許錦帆，陳俊豪，李 薇，孔德明

（南開大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，分析科學(xué)研究中心 天津市生物傳感與分子識別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071）

食品安全關(guān)系到民生安全，受到了黨和國家的高度關(guān)注。《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化改革加強(qiáng)食品安全工作的意見》（2019 年5 月9 日）指出，“我國食品安全工作仍面臨不少困難和挑戰(zhàn)，形勢依然復(fù)雜嚴(yán)峻。微生物和重金屬污染、農(nóng)藥獸藥殘留超標(biāo)、添加劑使用不規(guī)范、制假售假等問題時(shí)有發(fā)生”。食品安全事故具有突發(fā)性和隱匿性，且隨機(jī)性強(qiáng)、嚴(yán)重性高、傳播范圍廣。隨著各種食品安全事故被報(bào)道，各地對食品安全的重視程度不斷提升，但相應(yīng)應(yīng)急處理方案仍需完善，亟需發(fā)展對食品中化學(xué)危害因子進(jìn)行高效篩查的分析方法。由于食品中可能存在的化學(xué)危害因子種類多、數(shù)目大，而食品基質(zhì)復(fù)雜，故對食品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的非靶向分析極其重要［1］。

非靶向分析是一種通過多種分析方法識別未知化學(xué)因子，并基于組學(xué)對不同成分進(jìn)行分析或通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫識別樣品中化學(xué)物質(zhì)的廣譜分析方法［2］。在食品安全分析應(yīng)用中，相對于靶向分析，非靶向分析能快速、有效地對樣品中的化學(xué)危害因子進(jìn)行排查，因此非靶向分析在食品生產(chǎn)流水線檢測、食品安全事件緊急處理、食品安全性評估等領(lǐng)域均有較多應(yīng)用［3］。

在進(jìn)行食品安全非靶向分析時(shí)往往需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題［4］：一是食品樣品基體復(fù)雜，干擾物多，嚴(yán)重影響準(zhǔn)確測定；二是食品中的未知危害因子多為痕量水平，對檢測方法的靈敏度有較高要求。因此在大部分分析檢測中，樣品前處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。合適的樣品前處理技術(shù)，能有效去除基質(zhì)干擾、降低基質(zhì)效應(yīng)、減少測量誤差、提高測量準(zhǔn)確度，同時(shí)不造成體系二次污染。

樣品前處理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于吸附劑材料的開發(fā)。近年來新型納米材料發(fā)展迅速，在不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。納米材料憑借其納米尺度的超小尺寸、大比表面積、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，成為吸附劑材料的優(yōu)良選擇［5］。金屬有機(jī)骨架（MOFs）、共價(jià)有機(jī)骨架（COFs）、磁性納米材料等新型納米材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和吸附能力，在食品非靶向分析樣品前處理中有諸多應(yīng)用。

1 樣品前處理方法

改進(jìn)和發(fā)展樣品前處理技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)。已經(jīng)成熟的樣品前處理技術(shù)包括液-液萃?。↙LE）［6-7］、固相萃?。⊿PE）［8］、固相微萃?。⊿PME）［9］、分散固相萃?。―SPE）［10］和QuEChERS［11］等。

LLE 利用物質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中溶解度或分配系數(shù)不同，使物質(zhì)從一種溶劑轉(zhuǎn)移到另一種溶劑。LLE的溶劑消耗量大，效率低。SPE利用目標(biāo)物與吸附劑之間的疏水、靜電、π-π、氫鍵等相互作用將目標(biāo)分子從液相奪取到固相吸附劑上，目前已取代LLE成為樣品前處理的重要方法。SPME根據(jù)相似相溶原理，將吸附涂層暴露在樣品上方，對樣品中揮發(fā)性甚至難揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行富集。SPME 可在采樣、萃取的同時(shí)對分析物進(jìn)行濃縮，大大加快分析速度。DSPE則簡化了樣品處理的流程，避免樣品損失。

QuEChERS 是目前食品安全非靶向篩查最常用的前處理方法。開發(fā)于2003 年的QuEChERS 技術(shù)因具有快速（Quick）、簡便（Easy）、便宜（Cheap）、高效（Effective）、耐用（Rugged）、安全（Safe）等特點(diǎn)而被廣泛使用。其基本流程是，樣品經(jīng)乙腈提取后，加入無水硫酸鎂、氯化鈉進(jìn)行鹽析，再加入凈化劑如乙二胺N-丙基硅膠（PSA）、石墨化炭黑（GCB）和C18基硅膠，去除大部分雜質(zhì)（包括色素、脂肪、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等），隨后通過離心達(dá)到凈化目的。近年來也發(fā)展了改良的QuEChERS技術(shù)，優(yōu)化了試劑用量，并開發(fā)出更多凈化劑［12-13］。Huang 等［14］使用一步QuEChERS 法（sin-QuEChERS）對茶葉中的多種農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物進(jìn)行非靶向高通量篩查。將茶葉粉碎，用含0.1%甲酸的乙腈振蕩提取，加鹽離心后，采用如圖1 所示的納米固相萃取柱純化，柱中填料為2 g 硫酸鎂、80 mg PSA 和65 mg 多壁碳納米管（MWCNTs）。相比傳統(tǒng)方法，該方法不需離心，僅需幾秒鐘即可完成凈化步驟，實(shí)現(xiàn)了茶葉中農(nóng)藥殘留的快速篩查。

圖1 一步QuEChERS納米固相萃取柱示意圖［14］Fig.1 A schematic diagram of sin-QuEChERS nano catridges［14］

QuEChERS 等方法仍具有凈化試劑用量大、凈化效率低、不能重復(fù)使用、處理時(shí)間長等缺點(diǎn)，對干擾基質(zhì)的去除效果有待進(jìn)一步提高。

性能優(yōu)異的樣品前處理材料能有效去除食品樣品中的干擾物，減少待測物質(zhì)在前處理過程中的損失，降低對體系的二次污染和生產(chǎn)成本，簡化操作過程，更符合實(shí)際應(yīng)用要求，因此此類材料有待進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用。

2 新型納米材料在樣品前處理中的應(yīng)用

2.1 MOFs材料

MOFs是一類通過金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體配位自組裝形成的具有周期性多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型納米多孔材料［15］，其結(jié)構(gòu)可通過改變有機(jī)連接體的幾何結(jié)構(gòu)和無機(jī)金屬離子或金屬離子簇的配位方式進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，具有比表面積大、孔隙率高、骨架結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜基質(zhì)樣品前處理、吸附和分離、儲存、傳感、藥物遞送等方面得到了廣泛應(yīng)用［16-17］。

目前已報(bào)道的用于食品安全非靶向篩查樣品前處理的MOFs 材料不多。Shao 等［18］合成了分層級微/介孔MOF 磁性納米球H-MOFn@Fe3O4，其孔隙大小與蔬菜中色素基質(zhì)的尺寸匹配，對色素有優(yōu)異的去除能力。MOF 的外殼層數(shù)可通過逐層組裝控制，當(dāng)層數(shù)為6 時(shí)，色素去除率高且材料用量少（30 mg）。該材料可回收258種不同物理化學(xué)性質(zhì)的化學(xué)危害因子，處理時(shí)間僅5～8 min，并能多次循環(huán)使用，在非靶向分析中具有優(yōu)異性能。此工作開辟了MOFs 材料應(yīng)用于食品安全非靶向篩查的道路，但其制備過程復(fù)雜、周期長、難以批量生產(chǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中仍有很大進(jìn)步空間。

2.2 COFs材料

COFs 為一種新興的納米有機(jī)多孔材料，首次報(bào)道于2005年，是一類由C、H、B、O、N 等輕原子構(gòu)成，通過共價(jià)鍵連接形成的結(jié)構(gòu)有序的結(jié)晶型有機(jī)多孔材料［19］。COFs材料具有從零維到三維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從微孔到介孔的孔徑大小，以及多元的單體組成。擁有比表面積大、穩(wěn)定性高、孔隙率高度規(guī)則等特點(diǎn)，在樣品前處理、化學(xué)傳感、氣體儲存、電化學(xué)等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景，吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。

COFs材料憑借其優(yōu)異的性能，已廣泛應(yīng)用于食品安全非靶向分析的前處理過程［20-24］。2022年本課題組基于此前開發(fā)出的具有快速傳質(zhì)能力的大孔徑分層級COFs（HCOFs）［25］，報(bào)道了一種使用球形二氧化硅納米顆粒（SiO2NPs）為犧牲模板合成HCOFs 的簡單方法（圖2）［20］。合成的HCOFs 具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)及相互交織的大/介/微孔通道，大孔通道的引入使COFs 內(nèi)部的介孔和微孔充分暴露，比表面積（742.22 m2/g）比原始COFs（481.27 m2/g）提高了1.5 倍，有利于提高內(nèi)部孔的利用率和材料的整體吸附能力。這使得HCOFs 在樣品前處理過程中表現(xiàn)出超快速的去除基質(zhì)干擾的能力。用3 mg HCOFs 處理蔬菜樣品，可在3 s 內(nèi)去除99%以上的葉綠素和97%以上的葉黃素，是已有報(bào)道的最短時(shí)間。此外，HCOFs 在重復(fù)使用10 次以上后，仍能保持良好的性能。將HCOFs 應(yīng)用于非靶向分析的樣品前處理時(shí)，試劑用量少，重復(fù)使用性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)不同食品樣品中基質(zhì)干擾的快速去除和化學(xué)危害因子的回收，且可顯著縮短處理時(shí)間，為食品中毒等緊急事件中化學(xué)危害因子的快速檢測提供了新的方法。

圖2 HCOFs的合成及其在食品化學(xué)危害因子非靶向分析中的應(yīng)用［20］Fig.2 Preparation of HCOFs and their applications in sample pretreatment for non-targeted analysis of chemical hazards in foods［20］

在處理富含脂肪的食品時(shí)，脂質(zhì)的存在會嚴(yán)重影響檢測靈敏度并縮短儀器壽命，長期以來一直缺乏用于脂質(zhì)去除的理想非靶向分析樣品前處理材料。本課題組［21］以三聚氰胺泡沫（MF）作為載體制備了COF 整體材料MF@COF（圖3）。MF表面具有豐富的氨基，可作為COF 原位生長的反應(yīng)位點(diǎn)，故采用一鍋法制備MF@COF。MF 具有優(yōu)異的機(jī)械彈性，COF 負(fù)載在MF 上做成整體材料，可有效避免粉末狀COF在離心操作中去除不完全，造成二次污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，且操作過程簡便。MF的大孔通道和COF高度有序的介/微孔網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)同，對客體分子（甘油三酯）表現(xiàn)出快速吸附動力學(xué)和超高吸附能力，能在30 s 內(nèi)從高脂食物提取液中去除99%以上的脂肪，同時(shí)保留323 種理化性質(zhì)差異較大的化學(xué)危害因子。MF@COF具有高疏水性、強(qiáng)吸油能力和可重復(fù)使用性，擁有良好的油/水分離能力，為富含脂肪食品的樣品前處理技術(shù)開發(fā)提供了新思路。

圖3 MF@COF的合成（A）及其在富含脂肪類食品中化學(xué)危害因子非靶向分析中的應(yīng)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］

盡管COFs 材料在實(shí)驗(yàn)室研究中取得了優(yōu)異的效果，但在實(shí)際中的應(yīng)用卻非常有限。COFs 材料的合成成本較高，價(jià)格昂貴，且多數(shù)COFs為粉末結(jié)構(gòu)，可加工性差，限制了其廣泛應(yīng)用。如何將優(yōu)異的材料轉(zhuǎn)化為真正實(shí)用的產(chǎn)品，建立產(chǎn)學(xué)研一體化模式，破解材料轉(zhuǎn)化困難的瓶頸，是研究者們未來需要思考的方向。

2.3 磁性材料

傳統(tǒng)QuEChERS 法需要通過離心操作分離凈化劑，操作復(fù)雜。而磁性材料作為樣品前處理的凈化劑時(shí)，可在前處理完成后通過外加磁場的方法進(jìn)行收集，使食品的高通量分析更加簡便、快速［26］。常用的磁性材料包括磁性石墨烯基材料（mG）［27］、磁性碳納米管（mCNTs）［28］、磁性COFs（MCOFs）［29-30］和磁性分子印跡聚合物（MMIP）［31-32］等。

Chen等［33］將廉價(jià)易得的柑橘皮活化、碳化后，與Fe3O4結(jié)合，制備了一種三維磁性Fe3O4-生物炭復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有大量納米孔且比表面積高，可通過π-π 作用吸附色素。利用外部磁場將吸附劑與體系分離，可節(jié)省時(shí)間，且污染少。Shao 等［34］以甲基丙烯酰胺（MAAM）作為功能單體、二甲基丙烯酸乙烯酯（EGDMA）為交聯(lián)劑，合成了磁性超交聯(lián)核殼聚合物復(fù)合材料Fe3O4@poly（MAAM-co-EGDMA）。使用該吸附劑處理動物油和植物油樣品時(shí)，可去除90%以上的脂質(zhì)并高效回收565 種化學(xué)危害因子。

但一些磁性碳材料的制備需要較高溫度，實(shí)驗(yàn)條件苛刻。

2.4 樣品前處理材料的對比

除上述材料外，也有其他新型納米材料被應(yīng)用于非靶向分析樣品前處理，如共價(jià)有機(jī)聚合物（COPs）［35］、分子印跡聚合物（MIP）［36-37］。表1從使用的樣品前處理方法、吸附劑用量、吸附時(shí)間、循環(huán)使用性和化學(xué)危害因子回收率等方面對近年來報(bào)道的食品非靶向分析樣品前處理材料進(jìn)行了全面對比。

表1 食品非靶向分析樣品前處理材料對比Table 1 Comparison of sample pretreatment materials for non-targeted analysis in food safety

3 樣品前處理技術(shù)在非靶向分析中的應(yīng)用

非靶向分析技術(shù)可在食品安全監(jiān)測中定性檢測、全面分析化學(xué)危害因子。用于食品安全非靶向分析的分析化學(xué)技術(shù)主要包括液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）［14，38］、氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）［39］、核磁共振（NMR）［40-42］和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（CE-MS）［43-45］等，并通過代謝組學(xué)［42，46］或化學(xué)數(shù)據(jù)庫檢索［47］的方法識別化學(xué)危害因子。近年來隨著分析儀器的發(fā)展，高分辨儀器已在食品監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［48］。如四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜（Q-Orbitrap-HRMS）［49］在高分辨率、高掃描速率、揮發(fā)性化合物分析等方面具有綜合優(yōu)勢；飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOF MS）［50］具有簡便、快速、通量高的特點(diǎn)，方便與GC 聯(lián)用，特別適用于食品安全高通量檢測。Liang 等［47］基于超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜（UHPLC-HRMS）的片段特征，構(gòu)建了一個(gè)包含3 710 種獸藥及其代謝產(chǎn)物的內(nèi)部質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，通過研究和總結(jié)其質(zhì)譜裂解特性，建立了非靶向篩選策略，用于雞蛋中未知藥物的篩查。Tang 等［49］為篩選雞蛋中的鹵代有機(jī)污染物（HOP），采用全掃描模式的氣相色譜-四極桿/靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜（GC-Q-Orbitrap-HRMS），開發(fā)了由相鄰等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的豐度比組成的等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布算法（ARNI），對氯/溴進(jìn)行特異性篩選，共發(fā)現(xiàn)了1 059種HOP同源物，并總結(jié)出其總體污染特征。

對于不同的非靶向分析技術(shù)，使用的樣品前處理方法往往也略有不同。表2 列出了近年來常見的幾種食品非靶向分析技術(shù)，并從樣品前處理方法、適用的分析物、檢測的線性范圍、檢出限等方面進(jìn)行了對比。

表2 食品非靶向分析技術(shù)對比Table 2 Comparison of sample pretreatment methods for non-targeted analysis in food safety

4 總結(jié)與展望

本文圍繞食品安全非靶向分析介紹了樣品前處理方法、用于樣品前處理的納米材料及樣品前處理在非靶向分析技術(shù)中的應(yīng)用，列表比較了近年來用于樣品前處理的納米材料。目前，樣品前處理材料在降低基質(zhì)影響、回收化學(xué)危害因子方面已取得諸多成果。但部分材料仍存在原料價(jià)格昂貴，對一些化學(xué)危害因子的回收率低等問題。未來有待開發(fā)出制備方法更簡單、成本更低、化學(xué)穩(wěn)定性更高的材料，實(shí)現(xiàn)材料的高效性、快速性、便攜性、循環(huán)使用性和多功能性，使其更符合食品安全的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、日常監(jiān)測和應(yīng)急事件處理要求，促進(jìn)非靶向分析的實(shí)際應(yīng)用。