石墨相氮化碳在食品分析前处理制备技术中的发展和应用

马 帅，由天艳，王 坤，王 蒙，潘立刚

（1.北京农业质量标准与检测技术研究中心，北京 100097；2.江苏大学农业装备工程学院，现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013）

食品安全问题是关系到国计民生的重大问题，随着人们生活水平的提高及环保意识的增强，环境污染带来的食品安全问题日趋成为人们关注的焦点。工业重金属、农药残留以及真菌毒素等污染物会经食品长期摄入积累而成为人类健康的潜在影响因素，不仅能引起急性或慢性中毒，还具有明显的致畸、致癌和致突变性。因此，需要发展绿色环保、高效快速、简便的新型前处理制备技术，为食品中污染物的高通量快速筛查提供可靠的技术支持，这对确保人民群众“舌尖上的安全”具有重要的意义。

样品前处理制备技术是复杂样品（如食品、环境、生物或制药）分析的重要步骤，尤其是分析物处于痕量或超痕量水平。正确的样品前处理技术不但可以通过浓缩分析物来确保较高的分析灵敏度，而且可以通过去除基质干扰来提高方法的选择性[1-2]。此外，正确的样品前处理方法可以有效预防对分析仪器的损害。迄今为止，根据分析物的性质和基质的复杂性，已经发展了多种样品前处理方法，包括QuEChERS、固相萃取（solidphase extraction，SPE）、固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）和磁性固相萃取（magnetic solid-phase extraction，MSPE）法等[3-5]。在各种样品前处理方法中，吸附剂具有至关重要的作用，吸附剂富集净化能力和选择性主要取决于其表面特定吸附位点的类型。目前，已开发出多种具有特殊结构和物理化学性质的吸附剂，可用于复杂基质样品中痕量无机/有机分析物的富集净化和测定，如C18、二氧化硅、聚丙烯酸酯、碳纳米管、石墨烯、陶瓷金属氧化物及分子印迹聚合物等[6-13]。

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种新型的二维石墨烯类似物，具有良好的生物相容性、表面可修饰和较强的吸附亲和力等优异性能。同时，g-C3N4具有多种绿色前体，容易剥落成超薄纳米片，在酸性和碱性环境（pH 3～11）中都稳定，比普通吸附剂（C18、二氧化硅、聚丙烯酸酯、碳纳米管等）更具有创新潜力和广泛应用前景[14-15]。近年来，g-C3N4已与SPE、MSPE和SPME法相结合用于样品的预处理。为了提高研究者对g-C3N4优越性能的认识并推广其作为吸附剂在样品前处理中的应用，本文对g-C3N4的结构、吸附机理以及在样品前处理应用进行了综述。

1 g-C3N4的结构性能

C3N4聚合物及其前体的合成历史可以追溯到1834年，其首先由Berzelius教授开发并由Liebig教授命名为“melon”[16]。C3N4共有5 种结构（α-C3N4、β-C3N4、g-C3N4、cubic-C3N4和pseudocubic-C3N4），其中g-C3N4的结合能最低、硬度最小、结构最稳定。g-C3N4是由C、N之间共价键形成的原子层堆叠而成，在微观上是一种类似石墨烯的二维层状结构，tri-s-triazine是g-C3N4最稳定的存在单元。目前，g-C3N4的合成方法主要有化学气相沉淀法、高温高压合成法、溶剂热聚合法、电化学沉积法和热分解法[17]。其中，热分解法操作安全简便，反应条件易受控制，且能大批量合成，是目前使用最广泛的合成方法。各种简单、绿色、富含氮的前体可用于合成g-C3N4，如三聚氰胺、硫脲、尿素、六亚甲基四胺、三聚氰胺-氰酸超分子和含氮离子液体等[18-20]。

g-C3N4具有特殊的化学和热稳定性，包括超高硬度、低密度、良好的生物相容性、表面可修饰性和较强的吸附亲和力等[21-22]。其内置富氮官能团和电子离域性质赋予其多种吸附机制，包括络合效应、氢键、氧化还原反应、π-π共轭效应、疏水作用、酸碱反应和静电相互作用等[23]。g-C3N4的吸附效率和选择性与其结构和表面理化性质有关，包括结构缺陷、表面功能基团、比表面积和等电点等。这些特性与材料的合成温度、前体聚合度、溶液pH值以及离子浓度有关。

直接热分解得到的g-C3N4比表面积和表面活性位点有限，而经过剥离或刻蚀的超薄g-C3N4具有明显的表面缺陷和N桥结构，这有利于对其表面进行修饰。因此，研究人员探索了对g-C3N4进行结构改性或表面功能化修饰，以拓展其应用范围[24]。目前，已有研究人员探索了多种用于提高g-C3N4吸附性能和选择性的改性方法，包括软/硬模板法、质子化法、原子后掺杂法、原位合成法、氧化法以及高分子化合物连接法[25-26]。

2 g-C3N4的吸附机理及改性

2.1 g-C3N4的吸附机理

吸附剂的吸附机理主要取决于材料的结构及表面物理化学性质，包括特定的表面缺陷、表面官能团、比表面积和等电点等。g-C3N4的拓扑结构是通过叔胺连接的tri-s-triazine二维石墨结构，其内置官能团是—NH2/—NH—/＝N—，这些官能团提供了选择性吸附目标物的基本位点[27]。其中，芳香族的三嗪环可以形成非定域化的共轭π键，可以通过π-π双键或三键、疏水作用以及静电相互作用与黄酮、酚酸和多环芳烃等目标物反应；—NH2/—NH—/＝N—可以通过络合作用和氧化还原反应吸附酚酸、农药等目标物；离子化合物也可以通过静电作用被吸附，在中性溶液中g-C3N4带负电，对阳离子化合物有较好的吸附[28]。此外，g-C3N4末端的—NH2还可以通过氢键相互作用、金属离子鳌和或酸碱反应来识别其他化合物。g-C3N4是由C和N形成的sp2杂化六元环，N取代C所形成的C—N键使得六元环的π离域降低，使其芳香性低于石墨烯[29]。g-C3N4的平面结构是由线性g-C3N4分子通过—NH—与—NH2之间的氢键连接而成，这比石墨烯及其他碳基材料中的共价键弱很多，可保证g-C3N4在溶液中具有更好的分散性[30]。芳香性的降低和接触面积的增加使得g-C3N4对化合物具有更高的回收率和吸附能力，作为路易斯碱的g-C3N4在样品前处理及测定中具有广泛的应用前景。

2.2 g-C3N4吸附行为的影响因素

通常，经热分解制备的g-C3N4是不同尺寸和结构聚合物的混合物，微观组织和缩聚程度的差异是由合成时的前体、反应条件和反应温度决定。因此，要对制备和吸附条件进行优化，包括前体的类型、聚合温度、溶液pH值和离子强度等。

2.2.1 前体的类型

各种简单、绿色富氮前体可用于合成g-C3N4，其中三聚氰胺、硫脲和尿素为最常用的3 种前体。通过这种前体所合成的3 种g-C3N4具有相同的tri-s-triazine二维石墨结构和内置官能团—NH2/—NH—/＝N—。但是，3 种g-C3N4的孔径和等电点差别较大，其中以尿素为前体所合成的g-C3N4孔径最大，以三聚氰胺、硫脲和尿素为前体合成的3 种g-C3N4的等电点分别为5.0、4.4和5.1[29]。

2.2.2 热分解温度

热分解温度是影响g-C3N4聚合度的最主要因素，而与吸附行为相关的结构缺陷、表面功能、比表面积和等电点都由g-C3N4的聚合度来确定。例如，以尿素为前体，在不同温度（450～650 ℃）下得到不同聚合度的g-C3N4，g-C3N4对伊红Y的吸附量随热分解温度的升高而增加，这主要与样品的比表面积有关。同时，热分解温度对g-C3N4的形貌也有影响。例如，以三聚氰胺为前体，随着温度的降低，得到纳米棒、微胶囊、多孔四棱柱状的g-C3N4，而在最高温度下制备的g-C3N4具有最大的比表面积和吸附能力[31]。

2.2.3 溶液pH值

通过热分解得到的g-C3N4的等电点大约是4～5，这是在g-C3N4表面氢离子、羟基离子和胺基之间的反应化学平衡所致[29]。当溶液pH值低于等电点时，g-C3N4带正电，对阴离子化合物有较好的吸附作用。反之，若溶液pH值高于等电点，g-C3N4带负电，对阳离子化合物有较好的吸附。

2.2.4 离子强度

g-C3N4对离子化合物的吸附机制包括离子交换、表面络合和静电作用。有研究已经证明，离子强度对g-C3N4的吸附有显著影响，钠离子浓度会影响双电极层的厚度和界面电位，与内球面络合和π-π共轭相比，外球面络合和阳离子交换对离子强度变化更为敏感[31]。

2.3 g-C3N4的改性

尽管由小分子前体通过热聚合所制备的g-C3N4具有多种优异性能，然而其仍存在以下缺点：比表面积较小，一般在20 m2/g以下；层与层之间的距离较大（0.67 nm）；材料内阻较大。为了进一步提高g-C3N4的吸附能力和选择性，研究者开发了多种技术对其结构及表面进行改性，包括形貌调控、质子化、原子后掺杂以及原位合成改性等。

2.3.1 形貌调控

通过对g-C3N4的形貌进行调控，如制备出多孔/介孔结构、纳米球、纳米棒、量子点及纳米片等，可以有效地提高g-C3N4材料的比表面积和吸附性能。Wang Xinchen等[32]采用硬模板法，可控制得具有不同孔结构和比表面积的介孔氮化碳（mpg-C3N4），并通过实验证明该孔结构可有效地提高材料的吸附能力。Sun Jianhua等[33]采用硬模板法制备得到粒径均一、壁厚可控的g-C3N4空心球，其比表面积和吸附性能都比g-C3N4好。Xu Jing等[34]开发了一种绿色的“软模板”合成mpg-C3N4的方法，考察了不同类型软模板对合成材料的影响，结果表明Triton X-100和离子液体可以作为有效的软模板，这样可以避免酸刻蚀造成g-C3N4结构的不稳定。

2.3.2 元素掺杂改性

元素掺杂改性可以通过调整g-C3N4的电子结构、表面点位及相对比表面积来提高其吸附和选择性能。掺杂元素包括S、P、B等非金属元素和Au、Ag、Cu、Zn等金属元素。一般认为非金属元素的掺杂可以取代结构中的C、N等元素，产生晶格缺陷，从而提高光生电子-空穴对的分离效果；而金属掺杂时，金属原子通过与N配位的方式嵌入孔穴中，形成光生电子-空穴的浅势捕获陷阱，从而延长了电子和空穴的复合时间。Zhu Yunpei等[35]在制备g-C3N4时添加了羟基乙叉二膦酸，制备得到了P掺杂的g-C3N4纳米花，不仅提高了g-C3N4的比表面积和传质速率，同时也由于P的掺杂提高了材料的导电性。载金纳米粒子g-C3N4片（Au/g-C3N4）可提高g-C3N4的吸附能力和选择性，除了比表面积的增加外，表面的Zeta电位也降低，这使得杂化物通过静电作用对中性介质中的阳离子化合物和酸性介质中的阴离子化合物表现出更强的亲和力[36]。

2.3.3 复合改性

复合改性是将g-C3N4与其他类石墨烯材料、金属氧化物、金属硫化物、复合金属氧化物、卤化物、贵金属、高分子化合物（聚苯胺、聚噻吩）等结合在一起，通过形成p-n异质结（半导体材料/g-C3N4界面）、Schottky异质结（金属/g-C3N4界面）、表面等离子体共振效应等，提高材料的吸附性能和选择性。此外，当与Fe3O4等磁性粒子进行复合时，除增加比表面积外，也会使得材料本身具有磁性，利于材料的回收和利用，Fe3O4/g-C3N4是目前应用较为广泛的一种食品样品前处理方法[37]。

2.3.4 质子化作用

g-C3N4与强酸的质子化可以在不发生结构改变的情况下提高g-C3N4的比表面积和吸附能力，改变g-C3N4的表面点位。酸蚀或热退火后N空位和气孔的形成使得g-C3N4的比表面积增加。Zhang Yongcai等[25]将g-C3N4浸泡在硝酸和盐酸水溶液中即可制备H+-g-C3N4，而对g-C3N4的结构和官能团没有影响。质子化所用酸的种类对材料的吸附性能存在影响，H+-g-C3N4-HCl的比表面积和对Cr的吸附能力大于H+-g-C3N4-HNO3和g-C3N4。

3 g-C3N4在样品前处理中的应用

作为一种绿色高效的吸附剂，g-C3N4已经与分散固相萃取（dispersive solid phase extraction，DSPE）、MSPE、SPE和SPME法结合，应用于样品的前处理，g-C3N4对有机/无机化合物具有较强的吸附能力和稳定的可回收效果，开发更多基于g-C3N4的应用模式是未来发展方向之一。

3.1 DSPE模式

Ding Xinru等[38]设计并制备了天鹅绒状石墨相氮化碳（V-g-C3N4）作为DSPE吸附剂，并将其与高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）相结合用于水果中黄酮类化合物的提取。该学者对前处理条件进行优化：水/甲醇（体积比1.0～3.0）、NaCl质量分数（5.0%～15.0%）、pH值（3.0～7.0）。所制备的V-g-C3N4具有较大的表面积、良好的分散性和生物活性，可以在20 s内实现对水果中黄酮类化合物的快速吸附。在优化的前处理和HPLC条件下，该方法具有良好的精密度（3.6%～4.7%）和灵敏度（定量限0.60～3.75 ng/mL），适用于黄酮类化合物的前处理及测定。

Wang Jiaqin等[39]设计并制备了天鹅绒状石墨相氮化碳（V-g-C3N4）作为DSPE吸附剂，与实时直接分析质谱相结合用于水样中苯氧基羧酸的高通量快速测定。V-g-C3N4表面积大、分散性好，可在1 min内完成对水样中氧基羧酸吸附和洗脱。所建立的方法具有良好的回收率（79.9%～119.1%）、相对标准差（0.23%～9.82%）（重复5 次）。该研究前处理方法简单、快速、灵敏、样品制备量少，毒性有机溶剂消耗量少，可用于氧基羧酸的高通量筛选测定。

3.2 MSPE模式

MSPE具有简单快速、易分离、吸附效率高及平衡时间短等优点，在食品样品前处理中得到了广泛的应用。直接使用g-C3N4作为SPE吸附剂，片状的g-C3N4容易再聚合，导致吸附能力降低且很难通过高速离心与液相分离。为了避免上述情况，在g-C3N4纳米片表面固定Fe3O4粒子应用于MSPE是一个有效的解决方案，Fe3O4具有超顺磁性，磁性g-C3N4/Fe3O4很容易通过磁分离从溶液中分离出来。此外，Fe3O4还具有亲水性，相对于g-C3N4的疏水表面，可以吸引水相接触疏水的g-C3N4进行吸附。

Yang Jing等[40]采用原位生长法制备了g-C3N4/Fe3O4，对材料进行了X射线衍射、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱以及热重分析等表征。该学者将所合成的g-C3N4/Fe3O4作为MSPE吸附剂与HPLC相结合用于Salicornia herbacea L.中酚酸含量的测定。该学者对吸附和解吸等前处理条件进行了优化，g-C3N4/Fe3O4用量为15 mg，洗脱溶剂为水/甲醇/甲酸（1∶1∶0.2，V/V）（洗脱两次，每次体积0.5 mL）。方法的回收率为92.4%～99.5%，检测限为17.5～42.6 ng/mL，精密度为2.8%～3.8%（n＝5），该方法可用于水杨属植物中原儿茶酸、咖啡酸和阿魏酸的测定。实验结果还表明g-C3N4/Fe3O4在酚类化合物、有机酸甚至其他含碳环结构的生物活性化合物的吸附分离方面具有潜在的应用前景。Fan Shanshan等[41]制备了V-g-C3N4/Fe3O4，建立了不同茶叶中黄酮类化合物的MSPE-HPLC检测方法。研究表明，优化后的吸附剂用量为1 mg，解吸溶剂为甲醇/丙酮/乙酸（1∶1∶0.02，V/V）（共1.0 mL）。所建立的方法具有良好的重现性、灵敏度（定量限：0.075～0.100 mg/mL）和回收率（88.2%～107.2%）。V-g-C3N4/Fe3O4可以与黄酮类化合物相互作用，Fe3O4表面的氢键和V-g-C3N4的疏水性以及π-π相互作用都可以促进V-g-C3N4/Fe3O4对黄酮类化合物的吸附。Zhao Bingxin等[42]采用水热法合成了g-C3N4/Fe3O4/MoS2，通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜技术对合成材料进行表征，并将其作为MSPE吸附剂与HPLC相结合应用于鸡肉和鸡蛋中痕量氟喹诺酮的分离浓缩和测定。对影响萃取效率的各种参数进行了研究和优化。在优化条件下，该方法在2～300 μg/L范围内具有良好线性（R2≥0.999 3）、加标回收率（89.3%～99.6%，相对标准偏差不高于4.5%），检测限为0.5～2.0 μg/L，定量限为1.7～6.7 μg/L。郑浩博[43]通过物理研磨共混合制备g-C3N4/Fe3O4纳米片作为MSPE吸附剂，与气相色谱-质谱联用检测食用油中多环芳烃。对优化后的MSPE前处理条件进行优化：吸附剂用量为20 mg、萃取时间为1 min、解吸溶剂为甲苯、解吸时间为1 min。所建立的方法具有良好的加标回收率（91.0%～121.7%，相对标准偏差不高于10.2%）和较低的检测限0.1～0.3 ng/g。所建立的方法便捷、廉价、省时，可以作为食用油中多环芳烃的日常检测方法。

3.3 SPE模式

Qiangba Gezhen等[44]以三聚氰胺为原料，经简单热解制备了g-C3N4@SiO2，并将其作为SPE吸附剂与HPLC相结合，用于椰汁样品中苯甲酸、水杨酸、吲哚丁酸和萘乙酸的检测。g-C3N4@SiO2对4 种芳香酸具有良好的吸附能力，可以在5 min内完成吸附净化。在优化条件下，该方法具有良好的线性（20～1 000 ng/mL）、较高的回收率（81.1%～121.8%）、较低的检测限（1.9～5.7 ng/mL），日内和日间精密度分别低于9.5%和10.4%。Speltini等[45]制备了g-C3N4@SiO2，并采用X射线衍射、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱等方法对其进行了表征。然后将材料作为SPE吸附剂用于水样中氟喹诺酮的富集净化，材料的富集系数高达500，所建立的方法具有较高的回收率（70%～101%）和精密度（相对标准偏差不高于12%）。g-C3N4@SiO2具有制备简单、价格低廉、可重复使用的优点。Guan Wenbi等[46]将g-C3N4作为SPE吸附剂用于不同果汁样品中苯甲酰脲类农药的测定，并对吸附剂用量、萃取时间、样品体积、解吸溶剂的选择和体积进行了优化。在最佳条件下，该方法检出限为6 μg/L，回收率为70.4%～96.4%。g-C3N4是一种很有前景的SPE吸附剂，可用于污染物的富集和痕量分析。

3.4 SPME模式

SPME具有操作简单、灵敏度高、无溶剂、反应速度快、易于自动化等优点，在食品中污染物检测等领域得到了广泛的应用。SPME纤维涂层对分析方法的灵敏度和选择性有明显的影响，到目前为止，已经报道了许多用于商业SPME纤维涂层的材料，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯（divinylbenzene，DVB）/PDMS、碳分子筛（carboxen，CAR）/PDMS、聚乙二醇（carbowax，CW）/DVB、碳纳米管、石墨烯等[37]。g-C3N4具有优异的热稳定性和化学稳定性，其存在增强了SPME纤维涂层的机械稳定性，是一种很好的SPME涂层材料。Xu Na等[30]将g-C3N4应用于SPME纤维的涂层，与气相色谱-质谱相结合，用于分析薯片中的溴氰菊酯、橙花醇、苯丙胺、十二烷、氨甲酰亚胺和丙烯酰胺。结果表明，该方法具有较宽的线性范围（0.5～250 µg/g）、较高的回收率（80.2%～109.9%）和较低的检出限0.018 µg/g。与商品化100 µm PDMS和85 µm CAR/PDMS相比，g-C3N4具有更好的吸附能力和耐久性。Zhang Ning等[47]采用原位水热法在纤维表面制备ZnO/g-C3N4萃取涂层，与气相色谱-质谱结合用于9 种农药的分离和测定。该学者对前处条件进行了优化：吸附时间为30 min、吸附温度为50 ℃、解吸温度为250 ℃、解吸时间为15 min。所建立方法具有较宽的线性范围（0.003～5.0 ng/mL）、较低的检出限（0.001～0.002 5 ng/mL）和较高的灵敏度（相对标准偏差5.3%～11.3%）。此方法已成功应用于黄瓜、梨、绿茶、闽江水中9 种农药残留量的测定，这些结果表明，ZnO/g-C3N4复合材料为样品的前处理和分析提供了一种很有前途的选择。

4 结 语

g-C3N4是通过叔胺连接的tri-s-triazine二维石墨结构，具有丰富的表面缺陷和含氮官能团（—NH2/—NH—/＝N—），丰富的酰胺基和富电子结构使g-C3N4具有较强的吸附富集能力。g-C3N4作为食品分析前处理吸附剂的研究和应用才刚刚起步，g-C3N4的结构、表面改性以及与多种前处理模式的结合是未来两个主要的研究发展方向。采用模板法、质子化法、原位掺杂法以及有机/无机官能团的引入等方法对g-C3N4的结构和表面化学性质进行改性，可以使g-C3N4具有更强的富集净化性能。除了本文中介绍的SPE、MSPE和SPME模式之外，可以开发更多的基于g-C3N4的提取模式用于分析物的提取/富集，如填充吸附剂微萃取、搅拌棒吸附萃取、基质固相分散、搅拌滤饼吸附萃取、转盘吸附剂萃取等。随着新的提取方式、表面改性方法和生物流/体内分析技术的发展，g-C3N4在食品分析前处理中的应用将更具有创新潜力和广阔应用前景。