药毒物分析中磁性固相萃取技术的应用进展

滕 姣，陈学国，高 原，王 越

(中国刑警学院 法化学系，辽宁 沈阳 110854)

磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction，MSPE)是一种以磁性吸附材料或者已经被磁化的材料为吸附剂基质的分散固相萃取技术，其操作流程如图1所示[1]. MSPE的基本原理是在样品的悬浮液或溶液中加入磁性吸附剂后，待测目标物将会被吸附到磁性吸附剂表面，随后，在外部磁场作用下，待测目标物与磁性吸附剂一起被转移到其它容器中，最终通过合适的洗脱剂洗脱，待测目标物与样品溶液分离，从而达到分离、提纯、富集的目的[2]. 作为一种新型样品预处理方法，MSPE不仅可以减少有毒、有害有机溶剂的使用量与毒害性，简化样品预处理过程，避免过滤或离心操作，易于实现自动化，而且还具有非常高的萃取能力、富集倍数和提取效率[3]. 与常规的固相萃取(SPE)相比，MSPE所用的吸附剂颗粒比表面积大，萃取扩散距离短，吸附剂用量少，平衡时间短，避免了传统SPE吸附剂需装柱和样品上样等耗时问题，而且在处理生物、环境样品时不会存在SPE中遇到的柱堵塞问题，所以在生命科学、材料科学、环境科学等诸多领域中都得到了广泛的应用，展示了广阔的应用前景[4].

图1 磁性固相萃取操作流程示意图Fig. 1 Schemetic diagram of operation procedure of magnetic solid-phase extraction

1 磁性吸附材料

磁性纳米材料是MSPE中最常用的吸附材料，一般由磁性纳米粒子和表面修饰剂两部分组成，其最大的特点是可以依据不同的需求，将各种功能化的材料修饰于磁性纳米颗粒表面，在磁性材料表面键合上不同的官能团后，可以用于各种物质中不同特性分析物的提取. 磁性纳米粒子具有纳米材料诸多性质的同时，还具有良好的相溶性、磁导向性和降解性，易于结合多种生物分子并进行表面修饰等特点，经表面修饰剂修饰后的磁性纳米材料水溶性和分散性大大提高，表面能降低，不易团聚. 目前，磁性纳米材料制备常用方法主要包括共沉淀法、高温热解法、声化学法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、微乳液法等，其中共沉淀法应用最为广泛[5]. 已经开发并应用的磁性吸附材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等和分子印迹、金属-有机框架(MOFs)等高分子材料[6].

1.1 磁性碳材料

王利民等[7]以活性炭为基质材料，通过溶剂热法合成磁性活性炭，作为分散基质固相萃取的吸附材料，用来吸附富集水样中的痕量双酚A，结果令人满意. 胡争艳等[1]通过溶剂热反应制备得到磁性多壁碳纳米管，并用于婴幼儿配方奶粉中残留的性激素的萃取，所建立的方法快速、简便，适用于婴幼儿配方奶粉中性激素残留快速筛查与检测. Wu等[8]通过化学共沉淀法制备了磁性石墨烯复合材料，并将其用于萃取环境水样中的氨基甲酸酯类杀虫剂，目标分析物的富集因子远高于分散液-液微萃取和超声辅助乳化微萃取的萃取效率.

1.2 磁性分子印迹材料

分子印迹聚合物是一种合成的具有选择性分子识别位点的稳定聚合物，磁性分子印迹聚合物结合分子印迹聚合物和磁性材料的优点，在目标物的识别与萃取方面具有更高的选择性. Wang等[9]选择利用分散聚合方法，选择2-(4,6-二氨基-1,3,5-三嗪-2-基胺)二硫乙烷作为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，成功制备得到磁性分子印迹聚合物，并将其用于鸡蛋和奶类样品中灭蝇胺和三聚氰胺的提取与富集，试验结果显示出较高的选择性. 作为当前分子印迹技术研究热点，表面分子印迹技术也在MSPE中得到了应用[10]. 苏立强等[11]以阿散酸为模板分子，选择2-乙烯吡啶为功能单体，以改性Fe3O4@SiO2为载体，通过表面印迹法合成阿散酸磁性分子印迹聚合物，结合紫外-可见吸收光谱法，实现了鸡肝中阿散酸的检测，制备的磁性分子印迹聚合物吸附性能良好、选择性强.

1.3 磁性金属-有机框架材料

MOFs是一类由金属中心与有机配体经过自组装形成的具有可调节孔径的材料，与传统的无机多孔材料相比，MOFs具有更大的比表面积、更高的孔隙率，更加多样化的结构及功能[12]. 王志等[13]采用原位磁性功能化方法合成了一种具有磁性的功能化MOFs Fe3O4@SiO2-MOF-177，并将其用于环境水样中酚类化合物的分离富集，结果发现，该吸附材料提取效率高，富集倍数大.

2 MSPE在药毒物分析中的应用

作为一种高效、快速、简便和可靠的样品提取与富集技术方法，MSPE为诸多领域中痕量分析物的富集打开了一扇新的窗户，各种功能化的磁性吸附材料越来越多的被开发并得到广泛应用. 在药毒物分析方面，MSPE的应用主要体现在不同样品基质中各种不同种类的杀虫剂、除草剂、杀菌剂、植物生长调节剂等农药及抗生素、安眠镇静类合成药物、金属毒物、植物毒素、毒品等的提取、净化与富集.

2.1 农药分析

农药是一种化学药物，主要应用于农业生产过程中预防农业、牧业、林业中各种有害动植物和调节农作物的生长发育. 目前我国使用的农药主要包括各种杀虫剂、除草剂、杀菌剂和植物生长调节剂等. 由于这些农药在防止病虫害和调节农作物生长发育的同时，也在环境中大量的残留，对人类生命与正常生活、动植物的生长带来了不可估量的危害. 同时，部分农药毒性较大，使用广泛易得，用于自杀、投毒以及误服所引起的案件也时有发生. 因此，需要发展更加方便、快捷、准确的检测技术对各种不同样品中痕量农药进行检测，进而为相关案件侦破与诉讼提供有力的证据. 杨露等[14]利用微波辅助法制备得到离子液体，又将离子液体修饰在磁性颗粒表面，获得Fe4O3@SiO2@ILs疏水化离子液体固定化的磁性球，结合液相色谱(HPLC)分析方法，建立了水样中有机磷类杀虫剂检测分析的MSPE-HPLC分析方法. 试验结果显示：水样中3种有机磷类杀虫剂的分析相对偏差在3.6%～5.8%之间，R2大于0.999，定量限为1.699～3.144 μg/mL，检测限为0.543～0.945 μg/mL，研究表明该吸附剂对有机磷类杀虫剂具有良好的吸附性能. 张凌怡等[15]将C18修饰的磁性纳米吸附材料用于水样中叶蝉散、甲草胺、毒死蜱、氟胺氰菊酯、氯菊酯、甲氰菊脂和氰戊菊脂的检测. 试验结果表明：C18修饰的磁性纳米吸附材料稳定性好、可操作性强，在固相吸附过程中表现为样品极性越弱，回收率越高. 通过优化试验条件，得到在0.1～10 μg/L范围内的线性系数大于0.997 5，方法检出限范围在0.006～0.05 μg/L，所建立的方法回收率高、标准偏差小、富集倍数大，可用于样品中低浓度非极性农药的定量和定性分析. 姚伟宣等[16]使用Fe3O4修饰的多壁碳纳米管吸附剂提取蜂蜜中的拟除虫菊酯类农药，通过对离子强度、萃取和解析时间等因素优化选择后，得到最佳提取条件，结合气相色谱检测方法，目标物在0.5～50 μg/L内线性相关性高，检出限范围为0.07～0.20 μg/L，精密度在3.8%～8.1%之间，回收率高于78.4%，所建立的方法满足蜂蜜样品中残留杀虫剂检测的要求. 邱霞琴等[17]利用RGO/Fe3O4磁性吸附材料与气相色谱-质谱联用检测瓜果蔬菜中的痕量拟除虫菊酯类农药，试验发现，RGO/Fe3O4磁性吸附剂对拟除虫菊酯类农药有较强的吸附作用，所建立的方法具有很好的相关性，4种拟除虫菊酯类农药检测线性相关系数为0.998～0.999，RSD值在4.3%～8.9%之间，检测限最低为2.05 μg/kg，回收率为83.49%～117.38%. 赵广莹等[18]使用磁性石墨烯与高效液相色谱法联用建立了测定水样中5种磺酰脲类除草剂的方法，经过多次试验优化得到最佳条件，所建立的方法定量分析相关系数在0.998 9～0.999 5之间，线性范围为0.05～50 ng/mL，检出限为0.005～0.04 ng/mL，加标回收率高达81.6%～97.0%，RSD低于6.3%，回收率与重现性较好，为磺酰脲类除草剂的检验开辟了一条新的途径. Peng等[19]将裸磁性Fe3O4纳米粒子与工业氨基官能化的多壁碳纳米管，在水中混合制备磁性氨基官能化多壁碳纳米管，然后其通过疏水和离子的相互作用，实现水样中的苯氧羧酸类除草剂的富集，结合液相色谱-串联质谱联用技术进行检测. 试验表明，该方法测定的苯氧酸除草剂均能获得良好线性关系，检出限为0.01～0.02 μg/L，在空白样品中加标3种浓度水平的7种苯氧羧酸类除草剂，回收率在92.3%～103.2%之间. 该新型吸附材料具有良好的选择性，而且重复利用率高，可以快速、高效的实现苯氧酸类除草剂检测. 何晓明等[20]采用原位共沉淀方法制备得到了β-环糊精磁性石墨烯纳米材料，结合液相色谱-质谱联用技术，建立了瓜果中9种植物生长调节剂的检测方法. 试验发现，9种植物生长调节剂在相关范围内线性关系良好，相关系数高于0.999，检出限为1.03～3.42 μg/kg，定量限为3.40～11.3 μg/kg，基质加标回收率为71.7%～101%，相对标准偏差为0.9%～10.9%. 所建立的分析检测方法，样品前处理操作简单，检测灵敏度高，结果准确性强，可实现瓜果中多种植物生长调节剂的同时快速测定.

2.2 合成药物分析

MPSE在合成药物分析方面的应用主要包括医疗卫生、农业生产、畜牧养殖等领域的抗生素检测，抢劫、强奸、误服、投毒、自杀案件以及医疗纠纷中涉及的安眠镇静类药物等的分析. 杨梦晖等[21]以由吡咯烷酮基和二乙烯基苯修饰的磁性纳米材料为吸附剂，提取水样中的4种磺胺类抗生素，使用液相色谱-质谱联用法进行检测. 试验结果表明，磺胺类抗生素在5～500 μg/L浓度内具有良好的线性范围，相关系数均大于0.999，检出限为4.2～4.7 μg/L，加标回收率为72.3%～88.5%，相对标准偏差在3.5%～10.2%之间. 该方法简单便捷、用时短、有机溶剂用量少、重现性好，可有效的应用于样品中痕量磺胺类抗生素的提取分离. 李欣悦等[22]使用一步合成法合成有磁性的石墨烯-GO-Fe3O4，作为吸附剂，与高效液相色谱-质谱联用测定水中的喹诺酮类抗生素，发现离子强度对萃取结果影响微小，加标回收率为80.75%～96.5%，且该方法萃取时间较短、检出限较低，对于水样品中痕量喹诺酮类抗生素的检验分析具有一定的优越性. 陈建虎等[23]使用Fe3O4-SiO2-C18纳米磁性吸附材料结合气相色谱-质谱联用技术测定尿液中微量安眠药，结合正交设计，通过极差分析试验发现吸附材料的用量是最主要的影响因素，其次是萃取时间. 利用所建立的方法分析尿液中的9种安眠药，回收率最高可达89.5%，C18修饰的磁性纳米材料对安眠药具有良好的吸附容量和提取效率，满足实际案件中对安眠药的检测要求. Wang等[24]基于氧化石墨烯合成了一种磁性纳米复合材料(MgO)，将其作为磁性吸附剂，与高效液相色谱法联用对苹果汁中棒曲霉素(PAT)进行富集和测定. 试验发现，苹果汁中PAT检出限为2.3 μg/kg，回收率最高达到83.6%，证实了石墨烯基磁性纳米复合材料是一种用于苹果汁样品PAT分析的有效MSPE材料. Zhang等[25]合成制备了磁性钴-腺苷酸金属-有机骨架法，并用于复杂样品中苯二氮卓类安眠镇静药物的分离与富集. 结果表明，在最佳条件下，结合液相色谱-质谱法，尿液和废水样品中苯二氮卓类安眠镇静药物，劳拉西泮的质量浓度为10～50 000 ng/L，依他唑仑、氯氮卓、阿普唑仑、咪达唑仑和三唑仑的质量浓度为5～50 000 ng/L时，检出限范围为0.71～2.49 ng/L，在尿液和废水中的回收率分别为80.2%～94.5%和84.1%～94.4%. 由此可见，磁性钴-腺苷酸金属-有机骨架材料可以用于尿液和废水中苯并二氮杂卓类药物的提取与富集.

2.3 金属毒物分析

金属毒物是指能够引起慢性、急性中毒的金属单质及其化合物，与日常生产、生活密不可分，来自工业生产的重金属离子排放到环境，不仅会对人类活动造成严重影响，同时通过食物链进入人体，危害人类健康. 因此，有必要对食品、环境样品中的有毒金属进行检测，确保食品安全[26]. 另外，大多数金属毒物无色无味，摄入少量即可导致中毒，因此，金属中毒的事件和案件时有发生. 所以，对金属毒物检测技术研究不容忽视，MSPE在金属毒物分析方面也得到广泛应用. 王芹等[27]合成得到Fe3O4/多壁碳纳米管/壳聚糖磁性纳米材料，以此为吸附剂，与火焰原子吸收光谱法联合使用测定工业废水中的Cu2+. 试验结果表明：Cu2+线性范围在0.1～30.0 μg/L之间，检出限为0.012 μg/L，富集倍数最高可达40，样品回收率高，相对标准偏差小于4%. 所建立的方法所需试剂量少，吸附剂选择性强、平衡速度快、容量大，具有较高的灵敏度和准确性，在废水中金属离子的检验方面具有良好的应用前景. 俞梁敏等[28]利用吡啶类离子液体功能化的环糊精聚合物修饰于磁核表面，得到Fe3O4@ILs-CDCP磁性纳米材料，结合电感耦合等离子体发射光谱法检测水体中的铅和锑，综合考察pH值、洗脱剂浓度、类型和用量、共存离子干扰、样品体积等因素，得到方法检出限为1.50 ng/mL和0.54 ng/mL，实际回收率满足回收要求，该萃取方式效率高、分离时间短，可以用于水样中铅和锑的分析和检验. 李蕾等[29]合成巯基化石墨烯和双硫腙功能化磁性氧化石墨烯新型吸附剂，分别建立了新型类浊点萃取技术和磁性固相萃取技术，同时与HPLC-ICP-MS联用对水和大米中的汞进行富集和检测，通过比较发现，磁性固相萃取技术中无机汞和甲基汞的富集因子明显高于浊点萃取技术，具有更低的检出限、较宽的线性范围，在汞形态痕量检测以及重金属目标物提取方面具有较大的优势. 黄培婷等[30]以两步法合成的离子液体负载修饰磁性纳米材料Fe4O3@SiO2@CnMIMPF6为吸附剂，在最优的富集条件下对河水中的铬离子进行提取，利用火焰原子吸收分光光度法分析，结果发现，铬离子检出限为6.5μg/L，水样回收率大于95%，所建立的方法满足污水处理的检测要求.

2.4 植物毒素分析

植物毒素是天然存在于植物中对人、动物有毒的一类物质，中毒、投毒案件时有发生. 徐丹[31]采用利用十二烷基磺酸钠包覆的Fe3O4纳米粒子吸附胶束分散固相萃取结合HPLC-UV分离和富集葛根芩连口服液中的小檗碱、黄连碱和巴马汀. 结果表明，药根碱、黄连碱、巴马汀和小檗碱均具有良好的线性关系，R2均大于0.999，回收率为86.1%-99.2%，相对标准偏差均低于4.4%，所建立的方法具有装置简单、操作方便、环境友好、价格低廉等优点.

2.5 毒品分析

近年来，国际毒潮持续泛滥，为了能更有效的遏制毒品滥用、打击毒品违法犯罪，需要发展行之有效、切实可行的检验技术. 徐飞等[32]设计制备了一种金刚烷胺型磁性吸附材料，结合超快速液相色谱串联质谱分析方法，实现了火锅底料中罂粟碱、吗啡、那可丁、可待因和蒂巴因的快速分离与灵敏分析，平均回收率为65.6%～104.7%，RSD为4.2%～6.1%，检出限为0.75～7.5 μg/kg，定量限为2.5～25.0 μg/kg. Chen等[33]以Fe3O4/SiO2/poly(MAA-co-EDMA为磁性吸附剂，基于毛细管电泳，发展了一种高通量、快速的磁性固相萃取-毛细管电泳(MSPE-CZE)检测氯胺酮、甲基苯丙胺、阿片类毒品及其代谢物的方法，磁性固相萃取在2 min内完成，CZE分析15 min完成. 8种毒品的检测线性范围为0.015～0.105 μg/mL，回收率介于85.4%～110.1%之间，日内、日间精密度分别小于10.3%和12.4%.

3 存在的问题

MSPE在复杂样品预处理方面的应用，证明了其操作简单、快速、高效、富集倍数高等优势，但在药毒物分析的应用中存在以下问题：首先是应用对象问题，MSPE在诸如环境水、蔬菜、土壤等处理时，杂质干扰少，但当应用于血液、尿液、组织等生物样品时，存在基质干扰大、提取效率较低等问题. 其次，MSPE吸附剂种类繁多、功能各异，通用性不强，如何有针对性的选择合适的吸附剂材料，需要花费大量的人力物力. 最后，自动化程度不高，MSPE操作完全依靠人工进行，无法实现自动化、高通量操作，若能研制出相应的自动MSPE装置将会大大提高其应用领域与适用范围.

4 展望

磁性固相萃取技术解决了普通固相萃取吸附剂装柱和大体积上样的弊端，具有萃取时间短、吸附能力强、有机溶剂使用量少、操作简单等优点，从而成为各领域中应用广泛的样品预处理技术. 但同时，也存在某些磁性高分子聚合物制备过程复杂、吸附萃取重现性与选择性低、自动化程度不高等缺点，因此，研究高选择性、高吸附性、低成本、适用范围广、可重复使用、新颖的吸附剂将是MSPE技术的研究方向.