关于磁场增强效应的固相萃取新技术发展的几点思考

张裕平

（河南科技学院,河南新乡453003）

关于磁场增强效应的固相萃取新技术发展的几点思考

张裕平

（河南科技学院,河南新乡453003）

就最新磁场增强管内固相微萃取的技术进行了总结,分析了该技术与液相色谱在线或离线联用测定样品组分时磁场能提高萃取效率的具体方法和原理.同时对将该可变磁场应用到样品前处理及微柱色谱分离,构建新型多维液相色谱系统的前景进行了探讨和展望.

磁场；固相微萃取；多维色谱；毛细管

复杂体系的分离分析一直是分析化学研究的热点和难点.一般的分离过程是以压力差（如色谱）、电位差（如电泳）、浓差（如膜分离）等作为推动力,对混合物进行分级、分离、提纯和浓缩,再利用检测器的光、声、电、热、磁等信号与物质相互作用产生的特定关系进行定性定量检测[1-3].基于物理化学原理的色谱法通常是利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的作用力（吸附、分配、离子交换、亲和作用等）的差别,当两相相对移动时,各溶质在两相间进行多次平衡,从而使各溶质达到相互分离后检测.近年来,二维或多维色谱分离技术已成为解决复杂样品分析的优先选择之一.多维色谱是将同种色谱不同选择性分离柱或不同类型色谱分离技术组合构成的联用系统[4-6].目前应用最多的二维液相色谱就是在单分离柱的基础上,通过联结两色谱分离系统之间的接口设备和技术提高系统的分离能力,获得更多的样品组分信息.

磁性物质能够对外磁场做出响应,便于操控,构成了现代磁分离技术的基础[7].磁分离技术是利用元素或组分磁敏感性的差异,借助外磁场将物质进行磁场处理,从而达到强化分离过程的一种新兴技术.其应用已经从分离强磁性大颗粒到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒,从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理,从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离[8].和电场强化传质一样,磁场也能够在传质方面起到很好的增强作用[9].磁场本身具有特殊的能量,经磁场处理过的水或水溶液,其光学性质、导电率、介电常数、黏度、化学反应、表面张力、吸附作用、凝聚作用及电化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化[10].如果样品前处理所用的分离材料或色谱柱所用固定相是磁性材料或铁磁质物质,外加磁场必然对分析物在其表面的吸附或分配作用产生影响.磁场能影响磁性固定相和流动相的结构及性质,使得通过改变外加磁场的强度、频率和方向来优化操控样品组分的富集、纯化及分离过程成为可能[11-13].

对于磁控分离现象及机理的研究最早是从电磁泳开始,以分离磁颗粒居多[14-16].Iiguni和Watarai[17]采用10 T的磁场,在1 mm长度的毛细管内,成功地分离了浸泡在1 mol/L KCI溶液中的直径分别为10 μm和20 μm的聚乙烯颗粒.同时提出了分离微米尺寸颗粒的新原理是基于流体运动的斯托克斯力和在毛细管内表面发生的吸附/解吸力共同作用的结果,分离过程中的吸附/解吸力可由装置提供的电流（最大1 500 μA）及由超导磁铁产生的磁场控制.目前,基于磁性Fe3O4纳米颗粒微固相萃取技术在样品的前处理中应用广泛,方法简便、快速且能选择性地富集待测物质,功能化的磁颗粒吸附剂可通过磁铁收集重复使用[18].2012年,Moliner-Martínez等[19]最先开展磁场辅助增强固相萃取效率的研究,通过将分散的Fe3O4纳米颗粒用硅烷化的试剂处理,在毛细管内热聚合后形成整体网络,用所制备的SiO2-Fe3O4毛细管柱替代HPLC六通阀的进样环,即可进行下一步毛细管液相色谱的分离.试验过程中,在毛细管外面缠绕一段磁性线圈,萃取样品时,提供电流的线圈可产生25～250 G的磁场,通过4种模式（吸附解吸都不加磁场；吸附加正磁场,解吸不加磁场.吸附解吸都加正磁场.吸附加正磁场,解吸加反向磁场）对比发现,最后一种模式,磁吸附剂的萃取效率由10%～30%惊奇地提高到70%～100%.这也是最早的外置磁场的磁性在线管内固相微萃取-毛细管HPLC系统（MIT-SPME-Capillary LC）.后来作者又用该系统测定了痕量水平的有机磷化合物,在吸附过程中,磁场的使用明显地提高了萃取效率和检测灵敏度[20].另外,该课题组还测定了水中的3种三嗪类农药,采用磁性纳米Fe3O4作为吸附剂与普通的吸附剂相比,吸附效率由0.8%～3%提高到了60%～63%,作者认为这主要是外来磁场对磁性吸附剂产生了磁场梯度,以及毛细管内溶液组分产生反磁力的原因[21].Manbohi和AhmadiS[22]对这一方法进行了改进,将SDS分散的Fe3O4纳米颗粒装入不锈钢管内,通过管外的强磁铁固定,没有可变磁场,在在线管内SPME-HPLC/UV系统上分析了水和尿液中氟喹诺酮类物质,通过外来磁场调控吸附/解吸过程,萃取过程不需要有机溶剂.Bagheri[23]采用电纺织的方法制备了一种包有磁性纳米Fe3O4颗粒的聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维,并以此作为吸附介质,整个萃取过程通过外来磁场（0～160 G）调控以提高萃取效率.试验通过μ-SPE-HPLC系统测定了尿液中痕量水平的甲氧萘丙酸等药物.在该装置中,制备的磁性纳米纤维切成多片后塞入到圆柱形不锈钢管（8×0.3 mm i.d.）内.试验过程采用压力泵进样后,在线萃取预浓缩样品时,该不锈钢管替代六通阀的进样环.Mei等[24]最近进行了追踪研究,试验首先对Fe3O4进行包裹后得到Fe3O4@SiO2@γ-MAPS颗粒,然后将修饰的颗粒与以4-乙烯基吡啶为单体的有机聚合溶液混合,混合溶液冲入毛细管中热聚合后,可得到磁性整体萃取相.在毛细管外围缠绕线圈通电产生磁场（0～50 G）可以调控样品组分的吸附/解吸效率,采用离线的管内SPME,结合HPLC法成功测定了水样中6种类固醇激素,在优化条件下萃取效率可达70%～100%.此外他还用该方法测定了3种环境水样中的三嗪类农药,不同之处是磁性整体萃取相的制备方法不同.试验中是将Fe3O4@SiO2@γ-MAPS颗粒与以甲基丙烯酸异辛酯为单体的有机溶液进行聚合反应.试验对磁场强度、吸附/解吸时的流速、样品和解吸溶液的体积、pH及样品离子强度等进行了考察,优化条件下目标物的萃取率为64.8%～99.7%[25].以上研究表明：磁场增强萃取的原因主要在于磁性纳米Fe3O4颗粒是顺磁质的物质,而大部分的有机分析物是反磁质的.当反磁质的化合物浸入到顺磁质介质中后,会在磁场最小的区域富集.显然磁场可以在特定的装置中,通过这种抗排斥作用预浓缩特定的分析物.

物质在磁场中显示出抗磁性、顺磁性和铁磁性,它们产生于组成物质的原子或分子中的电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和核自旋磁矩在空间的取向,以及各种磁矩间的相互作用.磁化可使物体从不表现磁性变为具有一定的磁性,其根本原因是物质内原子磁矩按同一方向整齐地排列.过去的研究表明,要进行磁控辅助萃取的研究,吸附材料是否有磁性或能否被磁化是关键因素.在理论上,通常用“磁畴”这样的一个概念来解释磁化.磁畴的形象像一个插着箭的箭靶子,物质中充满这样的磁畴.在无磁性时,磁畴是杂乱无章的,其箭头指向不统一,故显示为无磁性,但在外界作用下,磁畴的箭头方向可以发生改变,假如该种物质的导磁性强,那么磁畴就越容易排列整齐,从而使所有箭头都指向同一方向,对外显示出显著的磁性,这就是磁化的微观解释.平时,铁、钴、镍等的磁畴都是杂乱无章的,如果用一块磁铁靠近,受到磁场的影响,磁畴就会整齐地排列起来,磁铁与铁之间产生吸力,但是磁铁一离开,磁畴又散乱了,如果用强磁场把铁磁化的话,铁也会成为磁铁.目前磁分离装置的微型化在微全分析系统中应用较热[26],但这些装置只是依靠固定磁场来改变磁性微粒的运动轨迹,无法提供运动的动力,使分离的效率和效果都受到很大的限制,而且这些装置对复杂样品的前处理也没有涉及.

目前,复杂样品的前处理应用较多的是SPE、Micro-SPE（μ-SPE）及固相微萃取（SPME）技术,而且常常与液相色谱/质谱等联用进行样品的分离.国内武汉大学冯钰錡教授较早实现了实验室自组装SPME-HPLC系统,并做了大量出色的研究工作[27-29].SPE是从萃取原理发展而来,色谱和固相萃取一样使用了分配比的概念.鉴于SPE实质上是一种HPLC的分离,原则上讲HPLC柱填料的材料都可用于SPE,一般常使用粒径分布窄的3～5 μm的高柱效填料（随着UPLC的发展,填料的粒径在逐渐减小）.SPE只是把目标化合物与干扰化合物和基体分开即可,一般使用的是柱效低、粒径分布较宽、粒径较粗的填料（40 μm左右）.SPE与HPLC两者在原理上是一致的,而SPME主要针对有机物进行分析,常利用石英纤维或金属丝表面的色谱固定相对分析组分的吸附作用,将组分从试样基质中萃取出来,并逐渐富集,完成试样前处理过程[30-32].在进样过程中,利用气相色谱进样器的高温,液相色谱、毛细管电泳的流动相将吸附的组分从固定相中解吸下来分析检测.吸附色谱是流动相分子与样品组分分子竞争固定相吸附中心的过程.分配色谱是样品组分在流动相和固定相（在惰性载体上涂敷有固定液）间的溶解分配的过程.吸附和分配也都属于一种传质过程,利用磁场进行强化传质具有易控、省时、高效等特点.将磁场控制引入吸附或分配过程,旨在考察磁场对特定的样品组分在磁性分离材料上吸附或分配作用的影响,为磁场辅助萃取或分离技术在色谱中的应用提供理论依据和基础数据.目前国内外对磁场作用下强化传质机理的研究还不够成熟,处于试验摸索阶段.若在外场作用下的强化传质机理研究能取得突破性进展,即把握磁场强化传质的规律,则对特定的分析物质,就可以根据所得结论选择合适强度和方向的外场进行强化传质,达到提高分离效率的目的.

综合以上研究得到以下启示：

（1）使用磁性吸附剂,通过外置磁场控制固相（微）萃取过程的吸附/解吸效率是可行的,但研究才刚刚起步（2012年以来只有7篇高水平的文章发表）.

（2）过去的研究只涉及了磁性纳米Fe3O4颗粒,而且都采用实验室自制的简单磁场发生器,磁场强度可调范围太窄,极大地限制了可用磁性材料的种类.对其他弱磁性纳米材料及适合做SPME/μ-SPME的顺磁质材料（如铁、钴、镍丝）,还可以开展大量的研究工作.

（3）固相萃取与液相色谱在原理上一致,如果色谱的分离过程也使用磁性整体柱材料,能否借用该方法扩展到用外置磁场来辅助增强色谱分离过程,以提高分离的选择性及柱效？

（4）能否组合设计一套多模式的兼有样品前处理的磁场辅助在线管内固相（微）莘取（SPE/μ-SPE/SPME）-液相色谱（HPLC/μ-HPLC）分离的系统来实现复杂样品的分离分析？

结合国内外最新研究现状,开发一种新颖的多维液相色谱系统对于深入开展复杂体系的分析检测研究很有必要.即在传统在线固相（微）萃取（SPE/SPME）-液相色谱（HPLC）联用系统的基础上,在设计研发的可调频率、方向、磁场强度范围更宽的磁场发生器的基础上,构筑单独的固相萃取（SPE/μ-SPE/SPME）系统、单独磁控的液相色谱分离系统（HPLC/μ-HPLC）及多维的固相萃取-液相色谱联用系统（SPE/μ-SPE/SPME）-（HPLC/μ-HPLC）,筛选或合成新型的磁性吸附剂和磁性固定相整体固定相材料,借用外加可控磁场来单独或分别优化样品前处理的萃取效率和提高色谱分离的选择性及柱效,同时开展相关磁控机理研究,这将赋予此种基于不同类型色谱分离技术组合的多维液相色谱系统更新的内涵.通过以上工作,可对色谱分离原理做出新的解释,探索建立一套有别于传统的样品前处理及磁控分离的新色谱理论,极大地促进分析行业的蓬勃发展.

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（责任编辑：邓天福）

S858.31

A

1008-7516（2016）06-0033-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.06.009

2016-11-10

张裕平（1968―）,男,湖南常德人,博士,教授,硕士生导师.主要从事现代分离分析技术研究.