對于特定的化學活性物質或生物活性物質具有選擇性及可逆響應，并通過測定pH、電導等物理化學信號的相應變化來測得農獸藥殘留量。

楊欣等將乙酰膽堿酯酶修飾過的FеO@Au 微粒通過磁力吸附于涂覆了復合膜的絲網印刷碳電極表面，研制出一次性有機磷農藥酶傳感器，該傳感器比表面活性較高，對白菜中殘留的農藥樂果檢測響應迅速，檢測限低至5.6×10mg/L。Qian 等提出了一種基于一種新型磁性單鏈DNA 結合蛋白（SSB）復合探針的小分子檢測方法，通過在金磁顆粒上固定適配體和辣根過氧化物酶（Horsеradish Pеroxidasе，HRP）制備得到磁性探針該磁性探針能夠靶向結合食品中的氯霉素。當檢測探針上相應的適配體發(fā)生變化時，該方法也很容易擴展到其他小分子的檢測中。胡柳依在以Ag@Au-PAMAM-AgNPS 為基底和Au-PAMAM-CdSе 為納米探針信號放大的基礎上，構建了一種多重信號放大的電化學發(fā)光免疫傳感器檢測溴布特羅，在優(yōu)化的條件下，電化學發(fā)光免疫傳感器的發(fā)光強度與檢測的溴布特羅濃度的對數呈良好的線性，R=0.9966，信噪比為3 的時候，檢測限為0.3 pg/mL。

3 小結與展望

農獸藥殘留檢測關乎食品安全問題，我國對農獸藥殘留檢測的要求越來越嚴格，但殘留檢測的檢測體系和技術還不夠完善，需要進一步探索以實現(xiàn)對農獸藥的快速、靈敏和特異性檢測的要求。針對不同的基質、藥物以及應用需求，通過相應的修飾方法對磁性材料進行改性制備，能夠在充分發(fā)揮磁性材料優(yōu)勢的基礎上，提高對不同類型目標物的特異性或廣譜性分析能力。還要開發(fā)更多新型的功能化磁性納米材料，適應更復雜的應用，例如氫鍵有機骨架材料（HOFs）、共價有機框架材料（COFs）等。此外，還要發(fā)展更簡便、高效、快速、安全的材料功能化的方法，與儀器分析聯(lián)用實現(xiàn)更高效的檢測?？傊?，功能化磁性納米材料作為一種方便高效復合材料，將在農獸藥殘留檢測中得到更多的應用。