金淑培， 邢 鈞

(生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點實驗室，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足的進步，但在面對復(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，直接使用分析儀器測定往往存在困難[1]，因此，通常需要在分析測定前對樣品進行前處理，以達到樣品凈化及目標(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，由于存在有機溶劑消耗量大、樣品分析時間長、操作步驟繁瑣及易造成目標(biāo)物損失等缺點，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、有機溶劑消耗少、重現(xiàn)性好、操作簡便以及易于自動化等優(yōu)點，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[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。

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。正相吸附劑的特點是吸附劑結(jié)構(gòu)中含有羥基、氨基、氰基等極性官能團。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]。反相吸附劑的特點是含有長鏈烷基或苯基等非極性官能團，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是含有離子交換基團，其保留機理是吸附劑與目標(biāo)物之間的離子交換作用[22,23]。由于這些吸附劑與目標(biāo)物之間的作用相對單一，在面對復(fù)雜樣品的分析時常會遇到干擾組分難以去除、回收率低等問題[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是同時含有兩種或兩種以上作用機理不同的官能團，可與樣品中的目標(biāo)物同時發(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具有疏水作用和離子交換作用[25]，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。根據(jù)吸附劑上所含離子交換基團的種類和離子交換作用力的強弱，混合模式吸附劑又分為混合模式強/弱陽離子交換吸附劑和混合模式強/弱陰離子交換吸附劑[26]。表1列出了一些常見的商品化混合模式吸附劑。

2.2 混合模式吸附劑的優(yōu)勢

混合模式吸附劑通常具有疏水和離子交換基團，因此，不僅可以通過調(diào)節(jié)洗脫溶劑的洗脫強度控制吸附劑對目標(biāo)物的保留行為，而且可以通過控制上樣溶液和洗脫溶劑的pH來調(diào)控吸附劑對目標(biāo)物的保留行為。這一特點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 常見的商品化混合模式吸附劑

1polyvinylpyrrolidone-divinylbenzene；2polystyrene-divinylbenzene.

圖2 空白尿樣直接進樣(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/紫外檢測聯(lián)用的方法，用于測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疏水作用保留的共萃取干擾物，但目標(biāo)分析物不會被洗脫下來，從而實現(xiàn)對目標(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對尿樣進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的目標(biāo)分析物時，可采用不同種類混合模式吸附劑組合的方法，通過優(yōu)化上樣和洗脫條件，實現(xiàn)多類別目標(biāo)物的同時萃取、分類洗脫。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/強陽離子交換的Oasis MCX和疏水/強陰離子交換的Oasis MAX)，研究了廢水中15種酸性、中性及堿性藥物的同時富集和分類分離，其流程見圖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)物的個數(shù)，而且通過分類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)和有機聚合物基質(zhì)。這兩種基質(zhì)其實都不完美，既有各自的優(yōu)點，同時也有基質(zhì)本身所決定的無法克服的缺陷。硅膠基質(zhì)具有多孔性、易于傳質(zhì)、機械性能高、有機溶劑耐受性好的優(yōu)點，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。有機聚合物基質(zhì)雖然對強酸強堿的耐受性好，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)對有機溶劑的耐受性較差，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，一是直接通過硅烷偶聯(lián)劑與硅膠表面硅羥基的反應(yīng)引入疏水基團(如C8、C18)和具有反應(yīng)活性的官能團(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)使活性官能團轉(zhuǎn)化為離子交換基團。二是近年出現(xiàn)的基于“點擊化學(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)劑種類不多，可制備的吸附劑種類非常有限。

“點擊化學(xué)”的慨念是由諾貝爾化學(xué)獎獲得者Sharpless[31]于2001年提出的，其特點是：(1)反應(yīng)條件溫和，對水和空氣不敏感；(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)。自點擊化學(xué)的概念提出至今，點擊化學(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，擴大混合模式吸附劑的應(yīng)用范圍。Zhu等[37]通過單次CuAAC點擊反應(yīng)將不同比例的1-十二炔和5-己炔酸同時鍵合到疊氮硅膠表面(圖4)，制備了一種表面同時具有長鏈烷基和羧基的反相/弱陽離子交換混合模式硅膠吸附劑(silica-WCX)。該方法不僅操作方便，而且通過控制1-十二炔與5-己炔酸的投料比，能夠準確控制吸附劑中疏水基團與離子交換基團的比例。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]等多種類型)以及整體柱材料的功能化[42]。

圖4 單次CuAAC點擊反應(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)微球為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，這類吸附劑對極性大的目標(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)機理，即通過氯甲基的Friedel-Crafts反應(yīng)使聚合物鏈進一步交聯(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分子對這兩種吸附劑的萃取性能進行評價，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陽離子交換吸附劑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離子交換吸附劑silica-WCX對水中芳香胺進行萃取分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在pH值為5.0時上樣，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)作為洗脫溶劑對芳香胺的萃取效果最佳，結(jié)合高效液相色譜-紫外檢測器分析，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-熒光檢測器測定城市污水中的11種氟喹諾酮抗生素。當(dāng)樣品溶液的pH為3.0時，目標(biāo)分析物通過疏水和陽離子交換作用被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。實驗對Oasis WCX與Oasis HLB柱的凈化效果進行了比較，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，基線噪音大，影響目標(biāo)分析物的檢測；而經(jīng)Oasis WCX柱凈化后的色譜圖無干擾峰。所有氟喹諾酮抗生素檢出限在0.3～1.5 ng/L之間。

Casado等[50]使用混合模式強陽離子交換吸附劑Oasis MCX，建立了一種固相萃取-液相色譜/四極桿飛行時間質(zhì)譜同時測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，并可以使用有機溶劑有效除去干擾物，因此在質(zhì)譜分析時沒有看到明顯的基質(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]用混合模式強陰離子交換吸附劑Oasis MAX同時萃取牛奶中的6種玉米赤霉醇類化合物，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。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)和日間相對標(biāo)準偏差分別小于8.7%和10.9%。Zhao等[52]建立了測定植物油中異黃酮類和白蘆藜醇類的固相萃取-高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜檢測方法。油樣用正己烷稀釋，Oasis 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對尿中6種β-受體阻滯劑進行固相萃取。實驗對比了這4種吸附劑對目標(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。這是因為β-受體阻滯劑為堿性目標(biāo)物，在堿性環(huán)境下不會電離，而在弱酸性環(huán)境下容易被離子化為帶正電荷的陽離子。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，目標(biāo)分析物通過疏水作用和陽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]用混合模式強陽離子交換吸附劑Bond Elut Certify測定全血中可卡因、安非他命和大麻類物質(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)和日間相對標(biāo)準偏差分別小于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展，我們認為以下幾個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)計方法；借鑒有機合成化學(xué)的研究成果，多官能團的同步、高效引入方法；兼具極端酸堿環(huán)境及有機溶劑耐受性，并且便于化學(xué)修飾的新型吸附基質(zhì)。