基于吸附劑的頂空萃取技術
發布時間：2024-08-21作者：小編來源：點擊：次
隨著對復雜樣品分析需求的增加，人們不僅要求縮短分析時間，而且對分析的靈敏度和精準度提出了更高的要求。目前，常見的復雜樣品包括：生物樣品（如，植物、細胞、尿液、血液等）、環境樣品（如，空氣、水、土壤）、食品、添加劑和石油衍生物等。為了準確分析這些樣品，就需要對整個分析方法的原理和過程有深入的理解。而在樣品分析中，樣品制備作為關鍵步驟，旨在有效分離和預富集分析物，同時減少不必要組分的共萃取。該步驟是影響分析方法的精密度和準確度的主要因素。隨著樣品制備技術的不斷發展，傳統的費時費力、多步驟的技術逐漸被簡單、快速、可靠、高度集成和自動化的新方法所取代。此外，新的樣品制備技術還應遵循綠色化學的12條原則[1]，致力于減少有害物質的使用和生成，從而推動化學分析向更環保、可持續的方向發展。
自上世紀90年代Pawliszyn及其團隊首次提出微萃取技術以來[2]，這一方法便憑借其獨特的選擇性、傳質速率的提高以及樣品萃取容量的增加，在化學分析領域引起了廣泛關注。隨著微型化技術的快速發展，它為人們提供了自動化、小型化、綠色環保的樣品制備技術。微型化技術不僅簡化了樣品制備的流程，還使得樣品制備過程更加便捷、高效，并且能夠與各種類型的分析儀器聯用，為復雜樣品的精確分析提供了堅實的基礎。其中HS萃取是綠色化樣品制備的最佳方法之一。
1 頂空萃取技術
1.1 固相微萃?。⊿PME）
SPME被認為是目前最通用和最受歡迎的樣品制備技術之一，是基于吸附平衡的方法。被開發以來，已在大量用于靶向或非靶向分析，為綠色分析方法的開發（即無溶劑方法）提供了理想的平臺，同時與分析儀器聯用為各種分析研究提供了可靠且精確的數據。
頂空固相微萃?。℉S-SPME）的過程首先要進行預平衡，以促進目標分析物從基體向HS轉移。然后，HS-SPME置于吸附劑相中一段時間（可以通過實驗確定平衡或萃取時間）進行吸附，其中平衡時間是HS-SPME萃取方法開發中的關鍵性能參數。在實際應用中，當萃取量達到平衡期望值的95%時，即達到了平衡[3]。對于理想系統，建議在達到平衡后進行SPME實驗，以確保方法的穩定性和可靠性。然而，在復雜體系中，影響SPME纖維提取分析物的主要因素是競爭吸附過程，而不僅是平衡時間，所以如果實驗靈敏度足夠高，分析人員也可以選擇在平衡時間之前結束萃取過程。
分析物在吸附劑相與樣品基質之間的分配系數（Kes）也是影響HS萃取效率和選擇性的關鍵參數，對提高萃取效率有著至關重要的作用。除了Kes，HS-SPME的動力學和熱力學過程還受到一系列實驗參數的影響，這些參數包括相體積、鹽析效應、pH和溫度等。比如，適當的提高萃取溫度可以加快多相體系中的傳質過程（從而縮短萃取時間），并可能提高分配系數Kes，這是由于HS萃取通常是吸熱過程，溫度的升高有利于分析物從樣品基質向吸附劑相轉移。然而，涂層對分析物的吸收通常是放熱過程。為了緩解這種溫度悖論，可以利用冷纖維固相微萃?。–F-SPME）技術。該方法可以冷卻萃取相同時加熱樣品基體，從而為分析物從樣品基體汽化到被SPME涂層萃取提供最優溫度。CF-SPME的最新應用包括測定土壤樣品中的多環芳烴（PAHs）[4]、測定瓶裝水和咖啡[5]中的鄰苯二甲酸酯和測定血液樣品中的3種抗抑郁藥[6]。
影響萃取的另一個附加參數是萃取相的幾何結構。盡管過去人們開發了許多不同的SPME幾何結構，但在最近的報道中，基于纖維和薄膜SPME（TF-SPME）結構占主導地位。纖維形SPME（圖1a）是一種細絲狀（長至2 cm）基材（如熔融石英或Stable Flex材料），表面涂覆有薄層吸收劑相（<100 mm），放置在注射器式的保護裝置中。為了提高SPME裝置的萃取能力，還開發箭形SPME。因為箭形SPME固定在不銹鋼纖維上因此吸收劑相的比表面積較大，從而提高了萃取能力和靈敏度（如圖1b）。其箭頭狀尖端，不僅可以保護石英纖維涂層，又可以增加纖維的機械性能。最初對箭形SPME的報道主要集中在中在空氣采樣和HS-SPME實驗，最近的研究應用已包括：食品檢測[7]、水樣中的脫腥劑[8]以及植物薊屬指紋圖譜分析[9]。
圖1 頂空固相微萃取裝置（HS-SPME）的主要幾何結構：纖維形SPME（a）；箭形SPME（b）；TF-SPME（c）
Fig.1 Representation of the main geometries for headspace solid-phase microextraction (HS-SPME): fiber-based SPME (a); SPME Arrow (b); Thin-film SPME(TF-SPME) (c)
然而，SPME也存在一些局限性。由于SPME纖維對所有揮發性有機化合物的敏感性并不相同，因此通過SPME技術獲取的樣品峰面積不能準確地反映揮發性有機物在頂空萃取中的實際含量。此外，揮發性有機物在SPME纖維上的競爭吸附也可能影響定量的準確性。同時，極性化合物對用于SPME纖維涂層的親和力較低，可能導致揮發性有機物出現飽和、膨脹和位移效應[10]。另外，SPME還面臨纖維成本高昂的限制，并且這些纖維相當脆弱，容易斷裂。為了克服這一限制，人們嘗試在金屬基體上制備更耐用且穩定的SPME纖維，從而提高器件的機械強度。
1.2 頂空吸附萃?。℉SSE）
攪拌棒吸附萃?。⊿BSE）最早由Sandra和同事[11]于1999年提出，作為一種提高水樣中痕量化合物回收率的新萃取技術。該技術通過在攪拌棒上涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜來吸附分析物。在萃取過程中，攪拌棒直接與水樣接觸，并通過攪拌一段時間直至達到吸附平衡。萃取后，可以用溶劑熱脫附或反萃取對分析物進行氣相色譜（GC）分析。在2000年，Bicchi開發了一種新型的SBSE方法，被稱為頂空吸附萃?。℉SSE）[12]。在HSSE技術中，取樣過程是通過將攪拌棒置于液體或固體樣品的HS中來進行的。HSSE目前已成功應用于食品[13]、細胞培養[14]以及法醫學[15]的分析。
與SPME纖維相比，HSSE的研究較少。這主要因為要利用HSSE開發出真正綠色的方法，需要一個熱脫附單元，而長期以來，PDMS是唯一被開發的涂層材料。然而，PDMS對極性化合物的親和力有限，無法滿足從樣品中萃取多種不同極性化合物的需求。這種非選擇性涂層會導致水相基質中氫鍵化合物的回收率顯著降低。最近，聚乙二醇（PEG）/PDMS和聚丙烯酸鹽（PA）涂層的攪拌棒已上市，但與傳統PDMS涂層[16]相比，這些極性涂層并未顯著提升萃取效率。而SPME可以提供更多種類的涂層選擇，能夠根據不同需求選用不同極性的纖維涂層，因此它可能成為HSSE的一個更有價值的替代品。
1.3 針式微萃取技術
針式微萃取，這一靜態頂空萃取方法自20世紀60年代初被開發以來，憑借其自動化程度高、機械強度優異以及操作簡便等特點，已成為分析揮發性有機物的最成熟技術之一。它源于管內固相微萃?。↖n-tube SPME）技術，并已廣泛應用于固相動態萃?。⊿PDE）、管內萃?。↖TEX）以及針阱裝置（NTD）等類似技術中[17]。然而，由于該技術缺乏預濃縮步驟，導致其靈敏度相對較低。為了提高該技術的靈敏度，在特定類型的頂空采樣器中，研究者采取了特殊的Tenax阱進行多次頂空萃取的方法。在多次提取之后，這些被萃取的物質會被統一解吸到氣相色譜（GC）中進行進一步的分析。
針式微萃取的原理與傳統的熱解吸（TD）管吹掃捕集方法工作原理相似，是一種非平衡萃取技術。因此，為了優化提取條件，需要優化萃取參數（如，樣品溫度、吸入循環次數、柱塞速度和采樣頂空空間體積等）以最大限度地提高回收率。
與SPME相比，針式微萃取技術與動態頂空進樣技術結合，能夠顯著提升吸收劑材料的提取效率。在萃取過程中，影響針式萃取技術萃取效率的參數與影響SPME的參數相似。該過程在規定的溫度和時間下進行樣品預平衡。然后將含有吸附相的不銹鋼針插入瓶中，進行頂空萃取取樣（圖2）。萃取后，用注射器抽出一定量的氣體，在GC的進樣口進行熱脫附。因解吸過程的效率很大程度上受氣體體積和流量的影響，為保證較高的峰容量，常使用GC儀器的聚焦接口[18]。
SPDE、ITEX和NTD的主要區別在于吸附劑的構型。特別是在HS-SPDE中，吸附劑膜被固定在不銹鋼針的內表面上，這種方式與壁涂開管式GC柱的設計頗為相似。這種構型使得吸附劑能夠有效地捕獲和濃縮樣品中的揮發性化合物，為后續的色譜分析提供更高的靈敏度和分辨率。HS-SPDE可應用于尿液[19]、血漿[20]、啤酒[21]和生物分析[22]中。然而，SPDE在連續萃取過程中可能表現出攜帶效應，這可能是由于分析物從針內壁解吸不完全所致。ITEX和NTD使用的是裝有固體吸附劑的針頭，很像TD管的小型化版本。在ITEX中，萃取過程可以完全自動化。NTD由于其較大的吸附劑體積（~120 µL）和很高的靈敏度，可以作為SPDE很好的替代品，并無需額外的儀器，是目前應用最廣泛的針式微萃取技術。NTD萃取可以在動態（主動）或靜態（被動）HS采樣中進行。動態HS取樣是通過使用惰性氣體不斷地從樣品基質中剝離分析物來促進快速萃取，這也增加了分析物的回收率。這種方法也稱為吹掃捕集（P&T）采樣（圖2C）。P&T將萃取和預富集整合為一個步驟可獲得較好重復性。P&T-NTD是水樣分析中最常用的技術之一，已成功用于苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘、揮發性硫有機物、二甲基硫化物、揮發性有機物、芳香烴、豆腥味化合物、氨、甲酸和乙酸、甲基氯化物、溴代甲烷和二惡烷等多種物質的測定。最近，一種低溫捕集器被用來協助從天然水體中提取異戊二烯，以提高該方法的檢出限（LOD）[23]。
圖2 （A）固相動態萃?。⊿PDE）裝置；（B）管內萃?。↖TEX）/針阱裝置（NTD）；（C）使用NTD進行凈化和捕集裝置；（D）針狀萃取的一般萃取過程
Fig.2 Generic representation of a (A) solid-phase dynamic extraction (SPDE) device, (B) in-tube extraction (ITEX) /needle trap device (NTD) syringe and (C) purge and trap using NTD experiment. In (D) is shown a general extraction procedure of needle-based extractions.
1.4 真空輔助技術
真空輔助萃?。╒A）特別適用于低揮發性有機物。根據熱力學理論[24]，HS-SPME實驗中，平衡時分析物的分壓和濃度與總壓無關。因此，無論在環境壓力下還是在真空條件下，平衡時提取的分析物總量都是相同的，而VA在溫和的溫度就具有較高的萃取效率，并能防止活性化合物的分解和萃取偽影的形成。因樣品基質與頂空的傳質過程是決定萃取速率關鍵因素，VA方法增強了樣品與HS之間的傳質動力學使萃取更快，尤其是對亨利常數（KH）小于1.6×104atm·m3·mol-1的分析物。VA-SPME是目前最流行的VA技術，可以擴展到許多裝置，如箭形SPME，TF-SPME，NTD，ITEX，甚至TD管。最近一些研究探索了VA-SPME萃取技術的應用，包括在PDMS和DVB/CAR/PDMS等商用SPME涂層中的應用，及水和土壤中多環芳烴的測定[25]、食品[26]和飲料[27]的揮發性分析和植物中揮發性有機物（VOCs）的分析[28]。研究者還通過對比HS-SPME和VA-ITEX萃取牛奶基質中43種分析物，后者具有更高的萃取效率。與HS-SPME相比，VA-ITEX得到的一些化合物的峰面積增加了450倍[29]。
真空輔助吸收劑萃?。╒ASE）還可以對TD管進行改性稱為吸收劑筆（SPs），用于VA的萃?。▓D3）。該方法通過在¼英寸的SPs上安裝了一個單向微閥，內部填充了固體吸附劑。SPs中連續3個O環提供無漏損的連接，用于樣品吸附和分析物脫附。SPs允許在GC分析前將分析物存儲幾天，從而能夠進行批量提取提高樣品通量。然而，VASE法比SPME法復雜，需要對萃取變量（pH、鹽析效應、樣品量、溫度、時間和攪拌速率）和解吸條件（如，溫度、時間等）進行多元優化。所以VASE報道較少，僅有關于啤酒[30]中酚類化合物的測定和水中紫外吸收劑的測定[31]。酚類化合物的相對標準偏差（RSD）均為7.77%，紫外線吸收劑的RSD均為14%。這些結果表明VASE可用于分析物定量研究。
圖3 真空輔助吸附劑萃取設備：（a）SP；（b）樣品瓶、SP和真空裝置；（c）熱解吸裝置
Fig.3 Vacuum-assisted sorbent extraction (VASE) equipment: (a) the sorbent pen (SP), in which the sorbent is located inside the protective pen; (b) the setup consisting of the sample vial, SP and vacuum apparatus; and (c) the dedicated thermal desorption (TD) unit.
2 吸附劑
在樣品制備技術中吸附劑的性質很大程度上決定了其性能，是確保選擇性萃取和獲得有效GC圖關鍵因素。選擇吸附劑時必須考慮分析物和樣品基質的性質，以避免分析物和吸附劑之間發生反應。新型吸附劑材料克服了傳統材料的局限性，在過去的幾年中，報道了大量使用不同工藝制備的新型萃取劑，如表面粘附、分子印跡、溶膠-凝膠技術、固定化單體和溶劑交換工藝等。而金屬有機骨架（MOFs）、碳基納米材料等也已被成功應用于頂空萃取吸附涂層。
2.1 金屬有機骨架
MOFs是一種以金屬離子為中心，并通過有機配體作為橋接單元自組裝而成的三維納米材料。它們展現出獨特的性能，包括出色的熱穩定性、高表面積、結構均勻且可控，以及納米級的空腔。作為新型晶體多孔材料的代表，MOFs已經激發了科研人員的濃厚興趣和廣泛研究。Zang使用鋯基MOF（UiO-67）追蹤水樣中的硝基苯化合物[32]，因UiO-67具有較大的表面積（4170 m/g）和強烈的π-π相互作用，所以表現出比商用纖維更好的性能，Omarova [33]使用不銹鋼基體的MOF（MOF-199）的涂層作為SPME纖維，用于空氣樣品中揮發性有機化合物的檢測并研究了溶劑、金屬鹽、化學調節劑和配料比對MOF-199涂層理化性能的影響。
同時，特殊類別的MOFs也已被開發，如，沸石咪唑框架（ZF）[34]和金屬有機氣凝膠（MOA）[35]該凝膠以MOF顆粒為構建單元，然后去除溶劑轉化為MOA。鐵基MOA涂層被用于分析水樣、污泥和土壤中的氯苯，與商用PDMS纖維和納米結構PDMS纖維相比，其提取性能更好。共價有機框架（COFs）與MOFs類似，但在水介質中表現出了更好的穩定性，提高了SPME纖維的使用壽命（可循環使用150次）,該SPME涂層已成功用于測定受污染蔬菜中的鄰苯二甲酸酯（PAES）[36]。
2.2 碳基吸附劑
通常，分析物的萃取能力取決于多種分子間的相互作用，例如色散相互作用、偶極子型相互作用、π-π和非鍵電子相互作用、氫鍵以及離子交換等。因此，具備多功能基團的碳基納米材料被視為優異的涂層材料。這些材料能夠通過多種相互作用有效地吸附和萃取目標分析物，從而提高萃取效率和選擇性。
Mehdinia等[37]通過對比鉑絲上直接電聚合合成的石墨烯-聚苯胺（G/PAN）復合涂層與復合聚苯胺-多壁碳納米管（PANI-MWCNTs）涂層同時用于測定海水樣品中的有機氯農藥測定。PANI-MWCNTs除了表現出良好的熱穩定性（320 ℃）和足夠的回收率（81%-112%）外，該纖維的壽命也增加了3倍。
層狀雙氫氧化物（LDH）是另一類用于與碳基納米材料結合來調節纖維選擇性的材料。LDH是陰離子粘土，具有帶正電的金屬氫氧化物層、位于這些層之間的水分子和反陰離子[38]。它們多變的結構和化學成分使它們成為具有很大潛力的新型吸附劑。一種基于MWCNTs/LDH復合材料的吸附劑已成功用于測定水樣中的酚類化合物[39]。與使用PA、氧化MWCNTs和十二烷基硫酸鹽摻雜聚吡咯纖維的其他方法相比，該方法具有更低的LOD[39]。這種優異的性能可能與MWCNTs通過π-π和疏水相互作用提取芳香族分析物與LDH之間的協同效應有關，后者提供了更大的表面積和陽離子π-π相互作用。
親水親脂平衡（HLB）顆粒因為它們能夠萃取從非極性到極性化合物各種分析物。HLB的結構是由聚（二乙烯基苯-N-乙烯基-吡咯烷酮）形成的，確保了吡咯烷酮中極性基團的親水相互作用和芳香族部分的疏水相互作用之間的最佳平衡[40]。Gionfriddo等使用沉積在碳網上的HLB/PDMS薄膜，通過HS-TF-SPME-GC-MS[41]方法成功萃取了水中揮發性有機物。優化后的樣品制備方案比傳統的樣品制備方案更簡單、更環保。
3 應用
3.1 環境分析
水、土壤和空氣是環境分析中最常見的基質?？諝獠蓸硬捎玫脑砼cHS采樣相似。由于便攜式儀器的不斷發展，樣品處理技術在這領域應用也越來越重要。并且，采樣技術與便攜式GC-MS結合可用于現場取樣分析。如，NTD和便攜式GC-MS結合在一起，用于識別失火現場中的危險有機物[42]。該系統還可以檢測和分離大量的化合物，包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、萘等[43]。雖然這類系統不像臺式儀表那樣靈敏，但它們可以對現場進行快速評估。Sahar[44]利用一種含有亞胺基共價有機框架的NTD，用于土壤中PAHs的取樣，Hou[45]將涂有聚乙二醇溶膠-凝膠涂層的耐熱纖維封裝在不銹鋼針頭中，研制了一種纖維封裝的NTD用于水樣中5種多氯聯苯的頂空萃取。Safarpour[46]填充新型席夫堿網絡/單壁碳納米管（SNW-1/SWCNT）吸附劑的NTD用于空氣中酚類化合物的采樣分析。
3.2 食品分析
微萃取的穩健性和操作的簡便性是其得以廣泛應用的主要原因。目前，便攜式微萃取方法也正逐步被引入到食品分析領域。如，Beck[47]采用NTD提取和便攜式GC-MS分析了不同濕度條件下杏仁中真菌的生長情況。研究者還通過開發新型吸附劑來更有效地提取目標分析物。例如，揮發性醛類是脂質氧化的副產物是食品變質的指示劑。Hasanli[48]利用沉積在多孔Ag納米樹枝狀纖維上的PDMS/PEG溶膠-凝膠膜的HS-SPME方法從加標葵花油中提取揮發性醛類物質。Ghiasvand課題組[49]采用聚苯胺/聚吡咯/氧化石墨烯納米復合材料的SPME涂層對大米樣品中的脂肪族C4-C11醛進行了測定。自從HS-SPME首次用于食品中農藥[50]的測定以來，大量旨在測定食品中污染物的研究相繼發表。Zali課題組采用HS-SPME-GC-MS[51]，開發了電紡納米結構聚苯乙烯吸附劑涂層，用于監測蜂蜜樣品中7種農藥的痕量水平。Rahimpoor[52]首次采用分子印跡聚合物和金屬-有機骨架（MIP@MOF）組成的新型高效的多孔吸附劑納米復合材料，利用NTD對空氣中的二嗪磷進行采樣、萃取和分析。
3.3 生物分析
生物分析領域，最近的一個顯著進展是HS-SPME與離子遷移譜（IMS）的直接耦合技術。這項技術為生物樣本中的揮發性成分分析帶來了革命性的變化，大大加速和簡化了分析過程。由于HS-SPME平衡條件溫和，可以防止生物樣品中代謝組學不發生變化。為生物分析探索了一個很好的選擇。
由于HS-SPME的平衡條件溫和，它能夠有效地防止生物樣品中的代謝組學發生變化，這一特點使得HS-SPME成為生物分析中一個極佳的選擇。這項技術特別適用于不希望的代謝改變（或降解）的分析物或在活體實驗。HS-SPME-IMS成功開發了對呼出氣中微量潛在肺癌標志物丙酮、乙醛和乙腈的靶向空氣采樣方法[53]。Li[54]等利用氧化石墨烯復合材料涂層對肺癌的潛在生物標志物進行了檢測，其LOD值低于商業涂層纖維。這些研究報道都表明通過對吸附劑涂層改良可以改善分析方法的靈敏度和選擇性。Barati等[55]通過HS-SPME-IMS法測定了人血漿樣品中3種常用抗抑郁藥物。所提出的方法指紋圖譜理想、速度快、性價比高。但與基于GC的方法相比，HS-SPME-IMS方法缺乏靈敏度。而使用TF-SPME技術進行生物分析的重要應用包括，開發一種了非侵入性和體內的方法來監測皮膚揮發物[56]。該方法顯示了臨床和法醫學研究的潛力，能夠檢測體內77種揮發性化合物。而NTDs現被廣泛用于生物分析中中，如分析尿液樣品中芳香胺含量檢測和藥物[57]、心力衰竭患者呼出氣VOCs的測定[58]、食物攝入對VOCs的影響[59]、生酮治療中兒童的呼吸情況[60]等。
4 結論
在過去，分析研究的焦點主要集中在儀器分析方法上，如多維色譜、高分辨率和精確測量的質譜技術，以及離子遷移實驗中分辨率的提高。然而，隨著分離技術研究的不斷深入與成熟，人們逐漸認識到，無論儀器技術如何先進，樣品制備技術始終是分析方法中的關鍵環節，甚至可能成為限制分析準確性的瓶頸。在此背景下，基于吸附劑的頂空萃取樣品前制備技術顯得尤為重要。這種方法能夠有效地富集目標化合物，提高分析的靈敏度和準確性。在此背景下，對基于吸附劑的頂空萃取樣品制備技術的基本原理和重要研究進展進行綜述，通過探討其原理，以期能夠更好地應對現代分析化學所面臨的研究挑戰。
最新研究趨勢顯示，開發新型吸附劑以及省略色譜分離步驟以縮短分析時間，依舊是樣品制備技術的重要研究方向。然而，使用新型萃取裝置需要適配的耦合接口，尤其在采用綠色方法時，應盡量避免使用溶劑解吸。近年來，多個生產廠家已開發出儀器兼容的第三方樣品制備平臺，能夠廣泛使用基于吸附劑的頂空萃取，如Markes公司的Restek SPME Arrow轉換工具包和Centri樣品自動化平臺。然而，一種裝置不可能應用于所有樣品制備，每種裝置/設備應找到其最佳應用范圍。如，TF-SPME有望在直接MS分析中發揮重要作用，以及VA可能在快速提取中得到更好應用。今后希望在綠色分析化學的指導方針下，研究者可以開發更多新的衍生化并可重復使用的樣品制備方法以及具有強大吸附能力材料。在方法優化方面，因為實驗變量之間存在正（或負）相互作用，會顯著影響在評估范圍內找到最佳提取條件，因此，多變量實驗設計（DOE）作為提取參數的評價和優化的必要工具，應盡可能多地進行探索。