王曉通,張曉彤,謝曉程,玄 藝,李建科,成子強(qiáng),李臣貴, 2*
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山東泰安 271018;2.山東省動(dòng)物生物工程與疾病防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安 271018)
隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,獸用抗生素在動(dòng)物疫病防治中發(fā)揮了重要作用。但不合理甚至違法添加使用抗生素導(dǎo)致的殘留現(xiàn)象已嚴(yán)重危害人類健康,因此建立靈敏可靠的分析方法對(duì)于控制獸用抗生素殘留,保護(hù)食品安全具有重要意義。當(dāng)前,用于獸藥殘留檢測(cè)的法定方法主要有氣相色譜法(GC)[1]、高效液相色譜法(HPLC)[2]、氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)[3]和液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)[4]等,這些方法檢測(cè)靈敏度高,準(zhǔn)確性好,可對(duì)殘留獸藥同時(shí)進(jìn)行定性和定量檢測(cè),但色譜及質(zhì)譜設(shè)備精密,對(duì)分析樣品要求高,在檢測(cè)獸藥殘留時(shí)需要進(jìn)行大量的提取、凈化和富集等前處理操作,消耗大量有機(jī)溶劑和時(shí)間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,分子印跡技術(shù)在獸用抗生素殘留檢測(cè)領(lǐng)域正展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。 分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technology, MIT)是一種分離目標(biāo)分子的技術(shù),通過(guò)人為設(shè)計(jì),以目標(biāo)分子作為模板,利用在結(jié)構(gòu)上與模板相互補(bǔ)的分子作為功能單體,彼此之間發(fā)生特異性結(jié)合,在體系中加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑、溶劑共同參與聚合反應(yīng),合成具有特定模孔結(jié)構(gòu)的分子組合體(圖1)[5]。這種組合體具有預(yù)定的空間尺寸結(jié)構(gòu),可以與模板分子發(fā)生特異性結(jié)合,分子印跡聚合物具備靈敏度高、特異性好的優(yōu)點(diǎn),在獸藥殘留分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 分子印跡技術(shù)圖示[5]Fig 1 Diagram of Molecular Imprinting Technology[5]
制備特異性高、吸附性能好的分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymers, MIPs)是分子印跡技術(shù)成功的關(guān)鍵,傳統(tǒng)制備MIPs的方法主要有本體聚合法、沉淀聚合法和懸浮聚合法等,這些方法存在產(chǎn)率低、聚合物粒徑較大、模板分子難以完全去除和印跡效果差等缺點(diǎn)。近年來(lái)關(guān)于MIPs的最新制備方法有表面分子印跡法、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法、可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合法、電聚合法和原位聚合等。
1.1 表面分子印跡法 表面分子印跡需要有特定的固相基質(zhì)作為功能載體,在載體表面上發(fā)生聚合反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)為“核-殼型”的聚合物。此方法具有分子識(shí)別速率快,模板易于洗出,重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)。陸雅婷等[6]利用磁性分子Fe3O4作為功能載體,馬兜鈴酸Ⅰ為模板分子,制備了表面磁性分子印跡顆粒,將其作為固相吸附劑,用于分離檢測(cè)中藥內(nèi)含有的馬兜鈴酸,避免該物質(zhì)進(jìn)入人體后對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒性作用,該方法將磁分離技術(shù)與表面分子印跡技術(shù)結(jié)合起來(lái),表現(xiàn)出檢測(cè)迅速,專一性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。Wang等[7]以有機(jī)金屬骨架(UiO-66-NH2)作為載體,谷胱甘肽為模板分子,采用表面分子印跡法制備了一種新型的聚合物MIP@UiO-66-NH2,試驗(yàn)表明,該印跡材料對(duì)脫脂牛奶中的谷胱甘肽有很好的識(shí)別結(jié)合能力,能從樣品中特異性分離出谷胱甘肽,適用于乳制品中痕量物質(zhì)的檢測(cè)。
1.2 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)是一種活性可控的自由基聚合方式 ,ATRP體系中單體選擇范圍較廣,使用有機(jī)鹵化物作為聚合反應(yīng)的引發(fā)劑,過(guò)渡金屬作為催化劑。聚合反應(yīng)的發(fā)生是通過(guò)控制鹵原子的轉(zhuǎn)移,建立自由基的增長(zhǎng)和休眠鏈之間的動(dòng)態(tài)平衡,金屬催化劑會(huì)加速并可逆性猝滅正在增長(zhǎng)的自由基,使其保持在較低濃度便于控制聚合反應(yīng)。Zheng等[8]首次利用雙重ATRP進(jìn)行超靈敏的電化學(xué)DNA檢測(cè),第一個(gè)ATRP的單體作為第二個(gè)ATRP的引發(fā)劑,將經(jīng)過(guò)修飾的雙ATRP連接在電極表面,該生物電化學(xué)傳感器在人血清中可以進(jìn)行特異性的檢測(cè)。Xu等[9]首次在未使用有機(jī)金屬作為催化劑的前提下進(jìn)行ATRP聚合,體系中有少量氧氣存在,使用有機(jī)染料熒光素為光催化劑,溴苯乙酸乙酯為引發(fā)劑,在藍(lán)色光下引發(fā)聚合,聚合體系的動(dòng)力學(xué)來(lái)自胺電子給體的位阻,該方法合成的聚合物無(wú)過(guò)渡金屬的污染,對(duì)實(shí)現(xiàn)ATRP的產(chǎn)業(yè)化有重大意義。
1.3 可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合 可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization,RAFT)屬于活性自由基聚合,在RAFT聚合中選用雙硫酯類化合物作為聚合體系的鏈轉(zhuǎn)移劑,再通過(guò)改變引發(fā)劑與鏈轉(zhuǎn)移劑濃度的比值,達(dá)到活性可控的目的,將聚合過(guò)程維持在活性自由基與休眠自由基之間的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。RAFT聚合條件溫和,單體適用范圍廣,聚合過(guò)程易于控制。Ali等[10]利用RAFT法在磁性載體上制備了分子印跡聚合物,將其作為固相吸附劑用于分析檢測(cè)水中的多環(huán)芳烴,達(dá)到了定量和定性檢測(cè)的效果。Murat等[11]通過(guò)RAFT聚合在聚苯乙烯細(xì)胞(Ps)培養(yǎng)皿上,接枝了聚丙烯酰胺和聚N-異丙基酰胺雙聚合物層,通過(guò)RAFT將兩個(gè)聚合物層的厚度控制在100 nm,有利于細(xì)胞表層的恢復(fù),通過(guò)水接觸角測(cè)量表明,雙層聚合物在水中有溫度依賴性的界面特征,經(jīng)過(guò)接枝后的Ps培養(yǎng)皿表現(xiàn)出對(duì)各種細(xì)胞均無(wú)細(xì)胞毒性,該技術(shù)可用于構(gòu)建各種類型的生物材料表面。
1.4 電聚合 電聚合就是將電極插入混有模板、功能單體的溶液中,在通電的條件下引發(fā)聚合,聚合物沉積在電極表面形成薄膜,當(dāng)MIPs結(jié)合目標(biāo)分子時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)輸出,通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕可觀察到整個(gè)過(guò)程,通過(guò)控制電流的強(qiáng)度調(diào)整聚合物薄膜的厚度,該方法制備的基于MIPs的電化學(xué)傳感器擁有便捷性與快速性的優(yōu)點(diǎn),已在電分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Rosa等[12]以甲酮為模板分子,2-巰基苯并咪唑?yàn)楣δ軉误w,利用電聚合法在絲網(wǎng)印刷金電極上進(jìn)行分子聚合,將其作為傳感器,用于對(duì)人體液中是否含有甲酮物質(zhì)進(jìn)行特異性檢測(cè)。利用該原理也可用于對(duì)其他非法藥物的檢測(cè)。Wei等[13]基于電聚合制備了以木犀草素為模板的分子印跡聚合物,將其作為電化學(xué)傳感器用于測(cè)定傳統(tǒng)藥物中木犀草素,通過(guò)循環(huán)伏安掃描可以輕松除去模板,對(duì)比常規(guī)的檢測(cè)方法,MIPs電化學(xué)傳感器具有特異性好,穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
1.5 原位聚合 原位聚合是直接將聚合所需模板、單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑在溶劑中分散,將其裝填在色譜柱或者毛細(xì)管柱內(nèi)就地聚合,操作簡(jiǎn)單、直接,具有很強(qiáng)的適用性。Bai等[14]通過(guò)原位聚合法在經(jīng)過(guò)石墨烯修飾的玻璃碳電極表面合成了MIPs,構(gòu)造了新型電化學(xué)傳感器碳電極,用于從復(fù)雜基質(zhì)中檢測(cè)青蒿素,并且在結(jié)構(gòu)類似物的混合溶液中對(duì)青蒿素表現(xiàn)出良好的選擇性。Min等[15]以原位聚合的方式制備MIPs,用于檢測(cè)血液肌酐水平,結(jié)果表明利用原位聚合法制備的聚合物對(duì)肌酐的印跡因子達(dá)到3.06,表現(xiàn)出良好的吸附性能。
β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、酰胺醇類、四環(huán)素類、喹諾酮類等是常用的獸用抗生素。隨著公眾對(duì)動(dòng)物源性食品安全的重視,迫切需要建立靈敏可靠的抗生素殘留分析方法。MIT具有特異性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)點(diǎn),在獸用抗生素殘留檢測(cè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
2.1 β-內(nèi)酰胺類殘留檢測(cè) β-內(nèi)酰胺類抗生素主要包括青霉素類和頭孢菌素類,通過(guò)抑制繁殖期細(xì)菌細(xì)胞壁的合成殺死細(xì)菌,常見藥物有青霉素、阿莫西林、頭孢克肟等。β-內(nèi)酰胺類抗生素主要用于敏感革蘭氏陽(yáng)性菌及革蘭氏陰性球菌引起的動(dòng)物疾病的治療,在人體中蓄積會(huì)有肝腎毒性以及過(guò)敏反應(yīng)。我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部[16]規(guī)定β-內(nèi)酰胺類在動(dòng)物性食品中的殘留限量為50 μg/kg,奶制品中殘留限量為4 μg/kg。
郭利輝[17]以苯唑西林為模板分子,丙烯酰胺作為功能單體,二甲基丙烯酸乙二醇酯作為交聯(lián)劑,甲醇作為反應(yīng)溶劑,在偶氮二異丁腈存在下引發(fā)聚合,成功制備了MIPs,將其作為固相萃取柱,用于檢測(cè)畜產(chǎn)品中β-內(nèi)酰胺類抗生素的痕量殘留,特異性吸附效果好,對(duì)苯唑西林的吸附量最大為418.23 μmol/g。陳郎星等[18]將經(jīng)過(guò)雙鍵修飾的Fe3O4@SiO2作為分子印跡的固相基質(zhì),合成了特異性吸附萘夫西林的分子印跡聚合物,結(jié)合使用磁分離技術(shù),對(duì)目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)了快速分離檢測(cè)的目的,對(duì)制得的磁性分子印跡聚合物進(jìn)行吸附性能表征,結(jié)果顯示,MIPs對(duì)混合溶液中的萘夫西林表現(xiàn)出優(yōu)良的選擇性,有較強(qiáng)的抗干擾能力。李橋等[19]利用分子印跡技術(shù),結(jié)合使用有機(jī)金屬材料UiO-66,通過(guò)皮克林乳液法合成制備了MIPs微球,可用于動(dòng)物性食品中阿莫西林的檢測(cè),特異性吸附最大容量達(dá)到0.1721 mmol/g。
2.2 大環(huán)內(nèi)酯類殘留檢測(cè) 大環(huán)內(nèi)酯類抗生素通過(guò)抑制細(xì)菌蛋白的合成發(fā)揮抗菌作用,常見的藥物有紅霉素、泰樂菌素、替米考星等。生產(chǎn)中常用于治療畜禽的呼吸道疾病,在人體中蓄積會(huì)產(chǎn)生急性肝中毒。
Zeng等[20]以泰樂菌素為模板,甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯為功能單體,模板與單體之間的比例為0.5∶1,將疏水性二甲基丙烯酸乙二醇酯(Ethyleneglycol Dimethacrylate, EGDMA)和親水性N, N-亞甲基雙丙烯酰胺(Methylene-Bis-Acrylamide,MBAA)作為混合交聯(lián)劑,制備了應(yīng)用于水環(huán)境的印跡聚合物,體系中加入硼酸提高了在水環(huán)境的穩(wěn)定性,通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬試驗(yàn),表明分子聚合物內(nèi)的空腔結(jié)構(gòu)、大小與模板匹配,在水中該聚合物具有識(shí)別結(jié)合迅速,特異性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)Scatchard作圖分析,表明對(duì)泰樂菌素的吸附能力為74.3 mg/g,最大吸附容量為120.0 mg/g,利用該技術(shù)可以檢測(cè)水環(huán)境中大環(huán)內(nèi)酯類藥物的殘留。Hu等[21]將分子印跡技術(shù)與電化學(xué)發(fā)光傳感器結(jié)合運(yùn)用,成功對(duì)樣品中的阿奇霉素進(jìn)行了檢測(cè),對(duì)比分子印跡電極與非分子印跡電極的電化學(xué)發(fā)光行為,在含2×10-7mol/L阿奇霉素的緩沖溶液中進(jìn)行響應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)試,結(jié)果顯示分子印跡電流信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于非分子印跡電流信號(hào)強(qiáng)度,說(shuō)明經(jīng)過(guò)分子印跡修飾后的電極靈敏性增強(qiáng),特異性吸附效率為98.4%,分子印跡電化學(xué)發(fā)光傳感器對(duì)阿奇霉素的檢測(cè)極限為2.3×10-11mol/L,表明該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物殘留的微量檢測(cè)。Liu等[22]將分子印跡技術(shù)與色譜技術(shù)結(jié)合,對(duì)發(fā)酵液中的螺旋霉素I進(jìn)行檢測(cè),以甲基丙烯酸甲酯作為功能載體,丙烯酰胺和甲基丙烯酸制備成殼,合成了吸附螺旋霉素I的“核-殼型”分子印跡聚合物,經(jīng)過(guò)分子印跡色譜柱再生試驗(yàn)表明,5次循環(huán)利用后容量損失約為3.4 mg/g,印跡聚合物動(dòng)態(tài)吸附容量為20.0 mg/g,表明MIP色譜法在分離螺旋霉素中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
2.3 酰胺醇類殘留檢測(cè) 酰胺醇類抗生素通過(guò)干擾細(xì)菌蛋白的復(fù)制發(fā)揮抗菌作用。常用藥物有氯霉素、氟苯尼考、甲砜霉素等,其中氯霉素對(duì)人體危害極大,會(huì)抑制骨髓造血功能,導(dǎo)致白血病的發(fā)生,還會(huì)引起致命的“灰嬰綜合征”反應(yīng),現(xiàn)已被禁用。分子印跡技術(shù)對(duì)于氯霉素的痕量檢測(cè)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
蔣彩云等[23]采用熱聚合法,合成了特異性吸附氯霉素的印跡聚合物,最大吸附量為127.8 mg/g,通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)表明,氯霉素印跡聚合物在2 h達(dá)到了吸附平衡,該聚合物在甲砜霉素、氟甲砜霉素和氯霉素的混合溶液中,表現(xiàn)出選擇性好、特異性吸附高的優(yōu)點(diǎn),可用于動(dòng)物性產(chǎn)品中氯霉素的痕量檢測(cè)。章琦等[24]利用表面分子印跡法,選用Fe3O4作為磁性載體材料,制備了特異性吸附氯霉素的磁性印跡聚合物,用于檢測(cè)牛奶制品中的氯霉素,通過(guò)磁分離技術(shù)僅需10 min就可以使MIPs對(duì)氯霉素的吸附達(dá)到飽和狀態(tài) ,檢出限為2.7 μg/kg,回收利用率在97.3%~104.3%之間。Mohamed 等[25]以SiO2粒子作為載體材料,通過(guò)雙鍵改性后,制備了吸附氯霉素的分子印跡聚合物,聚合體系中有機(jī)硅烷作為改性劑,提高印跡物在水溶液中的穩(wěn)定性,該方法制備的分子聚合物,可用于從水溶液中吸附去除氯霉素。 Li等[26]以氯霉素為模板,并首次使用了丙烯酰胺和甲基丙烯酸作為雙功能單體,在經(jīng)過(guò)雙鍵修飾的Fe3O4磁性載體上合成制備了MMIPs,與以往方法不同的是,該方法引入了兩個(gè)不同的功能單體作為識(shí)別位點(diǎn),提高了對(duì)氯霉素的特異性識(shí)別能力,最大吸附量達(dá)到了42.60 mg/g ,相對(duì)選擇因子≥10,可用于在復(fù)雜樣品中的分析檢測(cè)。
Fatemeh等[27]制備了一種基于納米結(jié)構(gòu)分子印跡聚合物(MIP)的光學(xué)傳感器,該聚合物涂覆在發(fā)光的鋯金屬-有機(jī)骨架(MIP/Zr-LMOF)上,傳感器整合了Zr-LMOF和MIP的優(yōu)勢(shì),用于CAP的靈敏熒光檢測(cè)。將MIP涂層附著在Zr-LMOF表面,可提高Zr-LMOF對(duì)CAP的特異性識(shí)別能力,這是首次基于MIP的Zr-LMOF熒光傳感器用于CAP檢測(cè)的報(bào)道,檢測(cè)限量為0.013 μg/L,對(duì)牛奶、蜂蜜中的氯霉素殘留檢測(cè)達(dá)到了滿意的效果,該傳感器具有靈敏度高和選擇性好的優(yōu)點(diǎn),且具有良好的可重復(fù)使用性和穩(wěn)定性。
2.4 四環(huán)素類殘留檢測(cè) 四環(huán)素類抗生素通過(guò)阻礙細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成從而抑制細(xì)菌生長(zhǎng),常見藥物有四環(huán)素、土霉素、多西環(huán)素等,在人體中蓄積會(huì)有肝臟毒性,抑制骨骼和牙齒的發(fā)育。GB31650-2019食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)[16]中規(guī)定,在動(dòng)物源性肌肉食品中,四環(huán)素類抗生素殘留限量為200 μg/kg,奶制品中的殘留限量為100 μg/kg。
Emel等[28]以四環(huán)素為模板,N-甲基丙烯?;?L-谷氨酸甲酯為功能單體,合成制備MIPs,并將其嵌入復(fù)合冷凍凝膠中,用于選擇性分離水中的四環(huán)素 ,冷凍凝膠可以提高分子印跡聚合物的化學(xué)耐性,延長(zhǎng)了使用壽命。Wang等[29]以四環(huán)素為模板分子,F(xiàn)e3O4為功能載體,甲基丙烯酸為功能單體,玉米醇溶蛋白作為交聯(lián)劑,合成了表面磁性分子印跡聚合物,并結(jié)合使用電化學(xué)傳感器,對(duì)動(dòng)物源性食品中的四環(huán)素進(jìn)行了精準(zhǔn)快速的檢測(cè)與分離,檢測(cè)限度為0.025 μg/mL,實(shí)現(xiàn)了對(duì)四環(huán)素類藥物的痕量檢測(cè)。
2.5 喹諾酮類殘留檢測(cè) 喹諾酮類抗生素通過(guò)阻止細(xì)菌DNA的合成殺死細(xì)菌,常用藥物為諾氟沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星等??捎糜谥委焺?dòng)物的呼吸道、泌尿道、消化系統(tǒng)的感染,對(duì)人體的毒副作用表現(xiàn)為二重感染和菌群失調(diào),對(duì)未成年人的軟骨產(chǎn)生損害。GB31650-2019食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)[16]中規(guī)定可以使用但有最大殘留限量的是達(dá)氟沙星、恩諾沙星、二氟沙星、沙拉沙星、噁喹酸這五種,其他喹諾酮類藥物均已禁用。
Chen等[30]通過(guò)表面分子印跡技術(shù),以Fe3O4為磁性載體材料, Mn-Zns量子點(diǎn)為熒光材料,制備了基于磁性分子印跡聚合物和磷光材料的新型探針,聚合物是以諾氟沙星為模板,3-氨基丙基三乙氧基硅烷為功能單體,在四乙氧基硅烷存在下交聯(lián)聚合。該探針具有靈敏度高、檢測(cè)迅速、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)限度在0.80 μg/L,成功應(yīng)用于動(dòng)物性食品中諾氟沙星的殘留檢測(cè)。Qin等[31]在經(jīng)過(guò)活化的SiO2顆粒上,以諾氟沙星為模板,加入甲基丙烯酸、乙二醇雙甲基丙烯酸酯分別作功能單體和交聯(lián)劑,反應(yīng)形成印跡聚合物,再將MIPs用作固相萃取劑,結(jié)合高效液相色譜分析,對(duì)海水中諾氟沙星的殘留量進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)限為2 μg/L,回收率在75.5%~91.7%。Zhao等[32]在有機(jī)金屬骨架材料表面,建立了識(shí)別加替沙星的分子印跡聚合物。將其作為吸附劑從牛血清中檢測(cè)加替沙星的殘留量,在恩諾沙星、環(huán)丙沙星和加替沙星的混合溶液中,該聚合物表現(xiàn)出優(yōu)良的特異性吸附能力。
分子印跡技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、易于操作的優(yōu)點(diǎn),為獸用抗生素殘留檢測(cè)提供了新方法,近年來(lái),研究人員嘗試將分子印跡聚合物進(jìn)行優(yōu)化改造,結(jié)合使用磁性材料[24]、熒光技術(shù)[33]、高效液相色譜分析技術(shù)[34]等提高檢測(cè)效率與準(zhǔn)確性。磁性材料的使用是實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)獸用抗生素殘留的主要趨勢(shì),熒光材料的使用可以對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定性與定量分析,基于分子印跡技術(shù)原理開發(fā)使用的獸用抗生素殘留檢測(cè)技術(shù)將具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。