固相微萃取技术及其在法医毒物检测中的应用
固相微萃取技术及其在法医毒物检测中的应用
摘 要：
固相微萃取技术是一种新型的样品前处理技术, 具有操作简单、无需溶剂、设备低廉、能够直接用于色谱和色质联用仪进样等特点, 自出现以来就受到人们广泛关注, 目前已在食品、医药、环境、法医毒物等方面的检测中得到了很好的应用。对固相微萃取技术进行了综述, 主要介绍了固相微萃取装置、萃取原理和萃取方式, 并对涂层材料的研究进展及其在法医毒物检测方面中的应用进行了总结。
固相微萃取 (SPME) 技术是在固相萃取 (SPE) 基础上发展起来的一种简单、有效的样品吸附/脱附前处理技术。该技术是1989年由加拿大Waterloo大学Pawliszyn及其合作者Arthur等人提出并逐步发展完善起来的。传统的样品前处理技术存在有机溶剂用量大, 富集倍数低, 操作繁琐、费时, 有时还会出现分析物的损失和污染等较为严重的缺点[1-3], 相比于传统的样品前处理技术, SPME技术将取样、萃取、浓缩和进样集于一体, 具有操作方便, 耗时短, 测定快速高效, 无需任何有机溶剂等优点;同时该技术所需设备简单, 操作快速, 无需其他附属设备, 且分析灵敏度高, 检测限能够达到μg/L~ng/L水平, 分析所需样品的体积小, 不需要完全萃取或者完全平衡等特点。
1 固相微萃取装置
固相微萃取装置由手柄和萃取头构成, 其结构如图1所示。萃取头是一根长1cm的熔融石英丝, 外表可涂有不同性质的固定相涂层。石英丝固定在一根不锈钢轴上, 目的是保护石英丝不被折断, 不锈钢轴又与取样器相连。固相微萃取的原理是建立在待测物在萃取探头固定相和样品溶剂相或气相之间达成的平衡分配基础上, 选择富集样品中的待检测物质, 随后通过热解吸或溶剂解吸的方式将待检测物质分离出来并转移到检测仪器中进行分析。
固相微萃取装置在萃取样品时要先将石英丝缩回针管内, 用针管穿透样品瓶的隔垫, 然后将涂有固定相涂层的探头暴露在样品或顶空中, 萃取一定时间后将探头缩回到针管, 从样品瓶中拔出针管, 之后将萃取头插入分析仪器的进样口, 通过解吸之后进行分离分析。相比较于传统固相萃取的吸附剂萃取过程, 为了保证数据的准确性与结果的重现性, 保持萃取时间、萃取温度和萃取头浸入深度的一致性对于固相微萃取过程是非常重要的。在实际应用中, 由于分析物穿过萃取涂层上的水膜到达萃取涂层的速度很缓慢, 人们通常用超声波震荡、磁力搅拌等方式加速这一过程[4]。SPME过程中常用的三种操作方式为:直接萃取、顶空萃取和膜保护萃取[5], 在具体的实验过程当中, 对于易挥发的被检测物既可以直接萃取也可以顶空萃取时, 一般采用顶空萃取。顶空萃取时分析物可以更快扩散到萃取相上, 与直接萃取相比能够更快达到萃取平衡, 且可以有效地减少分析干扰, 延长萃取头的使用寿命;难挥发性的物质一般采用直接萃取法;对于主要存在于液体当中的分析物, 直接萃取方式相比较顶空萃取更加灵敏。
2 SPME涂层材料
涂层材料的性质和制备方法是固相微萃取技术研究的核心内容, 材料的结构和性能直接影响了SPME萃取的选择性和应用范围, 在很大程度上决定了整个分析结果的准确性和灵敏度。目前商品化的涂层主要有以下几种:聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯 (PDMS/DVB) 、聚乙二醇/模板树脂 (CW/TPR) 、聚二甲基硅氧烷/碳分子筛 (PDMS/CAR) 、聚乙二醇/二乙烯基苯 (CW/DVB) 、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯/碳分子筛 (PDMS/DVB/CAR) 。其中PDMS和PA的应用较为普遍, 二者均可用于气相和液相色谱, PDMS多应用于非极性化合物, PA多应用于极性化合物[6]。
商品化涂层的出现在很大程度上促进了固相微萃取在食品、环境、医药、法医等方面的应用, 但因为其耐高温性和耐溶剂性较差、价格昂贵等因素, 故促进了价格低廉、耐高温、具有更高选择性涂层的研究, 目前对于SPME涂层材料的研究主要以聚合离子液体、聚吡咯和分子印迹等材料的为主。
聚合离子液体是近年来广受关注的一种新型SPME涂层材料之一, 具有热稳定性好、蒸汽压低、溶解能力强等特点。聚合离子液体SPME涂层材料的合成一般采用溶胶-凝胶法来制备, 周欣等[7]以1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸 (HEMIM[BF4]) 和1-羟乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺 (HEMIM-[N (SO2CF3) 2]) 离子液体为涂层材料, 采用溶胶-凝胶方法制备了两种新型的离子液体-羟基硅油 (OH-TSO) 复合涂层固相微萃取探头, 并且通过实验对比发现HEMIM[BF4]具有更好的热稳定性, 其使用温度最高可达到360℃, 对水中芳胺进行检测得到了较好的分析灵敏度和重现性, 检测限为6.3~201.3ng/L, 线性范围为3~4个数量级, 相对标准偏差均在7%以内。周瑞娟等[8]以含离子液体基团的三烷氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷为前体, 通过溶胶凝胶法制备了一种含键合离子液体和苯基双功能基的SPME涂层, 该涂层具有多孔结构且离子液体不易流失, 其使用温度可达340℃;对萃取条件进行优化后采用顶空固相微萃取结合GC/FID的方法, 测得水样中5种多环芳烃的检出限为0.002~0.083μg/L, 相关系数的平方均大于0.9973。
Wu等[9]研究了基于聚吡咯 (PPY) 涂层毛细管的管内固相微萃取技术, 使用该技术对水溶液中芳香族化合物的萃取进行了研究。实验表明, 与商业毛细管涂层相比, PPY涂层具有更高的萃取效率, 尤其是对于多环芳香族化合物和极性芳香族化合物;通过改变涂层厚度可以调节萃取效率和选择性, 并且该涂层材料还能够用于水样中极性和非极性芳烃的同时萃取分析。梁小丹等[10]通过循环伏安法在不锈钢丝表面制备了新型聚吡咯-离子液体涂层, 以5种苯类化合物为目标分析物, 测得该涂层具有良好的稳定性, 使用温度可达到290℃, 相比较于聚二甲基硅氧烷材料, 聚吡咯涂层对苯类化合物表现出了更高的萃取能力。
Pawliszynt等[11]合成了一种分子印迹聚合物 (MIP) 材料, 首次与固相微萃取结合用作管内固相微萃取吸附剂, 对血浆中的β-受体阻滞剂体现了良好的选择性。胡小刚等[12]以丙二醇为模板分子合成了扑灭津分子印迹涂层, 对三嗪农药和混有参考物 (苯) 的溶液进行萃取, 实验结果表明用MIP包覆纤维对丙二醇的萃取率是未印迹聚合物 (NIP) 包覆纤维的10倍, 且对干扰物苯的萃取含量并没有增加, 体现了良好的萃取选择性;在对三嗪农药进行萃取之后, 又对四环素类药物进行了分析, 使用MIP包覆纤维对四环素和结构相似的土霉素、多西环素、金霉素体现了特殊的选择性[13]。
3 固相微萃取在法医毒物检测中的应用
法医毒物分析是以分析化学尤其是现代仪器分析技术为基础, 以能损害生命正常活动的毒物为研究对象并对其进行定量和定性判定, 是服务于国家法制建设的一门应用性学科。文章所指的法医毒物是指凡是能够通过化学或物理化学作用而损害生命正常活动, 引发功能障碍或器质性病变乃至造成死亡的物质。在收集涉及法医毒物以及其代谢物的过程中, 由于涉及目标物的含量较低且能够得到的检材量也较少, 另外部分分析实验具有不可逆性等特点, 所以, 在法医毒物分析中对收集样品进行分离提纯是其分析阶段最关键的一环, 也是需要花费大量时间去研究和发展的重要的、不可缺少的步骤之一。法医毒物分析领域内最常使用的提纯方法有快速溶剂萃取、固相微萃取、固相萃取、液液萃取及搅拌棒吸附萃取等技术。在这些方法中, 由于固相微萃取技术具有所需样品少、无需溶剂、使用范围广、重现性好等诸多优点已被大量用于法医毒物的实践检测应用当中
目前, 国内虽然还没有建立系统的法医毒物分析方法体系, 但固相微萃取技术由于其专一性、灵敏性较高等特点在法医分析方法体系中占据了重要的地位, 并且随着新型SPME涂层材料的出现以及对萃取条件优化等的研究将会进一步提高目标化合物的萃取效率、萃取选择性和检测灵敏度。
4 结束语
固相微萃取技术是集采样、萃取、浓缩、进样于一体的样品前处理新技术, 克服了传统前处理过程当中耗费时间长、需要有机溶剂、污染环境等弊端, 受到了广大研究人员的青睐, 其应用范围在不断扩大, 分析对象从以前的挥发性有机化合物扩展到非挥发性无机毒 (药) 物, 萃取效率和萃取选择性也有了明显的提高, 并且随着科学技术的不断发展, 固相微萃取技术也在不断的完善, 相信固相微萃取技术在法医毒物方面的应用将会发挥越来越重要的作用。
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