金淑培， 邢 鈞

(生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

1 引言

盡管現(xiàn)代分析儀器在精密度和靈敏度等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在面對(duì)復(fù)雜體系中痕量或超痕量組分的分析，以及大量共存組分的干擾時(shí)，直接使用分析儀器測(cè)定往往存在困難[1]，因此，通常需要在分析測(cè)定前對(duì)樣品進(jìn)行前處理，以達(dá)到樣品凈化及目標(biāo)物分離與富集等目的。液液萃取[2]、柱色譜、索氏提取[3]等傳統(tǒng)的樣品前處理方法，由于存在有機(jī)溶劑消耗量大、樣品分析時(shí)間長(zhǎng)、操作步驟繁瑣及易造成目標(biāo)物損失等缺點(diǎn)，已逐漸被固相萃取[4,5]、固相微萃取[6,7]、超臨界流體萃取[8,9]、微波輔助萃取[10,11]、膜萃取[12]以及加速溶劑萃取[13,14]等新的前處理方法所取代。其中，固相萃取(Solid-phase Extraction，SPE)技術(shù)因其具有回收率高、有機(jī)溶劑消耗少、重現(xiàn)性好、操作簡(jiǎn)便以及易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最廣泛的一種樣品前處理技術(shù)，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)[15]、食品安全[16]、藥物研發(fā)[17]等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 固相萃取吸附劑

2.1 固相萃取及其吸附劑

固相萃取是利用固體吸附劑與樣品溶液中目標(biāo)物的相互作用，使目標(biāo)物保留在吸附劑上，從而達(dá)到分離目的的一種樣品前處理技術(shù)。固相萃取操作大致包括以下幾個(gè)步驟，即吸附劑活化；上樣；清洗及洗脫。根據(jù)使用的目的不同，固相萃取可分為兩種操作模式：目標(biāo)分析物萃取模式和雜質(zhì)萃取模式。由于固相萃取的選擇性取決于吸附劑與目標(biāo)物間相互作用的特異性，因此，目標(biāo)物導(dǎo)向的吸附劑研究一直是固相萃取技術(shù)研究的核心內(nèi)容。經(jīng)過(guò)分析工作者多年的不懈努力，目前已經(jīng)發(fā)展出眾多選擇性各異的固相萃取吸附劑。按照與目標(biāo)物之間作用模式的多少，吸附劑大致可分為單一模式吸附劑和混合模式吸附劑兩類(lèi)。

單一模式吸附劑包括正相吸附劑、反相吸附劑和離子交換吸附劑。正相吸附劑的特點(diǎn)是吸附劑結(jié)構(gòu)中含有羥基、氨基、氰基等極性官能團(tuán)。它可與目標(biāo)物發(fā)生氫鍵、偶極-偶極作用等相互作用，常用于從非極性基質(zhì)中萃取分離極性物質(zhì)[18,19]。反相吸附劑的特點(diǎn)是含有長(zhǎng)鏈烷基或苯基等非極性官能團(tuán)，如C18鍵合硅膠和聚苯乙烯-二乙烯苯微球。這些吸附劑主要通過(guò)疏水作用使目標(biāo)物得以保留，常用于從水樣中分離非極性到中等極性目標(biāo)物[20,21]。離子交換吸附劑的特點(diǎn)是含有離子交換基團(tuán)，其保留機(jī)理是吸附劑與目標(biāo)物之間的離子交換作用[22,23]。由于這些吸附劑與目標(biāo)物之間的作用相對(duì)單一，在面對(duì)復(fù)雜樣品的分析時(shí)常會(huì)遇到干擾組分難以去除、回收率低等問(wèn)題[24]。

圖1 基于硅膠(A)和聚合物(B)基質(zhì)的混合模式吸附劑Fig.1 Silica-based(A) and polymer-based(B) mixed-mode SPE sorbents

混合模式吸附劑的特點(diǎn)是同時(shí)含有兩種或兩種以上作用機(jī)理不同的官能團(tuán)，可與樣品中的目標(biāo)物同時(shí)發(fā)生兩種或兩種以上的相互作用。典型的混合模式吸附劑一般同時(shí)具有疏水作用和離子交換作用[25]，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。根據(jù)吸附劑上所含離子交換基團(tuán)的種類(lèi)和離子交換作用力的強(qiáng)弱，混合模式吸附劑又分為混合模式強(qiáng)/弱陽(yáng)離子交換吸附劑和混合模式強(qiáng)/弱陰離子交換吸附劑[26]。表1列出了一些常見(jiàn)的商品化混合模式吸附劑。

2.2 混合模式吸附劑的優(yōu)勢(shì)

混合模式吸附劑通常具有疏水和離子交換基團(tuán)，因此，不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)洗脫溶劑的洗脫強(qiáng)度控制吸附劑對(duì)目標(biāo)物的保留行為，而且可以通過(guò)控制上樣溶液和洗脫溶劑的pH來(lái)調(diào)控吸附劑對(duì)目標(biāo)物的保留行為。這一特點(diǎn)使得混合模式吸附劑在復(fù)雜樣品的前處理中表現(xiàn)出比單一模式吸附劑更好的選擇性。

表1 常見(jiàn)的商品化混合模式吸附劑

1polyvinylpyrrolidone-divinylbenzene；2polystyrene-divinylbenzene.

圖2 空白尿樣直接進(jìn)樣(a)、加標(biāo)尿樣經(jīng)Cleanert C18(b)和DF-KIT-6(c)固相萃取后所得色譜圖[27]Fig.2 Chromatograms of blank urine(a),spiked urine sample after C18-based SPE(b)，and after DF-KIT-6-based SPE(c)[27]

圖3 使用串聯(lián)吸附劑的固相萃取流程圖[28]Fig. 3 Outline of the SPE procedure using tandam sorbents in series[28]

Li等[27]合成了具有苯基和季胺基的反相/強(qiáng)陰離子交換吸附劑DF-KIT-6，建立了固相萃取-高效液相色譜/紫外檢測(cè)聯(lián)用的方法，用于測(cè)定人體尿樣中的非甾體抗炎藥酮基布洛芬(KEP)、萘普生(NAP)和布洛芬(IBU)。這三種非甾體抗炎藥的pKa值為4.15～4.91，因此，可以通過(guò)控制上樣溶液的pH為7.0，使目標(biāo)分析物的羧基大部分處于去質(zhì)子化狀態(tài)，利用疏水作用和陰離子交換作用使這些藥物保留在DF-KIT-6柱上。然后，依次用磷酸鹽緩沖液(pH=7.0)和乙酸乙酯清洗，可分別除去尿樣中水溶性的和通過(guò)疏水作用保留的共萃取干擾物，但目標(biāo)分析物不會(huì)被洗脫下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的選擇性分離。圖2是分別采用單一模式吸附劑Cleanert C18和混合模式吸附劑DF-KIT-6對(duì)尿樣進(jìn)行固相萃取的色譜圖。不難看出，混合模式吸附劑DF-KIT-6不僅能更有效地去除尿樣中的干擾物，而且萃取效率更高。

另一方面，當(dāng)樣品中含有不同種類(lèi)的目標(biāo)分析物時(shí)，可采用不同種類(lèi)混合模式吸附劑組合的方法，通過(guò)優(yōu)化上樣和洗脫條件，實(shí)現(xiàn)多類(lèi)別目標(biāo)物的同時(shí)萃取、分類(lèi)洗脫。Laven等[28]串聯(lián)使用兩支裝填不同混合模式吸附劑的SPE柱(疏水/強(qiáng)陽(yáng)離子交換的Oasis MCX和疏水/強(qiáng)陰離子交換的Oasis MAX)，研究了廢水中15種酸性、中性及堿性藥物的同時(shí)富集和分類(lèi)分離，其流程見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，這種串聯(lián)雙柱不僅有利于增加萃取目標(biāo)物的個(gè)數(shù)，而且通過(guò)分類(lèi)分離能夠顯著降低流出液的復(fù)雜性，明顯降低質(zhì)譜分析的基質(zhì)效應(yīng)。

3 混合模式吸附劑的制備

從吸附劑基質(zhì)角度看，混合模式吸附劑的基質(zhì)有兩種，即硅膠基質(zhì)和有機(jī)聚合物基質(zhì)。這兩種基質(zhì)其實(shí)都不完美，既有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有基質(zhì)本身所決定的無(wú)法克服的缺陷。硅膠基質(zhì)具有多孔性、易于傳質(zhì)、機(jī)械性能高、有機(jī)溶劑耐受性好的優(yōu)點(diǎn)，而且硅膠表面的硅羥基易于修飾。但硅膠基質(zhì)的吸附劑只能在pH2.0～7.5范圍內(nèi)使用，適用的pH范圍較窄。有機(jī)聚合物基質(zhì)雖然對(duì)強(qiáng)酸強(qiáng)堿的耐受性好，可在極端pH條件下使用，而且聚合物基質(zhì)本身還能與目標(biāo)物發(fā)生疏水相互作用。但是聚合物基質(zhì)對(duì)有機(jī)溶劑的耐受性較差，而且后續(xù)修飾的難度較大。

3.1 硅膠基質(zhì)混合模式吸附劑的制備

制備硅膠基質(zhì)混合模式吸附劑的途徑主要有兩條，一是直接通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑與硅膠表面硅羥基的反應(yīng)引入疏水基團(tuán)(如C8、C18)和具有反應(yīng)活性的官能團(tuán)(如-Cl、-CN或-SH)，然后利用取代反應(yīng)、水解反應(yīng)或氧化反應(yīng)等衍生化反應(yīng)使活性官能團(tuán)轉(zhuǎn)化為離子交換基團(tuán)。二是近年出現(xiàn)的基于“點(diǎn)擊化學(xué)”(Click Chemistry)的新制備途徑。

Cai等[29]將十八烷基三氯硅烷與3-氰基丙基三氯硅烷兩種硅烷偶聯(lián)劑以摩爾比1∶2和硅膠回流反應(yīng)，反應(yīng)完成后所得產(chǎn)物再于30%的硫酸/甲醇混合液中進(jìn)行水解反應(yīng)，得到表面鍵合C18和羧基(-COOH)的混合模式吸附劑C18WCX。Li等[30]利用正十八烷基三氯硅烷和2-(4-氯磺酰苯基)乙基三氯硅烷與硅膠反應(yīng)，然后再進(jìn)行水解反應(yīng)，得到含有C18和磺酸基(-SO3H)的混合模式吸附劑RP18/SCX。該途徑的優(yōu)點(diǎn)是相關(guān)合成方法較為成熟，其缺陷是：由于商品化硅烷偶聯(lián)劑種類(lèi)不多，可制備的吸附劑種類(lèi)非常有限。

“點(diǎn)擊化學(xué)”的慨念是由諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Sharpless[31]于2001年提出的，其特點(diǎn)是：(1)反應(yīng)條件溫和，對(duì)水和空氣不敏感；(2)反應(yīng)原料和試劑易得；(3)立體選擇性好；(4)產(chǎn)率高，無(wú)副產(chǎn)物；(5)產(chǎn)物分離提純?nèi)菀住Ｄ壳皯?yīng)用最廣泛的點(diǎn)擊反應(yīng)是Cu(I)催化的端炔-疊氮環(huán)加成反應(yīng)(CuAAC)和巰基-烯基加成反應(yīng)。自點(diǎn)擊化學(xué)的概念提出至今，點(diǎn)擊化學(xué)在表面修飾[32]、功能聚合物合成[33]、DNA標(biāo)記[34]、生物大分子[35]、化學(xué)傳感器[36]等方面取得了矚目的成果。由于商品化的端炔基、巰基化合物品種很多，因此將點(diǎn)擊反應(yīng)用于混合模式吸附劑的制備，有望提高制備混合模式吸附劑的反應(yīng)效率，增加混合模式吸附劑的種類(lèi)，擴(kuò)大混合模式吸附劑的應(yīng)用范圍。Zhu等[37]通過(guò)單次CuAAC點(diǎn)擊反應(yīng)將不同比例的1-十二炔和5-己炔酸同時(shí)鍵合到疊氮硅膠表面(圖4)，制備了一種表面同時(shí)具有長(zhǎng)鏈烷基和羧基的反相/弱陽(yáng)離子交換混合模式硅膠吸附劑(silica-WCX)。該方法不僅操作方便，而且通過(guò)控制1-十二炔與5-己炔酸的投料比，能夠準(zhǔn)確控制吸附劑中疏水基團(tuán)與離子交換基團(tuán)的比例。將silica-WCX作為基質(zhì)固相分散吸附劑，可用于萃取檢測(cè)豬肝中的克倫特羅和萊克多巴胺。與商用吸附劑Oasis WCX比較，silica-WCX對(duì)豬肝樣品的凈化效果更好。除了用于制備SPE混合模式吸附劑，點(diǎn)擊反應(yīng)還成功用于制備混合模式色譜固定相(包括反相/離子交換[38]、親水/離子交換[39]、反相/親水[40]、兩性離子[41]等多種類(lèi)型)以及整體柱材料的功能化[42]。

圖4 單次CuAAC點(diǎn)擊反應(yīng)合成silica-WCX的示意圖[37]Fig.4 Preparation scheme of silica-WCX via single-step CuAAC click reaction[37]

圖5 HXLPP-WAX-EDA、HXLPP-WAX-piperazine(A)[46]和HXLPP-SCX(B)[47]的合成示意圖Fig.5 Preparation schemes of HXLPP-WAX-EDA,HXLPP-WAX-piperazine(A)[46] and HXLPP-SCX(B)[47]

3.2 聚合物基質(zhì)混合模式吸附劑的制備

早期的混合模式聚合物吸附劑主要是以具有大孔結(jié)構(gòu)的聚乙烯基吡咯烷酮-二乙烯基苯(PVP-DVB)或聚苯乙烯-二乙烯基苯(PS-DVB)微球?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，這類(lèi)吸附劑對(duì)極性大的目標(biāo)分析物保留較弱[43]，而且吸附容量不高。上世紀(jì)末，Davankov等[44]提出了“超高交聯(lián)聚合物”的慨念，Veverka等[45]則研究了基于氯甲基苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的超高交聯(lián)反應(yīng)機(jī)理，即通過(guò)氯甲基的Friedel-Crafts反應(yīng)使聚合物鏈進(jìn)一步交聯(lián)。利用“超高交聯(lián)方法”制備的聚合物微球，粒徑更小(約為5 μm)，表面積高達(dá)1 000 m2/g，吸附容量可得到大幅提升。目前常用于混合模式聚合物吸附劑的共聚物合成。

Fontanals等[46]用單體4-氯甲基苯乙烯(VBC)和交聯(lián)劑二乙烯苯(DVB)通過(guò)沉淀聚合法得單分散聚合物微球VBC-DVB，然后又用FeCl3做催化劑經(jīng)Friedel-Crafts反應(yīng)得表面含有氯原子的超高交聯(lián)聚合物(HXLPP)。HXLPP分別和乙二胺和哌嗪反應(yīng)得混合模式弱陰離子交換吸附劑HXLPP-WAX-EDA 和HXLPP-WAX-piperazine(圖5A)。以環(huán)境樣品中的酸性和堿性藥物為探針?lè)肿訉?duì)這兩種吸附劑的萃取性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明兩種吸附劑的萃取性能優(yōu)于商用吸附劑Oasis WAX和Strata-X-AW。Fontanals等[47]在HXLPP的基礎(chǔ)上，使用磺化劑制得含有磺酸基的混合模式強(qiáng)陽(yáng)離子交換吸附劑HXLPP-SCX(圖5B)。

4 混合模式吸附劑的應(yīng)用

4.1 在環(huán)境分析中的應(yīng)用

Zhu等[48]使用自制的混合模式弱陽(yáng)離子交換吸附劑silica-WCX對(duì)水中芳香胺進(jìn)行萃取分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH值為5.0時(shí)上樣，依次用pH=5.0的磷酸鹽緩沖液和正己烷清洗SPE柱，最后用NH4OH-MeOH(5∶95，V/V)作為洗脫溶劑對(duì)芳香胺的萃取效果最佳，結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測(cè)器分析，目標(biāo)分析物的回收率在75%～98%間，檢出限范圍為0.08～0.28 μg/L。

圖6 污水樣品經(jīng)HLB和WCX柱的色譜圖[49]Fig.6 Typical chromatograms of wastewater samples after SPE with HLB and WCX cartridges[49]

He等[49]使用Oasis WCX柱結(jié)合高效液相色譜-熒光檢測(cè)器測(cè)定城市污水中的11種氟喹諾酮抗生素。當(dāng)樣品溶液的pH為3.0時(shí)，目標(biāo)分析物通過(guò)疏水和陽(yáng)離子交換作用被Oasis WCX柱保留，用甲醇作為清洗液，最后使用甲醇-乙腈-甲酸(20∶75∶5，V/V/V)洗脫目標(biāo)分析物。實(shí)驗(yàn)對(duì)Oasis WCX與Oasis HLB柱的凈化效果進(jìn)行了比較，從圖6可以看出，經(jīng)Oasis HLB柱凈化后的色譜圖由于干擾物去除不充分，基線(xiàn)噪音大，影響目標(biāo)分析物的檢測(cè)；而經(jīng)Oasis WCX柱凈化后的色譜圖無(wú)干擾峰。所有氟喹諾酮抗生素檢出限在0.3～1.5 ng/L之間。

Casado等[50]使用混合模式強(qiáng)陽(yáng)離子交換吸附劑Oasis MCX，建立了一種固相萃取-液相色譜/四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜同時(shí)測(cè)定水中堿性抗真菌藥物的分析方法。與Oasis HLB吸附劑相比，Oasis MCX吸附劑可選擇性吸附目標(biāo)分析物，并可以使用有機(jī)溶劑有效除去干擾物，因此在質(zhì)譜分析時(shí)沒(méi)有看到明顯的基質(zhì)效應(yīng)。所建立方法的定量限范圍為2～15 ng/L。

4.2 在食品分析中的應(yīng)用

Xia等[51]用混合模式強(qiáng)陰離子交換吸附劑Oasis MAX同時(shí)萃取牛奶中的6種玉米赤霉醇類(lèi)化合物，用3 mL酸化乙腈洗脫目標(biāo)分析物，最后用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀檢測(cè)。目標(biāo)分析物的檢出限和定量限的范圍分別為0.01～0.05 μg/L和0.05～0.2 μg/L。所建立方法的日內(nèi)和日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于8.7%和10.9%。Zhao等[52]建立了測(cè)定植物油中異黃酮類(lèi)和白蘆藜醇類(lèi)的固相萃取-高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)方法。油樣用正己烷稀釋?zhuān)琌asis WCX固相萃取柱凈化。所有目標(biāo)分析物的回收率大于79.2%。

4.3 在藥物分析中的應(yīng)用

Boonjob等[53]分別使用混合模式離子交換吸附劑Oasis MAX、Plexa PAX、Oasis MCX和Plexa PCX對(duì)尿中6種β-受體阻滯劑進(jìn)行固相萃取。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了這4種吸附劑對(duì)目標(biāo)分析物的萃取效果，結(jié)果表明，Oasis MCX和Plexa PCX的萃取效果優(yōu)于Oasis MAX和Plexa PAX。這是因?yàn)棣?受體阻滯劑為堿性目標(biāo)物，在堿性環(huán)境下不會(huì)電離，而在弱酸性環(huán)境下容易被離子化為帶正電荷的陽(yáng)離子。所以堿性樣品溶液中的6種β-受體阻滯劑和Oasis MAX、Plexa PAX間不產(chǎn)生陰離子交換作用。而當(dāng)樣品溶液pH值為3.0時(shí)，目標(biāo)分析物通過(guò)疏水作用和陽(yáng)離子交換作用而保留在Oasis MCX和Plexa PCX柱上。

Xu等[54]使用自制的含有苯基和磺酸基的混合模式吸附劑HXLPP-SCX對(duì)人血清中3種堿性嘌呤代謝物6-羥基嘌呤、2，6-二羥基嘌呤和肌苷進(jìn)行純化分析。HXLPP-SCX表現(xiàn)出良好的選擇性和吸附能力。6-羥基嘌呤、2，6-二羥基嘌呤和肌苷的檢出限分別為4、6、18 ng/mL。

Peli??o等[55]用混合模式強(qiáng)陽(yáng)離子交換吸附劑Bond Elut Certify測(cè)定全血中可卡因、安非他命和大麻類(lèi)物質(zhì)。用丙酮-二氯甲烷(1∶1，V/V)可洗脫中性和酸性目標(biāo)物，而堿性目標(biāo)物則用乙酸乙酯-氨水(98∶2，V/V)洗脫。所建立方法的日內(nèi)和日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于14.9%和18.4%。

除了在環(huán)境、食品和藥物分析等領(lǐng)域有應(yīng)用外，混合模式吸附劑在生命科學(xué)[60，61，63]、司法鑒定[62，64]領(lǐng)域也受到了廣泛的關(guān)注。表2列舉了混合模式固相萃取吸附劑的一些應(yīng)用實(shí)例。

表2 混合模式吸附劑的應(yīng)用

5 總結(jié)與展望

在復(fù)雜樣品前處理中，混合模式吸附劑可綜合發(fā)揮疏水作用、離子交換作用、氫鍵等多種相互作用，因此，表現(xiàn)出比單一模式吸附劑更好的選擇性。盡管有關(guān)混合模式吸附劑的研究工作已取得了許多重要的進(jìn)展，我們認(rèn)為以下幾個(gè)方面的研究值得特別關(guān)注：基于構(gòu)效關(guān)系的高選擇性吸附劑設(shè)計(jì)方法；借鑒有機(jī)合成化學(xué)的研究成果，多官能團(tuán)的同步、高效引入方法；兼具極端酸堿環(huán)境及有機(jī)溶劑耐受性，并且便于化學(xué)修飾的新型吸附基質(zhì)。