多孔整体材料在固相微萃取中的应用研究进展

实际样品基底和组成复杂、干扰物质多、目标物含量较低,因此难以直接对其进行分析检测。为了减少样品基底的干扰和提高分析检测灵敏度,在进行分离分析前必须进行合适的样品前处理。由于传统的样品前处理技术如离心、蒸馏、过滤、液-液萃取等方法存在劳动强度大、操作时间长、步骤繁琐、使用有机溶剂量大等缺点,因此发展简便、有效和绿色环保的前处理技术成为人们关注的研究热点之一。

1990年,加拿大滑铁卢大学的Pawliszyn等^[1]首次提出了固相微萃取技术(solid-phase microextraction,SPME),其在一根熔融石英纤维的表面涂渍一层固定相(吸附剂)作为萃取涂层,利用扩散作用,将溶液中的目标物吸附在涂层上,当吸附达到平衡后,将石英纤维插入专门的热解吸装置进行脱附,目标物随后进入气相色谱(GC)进行分离检测。SPME集富集、净化和进样于一体,克服了传统前处理技术的不足,具有操作方便灵活、萃取速度快、环境友好和易于与分析仪器进行在线联用等优点。

近年来,为了满足分析的需要以及绿色化学的要求,除了传统的纤维固相微萃取(fiber-based solid-phase microextraction,FBSPME)^[2-5]外,还出现了各种新型的SPME模式,主要包括纤维束固相微萃取(multiple fibers solid-phase microextraction,MF-SPME)^[6, 7]、管内固相微萃取(in-tube solid-phase microextraction,IT-SPME)^[8, 9]、搅拌棒吸附萃取(stir bar sorptive extraction,SBSE)^[10, 11]、芯片微萃取(chip-based microextraction,CBME)^[12, 13]、针尖微萃取(tip-based microextraction,TBME)^[14, 15]。上述不同的微萃取模式虽然具有不同的特点和适用范围,但它们最核心的部分都是萃取介质(吸附剂),它决定了萃取的选择性、容量和萃取速度,从而影响整个分析方法的灵敏度、准确度和适用范围。理想的SPME萃取介质不仅应该具有较好的热和化学稳定性、较高的机械强度,而且需对特定的一种或一类目标物有较高的选择性和萃取容量。目前商品化的SPME涂层种类较少,主要为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚丙烯酸酯(polyacrylate,PA)、二乙烯基苯(divinylbenzene,DVB)及它们的复合体,这些吸附剂虽然得到了较广泛的使用,但也存在诸如萃取选择性和机械稳定性差、对极性化合物萃取效率低、成本高等缺点^[16]。因此发展具有高萃取效率和萃取选择性、良好的热和化学稳定性、低成本的萃取介质成为SPME的研究热点。

1989年,Hjertén研究小组^[17]利用“原位”聚合的方法在空管柱中聚合生成高交联的聚丙烯酰胺凝胶整体材料并称之为“连续床”。Svec等^[18]则利用甲基丙烯酸缩水甘油酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯“原位”聚合得到一种渗透性能良好的多孔整体材料,并将其用于蛋白质的快速分离。随后Tanaka、Frechet以及邹汉法等^[19-21]在多孔整体材料的合成和应用方面也开展了大量的研究工作,进一步推动了相关研究的发展。按照基质不同,整体材料可分为无机整体材料和有机聚合物整体材料。无机整体材料可通过溶胶-凝胶等方法得到,这类整体材料具有理想的机械强度,比表面积大,其缺点是抗溶剂性能差,适用的pH范围小。而有机聚合物整体材料可通过单体、交联剂和致孔剂的聚合溶液在紫外光引发或热引发条件下“原位”聚合得到,虽然该类整体材料的溶胀和机械性能不及无机整体材料,但其具有选材范围广、制备简单、pH适用范围宽等独特优势。目前,整体材料已被广泛用作HPLC^[22]、毛细管液相色谱^[23]和毛细管电色谱^[24]的固定相,被称为第四代分离介质。基于整体材料高吸附容量和高通透性能等优点,近几年来人们开始将其用于样品前处理特别是SPME的萃取介质。为此,本文结合作者自己的研究工作,对近几年整体材料在SPME中的应用进行阐述。

1 纤维固相微萃取

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FBSPME是较早发展的SPME萃取模式,萃取介质主要通过物理涂覆或化学键合在基体支撑物如石英毛细管、金属丝等载体上。目前,除了商品化的SPME涂层外,整体材料也被人们引入到FBSPME涂层制备中。Li等^[25]以甲基丙烯酸作为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂合成整体材料并将其作为SPME萃取涂层,他们将聚合溶液以及预处理过的石英纤维转移至玻璃毛细管模具中,在热引发作用下聚合得到涂层厚度均匀且厚度为30 μm的SPME萃取纤维。研究表明,所合成的整体纤维对2,3,4,6-四氯酚和五氯酚萃取效果优于商品化的PA纤维。同时,该纤维具有良好的热稳定性和使用寿命。

为了提高FBSPME的萃取选择性,人们发展了基于分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers,MIPs)的FBSPME。胡梅等^[26]以双酚A为模板分子,α-甲基丙烯酸为功能单体,在内径为530 μm的毛细管中采用微波聚合的方式快速制备得到双酚A分子印迹固相微萃取头,将其与高效液相色谱法结合成功用于饮料中双酚A的检测,所建立的方法具有简便、分析快速、检出限低等特点。Qiu等^[27]以睾酮为模板分子,在石英纤维上合成了厚度为3.1 μm的MIP涂层,将合成的MIP纤维用来萃取环境水样和人体尿液中的类固醇类激素,萃取后将纤维直接转移至GC-MS的进样口进行热脱附并分离测定。通过比较,该方法制备的SPME萃取纤维对类固醇类激素的萃取效果远远优于商品化的PDMS涂层纤维。Djozan等^[28]为了解决石英纤维易折断的问题,首次使用铝丝作为基体,制备出了可对三嗪类目标物进行选择性萃取的莠灭净MIP涂层。该方法预先将铝丝经过阳极氧化和硅烷化处理,然后采用实验室自制的气压喷雾器将聚合溶液喷洒在铝丝上,在紫外光的引发下快速聚合,涂层厚度则通过喷洒聚合溶液以及聚合的次数来控制。Mirzajani等^[29]则以不锈钢丝作为基体,制备出了厚度为20 μm的环丙沙星MIP萃取涂层,该萃取涂层能对环丙沙星及其类似物进行选择性地识别和萃取。与非印迹涂层相比,MIP萃取纤维对氟喹诺酮抗生素的萃取效率得到明显提高。

涂覆于基底支撑体的萃取介质,在使用过程中有时会从支撑体上脱落而影响FBSPME的使用寿命。为了解决该问题,2007年,Djozan等^[30]和Turiel等^[31]几乎同时报道出了一种基于MIPs整体材料的无基体萃取纤维的制备方法。他们均以玻璃毛细管作为模具,将含有模板分子的聚合溶液注入毛细管中,然后用橡胶塞住毛细管两端,在一定温度下“原位”聚合一段时间,聚合后,除去毛细管磨具即可得到无基体萃取纤维。Shi等^[32]采用聚合-碳化的方法,以苯乙烯和二乙烯基苯为前驱体、月桂醇为致孔剂在内径为250 μm的石英毛细管内聚合得到整体材料,经过高温碳化之后制备得到了一种多孔碳整体纤维,再将其胶合在商品化的SPME萃取头上即可得到无支撑体SPME萃取纤维。该萃取纤维具有较高的比表面积,对苯酚类目标物有理想的萃取效果。本研究小组也利用整体材料的“原位”聚合特性制备了无支撑体SPME萃取纤维并用于氯代酚^[3]和苏丹红染料^[33]的萃取。

已有的研究表明,整体材料可作为FBSPME的理想萃取介质,针对不同类型污染物,发展基于整体材料,具有高通透性、高萃取选择性和良好使用寿命的FBSPME涂层仍值得深入研究。

2 纤维束固相微萃取

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通常FBSPME的涂层较薄,萃取容量较低,为了提高萃取容量势必要增加涂层的厚度,但这将会导致萃取时间的延长。因此,发展在较短时间内实现对目标物高容量萃取的纤维具有重要的实际意义。为此,我们在2014年提出了基于整体材料的纤维束固相微萃取技术(multiple monolithic fibers solid-phase microextraction,MMF-SPME)^[7]。该方法首先将含有单体、交联剂、致孔剂和引发剂的聚合溶液注入内径为0.53 mm的玻璃毛细管,使其在热引发条件下发生“原位”聚合,反应完后将外层玻璃毛细管除去，得到直径为0.5 mm、长度为2 cm的单根细整体纤维;然后将4根细纤维捆绑在一起即可得到基于整体材料的微萃取纤维束。研究以氯代苯酚为目标物,将制备得到的纤维束与直径为1 mm、长度为2 cm的单根粗纤维(其所含吸附剂的质量与纤维束所含吸附剂的总质量相等)的萃取性能进行了比较。结果表明,在MMF-SPME中,由于玻璃毛细管壁的存在,使得纤维束的单根纤维之间存在着空隙(见图 1a),这使得样品溶液在萃取过程中能形成有效的对流,加快萃取和解吸速度。同时,与传统的涂层纤维相比,由于纤维束所含的萃取介质较多,因此对目标物有更高的萃取容量。图 1b为纤维束实物照片图。

图 1 纤维束的(a)3D示意图和(b)实物图[7]Fig. 1 (a) 3D schematic diagram and (b) photo of multiple monolithic fibers[7]

随后,我们以1-烯丙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐离子液体为功能单体^{[6, 34, 35]},采用同样的方法制备了基于离子液体的整体材料微萃取纤维束。将MMF-SPME与液相解吸技术结合,并与HPLC-二极管阵列检测器(DAD)联用,成功用于环境水样中的硝基苯酚^[6]以及牛奶和人体尿液中雌激素^[34, 35]的测定。MMF-SPME的萃取介质使用灵活,可根据目标化合物的性质进行合成。为了有效萃取环境水样中苯甲酰脲类农药以及果汁中有机酸类防腐剂,我们分别以甲基丙烯酸^[36]和乙烯基咪唑^[37]等作为功能单体合成纤维束,对目标物均取得了满意的萃取效果。

相比单根萃取纤维的FBSPME,MMF-SPME具有高萃取容量和快速萃取的优点。但本组已有研究均采用离线的液相解吸模式,目前还无法实现与分析仪器的在线联用。

3 管内固相微萃取

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IT-SPME通常以石英毛细管柱作为萃取介质的载体,在管内壁涂上固定相或者在管内部填充介质,故又称毛细管固相微萃取,是由Eisert和Pawlisyzn^[38]在1997年首次提出。由于该萃取模式容易实现与分析仪器的在线联用,有利于缩短分析时间,提高分析结果的准确度和精密度,所以一经问世便得到快速的发展。按照固定相的存在形式,IT-SPME可分为开管柱内固相微萃取、填充柱内固相微萃取以及整体柱内固相微萃取。与前面两种相比,整体柱内固相微萃取利用整体材料作为IT-SPME的萃取介质,具有制备简单、萃取效率高、通透性好和重现性好等诸多优点。

Feng的研究小组合成了一系列有机聚合物整体毛细管柱,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′-亚甲基双丙烯酰胺)^[40]、聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)^[41]、聚(N-异丙基丙烯酰胺-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]整体柱,他们将这些整体微柱作为IT-SPME的萃取柱,与HPLC-UV^[39-42]、HPLC-MS^[43]等进行了在线联用,在实际应用中取得了预期的效果。

为了进一步提高整体毛细管柱的萃取效果,人们将纳米材料掺杂到有机整体柱中,利用纳米材料粒径小、比表面积大等特殊性质来改性聚合物整体柱。Tong等^[44]用氧化石墨烯(graphene oxide,GO)对整体柱进行改性,首先采用“原位”聚合的方法制备聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)整体柱,随后用乙二胺对整体柱改性以引入氨基,再通过氨基与GO表面的羧基发生脱水缩合反应将GO键合到整体柱上得到GO改性整体柱,若将其进一步还原则可得到石墨烯纳米片改性整体柱。他们将得到的GO改性整体毛细管柱与LC-MS/MS联用,成功应用于尿液中肌氨酸的测定。但是,该方法中整体毛细管柱的改性过程较为繁琐。Wang等^[45]则直接将单壁碳纳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”聚合得到一种新型整体柱,首次实现了IT-SPME与实时分析质谱(DART-MS)的在线联用。研究表明,与未引入单壁碳纳米管的整体柱相比,新型整体柱具有更大的比表面积。该整体柱对三嗪类的萃取效果是未引入单壁碳纳米管整体柱萃取效果的2.1～4.2倍,有效地提高了分析方法的灵敏度和准确度,并成功用于湖水和果汁中三嗪类杀虫剂的测定。最近,我们发展了一种基于整体材料的磁增强管内固相微萃取技术(magnetism-enhanced monolith-based in-tube solid phase microextraction,ME-MB/IT-SPME)^[46]。该技术通过在聚合溶液中加入改性后的Fe₃O₄纳米颗粒,“原位”聚合得到掺杂磁性纳米粒子的整体毛细管萃取柱。然后在整体柱外缠绕磁线圈,通过外加电源诱导Fe