用于食品中苏丹红染料痕量分析的固相萃取技术进展：从吸附机制到材料设计

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Advances in Solid-Phase Extraction for the Trace Analysis of Sudan Red Dyes in Food: From Adsorption Mechanisms to Material Design

　　

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  从吸附机制的角度对苏丹红SPE吸附剂进行了综述。
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  描述了苏丹红染料与吸附剂之间的五种基本吸附机制类型。
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  分析了各种类型苏丹红SPE吸附剂的设计策略和未来发展方向。
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  探讨了吸附机制验证、方法标准化和绿色应用方面的挑战与趋势。

引言

苏丹红染料是一类脂溶性的偶氮染料，呈橙红色。由于其合成简单、成本低廉且着色能力强，它们被非法添加到辣椒产品和棕榈油等食品中。动物研究表明这些染料具有致癌和基因毒性[1]。其代谢物被认为可能对人体具有致癌性[1]。接触这些染料可能导致肝脏损伤，还可能引发皮肤过敏[2]并破坏肠道微生物群[3]。即使长期暴露于低浓度下，也可能对健康构成风险。一旦进入食物链，这些染料可能威胁公共健康。1987年，国际癌症研究机构将苏丹红I列为第3类致癌物[4][5][6]。1995年，欧盟禁止将苏丹红染料用作食品添加剂[7]。然而，由于非法商业利益的存在，苏丹红染料仍被非法添加到食品中。食品和饲料快速预警系统的年度报告显示，每年大约有20起相关事件被报告[8][9]。受污染的产品主要包括辣椒产品、咖喱粉和棕榈油。因此，准确测定食品中的苏丹红染料对于食品安全监测至关重要。欧盟目前建议苏丹红染料的检测限为500 ng/mL[10]。图1显示了2005年至2025年（搜索日期：2026年6月）Web of Science数据库中关于“苏丹红染料”和“分析”的出版物数量。过去二十年里，对苏丹红染料分析的研究受到了越来越多的关注，出版物数量在2015年达到峰值。这一增长主要与更严格的食品安全法规有关，也与包括石墨烯（G）、碳纳米管（CNTs）和金属氧化物纳米颗粒（MONPs）在内的功能材料的快速发展相关。

食品基质的复杂性质进一步增加了分析的难度。主要的干扰成分包括脂质、脂蛋白和天然色素[11][12]。在使用有机溶剂提取时，这些亲脂性成分也会被同时提取出来。由于类似的化合物容易相互溶解，它们会与苏丹红染料竞争吸附剂上的疏水结合位点，从而降低苏丹红染料的富集效率。在后续的质量谱检测中，共洗脱的基质成分可能导致强烈的离子抑制，进一步影响定量结果的准确性[13]。因此，有效的样品制备对于苏丹红染料的痕量分析至关重要。传统方法包括液-液萃取[14]、加压液萃取[15]和凝胶渗透色谱法[16]。但这些方法存在多个缺点，如需要大量有毒有机溶剂，容易形成乳液，操作复杂且成本高昂[17][18]。这些限制了它们的实际应用。固相萃取（SPE）具有多项优势，如高富集效率、强的基质纯化能力、操作简单和易于自动化[19][20]。SPE在苏丹红染料的痕量分析中表现出特别的价值[21]。SPE及其衍生技术已被应用于苏丹红染料的预处理，包括磁性固相萃取（MSPE）、固相微萃取（SPME）、基质固相分散（MSPD）、分散固相萃取（DSPE）、搅拌棒吸附萃取（SBSE）和分散微固相萃取（D-μ-SPE）。这些技术的详细介绍见文本S1。

过去二十年里，用于苏丹红染料的SPE吸附剂范围从传统的C18材料扩展到了新型材料，如纳米碳材料、金属有机框架（MOFs）和分子印迹聚合物（MIPs）。然而，直接研究这一领域的综述很少。大多数现有综述主要集中在苏丹红染料的电化学检测[22]和毒性分析[2]上。在关于SPE方法和吸附剂的综述中，Rebane等人[8]在2010年回顾了预处理和检测方法；Abbas等人[23]在2023年进行了全面综述，重点讨论了MSPE在染料分析中的应用以及磁性材料在苏丹红染料领域的应用；Khan等人[24]在2025年系统总结了微萃取模式和纳米材料在合成染料分析中的应用，主要比较了不同的萃取技术和材料类别。这些综述各有侧重点，但吸附机制与吸附剂设计之间的关系尚未得到系统的总结。支撑信息中的表S4提供了与现有综述的详细对比。如果不清楚吸附机制，新SPE吸附剂的发展仍主要依赖于试错。因此，从吸附机制的角度对近期报道的苏丹红SPE吸附剂进行系统的、批判性的总结非常重要，这有助于开发用于食品基质中苏丹红染料检测的方法。对于苏丹红染料而言，基于机制的总结仍然较为罕见，而在其他污染物领域的SPE研究中也是如此。基于机制的视角对于促进合理的SPE吸附剂发展具有重要意义。

为填补这一空白，本综述首次全面系统地概述了用于苏丹红染料痕量分析的SPE吸附剂。该概述围绕吸附机制展开，首先介绍了苏丹红染料的分子结构特征，这些特征有助于解释染料与吸附剂之间的吸附机制。随后从这一角度分析了各种新型吸附剂，概述了主要吸附机制、优缺点、设计策略和未来发展方向，并指出了当前面临的挑战和未来的研究方向。此外，该综述还系统研究了优化SPE萃取条件的方法，这些研究基于不同的吸附剂类型。相关内容见文本S2。本综述旨在指导高选择性吸附剂的发展，以用于苏丹红染料的分析，并促进苏丹红染料样品制备技术的进步。

章节摘录

苏丹红染料的分子结构与物理化学差异

苏丹红染料是具有广泛π共轭系统和疏水基团的亲脂性偶氮化合物。苏丹红I是基本结构，苏丹红II-IV及相关化合物是其取代衍生物。大多数结构修饰涉及甲基取代和苯环的添加。这些结构差异改变了分子的尺寸、Log K_OW和π共轭程度，同时也影响了染料与吸附剂之间的相互作用强度。

基于机制的新型SPE吸附剂的设计与应用

吸附剂是SPE技术的核心，其物理化学性质直接影响苏丹红染料的富集效率和纯化性能[35]。传统的商业吸附剂（如C18和中性氧化铝）可以基本吸附苏丹红染料，但这些材料通常具有较差的酸碱稳定性、有限的吸附容量和低重复使用性[36][37]，主要适用于常规的柱式SPE操作。

当前面临的挑战与未来展望

SPE吸附剂广泛用于食品中苏丹红染料的富集和检测，但现有研究在多个领域仍有改进空间，包括吸附机制的验证、材料结构设计、报告标准和绿色应用方面。未来的研究应逐步向一种新的吸附剂开发模式转变，这种模式应具有明确的机制、可控的结构、标准化的报告标准等。

结论

从苏丹红染料的分子结构出发，本文总结了五种基本的吸附相互作用类型。这些相互作用可能发生在苏丹红染料与SPE吸附剂之间。随后，该综述探讨了四种类型材料的设计策略和未来发展方向，包括MIPs、非印迹有机聚合物、碳基吸附剂和氧化物/氢氧化物基吸附剂。当前研究在多个领域仍存在不足，例如吸附机制的验证等。

作者贡献声明

杨琦：撰写——初稿、调查。林子怡：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查。李琳达：撰写——审阅与编辑、可视化。叶红：撰写——审阅与编辑、指导、资源提供

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：32172299、32172340）的支持。

林子怡|杨琦|李琳达|叶红