功能性Fe3O4 纳米颗粒在痕量农药残留分析中的应用研究进展

尹雪峰, 丁 婉, 石壮壮, 刘炳泽, 张晓旭, 常巧英

(1.新疆大学 生命科学与技术学院 新疆生物资源基因工程重点实验室，乌鲁木齐 830017；2.中国农业大学 营养与健康研究院，北京 100193；3.中国检验检疫科学研究院，北京 100176)

化学农药作为防治农业生产中有害生物的一类小分子化学品，对提高农作物产量及保证农产品质量具有关键性作用。截至2023 年，联合国粮食及农业组织 (FAO) 统计报告称，2021 年全球农药使用量约为350 万吨[1]。广泛应用的农药在发挥效益的同时，由于一些不科学的使用方式，例如过量施用、违规使用禁限用的高残留高毒性农药以及施用过程中安全防护措施不到位等，均可能导致环境及农产品中的农药残留现象，经多种途径暴露后最终成为危害人体健康的潜在因素。因此，大量研究致力于开发可量化人体内农药残留水平的方法。农药残留检测分析主要包括两部分：基质样本的前处理过程，以及常用的色谱、光谱等定性定量检测。传统的液-液萃取法、固相萃取法等是常用的基质样本前处理方法，但由于存在操作耗时、灵敏性及准确度差、环境不友好等缺点，该类方法在分析复杂基质样本及痕量农药残留水平时具有局限性，尤其是在分析人体小样本量血清基质中的微量农药残留时问题较为突出[2-3]。

目前，利用磁性纳米吸附材料富集目标物，是精准靶向痕量目标物且不受基质干扰的高效分析方法之一，例如在Fe3O4超顺磁纳米颗粒表面修饰天然高分子聚合物、碳基材料、金属有机框架材料和无机材料等。近年来，该类材料由于具有磁分离及靶向目标物的高效吸附特性，受到了国内外研究团队的广泛关注，已有部分探讨该类磁性纳米吸附材料在食品及环境水样本中农药残留分析领域应用的综述，但缺乏和人体血清等复杂基质中微量农药残留分析的关联。基于此，本文拟介绍近5 年来磁性吸附材料Fe3O4纳米颗粒在痕量农药目标物富集中的应用研究进展，并重点阐述该类磁性吸附材料的制备过程、靶向农药目标物的吸附原理、应用现状等创新性研究成果，并尝试就其在复杂基质应用过程中存在的问题和今后可能的研究发展方向进行分析展望。

1 Fe3O4 磁核的制备

功能性Fe3O4纳米颗粒 (NPs) 由超顺磁性的纳米粒子，如Fe 和Fe3O4磁核，以及可修饰的功能性材料组成。其中磁核负责提供磁偶极子，表现为对外加磁场的快速响应，并且一旦外部磁场被移除，则纳米颗粒就会恢复到其天然分散状态[4]。因此当功能性Fe3O4纳米颗粒被应用于复杂样品基质 (如血清和尿液) 中痕量农药的富集时，这种超顺磁性可在外部磁场作用下实现快速分离，同时超顺磁性的强弱是控制目标物运动及决定富集时间的关键。目前有关Fe3O4磁核的合成方法主要包括化学共沉淀法、热分解法、溶剂热反应法等[5]，以下拟阐述实验室几种常见合成方法的控制条件及应用特点。

1.1 化学共沉淀法

化学共沉淀法是实验室合成Fe3O4磁核的一种常见且比较简易的方法，具有低成本、易操作和高产量等优点[6]。Fe3O4磁核合成通常发生在室温条件下或低于100 ℃的环境中，在惰性气体保护下，向Fe2+/Fe3+的水溶液中加入一定量的碱即可获得。共沉淀法合成Fe3O4磁核的化学反应原理如图1 所示：

图1 共沉淀法合成Fe3O4 纳米磁核的化学反应原理Fig.1 Chemical reaction principle for the synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by co-precipitation method

Fe3O4磁核的饱和磁性大小由反应体系中的多种条件共同决定，包括但不限于铁盐的种类、Fe2+/Fe3+的比例、pH 值、反应温度及时间等。表1总结了影响Fe3O4磁核饱和磁性及粒径的关键控制条件[7-14]。其中铁盐的种类，如氯化铁和氯化亚铁水合物前体经成核和结晶形成的Fe3O4磁核，其饱和磁性大于由硫酸铁和氯化铁水合物等其他前体合成磁核的饱和磁性；此外，温度对饱和磁性也有影响，例如比较Hubetska 等[8]与Esmaeili-Shahri 等[10]的研究可发现，较高温度下所合成磁核的饱和磁性反而较弱，推测造成该现象的原因可能是由于较高的反应温度加快了Fe3O4磁核的成核和结晶速度，弱化了颗粒的磁饱和度，即使能产生较大的粒径，但该磁核本身呈现为轻质及较低的饱和磁化强度，因此饱和磁性较弱；当Fe2+/Fe3+的比例较小，即Fe3+添加量更多时，所合成磁核的饱和磁性会更大[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+，当Fe3+较多时，可促进Fe3O4磁核的成核，而固定的Fe2+含量不会加快结晶的过程，因此，所合成的磁核成核紧实，表现为饱和磁性较强。

表1 化学共沉淀法合成Fe3O4 磁核的影响因素Table 1 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by chemical co-precipitation method

利用化学共沉淀法合成Fe3O4磁核具有操作简易、生产安全，且所合成磁核的可溶性好、产量较大等优点，但缺点是粒径的可控性差。由于粒径和粒子的比表面积呈现负相关关系，比表面积越大，空间抢位现象越少，因而更有利于进一步的化学修饰或在目标物吸附中应用[15]，但实际应用中也并非粒径越小越有利，其原因是经过相同的合成流程后，粒径与磁核饱和磁性之间在一定范围内呈现正相关递增关系[16]，饱和磁性决定了纳米颗粒后续应用的磁响应时间和富集效率，因此在将该磁核应用到不同种类基质及不同样本量体系中富集痕量农药时，选择稳定粒径下饱和磁性较高的磁核，对保证提取的高效性及稳定性均具有重要意义。因此，实际应用中仍需优化反应中的各影响条件以解决粒径可控的问题。

1.2 热分解法

为了合成粒径稳定的Fe3O4磁核，科学家们提出了另一种合成方法，即热分解法。该方法是将有机金属前体在高沸点的有机溶剂中进行热裂解，继而合成金属氧化物磁性纳米材料[17]。有机金属前体包括五羰基铁 (Fe(CO)5) 及乙酰丙酮铁(Fe(acac)3)，所合成的磁核呈现单分散性，具有外观形貌规整、尺寸均一等优点。图2 为以Fe(acac)3为例的化学合成反应流程。

图2 热分解法合成Fe3O4 纳米磁核的化学反应原理Fig.2 Chemical reaction principle for the synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by thermal decomposition method

根据热分解法化学反应原理，以Fe(acac)3作为前体所合成的磁核，其平均粒径与化学共沉淀法相当，但分布更均匀，在一定程度上解决了化学共沉淀法的缺点 (表2)[18-24]，同时通过优化相关条件还可实现对饱和磁性及粒径大小的控制，例如，Lee 等[22]通过控制温度变化合成了粒径和饱和磁性可控的Fe3O4磁核。倘若有机金属前体的浓度、反应温度及还原剂种类等因素发生改变，同样会对Fe3O4磁核粒径和饱和磁性产生直接影响。例如，对比 Corrêa 等[19]与Jović Orsini 等[20]的研究发现，在合成过程中，前体Fe(acac)3的热分解温度越高，所合成的Fe3O4磁核的粒径越大，原因可能是高温加速了Fe3O4磁核成核和结晶的速度；但同时发现，较大的粒径并不能带来强的饱和磁性，这是由于决定饱和磁性的关键因素是反应中所用还原剂的还原性强弱，Corrêa 等合成的磁核粒径更大但饱和磁性却更弱，原因是由于其所用还原剂1,2-辛二醇的还原性弱于Jović Orsini 等所用的1,2-十六烷二醇所致。

表2 热分解法合成Fe3O4 磁核的影响因素Table 2 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by thermal decomposition method

采用热分解法合成磁核也存在不可避免的缺点。例如，由于有机金属前体Fe(CO)5具有高毒性，在合成过程中会释放出CO 气体，因而不能满足绿色化学和反应安全性的要求；此外，未经特殊处理的Fe3O4磁核只能分散在有机溶剂中，虽可通过硅酸盐或其他水溶性表面活性剂处理以实现其在水相中的分散，但考虑到实验效率和上述分散介质限制的缺点，其对于后续从血清或水相基质中富集农药目标物而言仍然是不适用的。

1.3 溶剂热反应法

除上述2 种方法外，合成水溶性Fe3O4磁核的常见方法还有溶剂热反应法，也称为水热合成法。该合成方法通常是将前体Fe3+的盐溶液在温度高于200 ℃的条件下进行回流反应，或者在高压反应釜中进行反应。图3 为该方法合成磁核的化学反应流程[25]。

图3 溶剂热反应法合成Fe3O4 纳米磁核的化学反应原理Fig.3 Chemical reaction principle for synthesis of Fe3O4 nano magnetic core by solvothermal reaction method

在溶剂热合成过程中，溶剂热反应法多以FeCl3·6H2O 作为前体，通过控制还原剂、温度等条件可合成不同饱和磁性和粒径的Fe3O4磁核[26]。表3 中同时也列举了近些年利用溶剂热反应法合成Fe3O4磁核的现状[27-33]，较早有Jing 等[32]建立的一种简单有效的微波辅助溶剂热合成法，该方法可通过控制前体底物的添加量合成长度可调节的超顺磁性Fe3O4纳米晶体 (12～25 nm) 和纳米团簇 (40～90 nm)；Huang 等[33]则通过控制还原剂乙二醇与其他多元醇的体积比，合成了55～500 nm之间可调粒径的磁核，该结果表明还原剂在控制Fe3O4磁核的粒径大小和形貌方面起到了重要作用，是较为经典的溶剂热反应方法。溶剂热反应法所合成Fe3O4磁核的优点是饱和磁性较强，但粒径均大于前2 种合成方法，因而造成所得粒子的比表面积相对较小，相关研究也多是应用于大样本量水样中重金属、阴/阳染料离子等的提取过程中，并不适用于小样本量基质中目标物的分离和分析。

表3 溶剂热反应法合成Fe3O4 磁核的影响因素Table 3 Influencing factors in synthesis of Fe3O4 magnetic core by solvothermal reaction method

综上，采用以上3 种方法合成的Fe3O4磁核，虽在饱和磁性和粒径上具有差别，但都可利用磁核的超顺磁特性分离基质中目标物。其中，化学共沉淀法合成的磁核可水溶，饱和磁性稳定，控制条件后可保证较小的粒径，适合小样本量基质中目标物的富集，但还需优化条件以实现粒径的可控性；热分解法合成的磁核粒径小且均一，但不可水溶；溶剂热反应法合成的磁核可水溶，但粒径大，不适合用于小样本量基质中目标物的富集。此外，在考虑该Fe3O4纳米颗粒的应用时，为了吸附基质中的多种目标物，还需在磁核表面修饰功能性基团或材料以形成具备功能性的Fe3O4NPs。

2 Fe3O4 纳米颗粒的功能化修饰及应用

目前用于合成功能性Fe3O4NPs 的包覆材料或功能基团主要有天然高分子聚合物、碳基材料、金属有机框架 (MOFs) 材料、离子液体 (IL) 以及无机材料等[34-36]。进行功能化修饰时，可依据吸附目标物的特性、样品基质特性等来选择修饰材料。例如，为了去除水环境中污染物及重金属离子等，研究者多选择天然高分子聚合物作为修饰材料合成功能性Fe3O4NPs，既能保证吸附去除目标物的目的，又避免了对环境造成二次污染[37-39]。以下我们将以修饰材料的分类为标准，分别阐述常用的各类材料在农药残留检测分析中的应用特点。

2.1 天然高分子聚合物

天然高分子聚合物包括壳聚糖 (CTS)、环糊精(β-CD) 和纤维素 (cellulose) 等，具有来源广泛、在环境中易降解且不会发生二次污染等优点。采用天然高分子聚合物提取基质中有机污染物或脂溶性农药的原理，主要是通过该类材料表面丰富的-OH、-NH2等官能团，在物理吸附或化学相互作用力 (如疏水作用、氢键和静电作用等) 下达到包裹或附着的目的。此类天然高分子聚合物中目前使用最广泛的是壳聚糖材料。Mohammadi 等[40]开发了一种壳聚糖-Fe3O4磁性纳米材料 (Fe3O4@CS)，结合气相色谱-火焰离子化检测 (GC-FID)，用于富集分析水果和蔬菜样品中的马拉硫磷 (malathion)和杀螟丹 (cartap hydrochloride)，使得2 种农药的检出限 (LOD) 分别达到了0.3 和1.0 ng/mL 的较低水平。但由于壳聚糖的水溶性较差，结构不稳定，且易受复杂基质干扰，导致提取结果重复性差，影响检测结果的准确度。

为了克服这一问题，研究者使用改性壳聚糖或将壳聚糖与其他材料相结合，开发出了基于壳聚糖的Fe3O4磁性纳米复合材料，如将壳聚糖基本结构进行改性，以增强结构稳定性的直接改性方式等。Tian 等[41]利用硅烷偶联剂KH560 将壳聚糖改性后合成Fe3O4@SiO2@CTS 复合材料 (图4)，用于分离环境水样品中的多氯联苯类污染物 (polychlorinated biphenyis，PCBS)，结合气相色谱-质谱联用 (GC-MS) 分析技术，实现了对3 种PCBS 的检测，具有更为优异的提取能力，目标物的LODs =0.02～0.15 ng/mL。除此之外，将壳聚糖与其他材料组合也可丰富检测目标物的种类，具有多靶点、高效率等优点，例如壳聚糖-MOF (MIL-53(Al))、壳聚糖-有机高分子聚合物 (聚噻吩) 的Fe3O4磁性复合材料对富集大米、蔬菜、小鼠肝脏组织及水体基质中的二嗪磷 (diazinon)、乙硫磷 (ethion)、三嗪类及新烟碱类杀虫剂具有较佳效果，LODs 范围为0.01～0.07 ng/mL[42-43]。

图4 Fe3O4@SiO2@CTS 的合成和应用示意图[41]Fig.4 Schematic diagram of the synthesis and application of Fe3O4@SiO2@CTS [41]

此外，另一种天然高分子聚合物β-CD 通过疏水性内腔和亲水性外端，能有效包裹脂溶性农药，达到从基质中分离目标物的效果。β-CD 结构上的疏水和亲水两性特征，一方面可以促进Fe3O4磁性纳米材料在多种复杂基质中的相容性，另一方面可抑制复杂样本中蛋白质、多糖等成分的干扰。例如Liang 等[44]将β-CD 修饰到Fe3O4磁核表面，能够满足蜂蜜、果蔬及环境水体基质中6 种苯甲酰脲类农药的富集分析，目标物LODs 可达到0.04～0.8 ng/g 和0.02～0.05 ng/mL 微量水平。Wang等[45]开发了一种β-CD 与脂质双层磁性复合材料Fe3O4@β-CD-LB，用于富集土壤中9 种有机氯类农药，通过β-CD 的疏水性内腔及脂质双分子层同时吸附目标物，实现更高效分析的目标，LODs 达到了0.0045～0.034 ng/g 的痕量水平 (图5)。除此之外，为了提高Fe3O4@β-CD 的颗粒分散性和热稳定性，研究者还加入了独特的笼状结构和有助于稳定化学性质的低聚硅氧烷。如Ma 等[46]合成的Fe3O4@POSS@β-CD 纳米颗粒，取15 mg 吸附剂剂量，即可实现对苹果汁中有机磷类农药的高效吸附 (LODs=0.5～0.7 ng/g)，且稳定性高，相对标准偏差 (RSD) 小于5.9% (图6)。另外，天然高分子聚合物中的纤维素也可用于Fe3O4磁核的表面修饰，以实现水样基质中三嗪类和三唑类农药的富集分析[47]。

图5 Fe3O4@β-CD-LB 的合成和应用示意图[45]Fig.5 Schematic diagram of the synthesis and application of Fe3O4@β-CD-LB[45]

图6 Fe3O4@POSS@β-CD 的合成和应用示意图[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为Fe3O4纳米颗粒的功能化修饰材料，用于吸附基质中微量农药的研究目前相对较为完整，在环境水样品中有机污染物及脂溶性较强农药的富集分析领域具有较优的应用前景，但在实现多种类不同极性农药的富集方面，还需解决水溶性差、结构不稳定及重复性不足等问题。

2.2 碳基材料

碳基材料是基于碳单质的复合材料，包括碳纳米管 (carbon nanotubes)、活性炭 (activated carbon)、石墨烯 (graphene，G)、氧化石墨烯 (graphene oxide，GO) 等，一般可以从天然树脂、纤维、石墨中制备得到，具有来源广泛、结构稳定性高、比表面积大等优点。相比于传统活性炭或石墨材料，碳基材料-Fe3O4磁性复合材料在富集基质中多种目标物时可呈现快速分离、表面可修饰等优点，近些年在微量农药残留检测分析的应用中快速发展并得到了广泛研究[48]。

2.2.1 碳纳米管 碳纳米管是由一个或多个碳原子层组成的、长度可控的管状结构材料。由于其具有稳定的物理化学特性，且长度与直径比值大，比表面积较大，已被广泛应用于吸附、分离研究领域。在碳纳米管的外表面嵌入Fe3O4磁性纳米粒子，结合高效液相色谱/液相色谱-质谱联用(HPLC/LC-MS) 或GC-MS 技术手段，可实现对农药目标物的痕量分析。Gao 等[49]首次合成Fe3O4@MCNTs，结合高效液相色谱-紫外检测法 (HPLCUV)，分析了茶汤样品中3 种拟除虫菊酯类杀虫剂残留，LODs 达到了 0.010～0.018 ng/g 的微量水平；同样是针对水样基质，Wang 等[50]利用相同的材料富集分析了8 种三唑类杀菌剂残留，LODs 达0.56～6.95 ng/L 水平。为了突破基质限制，Frugeri 等[51]进一步通过改性碳纳米管的表面结构，合成了可限制其吸附大分子的Fe3O4@RACNTs，以满足在复杂生物样品基质中的应用。其制备流程 (图7)为首先将Fe3O4磁核嵌入碳纳米管的结构中，再加入牛血清白蛋白 (BSA) 包裹Fe3O4-CNTs 形成保护层，以避免其与西兰花、茄子、花椰菜和豆浆等基质中的大分子结合，而有机磷类农药目标物可渗透穿过BSA 层被碳纳米管结构捕获，经洗脱后进行分析，LOD=0.74 ng/mL，且RSD 小于4%。该方法有效拓宽了碳纳米管提取法的应用基质范围。

2.2.2 石墨烯 石墨烯 (G) 的疏水性二维结构，对提取分析基质中脂溶性农药目标物具有分散性强、结果稳定、提取高效等优点；氧化石墨烯(GO) 是石墨烯经过氧化后的产物，具有比石墨烯表面官能团更丰富的优点。相比碳纳米管材料，石墨烯及氧化石墨烯材料比表面积更大、sp2成键更丰富，依据其表面的π-π 共轭作用力，表现出对目标物较强的主客体识别性能[52]，因此G/GOFe3O4磁性纳米颗粒应用的基质范围更广、吸附痕量农药种类更多。例如利用G/GO 复合Fe3O4纳米颗粒的材料可用于环境水、多种水果蔬菜、茶汤、蜂蜜等不同基质中农药目标物的富集分离[53-57]，其分离流程与Nodeh 等[53]较早提出的流程 (图8)相似：依赖石墨烯本身的疏水性结构，经石墨烯修饰的纳米吸附剂吸附富集复杂基质中的目标物后，根据Fe3O4磁核的磁分离特性从基质中分离，进而选择合适的洗脱剂洗脱后进行检测分析。

图8 基于石墨烯复合Fe3O4 纳米颗粒从多种基质中分离农药目标物的流程示意图[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，使得单层石墨烯材料易发生堆叠和聚集，从而影响比表面积大小和分析的精密度[57]。基于此问题，将二维结构的石墨烯片重构形成三维石墨烯 (3D-G/GO)，使其具有低密度、高比表面积、高机械强度等优点，在用于吸附农药目标物时呈现出了高效的痕量特性。如Shokouh 等[58]较早设计制备了一种磁性三维石墨烯纳米复合材料 (3DG-Fe3O4，图9)，经吸附方法优化并结合GC-MS检测分析，对苹果、橘子、葡萄、樱桃和杏中8 种有机磷类杀虫剂的LODs 可达1.2～5.1 ng/L的痕量水平，且日内和日间RSD ≤ 6.9%，精密度较优。除此之外，将石墨烯材料与其他材料进行复合也是解决其聚集问题的有效途径，例如GOMOF、GO-β-CD、GO-有机高分子聚合物的Fe3O4磁性复合材料对富集水果、蔬菜、多种环境水基质中的三唑类、芳香胺杂环类及有机磷类等农药残留时均有较佳表现，LODs 范围为0.005～1.58 ng/mL[59-62]。G/GO 修饰的Fe3O4磁性吸附材料由于比表面积大的优势，在富集分离目标物时所用吸附剂剂量较少 (0.2 mg/mL)，并且制备工艺简单，作为净化剂等已实现大规模工厂化制备，因此现阶段在实践中得到了广泛应用。

图9 三维石墨烯-Fe3O4 纳米复合材料的形成机理示意图[58]Fig.9 Schematic illustration of the formation mechanism of the 3D-G-Fe3O4 aerogel [58]

2.3 金属有机框架材料

金属有机框架 (metal organic frameworks，MOF) 材料是另一类具有大比表面积的功能性材料，由无机金属中心体连接有机配体组成，呈现孔隙率高、粒径可调、化学稳定性强等优点，依赖多种π-π、σ-π、p-π 共轭，范德华力以及氢键等分子间相互作用，已广泛应用于小分子目标化合物的富集分离中。

2.3.1 直接组装金属氧化物 此类材料是指金属氧化物直接与Fe3O4磁核进行自组装，形成疏水性较强的磁性纳米颗粒。例如华北理工大学研究团队合成的新型Fe3O4@MOF-808 磁性固体吸附材料，通过π-π、疏水相互作用和氢键等分子间作用力，大大提高了对苯甲酰脲类杀虫剂的吸附效果。将基于该Fe3O4@MOF-808 吸附材料的MSPE前处理技术和高效液相色谱法分析相结合，实现了低检出限 (0.04～0.15 ng/mL)、宽线性范围(0.15～50 ng/mL) 和理想的回收率 (84.6%～98.3%)，该方法已成功应用于快速灵敏地检测茶饮料和果汁样品中的苯甲酰脲类杀虫剂，同时还可用于吸附高度共轭结构以及高疏水性的各类农药[63]。与之效果类似的还有Seebunrueng 等[64]制备的层状双金属 (Mg、Al) 氢氧化物自组装的Fe3O4@SiO2磁性复合材料，用于富集分离水基质中5 种三唑类杀菌剂，分析结果呈现出日内和日间的高精密度，但其LODs = 1～2.5 ng/mL，未达痕量水平。另外，Cu、Zr、Cr、Zn 等多种金属氧化物与磁性Fe3O4直接组装形成的复合材料对分析水果、蔬菜、茶、环境水等基质中的苯醚甲环唑类和有机磷类农药具有高准确度，在最佳前处理条件下，所用吸附剂的剂量很少，仅在0.1～1 mg/mL 范围即可，但缺点是检出限同样不能达到痕量水平[65-68]。

为了更好地体现该纳米颗粒的优点，解决不能痕量分析的缺点，Liu 等[69]将Zr 金属氧化物直接连接Fe3O4纳米颗粒形成复合材料，用于富集分离环境水中的15 种有机磷类农药，并通过附ESI 源的质谱仪进行检测 (图10)，大大缩短了提取分析的时间 (1 min)，同时实现了痕量检出水平(LODs = 0.14～16.39 ng/L)，通过ZrO2与磷酸盐类化合物的结合力试验证实，该创新性方法适用于多种基质中磷酸盐类化合物检测分析。

图10 基于Fe3O4-ZrO2 及ESI 源-质谱法检测环境水中15 种有机磷类农药的流程示意图[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]

同样可达到痕量检出水平 (LODs = 1.08～18.10 ng/L) 的还有Jiang 等[70]研发的Fe3O4磁性金属有机骨架MIL-101 (Cr) 材料，结合高效液相色谱-串联质谱 (HPLC-MS/MS) 法分析水稻样本中的7 种三嗪类除草剂，回收率在79.3%～116.7%之间，RSD 为0.5%～13%，具有快速、可预浓缩富集、高灵敏度及高选择性等优势。金属氧化物直接修饰的Fe3O4磁性纳米颗粒具有较好的水溶性，因此适用基质多为液体样本，但可富集分离的农药种类有限，因而又出现了不同有机配体、离子液体等改性的金属有机框架材料。

2.3.2 改性金属氧化物 除金属氧化物与Fe3O4纳米颗粒直接连接形成的纳米吸附剂外，由有机配体进行改性调节得到的纳米复合材料可有效富集分离不同化学结构的多种类型农药。如Wang等[71]利用磺酸功能化制备了Fe3O4@PDA@Zr-SO3H 纳米复合材料，可实现对水体中有机氯类农药的快速吸附，并且该复合材料还具备可重复使用、灵敏度高、表面积大、亲水性好等优势。Niu等[72]建立了ATP@Fe3O4@ZIF-8 新型磁性固相萃取方法，与高效液相色谱法联用，可用于茶汤中苯甲酰脲类农药的检测分析。但当应用到复杂基质如生物尿液、血液等样本中时，这种简单有效的方法很难达到高效分析而不受基质影响的目的，因此研究者进一步建立了适用于复杂基质的目标物分离方法。以较为常用的三价金属离子(如Cr、Fe 等) 和羧酸配体形成Fe3O4复合纳米颗粒，将该类型纳米材料作为SPME 纤维涂层，通过控制SPME 萃取头涂层的极性和厚度，针对复杂基质中的化合物进行高效吸附，利用其高孔隙率和比表面积，实现痕量检出的目的。如Liu 等[73]成功合成了Fe3O4-MWCNT 的MOF 材料，使其拥有抗基质干扰能力及良好的吸附特性，对水果和蔬菜样品中的三唑类杀菌剂进行检测分析，LODs可达0.52～1.83 ng/mL 的微量水平。

为了丰富可分析的农药目标物种类，Fe3O4@MIL-100 (Fe) 等纳米复合材料被成功制备，结合HPLC-UV 可用于检测有机磷类农药在水果 (苹果、橙子) 和蔬菜 (番茄、卷心菜和黄瓜) 中的残留情况，该方法对所有目标物均具有良好的精密度 (日内和日间的RSD ≤ 9.4%)，LODs 为0.21～2.28 ng/mL 微量水平，这种氧化铁纳米粒子成功涂覆在磁核表面形成的纳米复合材料，展现了良好的结晶度及多孔性，不仅如此，还表现出较优的线性、灵敏度、准确性和可重复性，以及易于操作和低耗能等优势[74]。除此之外，Senosy 等[75]较早在Fe3O4@MIL-100 (Fe) 基础上首次包覆有机高分子聚合物聚乙烯亚胺 (polyethyleneimine, PEI)材料，用作吸附氟环唑 (epoxiconazol)、氟硅唑(flusilazole)、戊唑醇 (tebuconazole) 和三唑酮(triadimefon) 4 种农药残留，通过对吸附剂材料、萃取时间、pH 值、离子强度、洗脱溶剂和洗脱剂体积的不断优化，各农药回收率均达到理想水平，同样表现出高灵敏度、高准确性和稳定性等优势。

除了将MOF 材料与有机高分子聚合物相结合外，将离子液体 (IL) 固定在Fe3O4/ZIF-8 的表面上，制成离子液体改性的磁性沸石咪唑酸盐骨架(Fe3O4/ZIF-8/IL) 则是另一种MOF 新型材料，在优化后的最佳条件下，联苯菊酯 (bifenthrin)、氯菊酯 (permethrin)、氰戊菊酯 (cypermethrin)、氟氰戊菊酯 (flucythrinate) 4 种拟除虫菊酯类农药的LODs = 6.5～101.7 ng/mL，日内RSD 为 9.70%，日间RSD 为11.95%，虽然丰富了所分析农药目标物的种类，但其缺点是未达到微量或痕量水平，且精密度较低[76]。除此之外，天然高分子聚合物修饰的MOF 复合材料还能用于吸附有机磷类农药(OPPs)。例如Ghorbani 团队[77]制备的多复合型Fe3O4@Chitosan@SiO2@ZIF-67 材料，一方面保证了对OPPs 的精确定量，另一方面通过增大吸附剂表面积、降低吸附剂成本以及提高吸附剂重复利用率等方式，提升了吸附效率。Li 等[78]采用相同金属配体研发的Fe3O4@COF@Zr4+复合材料，同样对OPPs 有着高效的吸附能力，通过研究样品基质pH 值、提取时间、离子强度、脱硫等提取条件对方法的影响，开发出了准确度高、灵敏度强、可重复使用及检出限达到痕量水平 (LODs = 0.7～3.0 ng/g) 的检测分析方法，且其应用流程 (图11)在实验室中操作也较为简便。总结分析相关各类文献可以发现，此类改性金属氧化物材料具有线性范围广、准确度高、精密度好等优势，因此近年来在测定多种水果蔬菜等色素干扰较大的基质中的农药残留量时，以金属氧化物为主要修饰材料的纳米颗粒的应用逐渐增多[79]，其中对目标物的高选择性是其排除基质干扰的最大优势。

图11 Fe3O4@COF@Zr4+ 纳米复合材料的制备工艺流程及其在磁性固相萃取中的应用示意图[78]Fig.11 Schematic of fabrication process of Fe3O4@COF@Zr4+ nanocomposites and the application in magnetic solid phase extraction[78]

目前，金属有机框架材料在农药检测领域的应用十分广泛，前景广阔，众多科研工作者纷纷将目光聚集于此，并成功研制了更多不同种类可满足不同需求的新型材料。MOF 材料亲水性较好，且能够避免植物细胞中色素的干扰，因而具有高度选择性和痕量分离特性，萃取效率高，但粒径相对较大，对于小样本量的生物基质 (例如血清) 而言，还需进一步优化粒径和比表面积。

2.4 无机材料

无机材料因具有电学、光学及生物功能等各方面的突出优势，已被广泛应用于光催化、光传感器、细胞成像及药物靶向治疗等诸多行业中[80]。在农药残留目标物分析方面，无机材料多作为中间体或者中间桥梁作用而存在。例如，SiO2作为包覆材料时，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，因而作为上述其他材料的涂层而被广泛应用[81]。但也有少部分科研工作者将其直接应用于富集分离复杂基质中的残留农药，例如Liu 等[82]较早研发了一种基于乙腈溶剂的分散微萃取Fe3O4涂层，用于分析食用油中的有机磷类农药，在该方法中，起萃取作用的主要是乙腈溶剂，但创新性地将Fe3O4作为载体，以流体形式包覆乙腈溶剂形成萃取剂，实现了对脂溶性极强基质中残留农药的检测分析。与之类似，Li 等[83]将TiO2作为配体，链接十六烷基三甲基铵改性的Fe3O4颗粒，制备成Fe3O4@TiO2无机纳米材料，从而实现了对水体中多种农药的高效富集，LODs = 26～30 ng/L，但由于该纳米颗粒不具备选择性，尽管回收率较高，农药的检出限仍不能达到痕量水平。此外，Liu 等[84]就鱼体内的127 种农药残留进行分析，采用Fe3O4@TiO2无机纳米材料可实现“一步法”前处理，但仍达不到痕量检出的目的 (LODs = 1～250 ng/mL)。因此，对目标分析物的选择性不足这一缺点，导致了无机纳米材料最终仅作为其他高选择性材料的中间架桥作用而存在。

3 小结与展望

近年来，农药检测分析的相关技术发展受到了大量的关注，也取得了丰硕的研究成果，新方法的不断开发和更新在一定程度上满足了农药残留检测的实际需求，同时也大力推动了农药检测技术的发展。本文介绍的功能性Fe3O4纳米颗粒具备痕量农药残留分析的突出优点，且正如上文中提到的，针对不同农药目标物而言，极性强弱决定了纳米颗粒进行分类吸附时的分子间作用力种类和大小，因此除上述已详细论述的内容之外，进一步对其他类似功能性Fe3O4纳米颗粒富集分离农药的特点进行了列举 (表4)[85-105]。例如，就三唑类农药而言，分子内苯环的存在使其容易与功能性基团发生共轭效应，因此具备自组装能力的MOF 材料或有机高分子聚合物更适用于富集基质中该类农药[92,99,104]；而对弱极性农药而言，疏水作用力是其能从基质中分离出来的主要作用力方式，因此选择具备强疏水作用力的有机小分子作为功能性纳米提取剂的修饰材料，对水果、蔬菜、食用油及血清基质中弱极性农药而言都可实现较优的痕量检出限[93,101]。

表4 其他功能化 Fe3O4 纳米颗粒在农药残留分析中的应用Table 4 Application of other functional Fe3O4 nanoparticles in the analysis of pesticide residues

综上所述，利用功能性材料修饰的Fe3O4纳米颗粒越来越具备分析物靶向性和基质目标性，也正在向成熟的商业化和高通量化方向发展，但同时仍然存在以下几点亟待解决的问题。

1) 针对化学极性较弱、脂溶性较强的农药而言，通过分子间相互作用可靶向设计多种该类纳米吸附剂，但大多数此类纳米吸附剂水溶性较差，吸附流程需依赖混匀或振荡涡旋等辅助操作，因而关于低毒性、水溶性纳米吸附材料的设计和制备仍具有进步的空间。

2) 除此之外，本文介绍的纳米颗粒总体是依据靶向吸附的高选择性而实现目标物的痕量分析，与传统液-液萃取和固相萃取等前处理方法相比，往往不具备高通量和普适性，成为其商业化发展中的主要技术难点。因而如何提高此类纳米吸附剂的高通量特性仍需科研工作者的不断挖掘，如纳米颗粒复合制剂的制备、纳米颗粒组合应用等方式的探索有望进一步解决该问题。

现阶段农药残留检测分析技术在实际应用中要解决的问题主要包括对目标物的痕量富集、检测准确性、高通量筛选和快速化测定。依赖纳米吸附颗粒的农药残留检测分析手段与其他技术手段相比，已经实现了高灵敏度及高稳定性的优点，是纳米颗粒在检测分析多种类型样本基质中不同数量级浓度及不同种类农药残留的有利方法，因而具有广阔的研究及应用空间。因此，应适时根据我国相关农药使用标准及管理规定进行针对性的设计、研发，以促进该类方法的持续化发展和应用，以期在《“健康中国2030”规划纲要》政策下为中国的食品安全提供一定的事实保障。