化學(xué)檢測(cè)樣品前處理技術(shù)研究進(jìn)展

鄭建國(guó) 周明輝 李政軍

(廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東廣州 510623)

科學(xué)研究、產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量安全評(píng)價(jià)及檢測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都離不開化學(xué)檢測(cè)。目前針對(duì)化學(xué)檢測(cè)技術(shù)的研究主要是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，基礎(chǔ)研究包括樣品前處理、分離介質(zhì)、儀器裝置、聯(lián)用技術(shù)、數(shù)據(jù)解析和方法學(xué)研究等，而應(yīng)用研究主要包括在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命、環(huán)境和材料等學(xué)科領(lǐng)域的研究。

化學(xué)檢測(cè)過(guò)程主要包括：樣品采集、樣品處理、檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果表達(dá)。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，樣品分析中30%的誤差來(lái)源和61%的時(shí)間消耗來(lái)自樣品前處理。由于樣品前處理已經(jīng)成為制約檢測(cè)速度、準(zhǔn)確度和靈敏度的瓶頸問題，況且快速高效、高選擇性、高通量的樣品前處理技術(shù)，也是化學(xué)檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化、智能化的前提。因此，分析化學(xué)家越來(lái)越關(guān)注樣品前處理技術(shù)的研究。2001－2010年，在SCIE數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)表的樣品前處理文章逐年增加，從每年800篇左右增加到近1300篇。其中排前5名的樣品前處理技術(shù)分別為固相萃取、固相微萃取、超/亞臨界萃取和液相微萃取。

近年來(lái)，樣品前處理技術(shù)快速發(fā)展，固相萃取、固相微萃取、微波消解及微波輔助萃取、超臨界流體萃取、加速溶劑萃取、膜分離、凝膠滲透色譜、熱解吸、吹掃捕集、流動(dòng)注射、薄層掃描、液相微萃取等新技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。這些樣品前處理技術(shù)打破了索氏萃取、高溫濕消解等傳統(tǒng)樣品前處理方法多步驟分別處理的局限，集樣品消解、提取、分離、凈化、富集于一體，快速、簡(jiǎn)便、高效。表1和表2分別比較了目前常用的液體樣品前處理技術(shù)和固體樣品前處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 固體樣品前處理技術(shù)比較

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，生活水平的不斷提高，人類對(duì)環(huán)境安全、消費(fèi)品安全、食品安全的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，現(xiàn)代分析化學(xué)所面臨的樣品性質(zhì)和復(fù)雜程度前所未有。因此，研究和選擇高效、簡(jiǎn)便、快速、低污染的樣品前處理技術(shù)，是現(xiàn)代分析化學(xué)的一個(gè)重要研究方向。下面就主要樣品前處理技術(shù)予以論述。

1 固相萃取(SPE)

固相萃取是一種液相色譜分離，根據(jù)相似相溶機(jī)理可分為4種：反相固相萃取、正相固相萃取、離子交換固相萃取和吸附固相萃取。

SPE吸附劑的選擇很重要，最好是與分析物極性相似的多孔且具有大表面積的固體顆粒吸附劑，應(yīng)有較低的空白值。萃取吸附過(guò)程必須可逆且有高的回收率及化學(xué)穩(wěn)定性，與樣品溶液有好的界面接觸。表3列出常用吸附劑及其應(yīng)用。

表3 常用的鍵合硅膠吸附劑及應(yīng)用

目前的研究進(jìn)展主要是：新吸附劑的研制;多孔型真空多管裝置，可同時(shí)處理多個(gè)樣品，能控制每個(gè)SPE管流速;實(shí)現(xiàn)了與高效液相色譜和毛細(xì)管電泳的聯(lián)用。SPE已被美國(guó)EPA方法廣泛采用，用于殺蟲劑、增塑劑、二噁英、多環(huán)芳烴等檢測(cè)的樣品前處理。

2 固相微萃取(SPME)

由于固相微萃取技術(shù)具備不使用有毒有機(jī)溶劑，集采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體，避免引入多步誤差，進(jìn)樣空白值小，簡(jiǎn)單快速，萃取高選擇性，適用樣品基質(zhì)范圍廣，需要樣品量少等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。

SPME涂層萃取分析物存在兩種不同機(jī)理：吸收和吸附。前者一般通過(guò)吸收來(lái)萃取分析物，后者則是通過(guò)吸附來(lái)萃取。吸收是分子溶進(jìn)了涂層的主體內(nèi)，吸附是分析物分子直接結(jié)合到涂層表面。SPME的核心部分是萃取頭涂層的種類和厚度，影響萃取的靈敏度。表4列出SPME萃取頭的選擇原則和應(yīng)用。

表4 SPME萃取頭選擇原則與應(yīng)用

但是，由于目前商品化的SPME涂層并不完善，存在以下缺點(diǎn)：使用溫度偏低(200－280℃);涂層種類有限，在大多數(shù)有機(jī)溶劑里不穩(wěn)定;使用壽命短(一般約為40－100次);對(duì)復(fù)雜基體樣品的萃取分析，選擇性和重現(xiàn)性還不太理想;缺乏多孔性，平衡慢，分析時(shí)間延長(zhǎng);商品化涂層價(jià)格昂貴。因此，研究制備性能優(yōu)越的SPME涂層是SPME應(yīng)用發(fā)展的前提。

SPME與GC相結(jié)合是研究起步最早也是目前發(fā)展最成熟的技術(shù)。對(duì)于小分子量高揮發(fā)物質(zhì)，現(xiàn)在多采用GC加熱汽化前在柱頭進(jìn)行捕集或使用共溶劑效應(yīng)來(lái)減少其損失，以便進(jìn)行定量分析。SPME與HPLC結(jié)合，為GC條件下難以分析的水樣中半揮發(fā)和不揮發(fā)有機(jī)物的分析提供了可能性。SPME－HPLC的萃取過(guò)程與SPME－GC相似，而脫附過(guò)程卻完全不同，即使用溶劑脫附而非熱脫附。因此，如何用最小量的溶劑完全洗脫待分析物，避免樣品體積過(guò)大產(chǎn)生柱外擴(kuò)散效應(yīng)是需要研究解決的主要問題。

近年來(lái)SPME與其他儀器的聯(lián)用也見報(bào)道，如：SPME－分光光度法，測(cè)定水中芳烴化合物;SPME－紅外光譜(IR)，測(cè)定硝基苯、氯代烴;SPME－電解分析，測(cè)定1，4丁二胺和1，5戊二胺;SPME－毛細(xì)管電泳(CE)，測(cè)定環(huán)境中酚類化合物;SPEM－ICP－MS，測(cè)定 As、Se、Sb和 Sn;SPME－ 離子色譜聯(lián)用，測(cè)定水溶液中的陰離子;SPEM－拉曼光譜聯(lián)用，測(cè)定水中燃料油污染物。

3 攪拌棒微萃取(SBSE)

攪拌棒微萃取技術(shù)也是近年來(lái)發(fā)展較快的樣品前處理技術(shù)，其核心是攪拌棒涂層材料，發(fā)現(xiàn)高靈敏性和選擇性的涂層材料是主要的研究方向。攪拌棒微萃取的優(yōu)勢(shì)是萃取容量大、富集倍數(shù)高、自身攪拌、裝置簡(jiǎn)單，已廣泛應(yīng)用于牛奶中磺胺抗生素，果蔬中有機(jī)氯、有機(jī)磷農(nóng)藥，生物樣品中農(nóng)獸藥殘留的檢測(cè)。其不足是涂層單一，選擇性差，無(wú)聯(lián)用裝置。

4 磁性微球萃取

制備帶有活性功能基團(tuán)的順磁性有機(jī)高分子或生物大分子復(fù)合材料是磁性微球萃取分離技術(shù)的核心，其特點(diǎn)是磁響應(yīng)性和特殊功能性。該技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于分析科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物工程、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等領(lǐng)域。磁性聚合物微球具有高分子微球的特性，可通過(guò)共聚、表面改性賦予其多種反應(yīng)性功能基團(tuán)，如－COOH，－NH2、－OH、－COH等，與生物活性物質(zhì)聯(lián)吸附能力大。同時(shí)，微球內(nèi)部含有的磁性粒子具有超順磁性，可在外加磁作用下定向或運(yùn)動(dòng)。因而，在分析化學(xué)樣品前處理領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。將磁性微球用于生物樣品前處理，目標(biāo)物質(zhì)包括細(xì)胞、酶、蛋白質(zhì)、核酸、多肽、DNA/RNA等生物大分子。環(huán)境樣品通常成分復(fù)雜、樣品量較大，以表面富含活性基團(tuán)(－NH2、－COOH、－CHO等)的磁性聚合物微球?yàn)檩d體的樣品前處理方法可將富集、分離過(guò)程簡(jiǎn)化，提高效率和靈敏度，適合復(fù)雜環(huán)境樣品的前處理。

5 液相微萃取(LPME)

液相微萃取是1996年出現(xiàn)的一種萃取技術(shù)，它是用頂端中空的Teflon探頭或微量進(jìn)樣器針頭懸掛1－2 μL有機(jī)溶劑液滴萃取攪拌樣品中的分析物。液相微萃取集萃取、凈化、濃縮、預(yù)分離于一身，具有萃取效率高、消耗有機(jī)溶劑少，且快速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)。主要分為直接液相微萃取和液－液－液微萃取，前者適合萃取較為潔凈的液體樣品，后者適合萃取在水樣中溶解度小、含有酸性或堿性官能團(tuán)的痕量目標(biāo)物。近幾年在此基礎(chǔ)上研究發(fā)展了溶劑棒萃取、頂空液相微萃取、動(dòng)態(tài)液相微萃取、動(dòng)態(tài)頂空式液相微萃取、探針微萃取和膜微萃取。

LPME特別適合水樣品的萃取，結(jié)合HPLC和GC－MS，已廣泛應(yīng)用于水樣品(河水、海水和污水等)中芳香胺、酚類化合物、氯苯胺、烷基酚、三嗪類除草劑、硝基酚類、鄰苯二甲酸酯、有機(jī)氯殺蟲劑、非甾體抗炎藥、烷基酚、雙酚A等有機(jī)物的檢測(cè)。

6 微波輔助萃取(MAE)

微波輔助萃取技術(shù)是指利用微波能強(qiáng)化溶劑萃取效率，使固體或半固體樣品中某些有機(jī)物成分(或有機(jī)污染物)與基體物質(zhì)有效分離。微波輔助萃取技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1)快速高效。樣品及溶劑中的偶極分子在高頻微波能的作用下，高速變換其正、負(fù)極，產(chǎn)生偶極渦流、離子傳導(dǎo)和高頻率摩擦，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量。偶極分子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的弱氫鍵破裂、離子遷移等加速了溶劑分子對(duì)樣品基體的滲透，待分析成分很快溶劑化，使微波萃取時(shí)間縮短。

(2)加熱均勻。微波加熱是透入物料內(nèi)部的能量被物料吸收轉(zhuǎn)換成熱能對(duì)物料加熱，形成獨(dú)特的物料受熱方式，整個(gè)物料被均勻加熱，無(wú)溫度梯度。

(3)選擇性。微波對(duì)介電性質(zhì)不同的物料呈現(xiàn)出選擇性的加熱特點(diǎn)。介電常數(shù)及介質(zhì)損耗小的物料，對(duì)微波的入射幾乎“透明”;溶質(zhì)和溶劑的極性越大，對(duì)微波能的吸收越大，升溫越快，促進(jìn)了萃取速度。而對(duì)于不吸收微波的非極性溶劑，微波幾乎不起加熱作用。所以，在選擇萃取劑時(shí)一定要考慮溶劑的極性，以達(dá)到最佳效果。

(4)生物效應(yīng)(非熱效應(yīng))。由于大多數(shù)生物體內(nèi)含有極性水分子，在微波場(chǎng)的作用下引起強(qiáng)烈的極性震蕩，導(dǎo)致細(xì)胞分子間氫鍵松弛，細(xì)胞膜破裂，加速了溶劑分子對(duì)基體的滲透和待提取成分的溶劑化。因此，利用MAE從生物基體萃取待分析物時(shí)，能提高萃取分離的效率。

微波輔助萃取技術(shù)的研究進(jìn)展主要在裝置上的改進(jìn)，研制了密閉式微波輔助萃取裝置、開罐式聚焦微波輔助萃取裝置以及微波輔助萃取與各種技術(shù)聯(lián)用裝置，包括在線微波萃取裝置、真空微波萃取裝置等。

由于微波輔助萃取技術(shù)具有快速、節(jié)能、溶劑用量少、可實(shí)行多份樣品同時(shí)處理、選擇性好、提取物所含雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境分析、生化分析、食品分析、化工分析、礦產(chǎn)品分析和藥用植物中有效成分提取及分析中得到廣泛，也已應(yīng)用于電子電氣產(chǎn)品中六溴環(huán)十二烷、四溴雙酚A和四溴雙酚－A－雙－(2，3－二溴丙醚)的測(cè)定。

7 其他樣品前處理技術(shù)

(1)超臨界流體萃取

CO2處于氣態(tài)和液態(tài)的臨界狀態(tài)時(shí)具有粘度和表面張力低、溶解能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此CO2超臨界流體萃取具有很高的萃取效率。而且其在常溫下萃取(35℃ －40℃)時(shí)，萃取液干凈，可以通過(guò)增加壓力提高溶解能力。該技術(shù)已在植物藥物分析、食品中藥物殘留分析中得到應(yīng)用。

(2)超聲波輔助萃取

超聲波能量由外部向內(nèi)部傳遞，使溶液形成氣泡(空化效應(yīng))，提高溶解能力。其具有價(jià)廉快速、簡(jiǎn)便安全、批量處理樣品的優(yōu)點(diǎn)，已在消費(fèi)品中高關(guān)注化學(xué)品的提取中得到應(yīng)用，如電子電氣產(chǎn)品中多氯萘和多環(huán)芳烴的測(cè)定。

(3)加速溶劑萃取(ASE)

ASE是用溶劑對(duì)固體、半固體的樣品進(jìn)行萃取的技術(shù)。其原理是選擇合適的溶劑，通過(guò)增加溫度和壓力來(lái)提高萃取過(guò)程的效率。由于具有快速(15min)、安全、溶劑用量少、萃取效率高、樣品基體影響小、可同時(shí)選用4種溶劑萃取、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，ASE已取代索氏提取、超聲萃取、手工振搖、煮沸法和其他萃取方法，并已被美國(guó)EPA 3545方法采用，用于氯化物、有機(jī)磷殺蟲劑、除草劑、多氯聯(lián)苯(PCBs)分析的樣品前處理。ASE也可用于電子電氣產(chǎn)品中鄰苯二甲酸酯和滅蟻靈的測(cè)定。

(4)衍生化技術(shù)

衍生化的目的是為了提高靈敏度與選擇性，改善色譜分離，提高穩(wěn)定性。從色譜分析考慮，衍生化分為柱前衍生化和柱后衍生化。前者是為了分離，后者是為了檢測(cè)。目前氣相色譜分析的衍生化包括硅烷化衍生化、酯化衍生化、鹵化衍生化和酚化衍生化等方法;液相色譜分析的衍生化包括紫外衍生化反應(yīng)、熒光衍生化反應(yīng)和電化學(xué)衍生化反應(yīng)。

(5)凝膠滲透色譜分離技術(shù)(GPC)

GPC是液相分配色譜的一種，按溶液中溶質(zhì)分子體積大小進(jìn)行分離。GPC具有對(duì)流動(dòng)相要求不高、實(shí)驗(yàn)條件溫和、重復(fù)性好、分析速度快、溶質(zhì)回收率高等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域內(nèi)取得了迅速的發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。GPC能夠在LC、GC或GC－MS等分析之前從有機(jī)物樣品中除去硫和高分子化合物如油脂、糖、聚合物和蛋白質(zhì)等。如果不除去這些干擾物質(zhì)，會(huì)堵塞LC、GC或GC－MS等儀器的柱子和進(jìn)樣器，污染檢測(cè)器，嚴(yán)重降低色譜分析性能。

可用GPC處理的樣品包括食品、生物組織、谷物、植物和環(huán)境樣品如土壤、污泥及有害廢棄物等。GPC能極大地減少GC停機(jī)時(shí)間，減小LC、GC或GCMS等儀器的故障發(fā)生，延長(zhǎng)色譜柱的壽命。美國(guó)EPA和FDA等的一些法定方法要求在樣品分析之前采用GPC，如USEPA 3640A方法。