新型纳米材料在食品非靶向分析中的应用研究进展

许锦帆，陈俊豪，李 薇，孔德明

（南开大学 化学学院，分析科学研究中心 天津市生物传感与分子识别重点实验室，天津 300071）

食品安全关系到民生安全，受到了党和国家的高度关注。《中共中央国务院关于深化改革加强食品安全工作的意见》（2019 年5 月9 日）指出，“我国食品安全工作仍面临不少困难和挑战，形势依然复杂严峻。微生物和重金属污染、农药兽药残留超标、添加剂使用不规范、制假售假等问题时有发生”。食品安全事故具有突发性和隐匿性，且随机性强、严重性高、传播范围广。随着各种食品安全事故被报道，各地对食品安全的重视程度不断提升，但相应应急处理方案仍需完善，亟需发展对食品中化学危害因子进行高效筛查的分析方法。由于食品中可能存在的化学危害因子种类多、数目大，而食品基质复杂，故对食品进行快速、准确的非靶向分析极其重要［1］。

非靶向分析是一种通过多种分析方法识别未知化学因子，并基于组学对不同成分进行分析或通过现有数据库识别样品中化学物质的广谱分析方法［2］。在食品安全分析应用中，相对于靶向分析，非靶向分析能快速、有效地对样品中的化学危害因子进行排查，因此非靶向分析在食品生产流水线检测、食品安全事件紧急处理、食品安全性评估等领域均有较多应用［3］。

在进行食品安全非靶向分析时往往需要解决两个关键问题［4］：一是食品样品基体复杂，干扰物多，严重影响准确测定；二是食品中的未知危害因子多为痕量水平，对检测方法的灵敏度有较高要求。因此在大部分分析检测中，样品前处理是至关重要的环节。合适的样品前处理技术，能有效去除基质干扰、降低基质效应、减少测量误差、提高测量准确度，同时不造成体系二次污染。

样品前处理技术发展的关键在于吸附剂材料的开发。近年来新型纳米材料发展迅速，在不同领域应用广泛。纳米材料凭借其纳米尺度的超小尺寸、大比表面积、独特的结构特性，成为吸附剂材料的优良选择［5］。金属有机骨架（MOFs）、共价有机骨架（COFs）、磁性纳米材料等新型纳米材料具有优异的结构性能和吸附能力，在食品非靶向分析样品前处理中有诸多应用。

1 样品前处理方法

改进和发展样品前处理技术是近年来的研究热点。已经成熟的样品前处理技术包括液-液萃取（LLE）［6-7］、固相萃取（SPE）［8］、固相微萃取（SPME）［9］、分散固相萃取（DSPE）［10］和QuEChERS［11］等。

LLE 利用物质在两种互不相溶的溶剂中溶解度或分配系数不同，使物质从一种溶剂转移到另一种溶剂。LLE的溶剂消耗量大，效率低。SPE利用目标物与吸附剂之间的疏水、静电、π-π、氢键等相互作用将目标分子从液相夺取到固相吸附剂上，目前已取代LLE成为样品前处理的重要方法。SPME根据相似相溶原理，将吸附涂层暴露在样品上方，对样品中挥发性甚至难挥发性物质进行富集。SPME 可在采样、萃取的同时对分析物进行浓缩，大大加快分析速度。DSPE则简化了样品处理的流程，避免样品损失。

QuEChERS 是目前食品安全非靶向筛查最常用的前处理方法。开发于2003 年的QuEChERS 技术因具有快速（Quick）、简便（Easy）、便宜（Cheap）、高效（Effective）、耐用（Rugged）、安全（Safe）等特点而被广泛使用。其基本流程是，样品经乙腈提取后，加入无水硫酸镁、氯化钠进行盐析，再加入净化剂如乙二胺N-丙基硅胶（PSA）、石墨化炭黑（GCB）和C18基硅胶，去除大部分杂质（包括色素、脂肪、有机酸、蛋白质等），随后通过离心达到净化目的。近年来也发展了改良的QuEChERS技术，优化了试剂用量，并开发出更多净化剂［12-13］。Huang 等［14］使用一步QuEChERS 法（sin-QuEChERS）对茶叶中的多种农药及其代谢产物进行非靶向高通量筛查。将茶叶粉碎，用含0.1%甲酸的乙腈振荡提取，加盐离心后，采用如图1 所示的纳米固相萃取柱纯化，柱中填料为2 g 硫酸镁、80 mg PSA 和65 mg 多壁碳纳米管（MWCNTs）。相比传统方法，该方法不需离心，仅需几秒钟即可完成净化步骤，实现了茶叶中农药残留的快速筛查。

图1 一步QuEChERS纳米固相萃取柱示意图［14］Fig.1 A schematic diagram of sin-QuEChERS nano catridges［14］

QuEChERS 等方法仍具有净化试剂用量大、净化效率低、不能重复使用、处理时间长等缺点，对干扰基质的去除效果有待进一步提高。

性能优异的样品前处理材料能有效去除食品样品中的干扰物，减少待测物质在前处理过程中的损失，降低对体系的二次污染和生产成本，简化操作过程，更符合实际应用要求，因此此类材料有待进一步的开发和应用。

2 新型纳米材料在样品前处理中的应用

2.1 MOFs材料

MOFs是一类通过金属离子或金属簇与有机配体配位自组装形成的具有周期性多维网状结构的新型纳米多孔材料［15］，其结构可通过改变有机连接体的几何结构和无机金属离子或金属离子簇的配位方式进行灵活设计，具有比表面积大、孔隙率高、骨架结构多样等优点，在复杂基质样品前处理、吸附和分离、储存、传感、药物递送等方面得到了广泛应用［16-17］。

目前已报道的用于食品安全非靶向筛查样品前处理的MOFs 材料不多。Shao 等［18］合成了分层级微/介孔MOF 磁性纳米球H-MOFn@Fe3O4，其孔隙大小与蔬菜中色素基质的尺寸匹配，对色素有优异的去除能力。MOF 的外壳层数可通过逐层组装控制，当层数为6 时，色素去除率高且材料用量少（30 mg）。该材料可回收258种不同物理化学性质的化学危害因子，处理时间仅5～8 min，并能多次循环使用，在非靶向分析中具有优异性能。此工作开辟了MOFs 材料应用于食品安全非靶向筛查的道路，但其制备过程复杂、周期长、难以批量生产，在实际应用中仍有很大进步空间。

2.2 COFs材料

COFs 为一种新兴的纳米有机多孔材料，首次报道于2005年，是一类由C、H、B、O、N 等轻原子构成，通过共价键连接形成的结构有序的结晶型有机多孔材料［19］。COFs材料具有从零维到三维的拓扑结构，从微孔到介孔的孔径大小，以及多元的单体组成。拥有比表面积大、稳定性高、孔隙率高度规则等特点，在样品前处理、化学传感、气体储存、电化学等领域显示出广阔的应用前景，吸引了众多学者的关注。

COFs材料凭借其优异的性能，已广泛应用于食品安全非靶向分析的前处理过程［20-24］。2022年本课题组基于此前开发出的具有快速传质能力的大孔径分层级COFs（HCOFs）［25］，报道了一种使用球形二氧化硅纳米颗粒（SiO2NPs）为牺牲模板合成HCOFs 的简单方法（图2）［20］。合成的HCOFs 具有海绵状多孔结构及相互交织的大/介/微孔通道，大孔通道的引入使COFs 内部的介孔和微孔充分暴露，比表面积（742.22 m2/g）比原始COFs（481.27 m2/g）提高了1.5 倍，有利于提高内部孔的利用率和材料的整体吸附能力。这使得HCOFs 在样品前处理过程中表现出超快速的去除基质干扰的能力。用3 mg HCOFs 处理蔬菜样品，可在3 s 内去除99%以上的叶绿素和97%以上的叶黄素，是已有报道的最短时间。此外，HCOFs 在重复使用10 次以上后，仍能保持良好的性能。将HCOFs 应用于非靶向分析的样品前处理时，试剂用量少，重复使用性能好，能够实现不同食品样品中基质干扰的快速去除和化学危害因子的回收，且可显著缩短处理时间，为食品中毒等紧急事件中化学危害因子的快速检测提供了新的方法。

图2 HCOFs的合成及其在食品化学危害因子非靶向分析中的应用［20］Fig.2 Preparation of HCOFs and their applications in sample pretreatment for non-targeted analysis of chemical hazards in foods［20］

在处理富含脂肪的食品时，脂质的存在会严重影响检测灵敏度并缩短仪器寿命，长期以来一直缺乏用于脂质去除的理想非靶向分析样品前处理材料。本课题组［21］以三聚氰胺泡沫（MF）作为载体制备了COF 整体材料MF@COF（图3）。MF表面具有丰富的氨基，可作为COF 原位生长的反应位点，故采用一锅法制备MF@COF。MF 具有优异的机械弹性，COF 负载在MF 上做成整体材料，可有效避免粉末状COF在离心操作中去除不完全，造成二次污染的潜在风险，且操作过程简便。MF的大孔通道和COF高度有序的介/微孔网络相互协同，对客体分子（甘油三酯）表现出快速吸附动力学和超高吸附能力，能在30 s 内从高脂食物提取液中去除99%以上的脂肪，同时保留323 种理化性质差异较大的化学危害因子。MF@COF具有高疏水性、强吸油能力和可重复使用性，拥有良好的油/水分离能力，为富含脂肪食品的样品前处理技术开发提供了新思路。

图3 MF@COF的合成（A）及其在富含脂肪类食品中化学危害因子非靶向分析中的应用（B）［21］Fig.3 MF@COF preparation（A） and its application in sample pretreatment for chemical hazard non-targeted analysis in fat-rich food（B）［21］

尽管COFs 材料在实验室研究中取得了优异的效果，但在实际中的应用却非常有限。COFs 材料的合成成本较高，价格昂贵，且多数COFs为粉末结构，可加工性差，限制了其广泛应用。如何将优异的材料转化为真正实用的产品，建立产学研一体化模式，破解材料转化困难的瓶颈，是研究者们未来需要思考的方向。

2.3 磁性材料

传统QuEChERS 法需要通过离心操作分离净化剂，操作复杂。而磁性材料作为样品前处理的净化剂时，可在前处理完成后通过外加磁场的方法进行收集，使食品的高通量分析更加简便、快速［26］。常用的磁性材料包括磁性石墨烯基材料（mG）［27］、磁性碳纳米管（mCNTs）［28］、磁性COFs（MCOFs）［29-30］和磁性分子印迹聚合物（MMIP）［31-32］等。

Chen等［33］将廉价易得的柑橘皮活化、碳化后，与Fe3O4结合，制备了一种三维磁性Fe3O4-生物炭复合材料。该复合材料具有大量纳米孔且比表面积高，可通过π-π 作用吸附色素。利用外部磁场将吸附剂与体系分离，可节省时间，且污染少。Shao 等［34］以甲基丙烯酰胺（MAAM）作为功能单体、二甲基丙烯酸乙烯酯（EGDMA）为交联剂，合成了磁性超交联核壳聚合物复合材料Fe3O4@poly（MAAM-co-EGDMA）。使用该吸附剂处理动物油和植物油样品时，可去除90%以上的脂质并高效回收565 种化学危害因子。

但一些磁性碳材料的制备需要较高温度，实验条件苛刻。

2.4 样品前处理材料的对比

除上述材料外，也有其他新型纳米材料被应用于非靶向分析样品前处理，如共价有机聚合物（COPs）［35］、分子印迹聚合物（MIP）［36-37］。表1从使用的样品前处理方法、吸附剂用量、吸附时间、循环使用性和化学危害因子回收率等方面对近年来报道的食品非靶向分析样品前处理材料进行了全面对比。

表1 食品非靶向分析样品前处理材料对比Table 1 Comparison of sample pretreatment materials for non-targeted analysis in food safety

3 样品前处理技术在非靶向分析中的应用

非靶向分析技术可在食品安全监测中定性检测、全面分析化学危害因子。用于食品安全非靶向分析的分析化学技术主要包括液相色谱-质谱（LC-MS）［14，38］、气相色谱-质谱（GC-MS）［39］、核磁共振（NMR）［40-42］和毛细管电泳-质谱（CE-MS）［43-45］等，并通过代谢组学［42，46］或化学数据库检索［47］的方法识别化学危害因子。近年来随着分析仪器的发展，高分辨仪器已在食品监测领域发挥重要作用［48］。如四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱（Q-Orbitrap-HRMS）［49］在高分辨率、高扫描速率、挥发性化合物分析等方面具有综合优势；飞行时间质谱（TOF MS）［50］具有简便、快速、通量高的特点，方便与GC 联用，特别适用于食品安全高通量检测。Liang 等［47］基于超高效液相色谱-高分辨质谱（UHPLC-HRMS）的片段特征，构建了一个包含3 710 种兽药及其代谢产物的内部质谱数据库，通过研究和总结其质谱裂解特性，建立了非靶向筛选策略，用于鸡蛋中未知药物的筛查。Tang 等［49］为筛选鸡蛋中的卤代有机污染物（HOP），采用全扫描模式的气相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱（GC-Q-Orbitrap-HRMS），开发了由相邻等拓扑结构之间的丰度比组成的等拓扑结构分布算法（ARNI），对氯/溴进行特异性筛选，共发现了1 059种HOP同源物，并总结出其总体污染特征。

对于不同的非靶向分析技术，使用的样品前处理方法往往也略有不同。表2 列出了近年来常见的几种食品非靶向分析技术，并从样品前处理方法、适用的分析物、检测的线性范围、检出限等方面进行了对比。

表2 食品非靶向分析技术对比Table 2 Comparison of sample pretreatment methods for non-targeted analysis in food safety

4 总结与展望

本文围绕食品安全非靶向分析介绍了样品前处理方法、用于样品前处理的纳米材料及样品前处理在非靶向分析技术中的应用，列表比较了近年来用于样品前处理的纳米材料。目前，样品前处理材料在降低基质影响、回收化学危害因子方面已取得诸多成果。但部分材料仍存在原料价格昂贵，对一些化学危害因子的回收率低等问题。未来有待开发出制备方法更简单、成本更低、化学稳定性更高的材料，实现材料的高效性、快速性、便携性、循环使用性和多功能性，使其更符合食品安全的风险预警、日常监测和应急事件处理要求，促进非靶向分析的实际应用。