多孔整體材料在固相微萃取中的應(yīng)用研究進(jìn)展

梅 萌, 黃曉佳

(廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 福建 廈門 361005)

?

多孔整體材料在固相微萃取中的應(yīng)用研究進(jìn)展

梅 萌, 黃曉佳*

(廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 福建 廈門 361005)

作為新型的樣品前處理技術(shù),固相微萃取由于具有操作簡便、使用靈活、樣品用量少、環(huán)境友好以及便于與分析儀器聯(lián)用等優(yōu)點而受到人們的廣泛青睞。多孔整體材料具有通透性好、傳質(zhì)速度快、制備簡單和易于改性等優(yōu)點,目前被廣泛用于包括樣品前處理在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。文章結(jié)合作者的研究工作,對近幾年整體材料在固相微萃取中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述,并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

固相微萃取;整體材料;吸附劑;綜述

實際樣品基底和組成復(fù)雜、干擾物質(zhì)多、目標(biāo)物含量較低,因此難以直接對其進(jìn)行分析檢測。為了減少樣品基底的干擾和提高分析檢測靈敏度,在進(jìn)行分離分析前必須進(jìn)行合適的樣品前處理。由于傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)如離心、蒸餾、過濾、液-液萃取等方法存在勞動強(qiáng)度大、操作時間長、步驟繁瑣、使用有機(jī)溶劑量大等缺點,因此發(fā)展簡便、有效和綠色環(huán)保的前處理技術(shù)成為人們關(guān)注的研究熱點之一。

1990年,加拿大滑鐵盧大學(xué)的Pawliszyn等[1]首次提出了固相微萃取技術(shù)(solid-phase microextraction, SPME),其在一根熔融石英纖維的表面涂漬一層固定相(吸附劑)作為萃取涂層,利用擴(kuò)散作用,將溶液中的目標(biāo)物吸附在涂層上,當(dāng)吸附達(dá)到平衡后,將石英纖維插入專門的熱解吸裝置進(jìn)行脫附,目標(biāo)物隨后進(jìn)入氣相色譜(GC)進(jìn)行分離檢測。SPME集富集、凈化和進(jìn)樣于一體,克服了傳統(tǒng)前處理技術(shù)的不足,具有操作方便靈活、萃取速度快、環(huán)境友好和易于與分析儀器進(jìn)行在線聯(lián)用等優(yōu)點。

近年來,為了滿足分析的需要以及綠色化學(xué)的要求,除了傳統(tǒng)的纖維固相微萃取(fiber-based solid-phase microextraction, FBSPME)[2-5]外,還出現(xiàn)了各種新型的SPME模式,主要包括纖維束固相微萃取(multiple fibers solid-phase microextraction, MF-SPME)[6,7]、管內(nèi)固相微萃取(in-tube solid-phase microextraction, IT-SPME)[8,9]、攪拌棒吸附萃取(stir bar sorptive extraction, SBSE)[10,11]、芯片微萃取(chip-based microextraction, CBME)[12,13]、針尖微萃取(tip-based microextraction, TBME)[14,15]。上述不同的微萃取模式雖然具有不同的特點和適用范圍,但它們最核心的部分都是萃取介質(zhì)(吸附劑),它決定了萃取的選擇性、容量和萃取速度,從而影響整個分析方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和適用范圍。理想的SPME萃取介質(zhì)不僅應(yīng)該具有較好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、較高的機(jī)械強(qiáng)度,而且需對特定的一種或一類目標(biāo)物有較高的選擇性和萃取容量。目前商品化的SPME涂層種類較少,主要為聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)、聚丙烯酸酯(polyacrylate, PA)、二乙烯基苯(divinylbenzene, DVB)及它們的復(fù)合體,這些吸附劑雖然得到了較廣泛的使用,但也存在諸如萃取選擇性和機(jī)械穩(wěn)定性差、對極性化合物萃取效率低、成本高等缺點[16]。因此發(fā)展具有高萃取效率和萃取選擇性、良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、低成本的萃取介質(zhì)成為SPME的研究熱點。

1989年,Hjertén研究小組[17]利用“原位”聚合的方法在空管柱中聚合生成高交聯(lián)的聚丙烯酰胺凝膠整體材料并稱之為“連續(xù)床”。Svec等[18]則利用甲基丙烯酸縮水甘油酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯“原位”聚合得到一種滲透性能良好的多孔整體材料,并將其用于蛋白質(zhì)的快速分離。隨后Tanaka、Frechet以及鄒漢法等[19-21]在多孔整體材料的合成和應(yīng)用方面也開展了大量的研究工作,進(jìn)一步推動了相關(guān)研究的發(fā)展。按照基質(zhì)不同,整體材料可分為無機(jī)整體材料和有機(jī)聚合物整體材料。無機(jī)整體材料可通過溶膠-凝膠等方法得到,這類整體材料具有理想的機(jī)械強(qiáng)度,比表面積大,其缺點是抗溶劑性能差,適用的pH范圍小。而有機(jī)聚合物整體材料可通過單體、交聯(lián)劑和致孔劑的聚合溶液在紫外光引發(fā)或熱引發(fā)條件下“原位”聚合得到,雖然該類整體材料的溶脹和機(jī)械性能不及無機(jī)整體材料,但其具有選材范圍廣、制備簡單、pH適用范圍寬等獨特優(yōu)勢。目前,整體材料已被廣泛用作HPLC[22]、毛細(xì)管液相色譜[23]和毛細(xì)管電色譜[24]的固定相,被稱為第四代分離介質(zhì)?；谡w材料高吸附容量和高通透性能等優(yōu)點,近幾年來人們開始將其用于樣品前處理特別是SPME的萃取介質(zhì)。為此,本文結(jié)合作者自己的研究工作,對近幾年整體材料在SPME中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 纖維固相微萃取

FBSPME是較早發(fā)展的SPME萃取模式,萃取介質(zhì)主要通過物理涂覆或化學(xué)鍵合在基體支撐物如石英毛細(xì)管、金屬絲等載體上。目前,除了商品化的SPME涂層外,整體材料也被人們引入到FBSPME涂層制備中。Li等[25]以甲基丙烯酸作為功能單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯作為交聯(lián)劑合成整體材料并將其作為SPME萃取涂層,他們將聚合溶液以及預(yù)處理過的石英纖維轉(zhuǎn)移至玻璃毛細(xì)管模具中,在熱引發(fā)作用下聚合得到涂層厚度均勻且厚度為30 μm的SPME萃取纖維。研究表明,所合成的整體纖維對2,3,4,6-四氯酚和五氯酚萃取效果優(yōu)于商品化的PA纖維。同時,該纖維具有良好的熱穩(wěn)定性和使用壽命。

為了提高FBSPME的萃取選擇性,人們發(fā)展了基于分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)的FBSPME。胡梅等[26]以雙酚A為模板分子,α-甲基丙烯酸為功能單體,在內(nèi)徑為530 μm的毛細(xì)管中采用微波聚合的方式快速制備得到雙酚A分子印跡固相微萃取頭,將其與高效液相色譜法結(jié)合成功用于飲料中雙酚A的檢測,所建立的方法具有簡便、分析快速、檢出限低等特點。Qiu等[27]以睪酮為模板分子,在石英纖維上合成了厚度為3.1 μm的MIP涂層,將合成的MIP纖維用來萃取環(huán)境水樣和人體尿液中的類固醇類激素,萃取后將纖維直接轉(zhuǎn)移至GC-MS的進(jìn)樣口進(jìn)行熱脫附并分離測定。通過比較,該方法制備的SPME萃取纖維對類固醇類激素的萃取效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商品化的PDMS涂層纖維。Djozan等[28]為了解決石英纖維易折斷的問題,首次使用鋁絲作為基體,制備出了可對三嗪類目標(biāo)物進(jìn)行選擇性萃取的莠滅凈MIP涂層。該方法預(yù)先將鋁絲經(jīng)過陽極氧化和硅烷化處理,然后采用實驗室自制的氣壓噴霧器將聚合溶液噴灑在鋁絲上,在紫外光的引發(fā)下快速聚合,涂層厚度則通過噴灑聚合溶液以及聚合的次數(shù)來控制。Mirzajani等[29]則以不銹鋼絲作為基體,制備出了厚度為20 μm的環(huán)丙沙星MIP萃取涂層,該萃取涂層能對環(huán)丙沙星及其類似物進(jìn)行選擇性地識別和萃取。與非印跡涂層相比,MIP萃取纖維對氟喹諾酮抗生素的萃取效率得到明顯提高。

涂覆于基底支撐體的萃取介質(zhì),在使用過程中有時會從支撐體上脫落而影響FBSPME的使用壽命。為了解決該問題,2007年,Djozan等[30]和Turiel等[31]幾乎同時報道出了一種基于MIPs整體材料的無基體萃取纖維的制備方法。他們均以玻璃毛細(xì)管作為模具,將含有模板分子的聚合溶液注入毛細(xì)管中,然后用橡膠塞住毛細(xì)管兩端,在一定溫度下“原位”聚合一段時間,聚合后,除去毛細(xì)管磨具即可得到無基體萃取纖維。Shi等[32]采用聚合-碳化的方法,以苯乙烯和二乙烯基苯為前驅(qū)體、月桂醇為致孔劑在內(nèi)徑為250 μm的石英毛細(xì)管內(nèi)聚合得到整體材料,經(jīng)過高溫碳化之后制備得到了一種多孔碳整體纖維,再將其膠合在商品化的SPME萃取頭上即可得到無支撐體SPME萃取纖維。該萃取纖維具有較高的比表面積,對苯酚類目標(biāo)物有理想的萃取效果。本研究小組也利用整體材料的“原位”聚合特性制備了無支撐體SPME萃取纖維并用于氯代酚[3]和蘇丹紅染料[33]的萃取。

已有的研究表明,整體材料可作為FBSPME的理想萃取介質(zhì),針對不同類型污染物,發(fā)展基于整體材料,具有高通透性、高萃取選擇性和良好使用壽命的FBSPME涂層仍值得深入研究。

2 纖維束固相微萃取

通常FBSPME的涂層較薄,萃取容量較低,為了提高萃取容量勢必要增加涂層的厚度,但這將會導(dǎo)致萃取時間的延長。因此,發(fā)展在較短時間內(nèi)實現(xiàn)對目標(biāo)物高容量萃取的纖維具有重要的實際意義。為此,我們在2014年提出了基于整體材料的纖維束固相微萃取技術(shù)(multiple monolithic fibers solid-phase microextraction, MMF-SPME)[7]。該方法首先將含有單體、交聯(lián)劑、致孔劑和引發(fā)劑的聚合溶液注入內(nèi)徑為0.53 mm的玻璃毛細(xì)管,使其在熱引發(fā)條件下發(fā)生“原位”聚合,反應(yīng)完后將外層玻璃毛細(xì)管除去，得到直徑為0.5 mm、長度為2 cm的單根細(xì)整體纖維;然后將4根細(xì)纖維捆綁在一起即可得到基于整體材料的微萃取纖維束。研究以氯代苯酚為目標(biāo)物,將制備得到的纖維束與直徑為1 mm、長度為2 cm的單根粗纖維(其所含吸附劑的質(zhì)量與纖維束所含吸附劑的總質(zhì)量相等)的萃取性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,在MMF-SPME中,由于玻璃毛細(xì)管壁的存在,使得纖維束的單根纖維之間存在著空隙(見圖1a),這使得樣品溶液在萃取過程中能形成有效的對流,加快萃取和解吸速度。同時,與傳統(tǒng)的涂層纖維相比,由于纖維束所含的萃取介質(zhì)較多,因此對目標(biāo)物有更高的萃取容量。圖1b為纖維束實物照片圖。

圖 1 纖維束的(a)3D示意圖和(b)實物圖[7]Fig. 1 (a) 3D schematic diagram and (b) photo of multiple monolithic fibers[7]

隨后,我們以1-烯丙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽離子液體為功能單體[6,34,35],采用同樣的方法制備了基于離子液體的整體材料微萃取纖維束。將MMF-SPME與液相解吸技術(shù)結(jié)合,并與HPLC-二極管陣列檢測器(DAD)聯(lián)用,成功用于環(huán)境水樣中的硝基苯酚[6]以及牛奶和人體尿液中雌激素[34,35]的測定。MMF-SPME的萃取介質(zhì)使用靈活,可根據(jù)目標(biāo)化合物的性質(zhì)進(jìn)行合成。為了有效萃取環(huán)境水樣中苯甲酰脲類農(nóng)藥以及果汁中有機(jī)酸類防腐劑,我們分別以甲基丙烯酸[36]和乙烯基咪唑[37]等作為功能單體合成纖維束,對目標(biāo)物均取得了滿意的萃取效果。

相比單根萃取纖維的FBSPME, MMF-SPME具有高萃取容量和快速萃取的優(yōu)點。但本組已有研究均采用離線的液相解吸模式,目前還無法實現(xiàn)與分析儀器的在線聯(lián)用。

3 管內(nèi)固相微萃取

IT-SPME通常以石英毛細(xì)管柱作為萃取介質(zhì)的載體,在管內(nèi)壁涂上固定相或者在管內(nèi)部填充介質(zhì),故又稱毛細(xì)管固相微萃取,是由Eisert和Pawlisyzn[38]在1997年首次提出。由于該萃取模式容易實現(xiàn)與分析儀器的在線聯(lián)用,有利于縮短分析時間,提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度,所以一經(jīng)問世便得到快速的發(fā)展。按照固定相的存在形式,IT-SPME可分為開管柱內(nèi)固相微萃取、填充柱內(nèi)固相微萃取以及整體柱內(nèi)固相微萃取。與前面兩種相比,整體柱內(nèi)固相微萃取利用整體材料作為IT-SPME的萃取介質(zhì),具有制備簡單、萃取效率高、通透性好和重現(xiàn)性好等諸多優(yōu)點。

Feng的研究小組合成了一系列有機(jī)聚合物整體毛細(xì)管柱,主要包括聚(甲基丙烯酸-乙二醇二甲基丙烯酸酯)[39]、聚(丙烯酰胺-乙烯基吡啶-N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺)[40]、聚(甲基丙烯酸縮水甘油酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)[41]、聚(N-異丙基丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯)[42]、聚(4-乙烯基吡啶-乙二醇二甲基丙烯酸酯)[43]整體柱,他們將這些整體微柱作為IT-SPME的萃取柱,與HPLC-UV[39-42]、HPLC-MS[43]等進(jìn)行了在線聯(lián)用,在實際應(yīng)用中取得了預(yù)期的效果。

為了進(jìn)一步提高整體毛細(xì)管柱的萃取效果,人們將納米材料摻雜到有機(jī)整體柱中,利用納米材料粒徑小、比表面積大等特殊性質(zhì)來改性聚合物整體柱。Tong等[44]用氧化石墨烯(graphene oxide, GO)對整體柱進(jìn)行改性,首先采用“原位”聚合的方法制備聚(甲基丙烯酸縮水甘油酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整體柱,隨后用乙二胺對整體柱改性以引入氨基,再通過氨基與GO表面的羧基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)將GO鍵合到整體柱上得到GO改性整體柱,若將其進(jìn)一步還原則可得到石墨烯納米片改性整體柱。他們將得到的GO改性整體毛細(xì)管柱與LC-MS/MS聯(lián)用,成功應(yīng)用于尿液中肌氨酸的測定。但是,該方法中整體毛細(xì)管柱的改性過程較為繁瑣。Wang等[45]則直接將單壁碳納米管加入到甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯的聚合溶液中,“原位”聚合得到一種新型整體柱,首次實現(xiàn)了IT-SPME與實時分析質(zhì)譜(DART-MS)的在線聯(lián)用。研究表明,與未引入單壁碳納米管的整體柱相比,新型整體柱具有更大的比表面積。該整體柱對三嗪類的萃取效果是未引入單壁碳納米管整體柱萃取效果的2.1～4.2倍,有效地提高了分析方法的靈敏度和準(zhǔn)確度,并成功用于湖水和果汁中三嗪類殺蟲劑的測定。最近,我們發(fā)展了一種基于整體材料的磁增強(qiáng)管內(nèi)固相微萃取技術(shù)(magnetism-enhanced monolith-based in-tube solid phase microextraction, ME-MB/IT-SPME)[46]。該技術(shù)通過在聚合溶液中加入改性后的Fe3O4納米顆粒,“原位”聚合得到摻雜磁性納米粒子的整體毛細(xì)管萃取柱。然后在整體柱外纏繞磁線圈,通過外加電源誘導(dǎo)Fe3O4在整體材料中產(chǎn)生磁場,利用有機(jī)分子的反磁性原理,可明顯提高萃取效率。已取得的結(jié)果表明,萃取柱對6種雌激素的萃取效率由未施加磁場時的30%～65%(見圖2a)提高至加磁場時的70%～100%(見圖2b),故ME-MB/IT-SPME是提升IT-SPME對有機(jī)物萃取效率的有效途徑,值得進(jìn)行更深入的研究。

圖 2 基于整體材料的磁增強(qiáng)管內(nèi)固相微萃取技術(shù)對6種雌激素的萃取[46]Fig. 2 Magnetism-enhanced monolith-based in-tube solid phase microextraction (ME-MB/IT-SPME) for the extraction of the six estrogens[46]a. treated with MB/IT-SPME; b. treated with ME-MB/IT-SPME.Analytes: 1. bisphenol A; 2. ethinylestradiol; 3. estrone; 4. diethylstilbestrol; 5. dienestrol; 6. nonylphenol.

為了提高IT-SPME的選擇性,分子印跡技術(shù)也被應(yīng)用到整體毛細(xì)管柱的制備中。Zhang等[47]以鳥嘌呤核苷作為模板分子合成分子印跡整體毛細(xì)管柱,將MIP/IT-SPME與HPLC-UV聯(lián)用,對人尿中的8-羥基脫氧鳥苷進(jìn)行分析。研究表明,該MIP整體柱對模板分子有較高的富集選擇性,富集倍數(shù)高達(dá)76倍,所建立的方法只需15 min便可完成對目標(biāo)物的測定和分析,具有簡單快速、靈敏度高等優(yōu)點。

4 攪拌棒固相萃取

SBSE是在1999年由Baltussen等[48]首次提出并由Gerstel公司商品化的一種新型固相微萃取模式。與FBSPME相比,SBSE的萃取涂層體積更大,因此具有更高的萃取容量。SBSE由內(nèi)封磁芯的玻璃管和玻璃管上涂敷的萃取介質(zhì)兩部分組成,萃取時,直接將攪拌棒浸入樣品溶液中,在自身攪拌的同時完成對目標(biāo)物的萃取,可消除攪拌磁子的競爭吸附。吸附完成后,可通過熱脫附或溶劑解吸將目標(biāo)物從SBSE上解吸出來,然后再進(jìn)行GC或HPLC分析檢測。

在SBSE技術(shù)中,萃取介質(zhì)無疑是最核心的部分,目前商品化的SBSE涂層主要有3種,即PDMS、由PDMS改性得到的乙二醇-硅氧烷共聚物(ethylene glycol-silicone, EG-Silicone)以及PA。以PDMS為涂層的攪拌棒對中性或者弱極性的化合物有較好的萃取效果,而對于極性化合物的萃取效果較差,要實現(xiàn)對極性化合物的萃取,一般需要通過衍生步驟將其衍生為疏水性化合物,然后再進(jìn)行萃取,衍生過程繁瑣且衍生試劑會對涂層造成損傷。EG-Silicone和PA對極性有機(jī)物具有一定的萃取效果,但對于強(qiáng)極性的化合物,其應(yīng)用仍受到限制。Gilart等[49]對比考察了這3種商品化攪拌棒對不同極性的藥品及個人護(hù)理品(pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)的萃取效果。結(jié)果表明,PDMS對弱極性的PPCPs有較好的萃取效果,但對極性PPCPs的萃取效果較差;而EG-Silicone和PA對極性和弱極性的PPCPs均有一定的萃取效果,且EG-Silicone的萃取效果好于PA的效果,但是對于對乙酰氨基酚(logKo/w=0.5)、安替比林(logKo/w=1.4)等強(qiáng)極性的化合物,EG-Silicon的萃取效果仍然不理想(回收率<3%)。以上種種原因使得商品化SBSE的使用受到了限制。因此,發(fā)展新型的特別是可對極性化合物進(jìn)行直接有效萃取的涂層成為SBSE的主要研究方向。

本研究小組首次將整體材料引入到SBSE萃取涂層的合成中[50],分別以甲基丙烯酸十八烷基酯[51]、乙烯基吡啶[52]、乙烯基吡咯烷酮[53]、乙烯基咪唑[54]和N-乙烯基鄰苯亞胺[55]等單體制備了一系列基于整體材料的疏水型[51]、親水型[52-55]、混合型[56]和離子交換型[57]SBSE,并成功用于環(huán)境水樣中極性苯酚類化合物[53]、硝基呋喃類藥物[54]、喹諾酮類化合物[56]、尿液中的類固醇激素[51,52]以及食品中苯并咪唑類[55]的分析檢測。除此之外,Huang等[57]還分別以甲基丙烯酰乙基三甲基氯化銨和丙烯酸[58]為單體制備了陰離子交換和陽離子交換型SBSE,并成功用于無機(jī)陰離子和Ca2+、Mg2+、K+等陽離子的富集,該研究擴(kuò)大了SBSE的應(yīng)用范圍。

以MIPs作為萃取涂層可提高SBSE的萃取選擇性。Hu等[59]合成了基于MIPs整體材料的SBSE涂層。該方法以特丁津為模板分子,將事先經(jīng)過預(yù)處理的直徑為1 mm、長度為15 mm的玻璃毛細(xì)管的一端用丙烷火焰燒結(jié)密封,然后將其放入裝有預(yù)聚合溶液的玻璃管中,在60 ℃水浴條件下聚合反應(yīng)90 min,聚合反應(yīng)結(jié)束之后將磁鐵插入玻璃毛細(xì)管中,最后再用丙烷火焰燒結(jié)密封即可得到類似啞鈴形狀的攪拌棒。他們將MIP/SBSE與HPLC-UV聯(lián)用,對9種三嗪類除草劑進(jìn)行分析，檢出限為0.04～0.12 μg/L,可直接用于大米、蘋果、生菜和土壤中三嗪類除草劑的檢測。Zhu等[60]以三聚氰胺為模板分子,采用類似的方法合成了MIP涂層,研究表明,與非分子印跡涂層相比,所合成的MIP涂層對模板分子有更好的萃取效果,將其與HPLC聯(lián)用,探討其對奶粉中三聚氰胺的萃取性能,取得了比較理想的結(jié)果。

SBSE雖使用簡便,但由于使用過程中,萃取介質(zhì)不斷與玻璃容器進(jìn)行接觸,因此易對涂層造成磨損,甚至導(dǎo)致涂層的脫落。

5 芯片微萃取

微流控芯片技術(shù),又稱“芯片實驗室”或“微全分析系統(tǒng)”,最先是應(yīng)用于分離檢測。它把樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成在一塊微米尺度的芯片上,自動完成分析全過程,其在藥物篩選、疾病監(jiān)測和精細(xì)化工分析等方面有很好的應(yīng)用前景。但是,由于芯片上樣體積及檢測區(qū)域太小而導(dǎo)致檢測靈敏度不盡如人意。因此在微流控芯片上對目標(biāo)物進(jìn)行預(yù)富集成為提高靈敏度的有效手段之一。CBME就是基于這種思路發(fā)展起來的樣品前處理方法,具有快速高效、樣品和試劑用量少等優(yōu)點。

Yu等[61]在2001年首次將整體材料引入CBME中。他們在改性后的石英芯片通道中用紫外光引發(fā)“原位”聚合的方法合成了多孔整體材料。通過不同組成和配比的聚合溶液,可以獲得表面性質(zhì)、孔徑大小等不同的整體材料。他們將CBME應(yīng)用于富集香豆素519和綠色熒光蛋白,富集因子分別可達(dá)1 650和103。在此之后,基于整體材料的CBME被廣泛應(yīng)用于生物大分子的分析過程中。Liu等[62]制備了一種聚甲基丙烯酸酯材料的微萃取集成芯片,該芯片主要由長度分別為5 mm和15 cm的富集凈化通道和分離通道組成(見圖3)。他們將其與LC泵連接,建立了可對熒光標(biāo)記的多肽和牛血清白蛋白進(jìn)行在線富集凈化的分離檢測系統(tǒng)。Nge等[63]則在環(huán)烯烴共聚物塑料芯片通道內(nèi)注入以甲基丙烯酸丁酯作為單體的聚合溶液,在紫外光條件下聚合得到疏水性的多孔整體微萃取芯片。他們將保留在芯片上的氨基酸和蛋白質(zhì)進(jìn)行熒光標(biāo)記,建立了可在芯片上對生物大分子同時進(jìn)行富集凈化和熒光標(biāo)記的微型分析系統(tǒng)。Kumar等[64]設(shè)計得到了一種集芯片微萃取和芯片電泳于一體的具有多層結(jié)構(gòu)的微流體集成芯片,他們在長2 mm、深25 μm的芯片通道中合成C8整體材料,然后用蠕動泵以及氣動閥來控制溶液流動,目標(biāo)物在芯片上進(jìn)行富集之后直接進(jìn)行電泳分離。該裝置對熒光標(biāo)記后的鐵蛋白的富集倍數(shù)達(dá)到80倍,為各種疾病的生物標(biāo)志物的分析奠定了基礎(chǔ)。

圖 3 基于集成芯片的樣品在線富集和分離系統(tǒng)[62]Fig. 3 Experimental system for online sample enrichment and separation based on integrated chip[62]

除了有機(jī)整體材料外,基于無機(jī)硅膠的整體材料也被用作CBME的萃取介質(zhì)。Alzahrani等[65]采用溶膠-凝膠法制備硅膠整體材料,再用二甲基十八烷基氯硅烷對其進(jìn)行改性,將改性后的整體材料用作微CBME萃取介質(zhì)。該方法為蛋白質(zhì)組學(xué)中蛋白質(zhì)的富集提供了新的思路。

目前,CBME不僅用于生物大分子的分析,也被應(yīng)用到小分子以及重金屬的分析中。Cakal等[66]采用光引發(fā)聚合得到了一種具有硼酸功能基團(tuán)的硼親和整體材料萃取芯片,對兒茶酚胺類的富集倍數(shù)達(dá)到100倍。該芯片也可以通過硼親和作用對含有順式二醇結(jié)構(gòu)的化合物進(jìn)行富集。Zhang等[67]在尺寸為2.5 cm×500 μm×50 μm的PDMS通道內(nèi)聚合得到聚(甲基丙烯酸縮水甘油酯-三羥甲基丙烷三丙烯酸酯)整體材料微萃取芯片,再用乙二胺對其改性以引入氨基官能團(tuán)。他們將該芯片與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)用,對HepG2細(xì)胞中的重金屬鉍及其存在形態(tài)進(jìn)行分析。所建立的方法具有樣品和試劑用量少、萃取效率高、重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

CBME所需的樣品及解吸溶劑用量很少,綠色環(huán)保,但芯片的加工及萃取的操作較為困難,需要良好的操作技能。

6 針尖微萃取

TBME是近年來發(fā)展起來的微萃取技術(shù),它通過在微量吸液管的管尖處填裝吸附劑形成萃取吸頭,然后用微量移液器反復(fù)抽吸樣品溶液實現(xiàn)對目標(biāo)物的吸附。如果將該萃取吸頭與帶有機(jī)械臂的96孔萃取裝置聯(lián)用則可實現(xiàn)分析過程的自動化,大大縮短總分析時間[68]。

目前商品化的萃取吸頭包括ZipTip (美國Millipore公司)、NuTip (美國Glygen公司)、HyperSep Tip (美國Thermo Fisher Scientific公司)、StageTip (丹麥Proxeon Biosystems公司)和MonoTip C18 tip (日本GL Sciences公司),這些商品化的萃取吸頭以硅膠整體材料作為吸附劑,已經(jīng)成功用于生物樣品中痕量藥物殘留的分析[69-71]以及蛋白質(zhì)和多肽的除鹽和富集[72]。Hasegawa等[69]采用MonoTip C18 tip萃取吸頭對人體血漿中的鎮(zhèn)咳藥二甲啡烷殘留進(jìn)行富集,用GC-MS進(jìn)行測定,檢出限為1.25 μg/L。MonoTip C18 tip也被用于人體血漿中的四環(huán)類抗抑郁藥[70]和吩噻嗪衍生物[71]的富集。Wang等[73]用ZipTip萃取吸頭來對細(xì)胞色素C、肌紅蛋白和α-乳清蛋白進(jìn)行富集,能有效去除蛋白質(zhì)溶液中NaCl以及十二烷基硫酸鈉等鹽類的干擾。

除了硅膠整體材料外,有機(jī)整體材料也被用作TBME吸附劑。Abdel-Rehim等[74]在96孔萃取盤中制備了基于丙烯酸甲酯整體材料的TBME微柱,將TBME與LC-MS聯(lián)用實現(xiàn)了對人體血漿中的吲哚洛爾和美托洛爾的高靈敏檢測。研究所消耗的樣品量少,而且整個樣品前處理過程在2 min內(nèi)就可以完成。與商品化的萃取吸頭相比,用該方法制備的萃取吸頭對樣品進(jìn)行處理,精密度更好。Krenkova等[75]在200 μL的移液槍槍頭內(nèi)合成了氧化鐵納米粒子改性整體材料和羥基磷灰石納米粒子改性整體材料,成功用于磷酸化肽的選擇性富集。

為了提高萃取選擇性,Zhang等[72]將MIPs與TBME結(jié)合,以黃連素為模板分子,分別以丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基亞砜和偶氮二異丁腈為功能單體、交聯(lián)劑、致孔劑和引發(fā)劑,將含有模板分子的聚合溶液轉(zhuǎn)移至微量吸液管尖端,在60 ℃水浴條件下聚合3 h得到基于黃連素的MIP整體材料萃取吸頭,將該吸頭與注射器連接,用注射泵來控制上樣過程。研究以3種生物堿為目標(biāo)物,詳細(xì)考察了制備條件,優(yōu)化了樣品流速、樣品體積等萃取條件,最后將MIP-TBME應(yīng)用于人體血漿和尿液中生物堿的測定,能有效排除樣品中其他雜質(zhì)的干擾。Du等[76]以滅多威作為模板分子,制備了MIP-TBME,并與HPLC-DAD聯(lián)用,用于環(huán)境水樣中滅多威的選擇性分析測定。所建立方法的線性范圍為0.6～1 000.0 μg/L,檢出限為0.2 μg/L,實際環(huán)境水樣的加標(biāo)回收率為84.9%～105.1%,具有選擇性高、有機(jī)溶劑用量少、萃取效率高和重復(fù)性好等優(yōu)點。

TBME操作簡便,但需保證整體材料具有良好的通透性能以提高萃取速度,因此需要對聚合條件及聚合溶液的各組分比例進(jìn)行優(yōu)化。

7 總結(jié)與展望

由于多孔整體材料具有制備簡單、通透性好、傳質(zhì)速度快、原材料來源豐富和易于改性等優(yōu)點,因此是SPME的理想萃取介質(zhì),迄今已在復(fù)雜環(huán)境樣品、食品以及生物樣品中目標(biāo)物的分析中得到了廣泛應(yīng)用。筆者認(rèn)為,多孔整體材料作為SPME的吸附劑以后可以朝以下幾方面發(fā)展:(1)繼續(xù)發(fā)展基于整體材料的新型吸附劑,隨著各式各樣的新興污染物的出現(xiàn),應(yīng)根據(jù)目標(biāo)物的分子結(jié)構(gòu)特點,利用計算機(jī)模擬技術(shù)發(fā)展具備特異性萃取性能的吸附材料。MIP整體材料雖具有較好的萃取選擇性,但其在水樣中的合成及應(yīng)用仍受到限制;另外,還需解決模板分子泄露的問題。(2)應(yīng)擴(kuò)大整體材料的萃取對象,目前以整體材料作為吸附劑的SPME主要用于萃取有機(jī)化合物,只有極少數(shù)研究涉及無機(jī)污染物如陰陽離子和重金屬的萃取。因此應(yīng)發(fā)展具有特殊基團(tuán)如陰陽離子交換基團(tuán)、螯合基團(tuán)的新型整體材料,以擴(kuò)大整體材料的萃取對象。(3)根據(jù)整體材料的“原位”聚合特性,可發(fā)展新型萃取模式,如可研制基于多孔整體膜的膜萃取,以期實現(xiàn)對目標(biāo)物的快速和高通量富集。(4)目前基于整體材料的FBSPME、MMF-SPME還未能實現(xiàn)萃取與儀器分析檢測的在線聯(lián)用,因此研制相關(guān)萃取解吸裝置,實現(xiàn)萃取與不同分析儀器在線聯(lián)用和萃取、富集、進(jìn)樣、分析檢測的自動化,將更好地發(fā)揮多孔整體材料在樣品預(yù)處理中的作用。

[1] Arthur C L, Pawliszyn J. Anal Chem, 1990, 62(19): 2145

[2] Groenewold G S, Scott J R, Rae C. Anal Chim Acta, 2011, 697(1/2): 38

[3] Huang X J, Zhang Y, Mei M, et al. J Sep Sci, 2014, 37(9/10): 1185

[4] Zeng J B, Chen J M, Wang Y R, et al. J Chromatogr A, 2008(1/2), 1208: 34

[5] Zhang X, Zang X H, Zhang G J, et al. J Sep Sci, 2015, 38(16): 2880

[6] Mei M, Huang X J, Yu J, et al. Talanta, 2015, 134: 89

[7] Mei M, Huang X J, Yuan D X. J Chromatogr A, 2014, 1345: 29

[8] Mizuno K, Kataoka H. J Pharm Biomed Anal, 2015, 112: 36

[9] Zheng M M, Wang S T, Hu W K, et al. J Chromatogr A, 2010, 1217(48): 7493

[10] Huang X J, Chen L L, Yuan D X. Anal Bioanal Chem, 2013, 405(21): 6885

[11] Maggi L, Carmona M, Campo C P, et al. J Chromatogr A, 2008, 1209(1/2): 55

[12] Wang H, Wu Z K, Chen B B, et al. Analyst, 2015, 140(16): 5619

[13] Chen L D, Hoff S J, Koziel J A, et al. Bioresour Technol, 2008, 99(16): 7767

[14] Du T, Cheng J, Wu M, et al. J Chromatogr B, 2014, 951/952: 104

[15] Li H, Li D. J Pharm Biomed Anal, 2015, 115: 330

[16] Chen J M, Zeng J B, Chen W F, et al. Progress in Chemistry, 2009, 21(9): 1922

陳金美, 曾景斌, 陳文峰, 等. 化學(xué)進(jìn)展, 2009, 21(9): 1922

[17] Hjertén S, Liao J L, Zhang R. J Chromatogr A, 1989, 473: 273

[18] Tennikova T B, Blagodatskikh I V, Svec F, et al. J Chromatogr A, 1990, 509(1): 233

[19] Minakuchi H, Nakanishi K, Soga N, et al. Anal Chem, 1996, 68(19): 3498

[20] Qiu J J, Feng S, Dong J, et al. Anal Chem, 2007, 79(2): 639

[21] Svec F, Frechet J M F. Anal Chem, 1992, 64(7): 820

[22] Zhong J, Hao M B, Li R, et al. J Chromatogr A, 2014, 1333: 79

[23] Moravcová D, Carrasco-Correa E J, Planeta J, et al. J Chromatogr A, 2015, 1402: 27

[24] Zhao H Y, Wang Y C, Cheng H Y. J Chromatogr A, 2016, 1452: 27

[25] Li Y Q, Li W C, Wang Y H, et al. J Sep Sci, 2013, 36(13): 2121

[26] Hu M, Zhang Y J, Yang J H, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2015, 33(2): 123

胡梅, 張毅軍, 楊靖華, 等. 色譜, 2015, 33(2): 123

[27] Qiu L J, Liu W, Huang M, et al. J Chromatogr A, 2010, 1217(48): 7461

[28] Djozan D, Ebrahimi B, Mahkam M, et al. Anal Chim Acta, 2010, 674(1): 40

[29] Mirzajani R, Kardani F. J Pharm Biomed Anal, 2016, 122: 98

[30] Djozan D, Baheri T. J Chromatogr A, 2007, 1166(1): 16

[31] Turiel E, Tadeo J L, Martin-Esteban A. Anal Chem, 2007, 79(8): 3099

[32] Shi Z G, Chen F, Xing J, et al. J Chromatogr A, 2009, 1216(28): 5333

[33] Wang Y L, Mei M, Huang X J, et al. Anal Methods, 2015, 7(2): 551

[34] Liao K R, Mei M, Li H N, et al. J Sep Sci, 2016, 39(3): 566

[35] Mei M, Yu J, Huang X J, et al. J Chromatogr A, 2015, 1385: 12

[36] Mei M, Huang X J, Liao K R, et al. Anal Chim Acta, 2015, 860: 29

[37] Pei M, Huang X J. Anal Methods, 2016, 8(18): 3831

[38] Eisert R, Pawliszyn J. Anal Chem, 1997, 69(16): 3140

[39] Fan Y, Feng Y Q, Zhang J T, et al. J Chromatogr A, 2005, 1074(1/2): 9

[40] Fan Y, Zhang M, Feng Y Q. J Chromatogr A, 2005, 1099(1/2): 84

[41] Wen Y, Feng Y Q. J Chromatogr A, 2007, 1160(1/2): 90

[42] Ma Q, Chen M, Shi Z G, et al. J Sep Sci, 2009, 32: 2592

[43] Yu Q W, Wang X, Ma Q, et al. Anal Methods, 2012, 4(6): 1538

[44] Tong S S, Zhou X, Zhou C H, et al. Analyst, 2013, 138(5): 1549

[45] Wang X, Li X J, Li Z, et al. Anal Chem, 2014, 86(10): 4739

[46] Mei M, Huang X J, Luo Q, et al. Anal Chem, 2016, 88(3): 1900

[47] Zhang S W, Xing J, Cai L S, et al. Anal Bioanal Chem, 2009, 395(2): 479

[48] Baltussen E, Sandra P, David F, et al. J Microcolumn Sep, 1999, 11(10): 737

[49] Gilart N, Miralles N, Marcé R M, et al. Anal Chim Acta, 2013, 774: 51

[50] Huang X J, Yuan D X. J Chromatogr A, 2007, 1154(1/2): 152

[51] Huang X J, Yuan D X, Huang B L. Talanta, 2008, 75(1): 172

[52] Huang X J, Lin J B, Yuan D X, et al. J Chromatogr A, 2009, 1216(16): 3508

[53] Huang X J, Qiu N N, Yuan D X. J Sep Sci, 2009, 32(9): 1407

[54] Zhang Y, Mei M, Huang X J, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2014, 32(4): 402

張詠, 梅萌, 黃曉佳, 等. 色譜, 2014, 32(4): 402

[55] Huang X J, Chen L L, Yuan D X, et al. J Sep Sci, 2011, 34(23): 3418

[56] Huang X J, Qiu N N, Yuan D X, et al. J Chromatogr A, 2010, 1217(16): 2667

[57] Huang X J, Lin J B, Yuan D X. J Chromatogr A, 2010, 1217(30): 4898

[58] Huang X J, Lin J B, Yuan D X. Analyst, 2011, 136(20): 4289

[59] Hu Y L, Li J W, Hu Y F, et al. Talanta, 2010, 82(2): 464

[60] Zhu L, Xu G H, Wei F D, et al. J Colloid Interface Sci, 2015, 454: 8

[61] Yu C, Davey M H, Svec F, et al. Anal Chem, 2001, 73(21): 5088

[62] Liu J, Chen C F, Tsao C W, et al. Anal Chem, 2009, 81(7): 2545

[63] Nge P N, Pagaduan J V, Yu M, et al. J Chromatogr A, 2012, 1261: 129

[64] Kumar S, Sahore V, Rogers C I, et al. Analyst, 2016, 141(5): 1660

[65] Alzahrani E, Welham K. Analyst, 2012, 137(20): 4751

[66] Cakal C, Ferrance J P, Landers J P, et al. Anal Chim Acta, 2011, 690(1): 94

[67] Zhang J, Chen B B, Wang H, et al. J Anal At Spectrom, 2016, 31: 1391

[68] Vuckovic D. TrAC-Trends Anal Chem, 2013, 45: 136

[69] Hasegawa C, Kumazawa T, Terada M, et al. Legal Med, 2012, 14(5): 267

[70] Hayashi D, Kumazawa T, Hasegawa C, et al. Forensic Toxicol, 2012, 30(2): 98

[71] Kumazawa T, Hasegawa T, Uchigasaki S, et al. J Chromatogr A, 2011, 1218(18): 2521

[72] Zhang W P, Chen Z L. Talanta, 2013, 103: 103

[73] Wang H, So P K, Ng T T, et al. Anal Chim Acta, 2014, 844: 1

[74] Abdel-Rehim M, Persson C, Altun Z, et al. J Chromatogr A, 2008, 1196/1197: 23

[75] Krenkova J, Foret F. Anal Bioanal Chem, 2013, 405(7): 2175

[76] Du T, Chen J, Wu M, et al. Anal Methods, 2014, 6(16): 6375

Advances in the application of porous monoliths in solid-phase microextraction

MEI Meng, HUANG Xiaojia*

(KeyLaboratoryoftheMinistryofEducationforCostalandWetlandEcosystem,CollegeoftheEnvironmentandEcology,XiamenUniversity,Xiamen361005,China)

As a novel sample pretreatment technique, solid-phase microextraction (SPME) has obtained wide attention due to the advantages of simple in operation, flexible in use, less sample consumption, environment-friendly and easy to be coupled to analytical instruments and so on. Owing to the good permeability, fast mass transfer property, ease of preparation and modification, porous monoliths have been widely used in many fields including sample pretreatment. Based on our research, the applications of porous monoliths in SPME in recent years are reviewed, and a development prospect is discussed.

solid-phase microextraction (SPME); monoliths; adsorbent; review

10.3724/SP.J.1123.2016.08011

2016-08-10

國家自然科學(xué)基金項目(21377105,21577111).

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (Nos. 21377105, 21577111).

O658

A

1000-8713(2016)12-1168-08

鄒漢法研究員紀(jì)念專輯(上)·專論與綜述

* 通訊聯(lián)系人.Tel:(0592)2189278,E-mail:hxj@xmu.edu.cn.