基于吸附剂的顶空萃取技术
发布时间：2024-08-21作者：小编来源：点击：次
随着对复杂样品分析需求的增加，人们不仅要求缩短分析时间，而且对分析的灵敏度和精准度提出了更高的要求。目前，常见的复杂样品包括：生物样品（如，植物、细胞、尿液、血液等）、环境样品（如，空气、水、土壤）、食品、添加剂和石油衍生物等。为了准确分析这些样品，就需要对整个分析方法的原理和过程有深入的理解。而在样品分析中，样品制备作为关键步骤，旨在有效分离和预富集分析物，同时减少不必要组分的共萃取。该步骤是影响分析方法的精密度和准确度的主要因素。随着样品制备技术的不断发展，传统的费时费力、多步骤的技术逐渐被简单、快速、可靠、高度集成和自动化的新方法所取代。此外，新的样品制备技术还应遵循绿色化学的12条原则[1]，致力于减少有害物质的使用和生成，从而推动化学分析向更环保、可持续的方向发展。
自上世纪90年代Pawliszyn及其团队首次提出微萃取技术以来[2]，这一方法便凭借其独特的选择性、传质速率的提高以及样品萃取容量的增加，在化学分析领域引起了广泛关注。随着微型化技术的快速发展，它为人们提供了自动化、小型化、绿色环保的样品制备技术。微型化技术不仅简化了样品制备的流程，还使得样品制备过程更加便捷、高效，并且能够与各种类型的分析仪器联用，为复杂样品的精确分析提供了坚实的基础。其中HS萃取是绿色化样品制备的最佳方法之一。
1 顶空萃取技术
1.1 固相微萃取（SPME）
SPME被认为是目前最通用和最受欢迎的样品制备技术之一，是基于吸附平衡的方法。被开发以来，已在大量用于靶向或非靶向分析，为绿色分析方法的开发（即无溶剂方法）提供了理想的平台，同时与分析仪器联用为各种分析研究提供了可靠且精确的数据。
顶空固相微萃取（HS-SPME）的过程首先要进行预平衡，以促进目标分析物从基体向HS转移。然后，HS-SPME置于吸附剂相中一段时间（可以通过实验确定平衡或萃取时间）进行吸附，其中平衡时间是HS-SPME萃取方法开发中的关键性能参数。在实际应用中，当萃取量达到平衡期望值的95%时，即达到了平衡[3]。对于理想系统，建议在达到平衡后进行SPME实验，以确保方法的稳定性和可靠性。然而，在复杂体系中，影响SPME纤维提取分析物的主要因素是竞争吸附过程，而不仅是平衡时间，所以如果实验灵敏度足够高，分析人员也可以选择在平衡时间之前结束萃取过程。
分析物在吸附剂相与样品基质之间的分配系数（Kes）也是影响HS萃取效率和选择性的关键参数，对提高萃取效率有着至关重要的作用。除了Kes，HS-SPME的动力学和热力学过程还受到一系列实验参数的影响，这些参数包括相体积、盐析效应、pH和温度等。比如，适当的提高萃取温度可以加快多相体系中的传质过程（从而缩短萃取时间），并可能提高分配系数Kes，这是由于HS萃取通常是吸热过程，温度的升高有利于分析物从样品基质向吸附剂相转移。然而，涂层对分析物的吸收通常是放热过程。为了缓解这种温度悖论，可以利用冷纤维固相微萃取（CF-SPME）技术。该方法可以冷却萃取相同时加热样品基体，从而为分析物从样品基体汽化到被SPME涂层萃取提供最优温度。CF-SPME的最新应用包括测定土壤样品中的多环芳烃（PAHs）[4]、测定瓶装水和咖啡[5]中的邻苯二甲酸酯和测定血液样品中的3种抗抑郁药[6]。
影响萃取的另一个附加参数是萃取相的几何结构。尽管过去人们开发了许多不同的SPME几何结构，但在最近的报道中，基于纤维和薄膜SPME（TF-SPME）结构占主导地位。纤维形SPME（图1a）是一种细丝状（长至2 cm）基材（如熔融石英或Stable Flex材料），表面涂覆有薄层吸收剂相（<100 mm），放置在注射器式的保护装置中。为了提高SPME装置的萃取能力，还开发箭形SPME。因为箭形SPME固定在不锈钢纤维上因此吸收剂相的比表面积较大，从而提高了萃取能力和灵敏度（如图1b）。其箭头状尖端，不仅可以保护石英纤维涂层，又可以增加纤维的机械性能。最初对箭形SPME的报道主要集中在中在空气采样和HS-SPME实验，最近的研究应用已包括：食品检测[7]、水样中的脱腥剂[8]以及植物蓟属指纹图谱分析[9]。
图1 顶空固相微萃取装置（HS-SPME）的主要几何结构：纤维形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纤维对所有挥发性有机化合物的敏感性并不相同，因此通过SPME技术获取的样品峰面积不能准确地反映挥发性有机物在顶空萃取中的实际含量。此外，挥发性有机物在SPME纤维上的竞争吸附也可能影响定量的准确性。同时，极性化合物对用于SPME纤维涂层的亲和力较低，可能导致挥发性有机物出现饱和、膨胀和位移效应[10]。另外，SPME还面临纤维成本高昂的限制，并且这些纤维相当脆弱，容易断裂。为了克服这一限制，人们尝试在金属基体上制备更耐用且稳定的SPME纤维，从而提高器件的机械强度。
1.2 顶空吸附萃取（HSSE）
搅拌棒吸附萃取（SBSE）最早由Sandra和同事[11]于1999年提出，作为一种提高水样中痕量化合物回收率的新萃取技术。该技术通过在搅拌棒上涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜来吸附分析物。在萃取过程中，搅拌棒直接与水样接触，并通过搅拌一段时间直至达到吸附平衡。萃取后，可以用溶剂热脱附或反萃取对分析物进行气相色谱（GC）分析。在2000年，Bicchi开发了一种新型的SBSE方法，被称为顶空吸附萃取（HSSE）[12]。在HSSE技术中，取样过程是通过将搅拌棒置于液体或固体样品的HS中来进行的。HSSE目前已成功应用于食品[13]、细胞培养[14]以及法医学[15]的分析。
与SPME纤维相比，HSSE的研究较少。这主要因为要利用HSSE开发出真正绿色的方法，需要一个热脱附单元，而长期以来，PDMS是唯一被开发的涂层材料。然而，PDMS对极性化合物的亲和力有限，无法满足从样品中萃取多种不同极性化合物的需求。这种非选择性涂层会导致水相基质中氢键化合物的回收率显著降低。最近，聚乙二醇（PEG）/PDMS和聚丙烯酸盐（PA）涂层的搅拌棒已上市，但与传统PDMS涂层[16]相比，这些极性涂层并未显著提升萃取效率。而SPME可以提供更多种类的涂层选择，能够根据不同需求选用不同极性的纤维涂层，因此它可能成为HSSE的一个更有价值的替代品。
1.3 针式微萃取技术
针式微萃取，这一静态顶空萃取方法自20世纪60年代初被开发以来，凭借其自动化程度高、机械强度优异以及操作简便等特点，已成为分析挥发性有机物的最成熟技术之一。它源于管内固相微萃取（In-tube SPME）技术，并已广泛应用于固相动态萃取（SPDE）、管内萃取（ITEX）以及针阱装置（NTD）等类似技术中[17]。然而，由于该技术缺乏预浓缩步骤，导致其灵敏度相对较低。为了提高该技术的灵敏度，在特定类型的顶空采样器中，研究者采取了特殊的Tenax阱进行多次顶空萃取的方法。在多次提取之后，这些被萃取的物质会被统一解吸到气相色谱（GC）中进行进一步的分析。
针式微萃取的原理与传统的热解吸（TD）管吹扫捕集方法工作原理相似，是一种非平衡萃取技术。因此，为了优化提取条件，需要优化萃取参数（如，样品温度、吸入循环次数、柱塞速度和采样顶空空间体积等）以最大限度地提高回收率。
与SPME相比，针式微萃取技术与动态顶空进样技术结合，能够显著提升吸收剂材料的提取效率。在萃取过程中，影响针式萃取技术萃取效率的参数与影响SPME的参数相似。该过程在规定的温度和时间下进行样品预平衡。然后将含有吸附相的不锈钢针插入瓶中，进行顶空萃取取样（图2）。萃取后，用注射器抽出一定量的气体，在GC的进样口进行热脱附。因解吸过程的效率很大程度上受气体体积和流量的影响，为保证较高的峰容量，常使用GC仪器的聚焦接口[18]。
SPDE、ITEX和NTD的主要区别在于吸附剂的构型。特别是在HS-SPDE中，吸附剂膜被固定在不锈钢针的内表面上，这种方式与壁涂开管式GC柱的设计颇为相似。这种构型使得吸附剂能够有效地捕获和浓缩样品中的挥发性化合物，为后续的色谱分析提供更高的灵敏度和分辨率。HS-SPDE可应用于尿液[19]、血浆[20]、啤酒[21]和生物分析[22]中。然而，SPDE在连续萃取过程中可能表现出携带效应，这可能是由于分析物从针内壁解吸不完全所致。ITEX和NTD使用的是装有固体吸附剂的针头，很像TD管的小型化版本。在ITEX中，萃取过程可以完全自动化。NTD由于其较大的吸附剂体积（~120 µL）和很高的灵敏度，可以作为SPDE很好的替代品，并无需额外的仪器，是目前应用最广泛的针式微萃取技术。NTD萃取可以在动态（主动）或静态（被动）HS采样中进行。动态HS取样是通过使用惰性气体不断地从样品基质中剥离分析物来促进快速萃取，这也增加了分析物的回收率。这种方法也称为吹扫捕集（P&T）采样（图2C）。P&T将萃取和预富集整合为一个步骤可获得较好重复性。P&T-NTD是水样分析中最常用的技术之一，已成功用于苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘、挥发性硫有机物、二甲基硫化物、挥发性有机物、芳香烃、豆腥味化合物、氨、甲酸和乙酸、甲基氯化物、溴代甲烷和二恶烷等多种物质的测定。最近，一种低温捕集器被用来协助从天然水体中提取异戊二烯，以提高该方法的检出限（LOD）[23]。
图2 （A）固相动态萃取（SPDE）装置；（B）管内萃取（ITEX）/针阱装置（NTD）；（C）使用NTD进行净化和捕集装置；（D）针状萃取的一般萃取过程
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 真空辅助技术
真空辅助萃取（VA）特别适用于低挥发性有机物。根据热力学理论[24]，HS-SPME实验中，平衡时分析物的分压和浓度与总压无关。因此，无论在环境压力下还是在真空条件下，平衡时提取的分析物总量都是相同的，而VA在温和的温度就具有较高的萃取效率，并能防止活性化合物的分解和萃取伪影的形成。因样品基质与顶空的传质过程是决定萃取速率关键因素，VA方法增强了样品与HS之间的传质动力学使萃取更快，尤其是对亨利常数（KH）小于1.6×104atm·m3·mol-1的分析物。VA-SPME是目前最流行的VA技术，可以扩展到许多装置，如箭形SPME，TF-SPME，NTD，ITEX，甚至TD管。最近一些研究探索了VA-SPME萃取技术的应用，包括在PDMS和DVB/CAR/PDMS等商用SPME涂层中的应用，及水和土壤中多环芳烃的测定[25]、食品[26]和饮料[27]的挥发性分析和植物中挥发性有机物（VOCs）的分析[28]。研究者还通过对比HS-SPME和VA-ITEX萃取牛奶基质中43种分析物，后者具有更高的萃取效率。与HS-SPME相比，VA-ITEX得到的一些化合物的峰面积增加了450倍[29]。
真空辅助吸收剂萃取（VASE）还可以对TD管进行改性称为吸收剂笔（SPs），用于VA的萃取（图3）。该方法通过在¼英寸的SPs上安装了一个单向微阀，内部填充了固体吸附剂。SPs中连续3个O环提供无漏损的连接，用于样品吸附和分析物脱附。SPs允许在GC分析前将分析物存储几天，从而能够进行批量提取提高样品通量。然而，VASE法比SPME法复杂，需要对萃取变量（pH、盐析效应、样品量、温度、时间和搅拌速率）和解吸条件（如，温度、时间等）进行多元优化。所以VASE报道较少，仅有关于啤酒[30]中酚类化合物的测定和水中紫外吸收剂的测定[31]。酚类化合物的相对标准偏差（RSD）均为7.77%，紫外线吸收剂的RSD均为14%。这些结果表明VASE可用于分析物定量研究。
图3 真空辅助吸附剂萃取设备：（a）SP；（b）样品瓶、SP和真空装置；（c）热解吸装置
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 吸附剂
在样品制备技术中吸附剂的性质很大程度上决定了其性能，是确保选择性萃取和获得有效GC图关键因素。选择吸附剂时必须考虑分析物和样品基质的性质，以避免分析物和吸附剂之间发生反应。新型吸附剂材料克服了传统材料的局限性，在过去的几年中，报道了大量使用不同工艺制备的新型萃取剂，如表面粘附、分子印迹、溶胶-凝胶技术、固定化单体和溶剂交换工艺等。而金属有机骨架（MOFs）、碳基纳米材料等也已被成功应用于顶空萃取吸附涂层。
2.1 金属有机骨架
MOFs是一种以金属离子为中心，并通过有机配体作为桥接单元自组装而成的三维纳米材料。它们展现出独特的性能，包括出色的热稳定性、高表面积、结构均匀且可控，以及纳米级的空腔。作为新型晶体多孔材料的代表，MOFs已经激发了科研人员的浓厚兴趣和广泛研究。Zang使用锆基MOF（UiO-67）追踪水样中的硝基苯化合物[32]，因UiO-67具有较大的表面积（4170 m/g）和强烈的π-π相互作用，所以表现出比商用纤维更好的性能，Omarova [33]使用不锈钢基体的MOF（MOF-199）的涂层作为SPME纤维，用于空气样品中挥发性有机化合物的检测并研究了溶剂、金属盐、化学调节剂和配料比对MOF-199涂层理化性能的影响。
同时，特殊类别的MOFs也已被开发，如，沸石咪唑框架（ZF）[34]和金属有机气凝胶（MOA）[35]该凝胶以MOF颗粒为构建单元，然后去除溶剂转化为MOA。铁基MOA涂层被用于分析水样、污泥和土壤中的氯苯，与商用PDMS纤维和纳米结构PDMS纤维相比，其提取性能更好。共价有机框架（COFs）与MOFs类似，但在水介质中表现出了更好的稳定性，提高了SPME纤维的使用寿命（可循环使用150次）,该SPME涂层已成功用于测定受污染蔬菜中的邻苯二甲酸酯（PAES）[36]。
2.2 碳基吸附剂
通常，分析物的萃取能力取决于多种分子间的相互作用，例如色散相互作用、偶极子型相互作用、π-π和非键电子相互作用、氢键以及离子交换等。因此，具备多功能基团的碳基纳米材料被视为优异的涂层材料。这些材料能够通过多种相互作用有效地吸附和萃取目标分析物，从而提高萃取效率和选择性。
Mehdinia等[37]通过对比铂丝上直接电聚合合成的石墨烯-聚苯胺（G/PAN）复合涂层与复合聚苯胺-多壁碳纳米管（PANI-MWCNTs）涂层同时用于测定海水样品中的有机氯农药测定。PANI-MWCNTs除了表现出良好的热稳定性（320 ℃）和足够的回收率（81%-112%）外，该纤维的寿命也增加了3倍。
层状双氢氧化物（LDH）是另一类用于与碳基纳米材料结合来调节纤维选择性的材料。LDH是阴离子粘土，具有带正电的金属氢氧化物层、位于这些层之间的水分子和反阴离子[38]。它们多变的结构和化学成分使它们成为具有很大潜力的新型吸附剂。一种基于MWCNTs/LDH复合材料的吸附剂已成功用于测定水样中的酚类化合物[39]。与使用PA、氧化MWCNTs和十二烷基硫酸盐掺杂聚吡咯纤维的其他方法相比，该方法具有更低的LOD[39]。这种优异的性能可能与MWCNTs通过π-π和疏水相互作用提取芳香族分析物与LDH之间的协同效应有关，后者提供了更大的表面积和阳离子π-π相互作用。
亲水亲脂平衡（HLB）颗粒因为它们能够萃取从非极性到极性化合物各种分析物。HLB的结构是由聚（二乙烯基苯-N-乙烯基-吡咯烷酮）形成的，确保了吡咯烷酮中极性基团的亲水相互作用和芳香族部分的疏水相互作用之间的最佳平衡[40]。Gionfriddo等使用沉积在碳网上的HLB/PDMS薄膜，通过HS-TF-SPME-GC-MS[41]方法成功萃取了水中挥发性有机物。优化后的样品制备方案比传统的样品制备方案更简单、更环保。
3 应用
3.1 环境分析
水、土壤和空气是环境分析中最常见的基质。空气采样采用的原理与HS采样相似。由于便携式仪器的不断发展，样品处理技术在这领域应用也越来越重要。并且，采样技术与便携式GC-MS结合可用于现场取样分析。如，NTD和便携式GC-MS结合在一起，用于识别失火现场中的危险有机物[42]。该系统还可以检测和分离大量的化合物，包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、萘等[43]。虽然这类系统不像台式仪表那样灵敏，但它们可以对现场进行快速评估。Sahar[44]利用一种含有亚胺基共价有机框架的NTD，用于土壤中PAHs的取样，Hou[45]将涂有聚乙二醇溶胶-凝胶涂层的耐热纤维封装在不锈钢针头中，研制了一种纤维封装的NTD用于水样中5种多氯联苯的顶空萃取。Safarpour[46]填充新型席夫碱网络/单壁碳纳米管（SNW-1/SWCNT）吸附剂的NTD用于空气中酚类化合物的采样分析。
3.2 食品分析
微萃取的稳健性和操作的简便性是其得以广泛应用的主要原因。目前，便携式微萃取方法也正逐步被引入到食品分析领域。如，Beck[47]采用NTD提取和便携式GC-MS分析了不同湿度条件下杏仁中真菌的生长情况。研究者还通过开发新型吸附剂来更有效地提取目标分析物。例如，挥发性醛类是脂质氧化的副产物是食品变质的指示剂。Hasanli[48]利用沉积在多孔Ag纳米树枝状纤维上的PDMS/PEG溶胶-凝胶膜的HS-SPME方法从加标葵花油中提取挥发性醛类物质。Ghiasvand课题组[49]采用聚苯胺/聚吡咯/氧化石墨烯纳米复合材料的SPME涂层对大米样品中的脂肪族C4-C11醛进行了测定。自从HS-SPME首次用于食品中农药[50]的测定以来，大量旨在测定食品中污染物的研究相继发表。Zali课题组采用HS-SPME-GC-MS[51]，开发了电纺纳米结构聚苯乙烯吸附剂涂层，用于监测蜂蜜样品中7种农药的痕量水平。Rahimpoor[52]首次采用分子印迹聚合物和金属-有机骨架（MIP@MOF）组成的新型高效的多孔吸附剂纳米复合材料，利用NTD对空气中的二嗪磷进行采样、萃取和分析。
3.3 生物分析
生物分析领域，最近的一个显著进展是HS-SPME与离子迁移谱（IMS）的直接耦合技术。这项技术为生物样本中的挥发性成分分析带来了革命性的变化，大大加速和简化了分析过程。由于HS-SPME平衡条件温和，可以防止生物样品中代谢组学不发生变化。为生物分析探索了一个很好的选择。
由于HS-SPME的平衡条件温和，它能够有效地防止生物样品中的代谢组学发生变化，这一特点使得HS-SPME成为生物分析中一个极佳的选择。这项技术特别适用于不希望的代谢改变（或降解）的分析物或在活体实验。HS-SPME-IMS成功开发了对呼出气中微量潜在肺癌标志物丙酮、乙醛和乙腈的靶向空气采样方法[53]。Li[54]等利用氧化石墨烯复合材料涂层对肺癌的潜在生物标志物进行了检测，其LOD值低于商业涂层纤维。这些研究报道都表明通过对吸附剂涂层改良可以改善分析方法的灵敏度和选择性。Barati等[55]通过HS-SPME-IMS法测定了人血浆样品中3种常用抗抑郁药物。所提出的方法指纹图谱理想、速度快、性价比高。但与基于GC的方法相比，HS-SPME-IMS方法缺乏灵敏度。而使用TF-SPME技术进行生物分析的重要应用包括，开发一种了非侵入性和体内的方法来监测皮肤挥发物[56]。该方法显示了临床和法医学研究的潜力，能够检测体内77种挥发性化合物。而NTDs现被广泛用于生物分析中中，如分析尿液样品中芳香胺含量检测和药物[57]、心力衰竭患者呼出气VOCs的测定[58]、食物摄入对VOCs的影响[59]、生酮治疗中儿童的呼吸情况[60]等。
4 结论
在过去，分析研究的焦点主要集中在仪器分析方法上，如多维色谱、高分辨率和精确测量的质谱技术，以及离子迁移实验中分辨率的提高。然而，随着分离技术研究的不断深入与成熟，人们逐渐认识到，无论仪器技术如何先进，样品制备技术始终是分析方法中的关键环节，甚至可能成为限制分析准确性的瓶颈。在此背景下，基于吸附剂的顶空萃取样品前制备技术显得尤为重要。这种方法能够有效地富集目标化合物，提高分析的灵敏度和准确性。在此背景下，对基于吸附剂的顶空萃取样品制备技术的基本原理和重要研究进展进行综述，通过探讨其原理，以期能够更好地应对现代分析化学所面临的研究挑战。
最新研究趋势显示，开发新型吸附剂以及省略色谱分离步骤以缩短分析时间，依旧是样品制备技术的重要研究方向。然而，使用新型萃取装置需要适配的耦合接口，尤其在采用绿色方法时，应尽量避免使用溶剂解吸。近年来，多个生产厂家已开发出仪器兼容的第三方样品制备平台，能够广泛使用基于吸附剂的顶空萃取，如Markes公司的Restek SPME Arrow转换工具包和Centri样品自动化平台。然而，一种装置不可能应用于所有样品制备，每种装置/设备应找到其最佳应用范围。如，TF-SPME有望在直接MS分析中发挥重要作用，以及VA可能在快速提取中得到更好应用。今后希望在绿色分析化学的指导方针下，研究者可以开发更多新的衍生化并可重复使用的样品制备方法以及具有强大吸附能力材料。在方法优化方面，因为实验变量之间存在正（或负）相互作用，会显著影响在评估范围内找到最佳提取条件，因此，多变量实验设计（DOE）作为提取参数的评价和优化的必要工具，应尽可能多地进行探索。