金属有机骨架材料（MOFs）在饲料和畜产品中兽药残留检测中的应用

■樊 霞 索德成 肖志明 王 石 李润娴

（中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，国家饲料质量检验检测中心（北京），北京 100081）

金属有机骨架材料（metal-organic framework material，MOFs）是以无机金属离子（离子簇）为中心，与有机配体（羧酸类、杂环化合物）通过配位键桥联而成的一类结构有序、孔径可调控的多孔材料[1-3]。自20世纪90年代发展至今，已从最初的气体吸附、多相催化[4-5]等领域逐渐延伸到分析化学、药物转运、生物医学和药品分离等领域[6]。MOFs 材料的组成和构型非常丰富，经合理的骨架设计，元素周期表中绝大部分金属元素的离子可与种类繁多的有机配体桥联，合成出多种功能强大的MOFs[7-8]。由于MOFs 兼具了无机材料和有机材料的双重特性，因此其在拥有良好的光学和电学特性的同时，往往具备良好的热稳定性（多数MOFs 的结构坍塌温度超过200 ℃）和生物相容性[9]。近年来，由于MOFs 材料具有强大的选择性吸附和分离净化的能力，使其在检测复杂基质（饲料及畜产品）的前处理环节及色谱、质谱等大型分析仪器的在线净化领域的研究报道逐渐增多[10]。此外，可以通过控制MOFs晶体的生长及掺杂多种功能基团，如碳掺杂（石墨烯、碳纳米管等）提高材料的溶剂（液）稳定性[11]；氮掺杂（聚吡咯、聚多巴胺等）增加MOFs的导电特性[12]；掺杂稀土元素与原金属中心组成双核∕多核MOFs，使材料具有多种荧光特性，并作为待测物的检测标记物使用[13]。文章基于以上MOFs 材料的丰富功能，综述了MOFs 在残留检测各个环节的研究进展，分析了MOFs 材料在以上各环节应用中亟待解决的问题，并展望了MOFs材料在饲料及畜产品中兽药残留检测领域的发展趋势。

1 MOFs在饲料及畜产品兽药残留检测中的应用

1.1 MOFs在样品前处理中的应用

化合物残留检测涉及样品种类繁多，主要包括饲料、肉、蛋、奶、血液、尿液和组织器官等动物源性样品，土壤、水源等环境样品中也会有部分随机体排泄物污染造成的兽药残留。这些样品构成组分复杂（含有蛋白质、脂肪和糖类等），其自身可产生较强的基质效应降低检测灵敏度[14]。尤其是动物组织与大部分兽药化合物具有较强的亲和性，难以被传统前处理方法充分地分离提取，且兽药残留多以痕量形式存在于动物组织内，进一步增加了样品前处理的难度。

MOFs 材料自身巨大的比表面积和超高的孔隙率，使其成为一种理想的吸附材料和分离介质。MOFs作为吸附材料主要通过自身多孔结构的分子筛效应，π-π共轭吸附（与多环芳香烃及苯同系物的相互作用），氢键及各种分子间作用力等与被吸附的客体分子发生相互作用。目前，MOFs 主要用作固相萃取材料，已被针对不同待测物开发了多种分离、富集与提取技术[15-16]。研究表明，MOFs对于动物养殖过程中使用广泛的磺胺类药物具有良好的吸附作用。Azhar等[17]发现经典MOFs材料中的HKUST-1在25 ℃温度条件下对水中磺胺的最大吸附量可达384 mg∕g；ZIF-67 和UiO-66 对磺胺类药物具有很强的去除效果，尤其是经氯仿活化后的UiO-66，可有效避免因亲水作用所带来的吸附剂活性下降，在水样中在静电作用力和π键的共同作用下，25 ℃时UiO-66 对磺胺氯吡嗪（SCP）的最大吸附量可达417 mg∕g[18]。但同时大多数MOFs 材料属于微孔结构，这在一定程度上限制了材料对较大分子量化合物的吸附作用[19]，需要经过修饰进行功能优化。Xia 等[20]通过对JUC-48型MOFs材料进行磁性化修饰，制备出具备介孔特性的磁性化Fe3O4@JUC-48 核∕壳型纳米复合材料，研究发现该复合MOFs 对5 种磺胺类药物具有优良的吸附效果，对于猪肉、鸡肉和虾肉中的磺胺嘧啶（SMR）、磺胺二甲嘧啶（SMZ）和磺胺甲氧基哒嗪（SMP）回收率超过90%，对于磺胺二甲嘧啶（SDZ）、磺胺噻唑（STZ）的吸附率也超过75%。Guo等[21]使用磺酸基为桥联配体制备出具有很强的电负性MIL-101(Cr)-SO3H，并发现在偏酸性环境下的多种氟喹诺酮类药物带有正电荷，故通过静电吸附使MOFs 作为吸附剂，对多种氟喹诺酮药物表现出良好的吸附效果（诺氟沙星408.2 mg∕g、氧氟沙星450.4 mg∕g 和依诺沙星425.5 mg∕g）。MOFs 晶体的成品多以粉末状或颗粒状呈现，这并不利于其在液相环境下的吸附使用，目前通过将其固定在载基上，以便于MOFs 在前处理的使用。如Li 等[22]使用聚多巴胺为强黏附剂，成功对MIL-53（Al）、ZIF-8、UiO-66-NH2和MIL-125（Ti）等4种MOFs材料通过静电纺丝工艺固定在纳米纤维上制备出纳米纤维-MOFs复合物，该复合物在对禁用药物氯霉素的吸附试验中显示出良好的清除效果，其中通过溶剂热法合成出的MIL-53（Al）以相对于其他3 种MOFs 更大的比表面积（437.9 m2∕g）使其对氯霉素的吸附量最高（79.5 mg∕g）。唐祝兴等[16]采用水热法制备成了磁性金属有机骨架材料Fe3O4@Cu3（BTC）2，然后通过对材料做表征测试证明Cu3（BTC）2成功附着在Fe3O4上，利用所制得的Fe3O4@Cu3（BTC）2纳米复合材料作为吸附剂吸附孔雀石绿，结果显示：Fe3O4@Cu3（BTC）2纳米复合材料在吸附剂用量为7 mg，pH为7，振荡时间60 min，最大饱和吸附量为53.074 mg∕g，其吸附动力符合准一级动力学模型[23]。MOFs材料在样品前处理领域作为固相萃取柱（SPE）填料还面临多技术难题，这主要由于MOFs的粒径尺寸在微米级以下，远小于目前通用的20 μm孔径SPE柱筛板。此外，亚微米级的粒径在填料装柱过程中也存在柱压过高的隐患。目前基于微固相萃取（μ-SPE）、磁固相萃取（MSPE）以及基质分散固相萃取（MPSD）技术是MOFs 在前处理技术的主要发展方向。此外，MOFs 材料虽然大都具有良好的机械稳定性、热稳定性和有机试剂耐受特性，但是部分MOFs对水溶液及pH 表现较为敏感，例如以铜离子为中心的HKUST-1在水中易坍塌[24]；ZIF-8材料对酸性溶液敏感[25]，当pH＜6.0时ZIF-8骨架会出现破缺。因此，根据各MOFs 不同的溶液稳定性，调整待测物的吸附分离体系，或直接对MOFs 自身进行改造以提升其酸碱耐受性是今后将MOFs作为吸附剂更好地应用于前处理领域的研究热点之一。

1.2 MOFs在色谱、质谱等仪器分析中的应用

MOFs材料自身突出的吸附分离能力和很高的热稳定特性，使之不仅可以开发多种固相萃取技术，还可作为一种理想的色谱固定相材料。目前将MOFs作为固定相主要用在气相色谱（GC）、液相色谱（LC）及毛细管色谱的固相色谱柱的开发方面。早在2006年就有关于将MOFs 作为气相色谱固定相的应用报道，Chen 等[26]通过溶剂热法制得以锌为金属中心的单晶型的MOF-508，将MOF-508 装填在长度为120 cm 的气相色谱柱内（粒径25～100 μm），并发现其对多种烷烃的同分异构体有良好的选择性分离效果。随后研究人员又逐渐报道了多种MOFs及其衍生材料用于各类色谱固定相的研究[27-32]。

Yang 等[33]开发了将经典的ZIF-8 材料用于在线固相萃取的方法，并通过高效液相色谱（HPLC）将其应用于牛奶中四环素的检测。通过将ZIF-8 装填进不锈钢柱中并串联在HPLC 的进样阀上，使用泵入反吹模式将分析物从SPE柱洗脱到HPLC分析柱内进行定量分析，该方法对土霉素（OTC）、四环素（TC）、金霉素（CTC）的回收率为70.3%～107.4%，检出限为1.5～8.0 μg∕L。Lan等[34]采用原位阴极电沉积方法将MOF-5的薄膜固定在固相微萃取（SPME）纤维中，用于萃取牛奶中的雌激素并使用HPLC 进行检测定量。该MOFs-SPME材料制备简单，仅需20 min可完成MOF-5的涂层制备，重复使用次数可达120次。经测试该方法对样品中乙炔雌二醇（EE2）、双酚A（BPA）、己二烯雌酚（DES）和己雌酚（HEX）4种雌激素的检测限分别为0.31、0.28、0.56 ng∕mL 和0.17 ng∕mL。Wang 等[35]对铜离子MOF-Cu3(BTC)2通过掺杂石墨，在氮气保护下经700 ℃高温煅烧3 h得到具有三维笼状结构的八面体铜∕碳掺杂型MOF（3D-Cu@GC）。该材料对氟喹诺酮药物表现出良好的富集作用，并以3D-Cu@GC为吸附剂开发分散固相萃取柱，用于鸡肉、鱼肉、海水中恩诺沙星（ENR）、环丙沙星（CIP）、诺氟沙星（NOR）和洛美沙星（LOM）的HPLC定量检测，其中对鸡肉中的4种氟喹诺酮类药物的检测限为0.18～0.53 ng∕g，方法平均回收率为81.3%～104.3%。

MOFs 作为气相色谱、液相色谱（质谱）等大型分析仪器的固相填料研究已得到长足进步，但相较于GC 固定相的发展，LC 固定相的发展相对较慢，这主要是因为MOFs材料的合成产率较低，制造成本较高，难以像传统硅胶填料那样大批量制造，而且制备出粒径均一的MOFs也是对材料合成工艺的一大考验。更重要的是MOFs 作为一种配位化合物，其结构和组成构象远比常规的填料复杂，目前MOFs 材料特殊的结构及其内部的有机配体和官能基团（键）等对有机物的分离机理尚不明确。以上都是今后MOFs作为固相萃取物进一步得以应用所需要研究的重点。

1.3 MOFs在免疫分析技术与荧光快速检测中的应用

以免疫层析和酶联免疫法为代表的免疫分析技术以及基于荧光信号的快速传感体系现已广泛应用于食品中兽药残留的安全检测。MOFs作为一种多功能的纳米材料，依靠其特殊的光学特性作为生物识别材料的标记物或功能化载体，近年来逐渐在食品安全快速检测技术中应用开来，在饲料和畜产品中药物残留检测领域也逐渐开始得以应用。

普鲁士蓝（prussian blue nanoparticle，PBNP）作为一种应用较早的MOFs 配位化合物，常作为蓝色染料使用，具有生物相容性高、环境友好、尺寸可控和低成本等特点。Zhao等[36]以PBNP为显色标志物开发免疫测流层析试纸条，用于猪肉样本中克仑特罗的检测，通过控制材料的颗粒尺寸，仅需少量的抗体修饰PBNP即可在试纸条的测试线上产生肉眼可见的明显色带，该方法与传统的金纳米颗粒试纸条相比，灵敏度提升了5 倍，视觉检测限为1.0 ng∕mL。Liu 等[37]开发了以PBNPs作为探针标记物结合免疫层析（ICA）分析测定谷物中玉米赤霉烯酮的方法。基于PBNPs的ICA分析可以通过智能手机中应用程序操作，具有结构可控、环境友好、抗体亲和力高等特点，其检测限为0.12 μg∕kg，定量限为0.27 μg∕kg，回收率为92.0%～105.0%。所建立的方法对20 份自然污染谷物样品检测结果与LCMS∕MS结果具有良好的相关性（R2＞0.99）。

MOFs 除了作为荧光标记物，其自身还可以对靶标做出直接的荧光响应，从而构建荧光快速检测平台。Li 等[38]使用氨基化的有机配体（NH2-BDC）制备出铝金属中心的NH2-MIL-53（Al）荧光型MOFs材料，四环素可通过氢键与该荧光MOFs 相互作用，使荧光MOFs的-NH2∕-COOH 配体中的电子转移到四环素结构中的-CO-∕-OH 上，引发荧光淬灭，该方法对牛奶中四环素的检测限为5 μmol∕L。基于四环素类抗生素可以通过电子转移的方式达到淬灭荧光的效果，Li等[39]以镧系金属元素为中心开发了以镧系金属有机骨架（Ln-MOF）为荧光标记材料的荧光试纸条，用于检测土霉素（OTC）和四环素（TC），该荧光试纸条对OTC和TC 的检测灵敏度可低至1.95 nmol∕L 和2.77 nmol∕L。实际上，多种抗生素对荧光型MOFs 材料具有显著的荧光淬灭作用，Wang 等[40]以六类15 种兽用抗生素为研究对象，发现其都对铝金属中心的BUT-22 型荧光MOFs有淬灭作用，且淬灭效率均超过82%，以此原理开发的兽药荧光快速检测法灵敏度可达10-9级，其中硝基呋喃类的检测限最低可至14 ng∕mL。随后，Zhong等[41]发现氟喹诺酮类药物可有效淬灭铟金属中心的BUT-172（In）型MOFs 材料荧光的特性，并进一步揭示氟喹诺酮淬灭荧光MOFs的机制并不是材料结构的坍塌或电子的转移，而很有可能是由于抗生素分子与MOFs 之间的激发光形成竞争吸收所引起的，该方法对环丙沙星的检测限为50 μg∕kg。

MOFs 众多金属中心和有机配体丰富的可搭配性，造就了MOFs显著的荧光特性，以此开发的荧光检测技术在兽药检测中逐渐得到普及。但关于待测物淬灭MOFs荧光的机制还有待更深入的探究。

1.4 MOFs在电化学检测方法中的应用

MOFs 材料以无机金属离子（簇）为结构中心，使其具备了金属离子的导电特性，而且目前有多重修饰改造手段可对MOFs 材料进行多种无机掺入改造，进而提高材料导电性，使其成为理想的电化学传感材料。Dhara等[42]通过对MOFs进行掺杂聚吡咯使镉金属中心MOFs 导电率提升了1.0×1010倍。Skorupskii 等[43]对其制备的镧系金属中心的二维MOFs 进行研究，发现提高MOFs的导电率不仅来自于高共价的金属配位键，有机配体之间的相互作用也可以产生有效的电荷传输。正是因为MOFs 优秀的电化学性质，使其在电化学检测领域应用广泛，且在免疫分析技术及其他生物识别技术的支持下，电化学生物传感器也已成为化合物残留检测技术的重点发展方向。

Xiao 等[44]以传统的电化学传感材料多孔碳为基质，通过对锌离子中心的IRMOF-8进行1 000 ℃高温碳化后，再进行溶剂剥离，制备了导电良好的多孔碳MOFs 用于电化学传感器的工作电极的加工，并以此材料为电流传感器建立蜂蜜样品中氯霉素的残留检测方法，该方法检测限为2.9 nmol∕L。Song 等[45]制备了一种基于Co∕Ni 双金属中心的MOFs，该MOFs 对沙丁胺醇（SAL）和呕吐毒素（DON）拥有良好的吸附传特性。而且该MOFs 对抗体具有多价亲和能力，经两种待测物抗体修饰后的双金属中心MOFs 针对靶标特异性捕获能力得到了进一步提升，该方法对牛奶中SAL的检测限低至0.30 pg∕mL，DON检测限更是可达0.05 pg∕mL。Chen 等[46]通过使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对Cu-MOF 进行氮掺杂改造，克服了传统Cu-MOF 材料晶体不规则、颗粒过大、导电性能较低的缺点，制备出具有八面体结构的N-Cu-MOF，并将其作为电化学传感器对多巴胺（DA）和磺酰胺（SA）进行检测，其中对多巴胺检测限为0.15 nmol∕L，磺酰胺检测限为3.0 nmol∕L。Chen等[47]通过对氨基化的UiO-66材料进行包裹Cd2+和Pb2+，在对负载金属离子的MOFs修饰核酸适配体，制成适配体-金属离子纳米MOF传感器，其中金属离子对电信号起明显的放大作用，适配体对待测抗生素有很好的识别捕获能力。此电化学MOFs适配体生物传感器可同时对卡那霉素（KANA）和氯霉素（CAP）两种抗生素进行定量检测，KNAN 检测限为0.16 pmol∕L，CAP 检测限为0.19 pmol∕L。MOFs 材料不仅可以通过各种制备电化学传感器，其还可与其他多孔类材料进行组合并制成复合型传感器。Liu等[48]通过将Co-MOF与苯二甲腈（TPN）的共价有机聚合物复合，制备了同时拥有MOF 特性和COF 特性的Co-MOF@TPN-COF 复合型骨架材料。该复合材料因具有大量的氮基团和三嗪环可通过氢键和π-π作用与核酸适配体进行大量适配，并制成可特异性识别氨苄西林的生物传感器，该复合型生物传感器对人血清、河水和牛奶中的氨苄西林的检出限极低，可分别低至0.977、1.034、1.020 fg∕mL。

MOFs作为电化学传感器材料是目前应用于各种残留检测领域发展最快的分支之一，电化学传感器作为一种精密的测试装置，与MOFs 这一先进的多功能纳米材料结合也表现出非常高的应用前景。MOFs具有丰富的改造手段和修饰策略，可根据不同电信号响应特征，制备新型MOFs 材料。此外MOFs 自身还具备多种信号放大的功能，与蛋白质、酶类等生物信号放大器相比，MOFs 的稳定性和环境抗逆性也是这一类生物材料所不能比拟的。今后，开发新型响应更灵敏、信号更稳定、抗干扰强的新型MOFs材料是将其更好地应用电化学领域的发展方向。

2 展望

基于MOFs 材料开发的各种检测方法不仅限于饲料及畜产品中兽药残留检测，经过改进也同样适用于诸如其他如致病菌、真菌毒素、农药、违禁添加物、重金属和工业废物等诸多有害化合物的检测。面对潜在的有害物质和日益严格的各项安全限量标准，基于新材料开发更灵敏、更快速、更环保的新型检测技术始终是研究人员的主要方向。此外，高效、灵敏的检测技术同样离不开高效的样品前处理技术，MOFs作为一种尺寸可调、功能多样的纳米材料，是目前为数不多的在前处理和仪器分析方面都有很好应用的先进材料。今后开发新型MOFs材料来应对更加复杂的样品基质和更低痕量存在的待测物仍面临巨大的挑战，也是未来检测技术开发的重点。