分散液相微萃取(DLLME)是近年来发展起来的一种新型样品前处理技术[1],相当于微型化的液液萃取,是基于目标分析物在样品溶液和小体积的萃取剂之间平衡分配的过程。在DLLME操作过程中(见图1),首先向样品溶液中加入萃取剂和分散剂,然后振荡混合至形成乳浊液,在离心分层后用微量进样器取出萃取剂直接进样分析。该技术具有操作简单、快速、富集效率高、对环境友好、成本低等优点,在分析化学领域具有广泛的应用前景。
然而,DLLME技术亦存在一些不足:该技术要求萃取溶剂的相对密度高于水且不溶于水,限制了可选择的萃取溶剂种类;对极性较大的化合物萃取效率不理想;对基质复杂的样品(如食品、土壤、药品、生物样品等)适用性差等。因此,有关DLLME技术的最新研究主要围绕如何解决上述困扰而展开,以进一步拓展该技术的应用范围。其中,低密度有机萃取剂、新型离子液体萃取剂和多种类型辅助分散的使用、萃取装置的改进、与其他前处理技术的结合等成为目前研究的热点[2, 3, 4]。
目前已有许多有关DLLME技术的综述报道,分别从不同的角度阐述了该技术研究的发展状况。本课题组[5]曾从DLLME技术与气相色谱仪、液相色谱仪、原子吸收分光光度计等多种仪器联用的角度进行了较为详细的评述; El-Shahawi等[6]、Vinas等[7]、Han等[8]和Farajzadeh等[9]分别总结了在金属离子富集、食品分析、环境与生物以及农药残留领域中DLLME技术的发展。在此基础上本文针对近年来DLLME技术研究的最新进展做一简要介绍。
最初,DLLME技术主要应用于较为简单的样品基质,对复杂基质的适用性较差。与其他净化或萃取技术相结合,尽管不可避免地增加了操作的复杂性,但在一定程度上能够提高DLLME的选择性、灵敏度以及适于更复杂样品萃取的能力,从而进一步拓展DLLME的应用范围。到目前为止,DLLME技术已经分别与固相萃取(SPE)[10]、分散固相萃取(DSPE)[11]、基质固相分散萃取(MSPD)[12]、QuEChERS萃取[13]、超临界流体萃取(SFE)[14]以及搅拌棒萃取(SBSE)[15]等结合使用,成功地应用于多个分析领域。
最近,DLLME技术与电膜萃取(EME)、盐析辅助液液萃取(SALLE)和磁性固相萃取(MSPE)结合使用,为该技术的发展拓展了新的研究方向。部分相关报道见表1。
EME技术是2006年Pedersen-Bjergaard等[22]首次提出的新型微萃取技术,主要用于提取尿液、血浆或者其他复杂而不含有蛋白质沉淀的生物样品中可电离的化合物。该技术在外加电压作用下,使分析物经中空纤维膜的膜孔进入膜内的液体接收相,达到高效富集并且与样品基质快速分离的目的。但是,该技术的缺点是很难与气相色谱匹配。
Seidi等[16]首次将EME与DLLME两种萃取技术相结合,并采用气相色谱手段检测人类血浆和尿液中的三环类抗抑郁药物。实验操作过程较为简单(见图2):用注射器向中空纤维膜内注入100 mmol/L HCl,再将中空纤维膜连同负极一起放入24 mL样品溶液中,开启高压直流电源和磁力搅拌器,开始提取富集分析物。在外加电压作用下,分析物经中空纤维膜的膜孔进入膜内的液体接收相,萃取14 min后关闭电源和磁力搅拌器。使用注射器将中空纤维膜内的接收相吸出,收集在1 mL碱性溶液中,以四氯化碳为萃取剂、甲醇为分散剂,超声辅助DLLME操作。最后取2 μ L萃取剂进行气相色谱分析。两种技术的结合为复杂生物样品中三环类抗抑郁药物检测提供了新的分析途径。分析物经过DLLME技术的提取富集可直接注入气相色谱进行分析,消除了EME与气相色谱难以匹配的棘手问题。另一方面,EME在预富集、基质净化等方面对于复杂的生物样品有很好的适用性,有效地避免了DLLME对复杂基质适应性差的缺憾。此外,两种技术的结合提高了富集倍数(383～1065)。
该课题组采用相同的方法,检测分析了人体尿液中的吡啶衍生物[17]。该方法在0.5与500 ng/mL 之间线性关系良好,日内与日间的相对标准偏差分别低于5.3%和13.1% 。该技术成功地应用于复杂样品中吡啶衍生物的检测,操作简单、快速,成本低廉。
对于盐析现象,一般认为加入盐后,在静电引力的作用下均相混合溶液中极性较大者优先聚集并环绕在盐的周围,使其不再具有原来的性质,从而造成两相分离。或者是盐的加入降低了均相混合溶液中两相的互溶能力,盐会优先溶于其中某一相,从而使该相不能再溶解另一相。很显然这两种情况都有可能发生,但前者由溶剂化过程导致均相溶剂分离的盐析现象更为常见。而SALLE技术就是利用盐析作用使混合溶液产生相变分离现象,并同时萃取富集目标物的新型萃取方法。该技术操作简单,平衡时间短,相分离快且界面清晰,可避免使用有毒溶剂,对环境友好,在分离与纯化领域应用广泛。
Fan等[18]将该技术与DLLME结合,检测酒类样品中的氯酚类化合物。在50 mL的样品液中加入7 g NaH2PO4\52H2O和28 g (NH4)2SO4,振荡使其完全溶解,随后通过离心使两相分离。紧接着将2 mL富含分析物的上层悬浮乙醇溶液转移到离心管中,加入250 μ L碳酸二乙酯(低密度萃取剂)和8 mL去离子水(pH 2.0,用HCl调节酸度),混合液震荡、离心各5 min,最后取出悬浮的萃取液滴((125±5) μ L)并溶解在250 μ L甲醇中,进行HPLC分析。该方法的线性范围为1～80 ng/mL 之间,检出限为0.19～0.67 ng/mL,日内与日间相对标准偏差分别低于5.6%和8.0% 。与其他前处理技术相比,该方法易于操作,有机溶剂消耗少,富集倍数高(＞334)。碳酸二乙酯作为萃取剂,与氯酚类化合物进行络合,减少了红酒中色素的干扰。两种技术的结合为葡萄酒行业检测痕量氯酚提供了快速、有效的样品前处理技术。
Ma等[19]在检测饮用水中痕量的卤代乙腈时,亦将两种技术结合使用。萃取剂(二氯甲烷,50 μ L)和盐(Na2SO4,2.4 g)先后加入装有8 mL水样的锥形离心管中,摇晃(1 min)后离心(3500 r/min,3 min)。最后取4 μ L沉淀相直接注入程序升温蒸发(PTV)进样器进行GC-MS分析。PTV进样器的使用可提高方法的灵敏度。在实验条件下,首次分析检测了饮用水中的痕量一碘乙腈(monoiodoacetonitrile,MIAN),其稳定性与其他6种氯代或溴代乙腈无明显差异,表明该方法可用于饮用水中典型含氮消毒副产物的检测。
MSPE是近年发展起来的一种新型样品前处理技术,通过施加一个外部磁场即可实现磁性吸附剂和样品溶液的两相分离,操作简单、省时快速、无需离心过滤等繁琐操作。
我们课题组[20]采用磁性石墨烯纳米复合材料作为磁性固相萃取的吸附剂,然后与DLLME结合(操作过程如图3所示),测定了绿茶和环境水样中5种酰胺类除草剂残留。实现了样品从MSPE得到的较大体积丙酮洗脱液(3 mL)向更适于气相色谱分析的小体积氯苯溶液(35.0 μ L)的浓缩转化,大幅度提高了富集倍数。
Mehdinia等[21]则选择自制的金纳米粒子修饰的磁性介孔二氧化硅材料(磁性Au-NH2-MCM-41)为磁性吸附剂,结合DLLME技术检测海水样品中的5种多环芳烃。方法富集效率高达 5519～6271,且具有良好的重现性。MSPE和DLLME两种萃取技术结合更适合应用于较大体积的样品分析。
最初在DLLME技术中对萃取过程有着重要影响的两种有机溶剂(萃取剂和分散剂)必须符合一定的条件要求。通常所选用的主要萃取剂(密度大于水)是卤苯、氯仿、四氯化碳及二氯乙烷等,分散剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙腈及四氢呋喃等。随着DLLME技术研究的发展,两种溶剂的种类也在扩展。例如采用新型离子液体(IL)作为萃取剂[23]、基于低密度的萃取溶剂而发展的悬浮固化分散液相微萃取(SFO-DLLME)[24, 25](萃取过程见图4)、低密度溶剂型溶剂破乳分散液相微萃取(LDS-SD-DLLME)[26](萃取过程见图5),多种类型(超声[27]、微波[28]、涡旋[29]、震荡[30])的辅助分散萃取等。其中,原位IL-DLLME、表面活性剂辅助DLLME和反胶束DLLME为目前的最新发展方向(见表2)。
IL是一种绿色溶剂,可以根据待测物的性质设计合成具有一定特性的IL萃取剂,以提高具有不同亲脂性的分析物的萃取效率。将其应用于DLLME技术中,可拓展DLLME技术的应用范围。随着IL-DLLME研究的深入,原位IL-DLLME技术引起了越来越多的关注。
基于IL-DLLME技术,Li等[35]将原位卤素交换反应直接应用于检测环境水样中的杀虫剂,使交换反应与分析物萃取同时进行。亲水的IL([C6MIM]Cl,27 mg)添加到装有8 mL样品溶液的锥形管中,摇晃至完全溶解,随后加入1.28 mL离子交换试剂(LiNTf2,0.03 g/mL),将锥形管在冰水浴中晃动1 min,可有效促进原位卤素的交换反应,最终形成一个新的疏水性的IL (C6MIM-NTf2)。与此同时,杀虫剂也被快速提取转移到最终的IL(C6MIM-NTf2)相中。与温控和超声辅助IL-DLLME相比,该方法无需使用有机分散液。实验过程中,交换反应与分析物萃取同时进行,大大缩短了操作时间,而且萃取效率亦令人满意(富集倍数为260～326)。
Stanisz等[36]采用相似的方式,在样品溶液中原位合成IL(HmimNTf2),提取富集土壤中的Cu离子(二乙基二硫代氨基甲酸钠作为螯合剂)。IL因其自身具有低挥发和不易燃烧的特性,在萃取Cu离子的DLLME操作中,能够完全取代传统的挥发性有机萃取剂。此外,实验还采用蒸汽发生进样技术,使待测的Cu离子与硼氢化钠反应,生成气态物质,以达到高效率进样的目的。实验结果表明,合成的IL作为反应试剂对气态物质的生成过程有着重要影响,该方法的检出限为1.8 ng/mL,相对标准偏差为7% 。原位IL-DLLME技术结合蒸汽发生进样- 电热原子吸收光谱(ET AAS)法为检测土壤或者沉积物中的金属离子提供了一种新的途径,亦拓展了DLLME技术对复杂样品分析的适应性。
此外,IL-DLLME技术与其他技术的结合同样受到人们的关注。Jalbani等[37]以SiO2纳米材料为萃取剂,首次采用固-液-固分散萃取(SLSDE)与IL-DLLME相结合的方式,富集了肉类食品中的Ni与Pd,检出限分别为0.17和0.79 μ g/L,富集倍数为125。Zhang等[38]将磁性分离与IL-DLLME相结合,建立了水样中苯甲酰脲杀虫剂的高效液相色谱分析方法。IL-DLLME萃取技术与其他技术相结合,拓展了DLLME技术对分析物的应用范围。
表面活性剂是由截然不同的两部分形成的分子,一部分具有极强的亲油性,另一部分则具有极强的亲水性。溶解于水中以后,表面活性剂能降低水的表面张力,并提高有机化合物的可溶性。基于这一结构特性,表面活性剂已被应用于DLLME技术中替代有机分散剂,成为DLLME研究的热点。
我们课题组较早开展了表面活性剂增强辅助DLLME技术的研究[39]。在装有5 mL水样溶液的锥形玻璃管中,加入150 μ L氯苯(萃取剂)和100 μ L聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100),超声辅助形成乳浊液,随后离心使有机萃取相沉积于锥形玻璃管底端。用微量注射器将其全部转移到100 μ L离心管中并用氮气吹干,随后用20 μ L甲醇溶解,从中吸取15 μ L进行HPLC分析。相比于传统的有机分散剂而言,表面活性剂Triton X-100因其自身结构特性增强了有机萃取剂在水相中的分散效果,同时也增大了有机萃取剂与分析物的接触面积,从而提高了萃取效率。此外,表面活性剂毒性小,价格低廉,是本方法的优势。随后,本课题组选用表面活性剂Tween 20为分散剂,氯苯-氯仿(1 ∶ 1,v/v)为萃取剂,提取富集了环境水样中的氨基甲酸酯类农药,进一步验证了表面活性剂的可应用性[40]。
最近,低密度有机萃取剂被开发并应用于DLLME中,将其与表面活性剂结合,进一步推进了DLLME技术的发展。Lee等[41]首次采用低密度萃取溶剂甲苯和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,涡旋辅助萃取瓶装水中的邻苯二甲酸酯类塑化剂。实验中所用低密度有机萃取剂甲苯比传统有机萃取剂氯苯(大密度)毒性小。Behbahani等[42]则选取了低密度的萃取剂正己醇和十六烷基三甲基溴化铵,提取了尿液和血浆样品中的唑尼沙胺和立痛定,进一步拓宽了该技术在生物医药分析领域的应用。
反胶束是分散于连续有机相中的、由表面活性剂所稳定的纳米尺度的聚集体。一般来说,表面活性剂在溶液中形成反胶束,非极性基团在外,极性基团则排列在内,形成一个具有溶解极性物质的能力的极性核。近年来,将基于表面活性剂发展起来的反胶束萃取应用于DLLME技术中,引起了人们的关注。
与表面活性剂辅助DLLME技术不同,反胶束DLLME最大的优势不仅体现于巧妙的集合凝聚现象和反胶束特性于一体,而且该萃取方法选用的“绿色化学试剂”取代了传统DLLME技术中选用的对环境和人体有毒的萃取溶剂。此外,该方法对于极性较大的分析物同样具有良好的萃取效果。
Jafarvand等[43]将癸酸(萃取剂)反胶束分散于四氢呋喃(分散剂)与水相组成的超分子溶液中,萃取污水样品中的阳离子染料孔雀绿。Roosta等[44]首次将此方法应用于检测复杂样品黄油中的3-羟基-2-丁酮。取2 g黄油样品于离心管中,添加2.0 mL正己烷进行稀释,减小其黏度。随后加入0.065 g(1.25% ,w/v)Triton X-100,涡旋1 min,直至出现均一的相态。取400 μ L蒸馏水作为改性剂添加于混合液中,超声辅助萃取4 min后离心,富含分析物的表面活性剂黏稠相沉降于离心管底部,取5 μ L直接进行HPLC分析。该方法简单快速(提取时间为12.5 min、分离时间为3 min),线性范围宽(0.6～200 mg/L),灵敏度高。较传统DLLME技术而言,反胶束DLLME技术打破了DLLME对极性化合物的分析萃取的局限,拓展了DLLME技术的应用范围,对DLLME的发展具有重要意义。
传统DLLME技术的萃取装置很简单:一个带塞的离心试管和一个微量注射器。随着技术的发展,萃取剂、分散剂等选择的范围与种类不断扩大,萃取装置也不断地改进。Yan等[3]和Leonga等[2]对此进行了详细的总结,如特别设计的烧瓶、窄颈的玻璃管、软吸管等。但这些装置主要用于低毒、低密度的萃取溶剂对分析物的提取富集操作。
在此基础上,Lee等[32]首次对LDS-SD-DLLME操作进行了自动化改进。通过玻璃吹制工艺的改良,将传统的自动进样瓶制成特别设计的窄颈样品瓶。图6为自动DLLME操作过程示意图。80 μ L混合溶剂(由萃取剂甲苯和分散剂乙腈按体积比6 ∶ 130组成)由微量注射器迅速注入装有12.6 mL水溶液的自制样品瓶中,重复操作17次,注入混合溶剂总体积约1.36 mL。此时,形成了萃取液(具有乳化作用)-分散液-水溶液体系。萃取2 min后,微量注射器吸取70 μ L破乳化溶剂(乙腈)再次注入上述体系中,重复操作20次,约注入乙腈1.4 mL。经过3 min破乳化作用,混合液被分为两相,上层的有机萃取相恰好位于自制样品瓶的窄颈部分,从而有利于分析物的收集。最后用微量注射器提取10 μ L有机相,注入GC/MS系统进行色谱分析。选取邻苯二甲酸酯类化合物作为目标分析物进一步验证了方法的可行性。分析物在0.1～50 μ g/L 范围内线性关系良好,检出限低于0.02 μ g/L,相对标准偏差低于5.9% ,富集倍数为178～272。方法中乙腈不仅作为分散剂,还被用作破乳剂并且起到良好的破乳作用,从而免除了离心操作。低密度萃取剂以及自制的窄颈样品瓶的应用,使萃取相能够恰好处于溶液上方,便于微量注射器的收集提取。需要指出的是,该方法的最大创新在于整个操作过程中的每一步骤(包括混合溶剂的注入、乳化体系的形成、分析物的萃取、破乳化作用、萃取相的收集、分析物进样分析)全部实现了自动化,为DLLME技术的发展开辟了新途径。
Suárez和Horstkotte课题组[45]进行了注射器内DLLME技术自动化的研究。通过聚四氟乙烯管将双向注射泵与旋转选择阀连接,在计算机控制下使DLLME操作的整个过程均在注射器内顺利完成。 最近该课题组[33]又在注射器内增加了一个磁子(见图7),提出了全自动磁性搅拌辅助DLLME技术,并将该技术应用于海水样品中金属铝的测定。实验所设计的自动磁性搅拌注射器装置如图7a所示:装置由选择阀(SV)、检测流单元(D)、三通电磁阀(V)、磁力搅拌棒驱动器(H)、注射泵(S)和直流电机(M)组成。自动磁性搅拌辅助DLLME操作过程如图7b所示,240 μ L缓冲溶液、60 μ L荧光镓试剂和4.1 mL样品溶液吸入到注射器中并搅拌混匀,络合反应15 s后,在400 μ L空气流作用下吸入150 μ L正己醇(萃取剂),快速搅拌萃取。随后停止搅拌,在液面上端迅速形成悬浮液滴萃取相,将其缓慢推出,直接使用自制荧光检测器进行分析。方法检出限为6.1 nmol/L,相对标准偏差低于4.4% ,整个过程总用时210 s(包括注射器清理在内),快速、简单、省时。与该课题组之前的研究成果[34]相比,在实现采样、缓冲液处理、配合反应、萃取、分离和分析全部自动化的基础上,磁性搅拌替代了传统的有机分散溶剂,大幅度降低了有机溶剂的消耗,在一定程度上使得注射器内全自动DLLME技术得到了进一步完善。
为了方便适用于密度较大的有机溶剂,该课题组[31]进一步改进实验装置,如图7c和d所示。他们把注射器组件倒置,使得密度较大的萃取相在萃取完成后,自然地凝结于注射器底端,同时缓慢地将其从注射器锥形口推出。实验过程中剩余液体几乎全被注射器移除,从而降低了死体积,也避免了多次萃取之间的交叉干扰。为进一步验证装置的实用性,选用氯仿(密度大于水)为萃取剂,对污水中亚甲基蓝活性物质进行了测定。方法检出限为0.7 μ g/L,相对标准偏差低于3% ,加标回收率为95% ～106% 。表明该方法在自动液液萃取和样品前处理方面具有较强的适用性和应用性。
近些年来,随着DLLME研究的深入和不断完善,DLLME技术发展迅速,尤其在较为复杂的食品检测、药物分析、生物样品分析方面发挥了越来越大的作用。可以预期,建立多种萃取技术联合使用的新方法、开发或改进新型的萃取溶剂、实现自动化操作使之适于更广泛的应用范围,仍是DLLME技术今后发展的趋势。
2015, Vol. 33 Issue (2): 103-111
PDF (2961 KB)
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