固相微萃取技術(shù)在制藥和生物醫(yī)學(xué)分析中的當(dāng)前發(fā)展和未來趨勢

郭 慧 徐 卓

（遼寧省大連大學(xué)附屬新華醫(yī)院，遼寧 大連 116040）

生物基質(zhì)中的治療藥物和它們的代謝物的定量分析，已廣泛應(yīng)用于藥代動(dòng)力學(xué)，藥效學(xué)和代謝組學(xué)研究，其對評估藥物的療效、毒性以及開發(fā)更多選擇性高且療效好的藥物有更加重要的作用。在臨床和法醫(yī)毒物分析中經(jīng)常需要分析濫用藥物，違禁藥物以及意外中毒的情況[1-2]。此外，生物和臨床研究中涉及的內(nèi)源性物質(zhì)分析，如神經(jīng)遞質(zhì)、激素和各種有生物活性的化合物可以作為疾病的診斷或預(yù)后標(biāo)志物，臨床醫(yī)師在群篩檢、疾病診斷、治療藥物的生物監(jiān)測過程中可以利用其分析結(jié)果預(yù)測治療效果[3]。因此，如何找到簡單、快速的生物分析方法在藥物研發(fā)、臨床對照、興奮劑檢查和法醫(yī)學(xué)中已成為一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。在過去的10年中，出現(xiàn)了很多分析方法及設(shè)備領(lǐng)域的突破。在這些現(xiàn)代分析技術(shù)中，液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用由于其特異性、靈敏性和高效率的特點(diǎn)，被認(rèn)為是定量/定性分析的標(biāo)準(zhǔn)。但是這些分析的技術(shù)也有選擇性差、易受基質(zhì)影響等局限性。而微萃取技術(shù)及微型設(shè)備的發(fā)展很好的實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目的。固相微萃取（Solid-phase microextraction，SPME）由于其簡單性和有效性尤為引人注目。SPME是Arthur和Pawliszyn在20世紀(jì)90年代初首次發(fā)明的[4]，其裝置類似于一支氣相色譜的微量進(jìn)樣器，萃取頭是在一根石英纖維上涂上固相微萃取涂層，用其直接萃取含水樣本。萃取過程通常是不徹底的，而且只有一小部分初始量的分析物被分離并導(dǎo)入分析儀器。固相微萃取有快速、無溶劑的特點(diǎn)，并且容易和氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）和毛細(xì)管電泳（CE）聯(lián)用。固相微萃取技術(shù)已被用于許多領(lǐng)域。在這篇綜述中，我們匯總了新型固相微萃取技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展和未來趨勢，包括纖維固相微萃取、管內(nèi)固相微萃取和其他新的固相微萃取相關(guān)技術(shù)以及他們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 固相微萃取技術(shù)在生物分析中的發(fā)展現(xiàn)狀

SPME技術(shù)可粗略地分為靜態(tài)批量平衡微萃取和動(dòng)態(tài)流動(dòng)平衡微萃取的方法。最常用的技術(shù)是利用在纖維（纖維固相微萃取，fiber-SPME）和毛細(xì)管（管內(nèi)固相微萃?。┩馔扛灿幸粋€(gè)適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ?，目前攪拌棒（SBSE），薄膜（TFME），微量注射器（syringe SPME）和吸頭（in-tip SPME）也已經(jīng)被開發(fā)利用于SPME。在此技術(shù)上，科學(xué)家們研制了新的圖層、設(shè)備來提高提萃取效率；設(shè)計(jì)了新的接口可以連接多種分析儀器系統(tǒng)和自動(dòng)化在線系統(tǒng)。目前多種SPME方法已經(jīng)被用于測定生物樣品中的化合物，包括尿、血清、血漿、全血、唾液、呼氣和頭發(fā)。本節(jié)將回顧這些新型SPME技術(shù)及其在生物分析中的新應(yīng)用。

1.1 纖維固相微萃取技術(shù)：fiber-SPME裝置是由一個(gè)內(nèi)置萃取纖維的針頭和一個(gè)外部支架集合體構(gòu)成的。含有熔融二氧化硅的可伸縮固相微萃取纖維（1或2 cm）目前可以在市場上買到。當(dāng)纖維被插入到樣品，目標(biāo)分析物從樣品基質(zhì)中分離，進(jìn)入涂布在纖維的外表面的固定相，直至達(dá)到平衡。與有填充柱的傳統(tǒng)固相萃取相比，該方法可以將所有的樣品制備步驟整合在一起。fiber-SPME通過在GC中的熱吸附作用與GC或GC-MS聯(lián)用，已經(jīng)成功地應(yīng)用于檢測多種氣體、液體及固體樣品內(nèi)的揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物。fiber-SPME也可以連接HPLC和LC-MS來分析不適合GC的弱揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定化合物，SPME/HPLC接口配備了一個(gè)微量的溶劑室用于溶劑解吸。市售的自動(dòng)進(jìn)樣器，如PAL、MPS-2、TriPlus、和Concept 96，可以實(shí)現(xiàn)fiber-SPME的自動(dòng)化。該系統(tǒng)通過簡單編程編可以執(zhí)行稀釋、攪拌和提取等多種樣品制備步驟，從而降低檢測時(shí)間、加快采樣處理量以及提高可重復(fù)性。

1.2 批量平衡微萃取技術(shù)：其他幾種靜態(tài)批量平衡固相微萃取的差別在于提取設(shè)備的結(jié)構(gòu)，如涂層位于攪拌棒或薄膜上。攪拌棒吸附萃取（SBSE）是一個(gè)新的樣品制備技術(shù)，克服了纖維固相微萃取的有限容量的缺點(diǎn)。現(xiàn)在市售的磁性PDMS涂層攪拌棒，如Twister?攪拌棒，類似于SPME，但是有較厚的涂層（0.3～1.0 mm），使相容量是纖維固相微萃取的50～250倍，但SBSE需要手動(dòng)處理，自動(dòng)化程度低。SBSE/GC-MS法檢測已經(jīng)發(fā)展到檢測血液、尿液和組織樣品的基本藥物，用于法醫(yī)毒理學(xué)中的常規(guī)藥物篩選。最近，一個(gè)高度敏感的分析方法利用SBSE可以測定人尿樣品中的微量酚類外源性雌激素。此外，SBSE與HPLC-UV聯(lián)合使用可用于檢測血漿樣品中卡馬西平、苯妥英及苯巴比妥的含量。

雖然的固相微萃取方法的靈敏度可以通過增加萃取相的體積而提高，但是單純增加吸附層的厚度將需要更長的平衡時(shí)間，因?yàn)檩腿÷释ㄟ^涂層厚度來控制。最近開發(fā)的薄膜固相微萃?。═FME）可以增加物質(zhì)的萃取速率和固相微萃取的敏感性。PDMS膜的薄層表面積大，比其他的固相微萃取的裝置（如纖維和攪拌棒）提取相容量大，萃取率高。這種方法是特別適用于具有高的分布常數(shù)的疏水性半揮發(fā)性組分。此外，一個(gè)新的C18薄膜萃取結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用到LC-MS/MS分析尿液樣本中的苯二氮類藥物，該方法通過使用自動(dòng)進(jìn)樣器，使分析物能在96孔板中平行萃取來實(shí)現(xiàn)高通量分析。

1.3 管內(nèi)固相微萃取技術(shù)：管內(nèi)固相微萃取（In-tube SPME）使用一個(gè)毛細(xì)管柱，具有小型化，自動(dòng)化，高通量的特點(diǎn)，可以即時(shí)與分析儀器聯(lián)用以減少溶劑消耗。不同于fiber-SPME，In-tube SPME通常使用很短的內(nèi)壁涂層為熔融石英的毛細(xì)管。根據(jù)填充類型的不同，纖維填充，吸附劑填充和桿型整料柱被開發(fā)出來以提高提取效率和增加特異性。纖維填充柱由裝有纖維的剛性棒狀雜環(huán)聚合物組成，吸附劑填充和桿型整料柱具備一個(gè)附有萃取相的微型液相毛細(xì)管柱。在In-tube SPME方法中，分析物被吸收或吸附到填充纖維和吸附劑的外表面上。In-tube SPME操作系統(tǒng)可以分類為溢流萃取系統(tǒng)和吸入/噴射萃取系統(tǒng)，第一種系統(tǒng)中溶液是朝一個(gè)方向上連續(xù)地通過一個(gè)提取的毛細(xì)管柱，第二種系統(tǒng)中樣品溶液被毛細(xì)管柱被反復(fù)吸入和分配。分析物可以隨流動(dòng)相或靜態(tài)解吸溶劑解吸，與GC，LC或CE聯(lián)用進(jìn)行分析。

1.4 其他新型SPME技術(shù)：目前更多新型的圖層及裝置已經(jīng)被研發(fā)用于醫(yī)學(xué)生物檢測。聚吡咯和聚噻吩涂層纖維已被用于萃取血液中的治療多重耐藥性金黃色葡萄球菌的抗生素和血漿中抗腎上腺素藥物。睪酮印跡SPME纖維被用于選擇性萃取在尿液樣本中合成代謝類固醇。最近，有生物相容性的In-tube SPME聯(lián)合HPLC-熒光檢測方法被用于血漿樣品中干擾素α的治療監(jiān)測。此外，具有唯一萃取相的鉛筆芯纖維，被用于從人的唾液中提取微量的甲基苯丙胺。一個(gè)基于DISPME，使用溶膠-凝膠法制得的衍生纖維聯(lián)用GC-MS，被用來分析21例肺結(jié)核患者的痰中的脂肪酸。

2 結(jié)論和未來發(fā)展趨勢

科研工作者為了從復(fù)雜基質(zhì)中提取分析物而研究更新、更有效的方法，樣品制備一直位于制藥和生物化學(xué)研究的最前沿。多種類型SPME裝置與GC、LC或CE聯(lián)用成為高效的樣品制備方法，包括纖維、攪拌棒、薄膜及毛細(xì)管。批量平衡微萃取克服了SPME萃取相容量有限的缺點(diǎn)。固相微萃取技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于生物分析，他們是目前的樣品制備方法的優(yōu)秀替代品。在未來的研究中，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)分析和自動(dòng)化樣品萃取的設(shè)備和系統(tǒng)是SPME重要的發(fā)展方向。小型化和自動(dòng)化的樣品制備技術(shù)在高通量分析中必不可少，并且需要連接多種微型分析裝置。此外，在96孔板中纖維或薄膜涂層的使用有利于并行高通量樣品處理。

改良固相微萃取的涂層使其吸附能力和選擇性增強(qiáng)也是科研工作者重要的發(fā)展方向，利用它可以有效地提取復(fù)雜基質(zhì)中的低濃度的目標(biāo)分析物。目前已經(jīng)開發(fā)利用的涂層材料包括聚吡咯、溶膠-凝膠法制備的多孔二氧化硅等。此外，利用光響應(yīng)的聚合物和聚合物磁性顆粒也可用于選擇性樣品制備。SPME發(fā)展的主要障礙是缺乏特異性設(shè)備，找到既有良好的生物相容性又有高精準(zhǔn)度的纖維已經(jīng)成為攻關(guān)難點(diǎn)，這也限制了這種技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用。

總之，固相微萃取技術(shù)對于制藥和生物醫(yī)學(xué)的樣品制備是有良好的發(fā)展前景，特別是考慮到固相微萃取的獨(dú)特功能，使得未來研究變得生機(jī)勃勃。由于智能材料的發(fā)展、新型集成高通量采樣設(shè)備及方法的研究，固相微萃取的潛在應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大。