固相微萃取技术在制药和生物医学分析中的当前发展和未来趋势

郭 慧 徐 卓

（辽宁省大连大学附属新华医院，辽宁 大连 116040）

生物基质中的治疗药物和它们的代谢物的定量分析，已广泛应用于药代动力学，药效学和代谢组学研究，其对评估药物的疗效、毒性以及开发更多选择性高且疗效好的药物有更加重要的作用。在临床和法医毒物分析中经常需要分析滥用药物，违禁药物以及意外中毒的情况[1-2]。此外，生物和临床研究中涉及的内源性物质分析，如神经递质、激素和各种有生物活性的化合物可以作为疾病的诊断或预后标志物，临床医师在群筛检、疾病诊断、治疗药物的生物监测过程中可以利用其分析结果预测治疗效果[3]。因此，如何找到简单、快速的生物分析方法在药物研发、临床对照、兴奋剂检查和法医学中已成为一个重大的挑战。在过去的10年中，出现了很多分析方法及设备领域的突破。在这些现代分析技术中，液相色谱-质谱联用由于其特异性、灵敏性和高效率的特点，被认为是定量/定性分析的标准。但是这些分析的技术也有选择性差、易受基质影响等局限性。而微萃取技术及微型设备的发展很好的实现了这个目的。固相微萃取（Solid-phase microextraction，SPME）由于其简单性和有效性尤为引人注目。SPME是Arthur和Pawliszyn在20世纪90年代初首次发明的[4]，其装置类似于一支气相色谱的微量进样器，萃取头是在一根石英纤维上涂上固相微萃取涂层，用其直接萃取含水样本。萃取过程通常是不彻底的，而且只有一小部分初始量的分析物被分离并导入分析仪器。固相微萃取有快速、无溶剂的特点，并且容易和气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）和毛细管电泳（CE）联用。固相微萃取技术已被用于许多领域。在这篇综述中，我们汇总了新型固相微萃取技术的当前发展和未来趋势，包括纤维固相微萃取、管内固相微萃取和其他新的固相微萃取相关技术以及他们在生物医学领域的应用。

1 固相微萃取技术在生物分析中的发展现状

SPME技术可粗略地分为静态批量平衡微萃取和动态流动平衡微萃取的方法。最常用的技术是利用在纤维（纤维固相微萃取，fiber-SPME）和毛细管（管内固相微萃取）外涂覆有一个适当的固定相，目前搅拌棒（SBSE），薄膜（TFME），微量注射器（syringe SPME）和吸头（in-tip SPME）也已经被开发利用于SPME。在此技术上，科学家们研制了新的图层、设备来提高提萃取效率；设计了新的接口可以连接多种分析仪器系统和自动化在线系统。目前多种SPME方法已经被用于测定生物样品中的化合物，包括尿、血清、血浆、全血、唾液、呼气和头发。本节将回顾这些新型SPME技术及其在生物分析中的新应用。

1.1 纤维固相微萃取技术：fiber-SPME装置是由一个内置萃取纤维的针头和一个外部支架集合体构成的。含有熔融二氧化硅的可伸缩固相微萃取纤维（1或2 cm）目前可以在市场上买到。当纤维被插入到样品，目标分析物从样品基质中分离，进入涂布在纤维的外表面的固定相，直至达到平衡。与有填充柱的传统固相萃取相比，该方法可以将所有的样品制备步骤整合在一起。fiber-SPME通过在GC中的热吸附作用与GC或GC-MS联用，已经成功地应用于检测多种气体、液体及固体样品内的挥发性和半挥发性有机化合物。fiber-SPME也可以连接HPLC和LC-MS来分析不适合GC的弱挥发性或热不稳定化合物，SPME/HPLC接口配备了一个微量的溶剂室用于溶剂解吸。市售的自动进样器，如PAL、MPS-2、TriPlus、和Concept 96，可以实现fiber-SPME的自动化。该系统通过简单编程编可以执行稀释、搅拌和提取等多种样品制备步骤，从而降低检测时间、加快采样处理量以及提高可重复性。

1.2 批量平衡微萃取技术：其他几种静态批量平衡固相微萃取的差别在于提取设备的结构，如涂层位于搅拌棒或薄膜上。搅拌棒吸附萃取（SBSE）是一个新的样品制备技术，克服了纤维固相微萃取的有限容量的缺点。现在市售的磁性PDMS涂层搅拌棒，如Twister®搅拌棒，类似于SPME，但是有较厚的涂层（0.3～1.0 mm），使相容量是纤维固相微萃取的50～250倍，但SBSE需要手动处理，自动化程度低。SBSE/GC-MS法检测已经发展到检测血液、尿液和组织样品的基本药物，用于法医毒理学中的常规药物筛选。最近，一个高度敏感的分析方法利用SBSE可以测定人尿样品中的微量酚类外源性雌激素。此外，SBSE与HPLC-UV联合使用可用于检测血浆样品中卡马西平、苯妥英及苯巴比妥的含量。

虽然的固相微萃取方法的灵敏度可以通过增加萃取相的体积而提高，但是单纯增加吸附层的厚度将需要更长的平衡时间，因为萃取率通过涂层厚度来控制。最近开发的薄膜固相微萃取（TFME）可以增加物质的萃取速率和固相微萃取的敏感性。PDMS膜的薄层表面积大，比其他的固相微萃取的装置（如纤维和搅拌棒）提取相容量大，萃取率高。这种方法是特别适用于具有高的分布常数的疏水性半挥发性组分。此外，一个新的C18薄膜萃取结构已被应用到LC-MS/MS分析尿液样本中的苯二氮类药物，该方法通过使用自动进样器，使分析物能在96孔板中平行萃取来实现高通量分析。

1.3 管内固相微萃取技术：管内固相微萃取（In-tube SPME）使用一个毛细管柱，具有小型化，自动化，高通量的特点，可以即时与分析仪器联用以减少溶剂消耗。不同于fiber-SPME，In-tube SPME通常使用很短的内壁涂层为熔融石英的毛细管。根据填充类型的不同，纤维填充，吸附剂填充和杆型整料柱被开发出来以提高提取效率和增加特异性。纤维填充柱由装有纤维的刚性棒状杂环聚合物组成，吸附剂填充和杆型整料柱具备一个附有萃取相的微型液相毛细管柱。在In-tube SPME方法中，分析物被吸收或吸附到填充纤维和吸附剂的外表面上。In-tube SPME操作系统可以分类为溢流萃取系统和吸入/喷射萃取系统，第一种系统中溶液是朝一个方向上连续地通过一个提取的毛细管柱，第二种系统中样品溶液被毛细管柱被反复吸入和分配。分析物可以随流动相或静态解吸溶剂解吸，与GC，LC或CE联用进行分析。

1.4 其他新型SPME技术：目前更多新型的图层及装置已经被研发用于医学生物检测。聚吡咯和聚噻吩涂层纤维已被用于萃取血液中的治疗多重耐药性金黄色葡萄球菌的抗生素和血浆中抗肾上腺素药物。睾酮印迹SPME纤维被用于选择性萃取在尿液样本中合成代谢类固醇。最近，有生物相容性的In-tube SPME联合HPLC-荧光检测方法被用于血浆样品中干扰素α的治疗监测。此外，具有唯一萃取相的铅笔芯纤维，被用于从人的唾液中提取微量的甲基苯丙胺。一个基于DISPME，使用溶胶-凝胶法制得的衍生纤维联用GC-MS，被用来分析21例肺结核患者的痰中的脂肪酸。

2 结论和未来发展趋势

科研工作者为了从复杂基质中提取分析物而研究更新、更有效的方法，样品制备一直位于制药和生物化学研究的最前沿。多种类型SPME装置与GC、LC或CE联用成为高效的样品制备方法，包括纤维、搅拌棒、薄膜及毛细管。批量平衡微萃取克服了SPME萃取相容量有限的缺点。固相微萃取技术已广泛地应用于生物分析，他们是目前的样品制备方法的优秀替代品。在未来的研究中，可以实现即时分析和自动化样品萃取的设备和系统是SPME重要的发展方向。小型化和自动化的样品制备技术在高通量分析中必不可少，并且需要连接多种微型分析装置。此外，在96孔板中纤维或薄膜涂层的使用有利于并行高通量样品处理。

改良固相微萃取的涂层使其吸附能力和选择性增强也是科研工作者重要的发展方向，利用它可以有效地提取复杂基质中的低浓度的目标分析物。目前已经开发利用的涂层材料包括聚吡咯、溶胶-凝胶法制备的多孔二氧化硅等。此外，利用光响应的聚合物和聚合物磁性颗粒也可用于选择性样品制备。SPME发展的主要障碍是缺乏特异性设备，找到既有良好的生物相容性又有高精准度的纤维已经成为攻关难点，这也限制了这种技术在实验室的应用。

总之，固相微萃取技术对于制药和生物医学的样品制备是有良好的发展前景，特别是考虑到固相微萃取的独特功能，使得未来研究变得生机勃勃。由于智能材料的发展、新型集成高通量采样设备及方法的研究，固相微萃取的潜在应用范围有望扩大。