李圣陶,龔吉軍,* ,周 昱,吳 敏,徐敦明,唐 靜,楊自潔,王立梅
(1.稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410004;2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410004;3.廈門出入境檢驗(yàn)檢疫局科學(xué)研究院,福建廈門361012)
1991年日本科學(xué)家Lijima利用真空電弧蒸發(fā)石墨電極,首次發(fā)現(xiàn)了具有納米尺寸的碳多層管狀物,即 多 壁 碳 納 米 管 (MWCNTs)[1]。 從 結(jié) 構(gòu) 上 看MWCNTs可視為由石墨片卷曲而成的中空管狀結(jié)構(gòu),其管壁是一種類似于石墨片的碳六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。直徑在幾個(gè)納米到幾十納米之間,長(zhǎng)度卻可達(dá)幾十甚至上百微米[2]。長(zhǎng)度和直徑比一般都在1000以上,甚至高達(dá)上百萬。同時(shí),MWCNTs具有較大的比表面積,據(jù)報(bào)道,其比表面積可在50~3000m2/g的范圍內(nèi)變化[3]。與傳統(tǒng)吸附材料相比,MWCNTs具有大的長(zhǎng)徑比、大的比表面積、獨(dú)特的機(jī)械性能、理化性質(zhì)、較高的化學(xué)穩(wěn)定性等,而且能通過靜電作用、MWCNTs間的π-π鍵相互作用、范德華力和疏水相互作用和電子受體-供體作用等途徑與不同性質(zhì)的化合物產(chǎn)生吸附作用,使得MWCNTs能夠有選擇性的吸附眾多無機(jī)物和有機(jī)物[4]。固相萃取(Solid-phaseextraction,SPE)是利用固體附吸劑將樣品中的目標(biāo)化合物吸附,與樣品的基體和干擾化合物分離,然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附,達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的[5]。固相萃取(SPE)具有溶劑使用量少、操作簡(jiǎn)便快速、選擇性高、重現(xiàn)性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作等優(yōu)勢(shì)[6]。隨著技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)識(shí)的深入,MWCNTs固相萃取技術(shù)在檢測(cè)環(huán)境中農(nóng)藥殘留、芳香類化合物、金屬離子等固相分離前處理中得到了日益廣泛的應(yīng)用,但應(yīng)用于食品中安全檢測(cè)的研究報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少。本文主要綜述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MWCNTs的合成以及MWCNTs固相萃取技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀,并對(duì)這一前處理技術(shù)在食品安全分析中的應(yīng)用可行性作了綜述,并對(duì)其發(fā)展前景作了展望。
SPE柱是目前普遍使用的固相萃取形式,常用柱填料有C18或C8鍵合硅膠、有機(jī)聚合物吸附劑、石墨化炭黑等,但上述吸附劑存在吸附選擇性差,重復(fù)使用率低等缺點(diǎn),因此急需引入新型吸附材料。相對(duì)于傳統(tǒng)材料,MWCNTs比表面積大,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,萃取效率高,對(duì)大部分有機(jī)化合物有較強(qiáng)的吸附能力,用極性較大的有機(jī)溶劑(如甲醇、乙腈)洗脫即可去除吸附的有機(jī)化合物,能重復(fù)利用,是一種非常優(yōu)秀的固相萃取吸附材料。MWCNTs固相萃取技術(shù)作為快速高效的樣品前處理方法得到高度重視,被廣泛應(yīng)用在痕量有機(jī)污染物分析中。
自Ebbsen等[7]提出規(guī)模合成 MWCNTs的方法以后,MWCNTs合成的研究成為熱點(diǎn)。合成MWCNTs常用的方法主要有:激光燒蝕法、電弧放電法和化學(xué)氣相沉積法等。電弧放電法[8]就是以石墨、炭黑等為碳源,F(xiàn)e及其氧化物為催化劑,經(jīng)由電弧放電制備碳納米管;激光燒蝕法[9]是使用石墨,瀝青,焦炭等碳質(zhì)原料,在激光和一定壓力的緩沖氣體作用下,經(jīng)金屬催化劑催化生產(chǎn)碳納米管;化學(xué)氣相沉積法[10]以Fe2O3/Al2O3二元?dú)饽z作催化劑,通過甲烷催化裂解成功地合成碳納米管。
1.2.1 在環(huán)境中農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用 測(cè)定農(nóng)藥殘留質(zhì)量濃度通常也很低,測(cè)定環(huán)境中農(nóng)藥殘留中的農(nóng)藥殘留一般是先用適當(dāng)?shù)奶崛∪軇┘疤崛》绞綇臉悠分袑⒋郎y(cè)的農(nóng)藥提取出來,再利用固相萃取技術(shù)進(jìn)行凈化。由于待測(cè)農(nóng)藥的性質(zhì)不同所使用的提取溶劑不同,因此從基質(zhì)中帶來的雜質(zhì)性質(zhì)也不盡相同,所以要選擇適當(dāng)?shù)奈絼?shí)現(xiàn)待測(cè)殘留農(nóng)藥的分離和凈化,MWCNTs固相萃取技術(shù)在檢測(cè)環(huán)境中的各種有機(jī)農(nóng)藥殘留中的應(yīng)用已有許多文獻(xiàn)報(bào)道。
Yahya等[11]研究了MWCNTs固相萃取高效液相色譜法測(cè)定水庫(kù)水中的三種有毒殺蟲劑,這種方法檢出限低,并用于自來水中三種殺蟲劑的檢測(cè),得到了較高的回收率;汪雨等[12]研究利用MWCNTs作為固定相,萃取水中4種有機(jī)氯農(nóng)藥,并通過空白加標(biāo)和樣品基質(zhì)加標(biāo)實(shí)驗(yàn)考察發(fā)現(xiàn)方法性能良好;支辛辛[13]研究應(yīng)用MWCNTs填充柱固相萃取水中5種多氯聯(lián)苯化合物的最佳條件,對(duì)比商品C18固相萃取柱同時(shí)富集水中9種持久性有機(jī)污染物,富集效果良好,性能優(yōu)于商品 LC18柱、ENVI-18 膜;Wang 等[14]以MWCNTs作為吸附劑固相萃取GC-MS定量測(cè)定了地表水中12種農(nóng)藥,最優(yōu)化條件下檢測(cè)范圍可達(dá)0.01~0.03μg/L,精度 3.1% ~15.1%,回收率范圍為82.0%~103.7%;Amjad等[15]優(yōu)化多固相萃取程序,結(jié)合高效液相色譜法對(duì)海域環(huán)境中殘殺威,阿特拉津夠和殺撲磷等三種農(nóng)藥進(jìn)行研究,并且比較了MWCNTs,C18硅膠和活性炭(AC)這三種材料固相萃取柱的解析的性能、吸附劑吸附容量、可重復(fù)利用性和費(fèi)用,結(jié)果 MWCNTs具有一定的優(yōu)勢(shì);María等[16-17]使用MWCNTs作為固相萃取固定相的測(cè)定不同種類的土壤樣品中的七種有機(jī)磷農(nóng)藥效果良好,在使用MWCNTs固相萃取對(duì)抗蚜威、多菌靈、嘧霉胺等七種殺蟲劑加標(biāo)水樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí),平均回收率值約為94%,該方法確定這些殺蟲劑檢測(cè)濃度范圍為27~58ng/L,遠(yuǎn)低于歐盟立法允許的最大殘留限量范圍;Zhou等[18]用MWCNTs固相萃取測(cè)定環(huán)境水中甲霜靈、乙霉威、腈菌唑、撲草凈和戊唑醇五種農(nóng)藥,結(jié)果表明,方法的精度高,重復(fù)性好,MWCNTs作為固相萃取吸附劑可以應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域的常規(guī)分析中。
1.2.2 在食品中農(nóng)藥獸藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用 由于食品種類很多,基質(zhì)類型復(fù)雜多樣,干擾物質(zhì)也不盡相同,其中包含各種色素、不同比例的脂肪和水分等,且隨著新型農(nóng)藥品種的不斷涌現(xiàn),對(duì)固相萃取所用的吸附劑的選擇有著很高的要求,MWCNTs優(yōu)異的吸附性和易功能化的特點(diǎn)使之為這一領(lǐng)域的研究提供了新的選擇。食品類樣品中含有水分和脂肪,一般經(jīng)過皂化或索氏抽提除油后用丙酮、己烷、乙腈等混勻,進(jìn)行液液萃取,再用MWCNTs固相萃取柱提取和凈化,濃縮后進(jìn)行測(cè)定。
目前已經(jīng)有不少研究報(bào)導(dǎo)了MWCNTs固相萃取被應(yīng)用于食品類基質(zhì)中農(nóng)藥獸藥殘留,及食品接觸材料遷移物的色譜前處理。趙海香等[19-20]建立了MWCNTs為吸附劑的固相萃取凈化氣相色譜法測(cè)定蔬菜中16種有機(jī)磷農(nóng)藥,另外還對(duì)蔬菜樣品中的6種有機(jī)氯和7種擬除蟲菊酯農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè),研究提出的有機(jī)相上樣凈化體系用于黃瓜、卷心菜、紫甘藍(lán)、韭菜、生姜和洋蔥等樣品的凈化,效果良好,與弗羅里硅土柱比較,MWCNTs具有較強(qiáng)的吸附和去除色素的能力,可以避免色素對(duì)測(cè)定的干擾。倪曉丹等[21]建立了以MWCNTs為固相萃取吸附劑分離富集牛奶、雞蛋以及蜂蜜中的甲硝唑殘留,并用高效液相色譜法測(cè)定的分析方法,在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下,方法的檢出限為0.25μg/kg,對(duì)3種實(shí)際樣品分別進(jìn)行1、10、50μg/kg,3種水平下的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),樣品回收率為 68% ~112%,下限為 0.8μg/kg。韓寶武[22]以MWCNTs作為固相萃取吸附劑建立了離線固相萃取的方法對(duì)牛奶樣品進(jìn)行前處理,對(duì)牛奶中四環(huán)素和磺胺類抗生素殘留量進(jìn)行分析。兩者研究結(jié)果表明使用MWCNTs作為固相萃取吸附劑對(duì)牛奶、雞蛋、蜂蜜等動(dòng)物源食品前處理,方法簡(jiǎn)便快速且成本低,結(jié)果靈敏度高,符合食品中低濃度獸藥殘留的分析方法要求。吳新華等[23]以MWCNTs為前處理吸附劑成功建立了測(cè)定食品接觸材料中6種雙酚甘油醚遷移到食品中的遷移量的高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS),6種目標(biāo)化合物的回收率范圍為78.6%~89.9%,該方法檢出限范圍為0.5~1.5μg/L。以上研究結(jié)果表明MWCNTs是一種極富潛力新型吸附材料,在食品安全檢測(cè)的前處理方面的應(yīng)用越來越廣泛,在定性定量分析方面都有很大的發(fā)展空間。
研究者經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MWCNTs固相萃取柱對(duì)芳香化合物具有較強(qiáng)的富集能力,出現(xiàn)了大量關(guān)于MWCNTs作為固相萃取的吸附劑測(cè)定含苯環(huán)的芳香化合物的報(bào)道。2001年,Long等[24]首次發(fā)現(xiàn)MWCNTs可以強(qiáng)烈地吸附二噁英,多壁碳納米管作為固相萃取吸附劑成為科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨后,Cai等[25]研究了 MWCNTs固相萃取柱應(yīng)用于環(huán)境水樣中雙酚A,4-n-壬基苯酚,4-辛基苯酚的萃取,研究表明MWCNTs對(duì)上述三種分析物的提取效果,MWCNTs比C18更好。使用MWCNT對(duì)幾個(gè)加標(biāo)環(huán)境水樣本進(jìn)行檢測(cè),其回收率為89.8%~104.2%,對(duì)雙酚A,4-n-壬基苯酚,4-辛基苯酚的檢出限分別為 0.083、0.024 和 0.018ng/L;肖榮輝[26]以 MWCNTs作為固相萃取吸附劑考察對(duì)海水中16種多環(huán)芳烴的吸附富集能力,發(fā)現(xiàn)其重復(fù)性好,尤其是對(duì)高環(huán)數(shù)PAHs效果好,檢出限低;汪東衛(wèi)[27]以 MWCNTs作為固相萃取吸附劑結(jié)合高效液相色譜聯(lián)用檢測(cè)環(huán)境水體系中持久性有機(jī)污染物多環(huán)芳烴化合物,對(duì)自來水、河水、生活廢水等實(shí)際環(huán)境水樣的分析測(cè)定,檢測(cè)限為0.005~0.058μg/mL,加標(biāo)回收率可達(dá)78.7%~118.1%。丁明玉等[28]對(duì)多壁碳納米管固相萃取填料對(duì)芳香化合物的吸附機(jī)理進(jìn)行了深入研究,他們采用MWCNTs分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行萃取,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MWCNTs對(duì)芳香有機(jī)化合物有較強(qiáng)的吸附作用,這種作用主要是MWCNTs表面的離域大π鍵和芳香環(huán)的共軛π鍵相互作用的結(jié)果,并且這種相互作用力比碳納米管的高比表面積產(chǎn)生的物理吸附作用要強(qiáng)得多。
MWCNTs疏水性強(qiáng),幾乎不溶于任何溶劑,使其應(yīng)用受到了很大限制,為了擴(kuò)展碳納米材料的應(yīng)用范圍,通常對(duì)碳納米材料的表面進(jìn)行修飾和改性[29],經(jīng)功能化修飾使MWCNTs表面引入大量的官能團(tuán),如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等[30]。這些含氧官能團(tuán)通過范德華力、氫鍵、靜電作用力與目標(biāo)化合物結(jié)合。能夠大規(guī)模合成的特點(diǎn)是MWCNTs廣泛應(yīng)用基礎(chǔ),而MWCNTs易于功能化修飾的特點(diǎn)使其具有更優(yōu)秀的吸附萃取性能和選擇性能,拓展了MWCNTs固相萃取在不同基質(zhì)樣品中的應(yīng)用,成為一種更富有潛力的高級(jí)吸附材料。通過化學(xué)、物理等不同方法對(duì)碳納米材料的表面進(jìn)行修飾和改性功使碳納米管功能化,實(shí)現(xiàn)碳納米管對(duì)目標(biāo)化合物的選擇性吸附是近年來的研究熱點(diǎn)。
相對(duì)于未修飾的MWCNTs,功能化的MWCNTs由于表面帶有的含氧官能團(tuán),如羥基(-OH)、羧基(-COOH)等,增加了MWCNTs的親水性和極性,大大提高其對(duì)于極性化合物和水溶性物質(zhì)的萃取能力[31]。付善良等[32]利用 Fe3O4MWCNTs 修飾的碳納米管,該方法修飾的碳納米材料成功應(yīng)用于水中13種PAEs的富集,文章表明經(jīng)修飾的MWCNTs既具有MWCNTs的優(yōu)點(diǎn),還具有磁性和強(qiáng)吸附性的特點(diǎn)。Ornthida等[33]根據(jù)酸氧化MWCNTs帶有羥基和羧基官能團(tuán)特點(diǎn),對(duì)極性化合物2,4-二硝基苯酚和2,6-二氯苯胺的進(jìn)行萃取,效果比未經(jīng)修飾的MWCNTs對(duì)萘的吸附能力要高;Liu等[34]用MWCNTs-COOH作為吸附介質(zhì),萃取水中的酚類化合物,與未修飾的MWCNTs和商用涂層聚乙二醇/模板樹脂(CW/TPR)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB)對(duì)比,吸附能力明顯提高這些含氧官能團(tuán)使MWCNTS表面的親水性增加,極性增強(qiáng),對(duì)極性化合物和水溶性的物質(zhì)的萃取能力大大提高,MWCNTs的功能化拓展了碳納米材料的應(yīng)用范圍。
在食品類樣品的檢測(cè)中,功能化修飾后的MWCNTs同樣有十分優(yōu)秀的表現(xiàn)。韓寶武[35]對(duì)牛奶樣品中磺胺類抗生素進(jìn)行檢測(cè),分別采用濃硝酸處理修飾的MWCNTs和未經(jīng)修飾的MWCNTs對(duì)樣品進(jìn)行萃取凈化,最后得出氧化修飾的多壁碳納米凈化的方法回收率要高得多;王學(xué)翠等[36]也采用濃硝酸處理修飾多壁碳納米管作為吸附材料,建立基質(zhì)固相分散萃取高效液相色譜法測(cè)定牛奶中6種四環(huán)素,并發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管基質(zhì)固相分散萃取牛奶中四環(huán)素的回收率優(yōu)于C18。彭曉俊等[37]對(duì)多壁碳納米管(MWCNTs)進(jìn)行酸氧化使其改性,并建立了以改性MWCNTs作為固相蘺吸附劑測(cè)定農(nóng)產(chǎn)品中殘留的4種有機(jī)氯農(nóng)藥,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性的MWCNTs固相萃取對(duì)陳皮、西洋參、卷心菜和茶葉等食品類樣品凈化效果顯著。這也表明改性的MWCNTs作為SPE吸附填料在食品樣品前處理中有著可觀的應(yīng)用前景。
普通的碳納米管經(jīng)過硝酸等氧化劑處理后,其表面引入了大量含氧官能團(tuán),明顯增強(qiáng)了對(duì)金屬離子的吸附,MWCNTs對(duì)于金屬離子的富集分離,主要依靠修飾后MWCNTs的表面電荷與目標(biāo)物的靜電作用。
Li等[38]在將羧基化碳納米管固相萃取劑用陽(yáng)離子表面活性劑修飾,聯(lián)合原子熒光法測(cè)定環(huán)境水樣中的砷,結(jié)果表明,在最佳富集條件下,檢測(cè)限2ng/L,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%,在對(duì)加標(biāo)環(huán)境水樣檢測(cè)時(shí)砷的回收率為94.00%~104.29%,表明帶有含氧官能團(tuán)的MWCNTs能成為在水樣進(jìn)行砷富集預(yù)處理的優(yōu)秀的固相萃取吸附劑;楊迎春等[39]采用硝酸浸泡氧化方法改性MWCNTs,用于吸附水溶液中Fe3+的實(shí)驗(yàn)研究,用分光光度法進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果表明,改性MWCNTs吸附去除Fe3+效能較未改性的MWCNTs有顯著的提高;臧志鵬[40]使用乙二胺成功修飾了多壁碳納米管,得到新型的固相萃取材料,實(shí)驗(yàn)證明,該吸附材料對(duì)環(huán)境樣品中的Cr(III)、Fe(III)和Pb(II)離子有較好的分離富集效果,建立了分離富集Cr(III)、Fe(III)和Pb(II)離子新的分析方法,與未經(jīng)處理的多壁碳納米管相比,該吸附材料的選擇性和吸附容量都有顯著的提高。
近幾年的研究發(fā)現(xiàn),MWCNTs對(duì)生物類大分子物質(zhì)具有良好的富集效果。Huang等[41]以使用MWCNTs作為吸附劑固相萃取的生物硫醇,通過高效液相色譜(HPLC)和熒光檢測(cè)了三個(gè)生物硫醇;劉建林等[42]建立了基于MWCNTs的固相萃取與分散液液微萃取高效液相色譜-熒光法測(cè)定水體中痕量雌激素雌三醇(E3)、雙酚A(BPA)、17-α-乙炔基雌二醇(EE2)及17-β-雌二醇(E2)的方法,利用中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分別對(duì)固相萃取和分散液液微萃取條件進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)際水樣分析結(jié)果表明,方法可用于不同基質(zhì)水樣中雌激素的測(cè)定,與其它方法相比,檢出限低、富集因子高、操作簡(jiǎn)便及費(fèi)用低,可作為一種可普及的水中痕量雌激素檢測(cè)方法。
根據(jù)生物大分子物質(zhì)本身特點(diǎn)對(duì)MWCNTs進(jìn)行特定的功能化修飾使MWCNTs具有很強(qiáng)選擇性識(shí)別吸附能力。溶菌酶是蛋清主要蛋白質(zhì)中唯一一種堿性蛋白質(zhì),在水溶液中帶正電荷,杜卓等[43]利用碳納米管經(jīng)氧化處理后,在水溶液中其表面帶負(fù)電荷的特點(diǎn),基于物質(zhì)之間電荷的相互作用,建立了以羧基功能化的MWCNTs作為吸附劑在線提取蛋清中溶菌酶的新方法,進(jìn)樣量為2mL時(shí),富集倍率為12,吸附率和洗脫率均為100%,每100mL蛋清可提取溶菌酶0.4g,該方法試劑量少,提取速度快,且溶菌酶純度較高;劉曦等[44]以聚乙二醇改性的碳納米管為基質(zhì),熊果酸為模板分子,甲基丙烯酸為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,偶氮二異丁腈為引發(fā)劑,采用沉淀聚合法成功制備碳納米管-印跡復(fù)合材料,并用此印跡材料固相萃取成功分離富集獼猴桃根提取液中熊果酸。功能化修飾的MWCNTs對(duì)一些大分子物質(zhì)的固相萃取都有很強(qiáng)的針對(duì)性,效果良好。
MWCNTs具有獨(dú)特的物化性能以及優(yōu)異的吸附能力,MWCNTs固相萃取(SPE)技術(shù)問世以來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,并在農(nóng)藥獸藥殘留,芳香污染物,有機(jī)大分子和金屬離子檢測(cè)分析前處理中廣泛的應(yīng)用。MWCNTs固相萃取技術(shù)主要應(yīng)在對(duì)環(huán)境中污染物的檢測(cè),在食品安全檢測(cè)中應(yīng)用研究的報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少,但MWCNTs固相萃取技術(shù)是一種具有潛力的技術(shù),在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面要利用MWCNTs易功能化修飾的特點(diǎn),根據(jù)各種基質(zhì)的理化特性設(shè)計(jì)不同的修飾基團(tuán)與目標(biāo)分子發(fā)生相互作用,達(dá)到有選擇性吸附的目的,可以讓MWCNTs在食品樣品前處理中的應(yīng)用更加廣泛;另一方面要發(fā)展多種多樣的樣品前處理形式,如固相微萃取,基質(zhì)分散萃取,分子印跡技術(shù)等以滿足技術(shù)需求。隨著新的技術(shù)的不斷涌現(xiàn),MWCNTs功能化修飾技術(shù)的不斷完善,MWCNTs在食品安全分析領(lǐng)域中的應(yīng)用將更具生命力。
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