化学检测样品前处理技术研究进展

郑建国 周明辉 李政军

(广东出入境检验检疫局 广东广州 510623)

科学研究、产品研发、产品质量安全评价及检测、工农业生产、环境保护等领域都离不开化学检测。目前针对化学检测技术的研究主要是基础研究和应用研究，基础研究包括样品前处理、分离介质、仪器装置、联用技术、数据解析和方法学研究等，而应用研究主要包括在化学、医学、生命、环境和材料等学科领域的研究。

化学检测过程主要包括：样品采集、样品处理、检测、数据处理和结果表达。据试验统计，样品分析中30%的误差来源和61%的时间消耗来自样品前处理。由于样品前处理已经成为制约检测速度、准确度和灵敏度的瓶颈问题，况且快速高效、高选择性、高通量的样品前处理技术，也是化学检测技术自动化、智能化的前提。因此，分析化学家越来越关注样品前处理技术的研究。2001－2010年，在SCIE数据库中发表的样品前处理文章逐年增加，从每年800篇左右增加到近1300篇。其中排前5名的样品前处理技术分别为固相萃取、固相微萃取、超/亚临界萃取和液相微萃取。

近年来，样品前处理技术快速发展，固相萃取、固相微萃取、微波消解及微波辅助萃取、超临界流体萃取、加速溶剂萃取、膜分离、凝胶渗透色谱、热解吸、吹扫捕集、流动注射、薄层扫描、液相微萃取等新技术已得到广泛应用。这些样品前处理技术打破了索氏萃取、高温湿消解等传统样品前处理方法多步骤分别处理的局限，集样品消解、提取、分离、净化、富集于一体，快速、简便、高效。表1和表2分别比较了目前常用的液体样品前处理技术和固体样品前处理技术的优缺点。

表2 固体样品前处理技术比较

随着人类社会的不断进步，生活水平的不断提高，人类对环境安全、消费品安全、食品安全的要求也越来越严格，现代分析化学所面临的样品性质和复杂程度前所未有。因此，研究和选择高效、简便、快速、低污染的样品前处理技术，是现代分析化学的一个重要研究方向。下面就主要样品前处理技术予以论述。

1 固相萃取(SPE)

固相萃取是一种液相色谱分离，根据相似相溶机理可分为4种：反相固相萃取、正相固相萃取、离子交换固相萃取和吸附固相萃取。

SPE吸附剂的选择很重要，最好是与分析物极性相似的多孔且具有大表面积的固体颗粒吸附剂，应有较低的空白值。萃取吸附过程必须可逆且有高的回收率及化学稳定性，与样品溶液有好的界面接触。表3列出常用吸附剂及其应用。

表3 常用的键合硅胶吸附剂及应用

目前的研究进展主要是：新吸附剂的研制;多孔型真空多管装置，可同时处理多个样品，能控制每个SPE管流速;实现了与高效液相色谱和毛细管电泳的联用。SPE已被美国EPA方法广泛采用，用于杀虫剂、增塑剂、二噁英、多环芳烃等检测的样品前处理。

2 固相微萃取(SPME)

由于固相微萃取技术具备不使用有毒有机溶剂，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，避免引入多步误差，进样空白值小，简单快速，萃取高选择性，适用样品基质范围广，需要样品量少等优点，已得到广泛的应用。

SPME涂层萃取分析物存在两种不同机理：吸收和吸附。前者一般通过吸收来萃取分析物，后者则是通过吸附来萃取。吸收是分子溶进了涂层的主体内，吸附是分析物分子直接结合到涂层表面。SPME的核心部分是萃取头涂层的种类和厚度，影响萃取的灵敏度。表4列出SPME萃取头的选择原则和应用。

表4 SPME萃取头选择原则与应用

但是，由于目前商品化的SPME涂层并不完善，存在以下缺点：使用温度偏低(200－280℃);涂层种类有限，在大多数有机溶剂里不稳定;使用寿命短(一般约为40－100次);对复杂基体样品的萃取分析，选择性和重现性还不太理想;缺乏多孔性，平衡慢，分析时间延长;商品化涂层价格昂贵。因此，研究制备性能优越的SPME涂层是SPME应用发展的前提。

SPME与GC相结合是研究起步最早也是目前发展最成熟的技术。对于小分子量高挥发物质，现在多采用GC加热汽化前在柱头进行捕集或使用共溶剂效应来减少其损失，以便进行定量分析。SPME与HPLC结合，为GC条件下难以分析的水样中半挥发和不挥发有机物的分析提供了可能性。SPME－HPLC的萃取过程与SPME－GC相似，而脱附过程却完全不同，即使用溶剂脱附而非热脱附。因此，如何用最小量的溶剂完全洗脱待分析物，避免样品体积过大产生柱外扩散效应是需要研究解决的主要问题。

近年来SPME与其他仪器的联用也见报道，如：SPME－分光光度法，测定水中芳烃化合物;SPME－红外光谱(IR)，测定硝基苯、氯代烃;SPME－电解分析，测定1，4丁二胺和1，5戊二胺;SPME－毛细管电泳(CE)，测定环境中酚类化合物;SPEM－ICP－MS，测定 As、Se、Sb和 Sn;SPME－ 离子色谱联用，测定水溶液中的阴离子;SPEM－拉曼光谱联用，测定水中燃料油污染物。

3 搅拌棒微萃取(SBSE)

搅拌棒微萃取技术也是近年来发展较快的样品前处理技术，其核心是搅拌棒涂层材料，发现高灵敏性和选择性的涂层材料是主要的研究方向。搅拌棒微萃取的优势是萃取容量大、富集倍数高、自身搅拌、装置简单，已广泛应用于牛奶中磺胺抗生素，果蔬中有机氯、有机磷农药，生物样品中农兽药残留的检测。其不足是涂层单一，选择性差，无联用装置。

4 磁性微球萃取

制备带有活性功能基团的顺磁性有机高分子或生物大分子复合材料是磁性微球萃取分离技术的核心，其特点是磁响应性和特殊功能性。该技术现已广泛用于分析科学、环境科学、生物工程、医学、遗传学等领域。磁性聚合物微球具有高分子微球的特性，可通过共聚、表面改性赋予其多种反应性功能基团，如－COOH，－NH2、－OH、－COH等，与生物活性物质联吸附能力大。同时，微球内部含有的磁性粒子具有超顺磁性，可在外加磁作用下定向或运动。因而，在分析化学样品前处理领域有广泛应用前景。将磁性微球用于生物样品前处理，目标物质包括细胞、酶、蛋白质、核酸、多肽、DNA/RNA等生物大分子。环境样品通常成分复杂、样品量较大，以表面富含活性基团(－NH2、－COOH、－CHO等)的磁性聚合物微球为载体的样品前处理方法可将富集、分离过程简化，提高效率和灵敏度，适合复杂环境样品的前处理。

5 液相微萃取(LPME)

液相微萃取是1996年出现的一种萃取技术，它是用顶端中空的Teflon探头或微量进样器针头悬挂1－2 μL有机溶剂液滴萃取搅拌样品中的分析物。液相微萃取集萃取、净化、浓缩、预分离于一身，具有萃取效率高、消耗有机溶剂少，且快速、灵敏等优点。主要分为直接液相微萃取和液－液－液微萃取，前者适合萃取较为洁净的液体样品，后者适合萃取在水样中溶解度小、含有酸性或碱性官能团的痕量目标物。近几年在此基础上研究发展了溶剂棒萃取、顶空液相微萃取、动态液相微萃取、动态顶空式液相微萃取、探针微萃取和膜微萃取。

LPME特别适合水样品的萃取，结合HPLC和GC－MS，已广泛应用于水样品(河水、海水和污水等)中芳香胺、酚类化合物、氯苯胺、烷基酚、三嗪类除草剂、硝基酚类、邻苯二甲酸酯、有机氯杀虫剂、非甾体抗炎药、烷基酚、双酚A等有机物的检测。

6 微波辅助萃取(MAE)

微波辅助萃取技术是指利用微波能强化溶剂萃取效率，使固体或半固体样品中某些有机物成分(或有机污染物)与基体物质有效分离。微波辅助萃取技术具有以下特点：

(1)快速高效。样品及溶剂中的偶极分子在高频微波能的作用下，高速变换其正、负极，产生偶极涡流、离子传导和高频率摩擦，在短时间内产生大量的热量。偶极分子旋转导致的弱氢键破裂、离子迁移等加速了溶剂分子对样品基体的渗透，待分析成分很快溶剂化，使微波萃取时间缩短。

(2)加热均匀。微波加热是透入物料内部的能量被物料吸收转换成热能对物料加热，形成独特的物料受热方式，整个物料被均匀加热，无温度梯度。

(3)选择性。微波对介电性质不同的物料呈现出选择性的加热特点。介电常数及介质损耗小的物料，对微波的入射几乎“透明”;溶质和溶剂的极性越大，对微波能的吸收越大，升温越快，促进了萃取速度。而对于不吸收微波的非极性溶剂，微波几乎不起加热作用。所以，在选择萃取剂时一定要考虑溶剂的极性，以达到最佳效果。

(4)生物效应(非热效应)。由于大多数生物体内含有极性水分子，在微波场的作用下引起强烈的极性震荡，导致细胞分子间氢键松弛，细胞膜破裂，加速了溶剂分子对基体的渗透和待提取成分的溶剂化。因此，利用MAE从生物基体萃取待分析物时，能提高萃取分离的效率。

微波辅助萃取技术的研究进展主要在装置上的改进，研制了密闭式微波辅助萃取装置、开罐式聚焦微波辅助萃取装置以及微波辅助萃取与各种技术联用装置，包括在线微波萃取装置、真空微波萃取装置等。

由于微波辅助萃取技术具有快速、节能、溶剂用量少、可实行多份样品同时处理、选择性好、提取物所含杂质少等优点，在环境分析、生化分析、食品分析、化工分析、矿产品分析和药用植物中有效成分提取及分析中得到广泛，也已应用于电子电气产品中六溴环十二烷、四溴双酚A和四溴双酚－A－双－(2，3－二溴丙醚)的测定。

7 其他样品前处理技术

(1)超临界流体萃取

CO2处于气态和液态的临界状态时具有粘度和表面张力低、溶解能力强的特点，因此CO2超临界流体萃取具有很高的萃取效率。而且其在常温下萃取(35℃ －40℃)时，萃取液干净，可以通过增加压力提高溶解能力。该技术已在植物药物分析、食品中药物残留分析中得到应用。

(2)超声波辅助萃取

超声波能量由外部向内部传递，使溶液形成气泡(空化效应)，提高溶解能力。其具有价廉快速、简便安全、批量处理样品的优点，已在消费品中高关注化学品的提取中得到应用，如电子电气产品中多氯萘和多环芳烃的测定。

(3)加速溶剂萃取(ASE)

ASE是用溶剂对固体、半固体的样品进行萃取的技术。其原理是选择合适的溶剂，通过增加温度和压力来提高萃取过程的效率。由于具有快速(15min)、安全、溶剂用量少、萃取效率高、样品基体影响小、可同时选用4种溶剂萃取、实现全自动等优点，ASE已取代索氏提取、超声萃取、手工振摇、煮沸法和其他萃取方法，并已被美国EPA 3545方法采用，用于氯化物、有机磷杀虫剂、除草剂、多氯联苯(PCBs)分析的样品前处理。ASE也可用于电子电气产品中邻苯二甲酸酯和灭蚁灵的测定。

(4)衍生化技术

衍生化的目的是为了提高灵敏度与选择性，改善色谱分离，提高稳定性。从色谱分析考虑，衍生化分为柱前衍生化和柱后衍生化。前者是为了分离，后者是为了检测。目前气相色谱分析的衍生化包括硅烷化衍生化、酯化衍生化、卤化衍生化和酚化衍生化等方法;液相色谱分析的衍生化包括紫外衍生化反应、荧光衍生化反应和电化学衍生化反应。

(5)凝胶渗透色谱分离技术(GPC)

GPC是液相分配色谱的一种，按溶液中溶质分子体积大小进行分离。GPC具有对流动相要求不高、实验条件温和、重复性好、分析速度快、溶质回收率高等特点，在很多领域内取得了迅速的发展和日益广泛的应用。GPC能够在LC、GC或GC－MS等分析之前从有机物样品中除去硫和高分子化合物如油脂、糖、聚合物和蛋白质等。如果不除去这些干扰物质，会堵塞LC、GC或GC－MS等仪器的柱子和进样器，污染检测器，严重降低色谱分析性能。

可用GPC处理的样品包括食品、生物组织、谷物、植物和环境样品如土壤、污泥及有害废弃物等。GPC能极大地减少GC停机时间，减小LC、GC或GCMS等仪器的故障发生，延长色谱柱的寿命。美国EPA和FDA等的一些法定方法要求在样品分析之前采用GPC，如USEPA 3640A方法。