劉玉蘭, 陳雅莉, 肖小華, 夏 凌, 李攻科

(中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

樣品前處理是復(fù)雜樣品分析的關(guān)鍵步驟,根據(jù)物質(zhì)的理化性質(zhì)差異,將待測物從復(fù)雜的基質(zhì)中預(yù)先分離富集出來,幫助提高分析方法的靈敏度、選擇性和準確性。但這是一個無法自發(fā)進行的、從無序到有序熵減的過程。實現(xiàn)樣品的有效制備需要向體系做功或通過引入相、膜和場改變化學(xué)勢的分布以降低體系的熵值[1,2]。這些過程不僅耗時費力,還極易引起誤差,是當前分析化學(xué)發(fā)展的瓶頸問題。將電場引入在線樣品前處理,既能向體系做功,又能驅(qū)動樣品在分離、富集、檢測各步驟之間定向遷移,使熵減過程順利進行,是快速樣品制備的有效途徑[3,4]。

圖 1 近10年關(guān)于電驅(qū)動在線快速分離富集技術(shù)的文獻報道情況Fig. 1 Literature reports on electrically-driven force based online rapid separation and enrichment techniques in recent 10 years Literature source: Web of Science; keywords (2010-2020): capillary electrophoresis (CE), microchip electrophoresis (MCE), online concentration, solid-phase (micro)extraction, liquid-phase (micro)extraction, electromembrane extraction (EME).

近年來,電驅(qū)動毛細管在線分離富集、電驅(qū)動芯片在線分離富集、電驅(qū)動膜萃取等模式的電驅(qū)動在線快速樣品前處理技術(shù)發(fā)展迅速。該技術(shù)綜合了多種加速樣品制備的策略:(1)以電場形式向系統(tǒng)輸入能量,加速系統(tǒng)的傳質(zhì)和傳熱;(2)以電滲、電泳定向流形式驅(qū)動樣品在分離、富集、檢測各步驟之間定向遷移,保證樣品前處理/檢測順利進行;(3)利用在線聯(lián)用技術(shù)集成樣品前處理與分析步驟,以提高自動化程度和減少人為誤差;(4)通過微型化裝置或微萃取方法提高樣品制備效率，縮短樣品制備時間。圖1總結(jié)了近10年來基于電驅(qū)動的在線快速分離富集技術(shù)的文獻報道情況,該研究領(lǐng)域每年都有超過100篇的研究論文,其中半數(shù)以上的文獻是基于電驅(qū)動毛細管在線分離富集方法,電驅(qū)動膜萃取在線分離富集技術(shù)研究的文獻雖然較少,但呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢,正逐漸成為研究熱點。本文綜述了包括電驅(qū)動毛細管分離富集、電驅(qū)動芯片分離富集和電驅(qū)動膜萃取3種在線模式的電驅(qū)動在線分離富集技術(shù)的研究進展,討論了該技術(shù)的能量輸入、定向流加速傳質(zhì)、集成策略和微型化等加速樣品制備原理,展望了電驅(qū)動在線快速分離富集技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢。

1 電驅(qū)動毛細管在線快速分離富集技術(shù)

根據(jù)帶電粒子在電場作用下在介質(zhì)中定向遷移的性質(zhì),通過在毛細管兩端施加高壓電場實現(xiàn)的毛細管電驅(qū)動技術(shù)不僅是快速、高效、低耗的分離手段,同時也是復(fù)雜樣品快速制備的有效途徑。電泳分離之前在同一毛細管中先進行樣品的電場聚焦,在線毛細管電泳分離技術(shù)利用電滲驅(qū)動和電泳驅(qū)動對樣品進行預(yù)分離富集,能提高電泳分離效率和檢測靈敏度,且操作簡便、速度[5,6]。而利用在線聯(lián)用技術(shù)將微萃取與毛細管電泳進行集成,通過電驅(qū)動實現(xiàn)樣品中目標物在樣品制備與分析檢測各步驟之間的定向遷移,則在保持自動化樣品分析省時省力優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進一步拓展了毛細管電泳技術(shù)在復(fù)雜樣品分離分析的應(yīng)用范圍。

1.1 在線毛細管電泳分離富集技術(shù)

在毛細管兩端施加電場,管中的溶液受電滲驅(qū)動進行定向移動,移動速度與溶液理化性質(zhì)密切相關(guān)。通過調(diào)控樣品溶液和電泳背景溶液的離子濃度,可重新分配毛細管中的區(qū)域電場強度,改變樣品與帶電粒子的遷移速度乃至方向，以達到目標物分離富集的效果[7,8]。另外,基于待測目標物在不同電泳背景溶液中淌度、解離度等的性質(zhì)差異也可進行電驅(qū)動樣品預(yù)富集[9,10]。這些電場聚焦技術(shù)可與電泳分離在同一毛細管中完成,實現(xiàn)在線樣品前處理與電泳分析的聯(lián)用,無須附加樣品前處理裝置,操作簡便[11,12]。根據(jù)操作方法和富集效果可細分為簡單電場聚焦、增強電場聚焦、整管聚焦、等速電泳聚焦和pH聚焦在線毛細管電泳分離富集技術(shù)。

圖 2 簡單電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of simple electric fields stacking-CE online separation and enrichment technique

簡單電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)中,低離子濃度的樣品以電動進樣模式引入毛細管中高離子濃度的電泳背景溶液,樣品區(qū)帶上的電場強度大于電泳背景溶液,目標分析物可在進樣口處富集,形成簡單電場聚焦(見圖2)。Zayed和Belal等[11]建立了簡單電場聚焦-CE方法用于茚達特羅和葡萄糖吡喀兩種藥物的同時測定。他們將低離子濃度的樣品甲醇-水(70∶30, v/v)溶液以電動進樣模式引入充滿65 mmol/L磷酸鹽緩沖液的毛細管中,進樣電壓10 kV,進樣時間20 s,使目標物富集于樣品溶液與緩沖液交界面。該方法有效提高了茚達特羅和葡萄糖吡喀的檢測靈敏度,并成功應(yīng)用于血漿和尿液中2種藥物的測定。簡單電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)還在天然產(chǎn)物研究[13,14]、食品安全[15]、藥物監(jiān)測[16]中得到應(yīng)用。

增強電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)是在簡單電場聚焦操作之前,以壓力進樣模式先進一段純?nèi)軇﹨^(qū)帶,再以電動進樣模式引入樣品溶液,此時純?nèi)軇﹨^(qū)帶上電場強度遠大于毛細管中其他區(qū)域,引起目標分析物的增強電場聚焦。由于溶劑區(qū)帶長度可控,目標物的富集效果也得到相應(yīng)提升。Hamidi等[17]用增強電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)實現(xiàn)了呼出液中美沙酮的手性分離與測定。所有樣品進樣前先在毛細管中注入一段水區(qū)帶,再以電動進樣模式引入樣品溶液,進樣電壓15 kV,進樣時間40 s。增強電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù)也用于單個神經(jīng)元細胞內(nèi)代謝物檢測,靈敏度提高了100～300倍[18]。在尿樣中卡西酮對映體的檢測中,靈敏度提高了444～472倍[19],在磺胺類藥物快速分析中,其富集倍數(shù)高達150～206倍[20]。

為提高痕量目標物的富集倍數(shù),整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)先將樣品溶液灌滿整根毛細管,再施加反向分離電壓,使電泳背景溶液從毛細管出口處倒灌進入,在樣品/背景溶液界面形成電場強度梯度,并持續(xù)富集目標物直至背景溶液到達進樣口。Chen等[21]運用整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)進行細胞中銅離子分析,他們先將樣品溶液充滿毛細管,然后施加與分離過程相反的高壓,將樣品基質(zhì)推出毛細管,當背景溶液完全填充毛細管時,又將電源極性改變,使分離條件回到正常的分析。與常規(guī)毛細管區(qū)帶電泳分析相比,該技術(shù)樣品富集倍數(shù)高達1 000倍。整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)在藥物質(zhì)量控制[22,23]、天然產(chǎn)物研究[24]、環(huán)境監(jiān)測[25]中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

pH聚焦-CE在線分離富集技術(shù)通過調(diào)節(jié)樣品溶液與電泳背景溶液的pH值,弱解離樣品在通過pH突變界面時因解離度變化而改變遷移速度,形成樣品聚焦。Li等[29]利用該技術(shù)成功分離富集血液中的肌紅蛋白。pH聚焦-CE在線分離富集技術(shù)還可用于弱堿性/弱酸性或兩性離子[30,31],如肽[32]和氨基酸[33]的分析。

將兩種或兩種以上的電場聚焦技術(shù)結(jié)合,采用協(xié)同電場聚焦或多步電場聚焦的方法提高富集倍數(shù)已成為一種趨勢。結(jié)合增強電場聚焦和整管聚焦2種電場聚焦技術(shù),Hsieh等[34]采用增強電場聚焦-整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)分析動物飼料中8種激素,與常規(guī)電泳技術(shù)相比,靈敏度提高了400～2 000倍。Kawai等[35]發(fā)展了簡單電場聚焦-增強電場聚焦-CE在線分離富集技術(shù),在葡萄糖低聚物分析中,該方法靈敏度提升高達5個數(shù)量級。

1.2 微萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)

基于電場聚焦作用的毛細管電泳在線分離富集技術(shù)雖然具備裝置簡單、操作簡便的優(yōu)勢,但在復(fù)雜樣品分析中容易受到基體干擾,且富集效果受到進樣體積或毛細管長度的限制[36,37]。毛細管中實現(xiàn)微萃取-電泳在線聯(lián)用技術(shù)在復(fù)雜樣品分離富集中優(yōu)勢明顯。該技術(shù)主要包括液相微萃取-毛細管電泳及微固相萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)。

液相微萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)中液相微萃取常以液膜萃取形式進行。操作過程與增強電場聚焦相似,先以壓力進樣模式向毛細管引入萃取液膜區(qū)帶,再以電動進樣模式引入樣品溶液,樣品溶液中目標分析物在電驅(qū)動下穿過萃取液膜區(qū)帶富集于液膜/緩沖液界面。該技術(shù)中萃取液膜不僅起到消除樣品基質(zhì)干擾的作用,還引起目標分析物的電場聚焦。Chui等[38]采用自由液膜萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用技術(shù)測定污染河水樣品中百草枯和地喹,與常規(guī)CE分析相比,在線分離富集技術(shù)靈敏度提高了1 500～1 866倍,且不再需要附加離線樣品前處理步驟。

圖 3 微固相萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用方式Fig. 3 Online integrated micro solid-phase extraction-capillary electrophoresis methods

在電驅(qū)動下,微固相萃取(μ-SPE)與毛細管電泳也可實現(xiàn)在線聯(lián)用。如圖3所示,在電泳毛細管上利用微固相萃取涂層或整體柱的形式對進樣端修飾,或直接將固相萃取小柱拼接到進樣口,微固相萃取和電泳可在同一根毛細管上進行[39]。Zhang等[40]采用μ-SPE整體柱方式修飾電泳毛細管進樣口,并在修飾后的毛細管中進行牛血清白蛋白、非洲爪蟾卵和大腸桿菌中多肽的在線微固相萃取-毛細管區(qū)帶電泳-質(zhì)譜分析。Pero-Gascon等[41]報道了一種在線適配體固相萃取-毛細管電泳-質(zhì)譜技術(shù)用于血液中α-核蛋白的分離富集。適配體固相萃取小柱以拼接方式接入電泳毛細管,紅細胞裂解液樣品在電驅(qū)動下進入毛細管前端的適配體固相萃取小柱,目標物預(yù)分離富集后,再進行電泳與質(zhì)譜分析。該方法線性在0.5～10 μg/mL之間,LOD為0.2 μg/mL,可用于分析帕金森病患者紅細胞裂解液中內(nèi)源性α-核蛋白。

在一根毛細管上實施的微固相萃取-毛細管電泳在線聯(lián)用分離富集雖然在復(fù)雜樣品分析中有一定的優(yōu)勢。但是,在SPE過程中樣品基質(zhì)也會通過分離毛細管導(dǎo)致分離通道污染,影響分離效果。在獨立的兩根毛細管中分別進行固相萃取和電泳,并以泵、閥和流體控制實現(xiàn)在線聯(lián)用，可避免樣品基質(zhì)對分離通道的污染,且能進一步增大樣品處理量。Zhang等[42]采用四通納米閥作為接口,實現(xiàn)μ-SPE-CE在線聯(lián)用,并應(yīng)用于廢水中磺胺類抗生素的分析。該方法每次進樣可對20 mL樣品進行在線分離富集,與常規(guī)CE相比,LOD降低了約20倍。

2 電驅(qū)動芯片在線快速分離富集技術(shù)

樣品前處理時長與待處理樣品量和處理效率直接相關(guān)。利用微加機械加工與微流控技術(shù)實現(xiàn)的樣品前處理微型化,不僅可處理微量樣品,還能在微通道中迅速完成傳質(zhì)和傳熱過程,加速樣品制備[43,44]。通過微流控芯片加工過程中定制的通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和流體操控技術(shù),在一塊芯片上完成萃取、分離、富集、純化、檢測等多個樣品前處理和分析步驟[45,46]。而電驅(qū)動流體控制技術(shù)因其高效、靈活、清潔等優(yōu)勢從眾多微流體操控技術(shù)中脫穎而出。在電驅(qū)動芯片在線分離富集技術(shù)中,電泳驅(qū)動力可實現(xiàn)目標物的電泳分離,電滲驅(qū)動力既可作為芯片上不同單元之間流體輸送動力,也可用于電動流體泵閥的操控[10,47]。該在線聯(lián)用技術(shù)主要包括在線芯片電泳分離富集技術(shù)和微萃取-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)。

2.1 在線芯片電泳分離富集技術(shù)

芯片電泳是微型化的毛細管電泳,所以毛細管電泳在線分離富集方法能在芯片上實施。而芯片通道的加工方式,使分離通道截面積更小,尺寸更均一,加快傳質(zhì)平衡的同時減少焦耳熱的產(chǎn)生,提升電泳分離性能[48,49]。在分離微通道入口處設(shè)計進樣閥,芯片電泳的自動進樣極易實現(xiàn)。芯片電泳的電場聚焦技術(shù)自動化程度更高,速度更快,而芯片裝置的便攜性使其在現(xiàn)場快速檢測中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[50,51]。

Zeid等[52]報道了一種在十字芯片通道上實現(xiàn)的簡單電場聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用技術(shù)。該技術(shù)先將樣品溶于低離子濃度緩沖液(3 mmol/L硼酸鹽緩沖液)中,以高離子濃度緩沖液(30 mmol/L硼酸鹽緩沖液)為電泳背景溶液,電動進樣過程中目標分析物巴噴丁(GPN)和普瑞巴林(PGN)被富集于樣品區(qū)帶前端。該方法對PGN和GPN芯片電泳檢測靈敏度分別提高了14倍和17倍,整個分離富集檢測可在4 min內(nèi)完成。Cheng等[53]利用增強場聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),并于電感耦合等離子體質(zhì)譜檢測聯(lián)用測定面包中溴的形態(tài)。該技術(shù)可在35 s內(nèi)實現(xiàn)溴酸鹽和溴酸鹽的分離,且溴酸鹽和溴酸鹽的靈敏度分別提高了12.8倍和12.0倍。Zhang等[54]報道了增強場聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù)在大腸桿菌檢測中的應(yīng)用。Kitagawa等[55]報道了整管聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),首先使用注射器將樣品溶液手動注入整個通道,再利用反向電泳驅(qū)動力使樣品遷移回進樣口并富集于狹小區(qū)帶中,隨后,該技術(shù)被應(yīng)用于DNA片段的預(yù)富集和芯片電泳分離。Kawal等[56]利用整管聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù)將低聚葡萄糖芯片電泳檢測靈敏度提高了3個數(shù)量級以上。在芯片上等速電泳聚焦的靈敏度和效率與CE相比較低,但是它的裝置簡單,操作更加靈活[57]。Eid等[58]用等速電泳聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)分析全血樣本中失活的單核增生李斯特菌,包括細胞裂解、萃取、檢測等步驟在內(nèi)的整個分析過程僅需50 min,且可通過芯片設(shè)計加工多通道芯片,實現(xiàn)多個樣品的同時分析檢測。

多種電場聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用技術(shù)的集成,可將不同聚焦技術(shù)的優(yōu)點相互結(jié)合,使目標物的靈敏度得到提高。Kitagawa等[59]采用簡單電場聚焦-增強電場聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),研究了微芯片電泳,并實現(xiàn)了高靈敏度的分析。該方法將染料的分析靈敏度提高了4 520倍,是單一增強電場聚焦-芯片電泳分析靈敏度的33倍。Wang等[60]將整管聚焦-多步增強電場聚焦-芯片電泳技術(shù)運用于大腸桿菌的分析,該電驅(qū)動多重富集策略的富集倍數(shù)高達6 000倍,且操作簡單,樣品消耗量少。

2.2 微萃取-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)

在芯片上構(gòu)建微型化樣品前處理單元,微萃取與電泳的在線聯(lián)用可通過芯片通道中的流體操控技術(shù)實現(xiàn),而樣品前處理裝置的微型化,可進一步加速分離富集過程。目前芯片與微流控技術(shù)已實現(xiàn)了液-液萃取[61,62]、電膜萃取[63]、固相萃取[64]、液相微萃取[65]等前處理步驟與芯片電泳的在線聯(lián)用,在食品安全[66]、環(huán)境監(jiān)測[67]、醫(yī)療診斷[68]等快速檢測中得到應(yīng)用。

將芯片液膜萃取與毛細管電泳在線聯(lián)用,Ramos Payán等[69]利用電驅(qū)動流協(xié)助接受液相向毛細管的轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)了阿米替林、美沙酮、氟哌啶醇、洛哌丁胺、哌替啶等藥物的在線分離富集。液膜萃取芯片由樣品通道、接受液通道和支撐液膜組成,萃取過程以壓力流為主要驅(qū)動力,接受液在電驅(qū)動力協(xié)助下進入毛細管進行后續(xù)在線分析。該技術(shù)的萃取效率和富集倍數(shù)都較之前的文獻報道高[70]。以阿米替林為例,120 min的連續(xù)萃取可實現(xiàn)500倍的富集。

將分子印跡固相萃取整體毛細管柱接入電泳芯片,Zhai等[71]的微固相萃取-芯片電泳在線聯(lián)用裝置可在電場驅(qū)動下依次進行樣品的提取、注射、分離和檢測。該方法避免了在微通道中制備固相萃取柱的煩瑣步驟,也可針對目標分析物更換整體柱,拓展裝置的應(yīng)用范圍。Cakal等[64]在芯片上進行硅烷化處理后進行修飾,用SPE-CE在線聯(lián)用裝置對兒茶酚胺進行富集、洗脫和檢測,該方法可實現(xiàn)100倍的富集。

3 電驅(qū)動膜萃取在線分離富集技術(shù)

2006年,Pedersen-Bjergaard等[72]報道了一種基于電驅(qū)動的液膜萃取方法,可使帶電目標物在直流電場作用下穿過支撐液膜進入接受溶液。因其快速高效,且具備一定的選擇性,以該方法為原型的電膜萃取技術(shù)逐漸發(fā)展起來,并在生命[73,74]、環(huán)境[75]、醫(yī)藥[76,77]、食品[78]等復(fù)雜樣品制備中得到有效應(yīng)用。傳統(tǒng)的液相分離系統(tǒng)以目標物的濃度梯度為驅(qū)動力,而電膜萃取技術(shù)將電場這一能量場引入液相分離系統(tǒng),不僅向系統(tǒng)中輸入能量、加速傳質(zhì),還驅(qū)動帶電目標物在電場中定向遷移,進一步加速萃取過程[79]。電膜萃取中的支持液膜則起到消除基質(zhì)干擾的重要作用,選用適當或改良膜材料可提升該樣品前處理技術(shù)的選擇性[80]。通過樣品溶液和接受溶液體積調(diào)控,電膜萃取也能應(yīng)用于痕量目標物的有效富集[80,81]。除此之外,與其他加速樣品制備策略聯(lián)用還能進一步提升電膜萃取的性能。例如采用陣列裝置可對多個樣品進行同時電膜萃取[73];與液相微萃取聯(lián)用可拓寬電膜萃取技術(shù)的適用樣品范圍[75,82];通過在線聯(lián)用技術(shù)使電膜萃取與其他樣品制備/分離分析步驟自動進行,減少人為操作,提升樣品分析性能[83,84]。

常見的電膜萃取模式包括中空纖維、平面模式、芯片式和微電膜萃取[80]。其中芯片式和微電膜萃取正受到越來越多的關(guān)注。據(jù)文獻報道,電膜萃取技術(shù)制備的樣品可通過LC[85]、LC-MS[83,86,87]、HPLC[78,88]、GC-MS[89,90]、CE[73,91]、MS[77,92]、伏安法[93]等方法進行分析。而集成多種高效樣品制備特性的電膜萃取在線分離富集技術(shù)在復(fù)雜樣品分析中優(yōu)勢明顯。

將電膜萃取與電噴霧電離-質(zhì)譜(ESI-MS)直接在線聯(lián)用,Rye等[77]報道了相似的EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù),實現(xiàn)了生理pH條件下兩性離子代謝物的有效分離富集與實時監(jiān)測,并成功應(yīng)用于大鼠肝微粒體中羥嗪和伏替西汀的代謝研究。Dugstad等[84]研發(fā)的EME-ESI-MS方法成功地將待測目標物從緩沖液和蛋白質(zhì)中分離富集出來,避免離子抑制和質(zhì)譜儀的污染,實現(xiàn)了大鼠肝臟微粒體中堿性藥物阿米替林的藥物代謝反應(yīng)的實施監(jiān)測。Fuchs等[94]將EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù)用于阿米替林、異丙嗪和美沙酮3種不同藥物的代謝動力學(xué)研究。他們的研究結(jié)果顯示,與LC-ESI-MS相比,EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù)在快速分析上呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢,可在20 s內(nèi)完成單個樣品分析,在藥物代謝的監(jiān)控中極具應(yīng)用潛力。與快速傅里葉變換方波伏安法(FFTSWV)在線聯(lián)用,Norouzi等[93]報道的EME-FFTSWV在線分析技術(shù)可在低電壓下完成血液中格列本脲的高靈敏度檢測。

圖 4 芯片式電膜萃取-高效液相色譜-質(zhì)譜在線聯(lián)用示意圖[86]Fig. 4 Schematic diagram of online combination of on-chip EME-HPLC-ESI-MS[86]

利用微加工技術(shù)實現(xiàn)的電膜萃取裝置微型化,電驅(qū)動芯片膜萃取(on-chip EME)不僅可減少樣品和溶劑的消耗,還能通過微流控技術(shù)精確操控流體定向流動,易于與各種樣品制備/分析技術(shù)在線聯(lián)用。Petersen等[92]將on-chip EME與ESI-MS直接在線聯(lián)用,應(yīng)用于阿米替林藥物代謝研究,單個分析過程僅需9 s。On-chip EME將待測目標物從富含蛋白質(zhì)和電解質(zhì)的少量樣品溶液中快速、高效地分離富集出來,再將目標物進行ESI-MS在線分析,該方法的重現(xiàn)性良好,在線on-chip EME-ESI-MS技術(shù)在少量樣品的實時監(jiān)控研究中展現(xiàn)出超強潛力。在on-chip EME與ESI-MS之間增加在線色譜分離步驟進一步提升樣品制備效果,拓寬電膜萃取在線分離富集技術(shù)的應(yīng)用。See等[86]介紹了一種在線on-chip EME-HPLC-ESI-MS分析系統(tǒng),用于河水中氯化苯氧乙酸除草劑的測定。該在線分析系統(tǒng)通過注射泵(syringe pump)和閥(selection valve)控制流體在系統(tǒng)中的定向流動,在萃取芯片(extraction cell)上施加電壓進行連續(xù)電膜萃取,萃取芯片末端的接收溶液出口與HPLC-MS儀器連接完成萃取物的在線分析(見圖4)。Hansen等[87]也報道了類似的在線on-chip EME-HPLC-ESI-MS分析系統(tǒng),并通過萃取芯片設(shè)計將電膜萃取的富集倍數(shù)提高到400,使得納升級樣品中痕量目標物的分析成為可能。在不斷提升樣品制備效果的同時,該在線分析技術(shù)的應(yīng)用也從液體樣品拓展到固體樣品。例如,Kamankesh等[78]將on-chip EME-HPLC方法用于烤肉中多環(huán)芳香烴的檢測。除了與分析儀器在線聯(lián)用,on-chip EME還能與其他樣品前處理技術(shù)在線聯(lián)用,以取得更好的樣品制備效果。Karami等[90]在芯片上加工EME單元和分散液液微萃取(DLLME)單元,利用離心力控制微通道中的流體流動方向,完成在線on-chip EME-DLLME,制備好的樣品通過GC-MS進行分析。

電驅(qū)動微型膜萃取(μ-EME)是EME的微型化模式,且樣品與接受溶液之間換用自由液膜,不再需要膜體支撐。μ-EME中可精確控制溶液體積,而透明裝置則利于實時觀察萃取過程,是電膜萃取理論研究的利器。Kubáň課題組在μ-EME理論[91,95,96]與應(yīng)用[85,97]研究上做出了眾多貢獻。該課題組的最新研究進展之一是將μ-EME與HPLC在線聯(lián)用[85],不僅保留了萃取速度快的優(yōu)勢,還實現(xiàn)了自由液膜的自動更換,有效避免了μ-EME樣品殘留和膜容量損失的問題。

電膜萃取在線分離富集技術(shù)在幾秒鐘的時間能完成樣品分離富集,且富集效果超過兩個數(shù)量級,已在藥物代謝研究中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。通過裝置微型化,on-chip EME和μ-EME可用于小體積樣品的超快速分離分析,而與其他樣品前處理技術(shù)的在線聯(lián)用以及先進膜材料的研究也將拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)論與展望

在復(fù)雜樣品分析中,如何快速、高效地從復(fù)雜成分的實際樣品中將痕量的目標化合物進行分離富集,是提高分析靈敏度、選擇性和準確性的關(guān)鍵。以電場為驅(qū)動力的在線分離富集技術(shù),既能向體系做功,又能驅(qū)動樣品在分離、富集、檢測各步驟之間定向遷移,保證熵減過程順利進行,是快速樣品制備的有效途徑。本文綜述了電驅(qū)動毛細管分離富集、電驅(qū)動芯片分離富集和電驅(qū)動膜萃取3種模式電驅(qū)動的在線快速分離富集技術(shù)研究進展。討論了該技術(shù)中基于電場的能量輸入、電驅(qū)動定向流加速傳質(zhì)、在線集成策略和裝置微型化等加速樣品分離富集的方法與原理?；陔婒?qū)動的在線分離富集技術(shù)具有速度快、分離富集效果好、自動化程度高的優(yōu)勢。但是該技術(shù)多與電泳、質(zhì)譜分析技術(shù)聯(lián)用,在復(fù)雜樣品中的應(yīng)用較少。分析化學(xué)所面對的樣品復(fù)雜程度越來越高,發(fā)展快速分離富集技術(shù)對復(fù)雜樣品分析意義重大,未來基于電驅(qū)動在線快速分離富集技術(shù)研究將集中在以下幾個方面:(1)集成先進的樣品前處理材料與技術(shù),進一步提高分析方法的選擇性和靈敏度,加快分析速度。(2)與色譜、拉曼光譜等高性能檢測器在線聯(lián)用,拓寬基于電驅(qū)動在線快速分離富集技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,并為相關(guān)色譜、光譜檢測提供快速有效的前處理技術(shù)。(3)針對食品、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域快速檢測需求,發(fā)展可用于復(fù)雜樣品分析的基于電驅(qū)動在線快速分離富集的快速檢測技術(shù)。