整体柱的设计、制备及其在样品前处理领域的应用进展

王雪梅，袁 娜，黄丽霞，黄鹏飞，杜新贞，卢小泉

（甘肃省生物电化学与环境分析重点实验室，生态功能高分子材料教育部重点实验室，西北师范大学化学化工学院，甘肃 兰州 730070）

从现场采集的样品因受限于待测组分含量低，基质组分干扰，样品形态不利于直接检测及对仪器的保护等因素，往往不能直接用于仪器测定，需要对样品进行预处理，该过程是样品分析中至关重要的一个环节。据统计，在样品分析过程中，前处理约占总分析时间的三分之二，前处理过程引入的误差约占整个误差的70% ～ 80%［1］。因此，样品前处理是影响分析结果准确度的关键因素，在样品分析中发挥着越来越重要的作用，设计和开发高效便捷的样品前处理技术是非常必要的。

固相微萃取（SPME）技术由加拿大Waterloo大学Pawliszyn等［2］于1989年提出，是一种将样品的采集、分离、富集、解吸甚至进样等步骤整合于一体的新型样品预处理技术。整体柱（MC）作为管内固相微萃取（In-tube SPME）的典型代表，除了具备SPME的优点，还因其制备工艺简单，重现性好，便于在线和离线操作而备受研究者青睐。本文总结了近年来整体柱的设计、制备及其在样品前处理领域的应用进展，并对其未来发展趋势进行了展望，为该领域内整体柱的设计和制备提供了参考。

1 整体柱及其分类

整体柱是由反应单体、交联剂以及致孔剂等在一定条件（加热或光照）下，在经处理的管（毛细管、聚醚醚酮管、不锈钢管等）中原位聚合得到的连续整体，根据其制备原料类型的不同，可分为三大类，即：有机聚合整体柱、无机硅胶整体柱以及结合前两者共同优势的有机-无机杂化整体柱［3］。

有机聚合整体柱是最早发展起来的一类整体柱，1967年，Kubín等［4］制备了聚2-羟基乙基甲基丙烯酸凝胶整体柱，之后又制备了交联程度更高的聚丙烯酰胺整体柱，从而引起了人们的广泛关注。由于制备有机聚合整体柱的有机单体种类较多，聚合反应条件也相对温和，制备出的柱子能够适应较广泛的pH值并且耐高温，因此有机聚合整体柱得到了快速发展。根据功能单体的不同，可将有机聚合整体柱分为聚苯乙烯类整体柱［5］、聚甲基丙烯酸酯类整体柱［6］和聚丙烯酰胺类整体柱［7-8］。但有机聚合整体柱也有着不可忽视的缺点：纯有机聚合物的骨架缺乏刚性，机械强度差，容易造成柱子内部在使用的过程发生坍塌；在有机溶剂的存在下容易发生溶胀，干燥之后又容易收缩，使得内部聚合物脱离管壁等。这些缺点给有机聚合整体柱的使用造成了较大的影响，而无机硅胶整体柱可以克服这些缺点。

无机硅胶整体柱可分为硅胶颗粒固定性整体柱和原位硅胶整体柱，前者是先将填料填到毛细管柱中，再通过溶胶-凝胶技术、聚合技术或者高温烧结等技术形成整体柱；后者是以烷氧基硅烷为主要原料，在水、催化剂、致孔剂等条件下，通过水解、聚合等过程经溶胶-凝胶化而形成具有双孔结构的整体柱。“溶胶-凝胶”法是以有着较高化学活性成分的化合物为前驱体，在催化剂（酸或碱）和模板剂（表面活性剂）的存在下，经过水解、醇解、缩聚等一系列过程，形成透明的溶胶流体，溶胶再经过陈化过程使胶粒间缓慢聚合和流动性降低，最后形成具有三维网状结构的凝胶［9］。1991年Nakanishi等［10］首先报道了多孔硅胶整体材料的制备技术，1996年Minakuchi等［11］首次制备了连续的无机硅胶整体柱。无机硅胶整体柱具有均匀的孔结构和大的比表面积，此外还有较理想的机械强度等，但这类整体柱也有着比较明显的劣势，如：原料有限，制备过程中水解和聚合同时进行，聚合过程过快不利于装柱，不耐酸碱腐蚀等，因此开发了克服以上两种整体柱缺点的有机-无机杂化整体柱。

2001年Hayes等［12］采用溶胶-凝胶法首次制备了C18杂化硅胶整体柱，截止目前，含有氨基［13］、苯基［14］、羧基［15-16］、烯基［17］等官能团的有机-无机杂化整体柱已被制备并应用于样品前处理、色谱柱等分析化学领域。根据制备工艺的不同，有机-无机杂化整体柱可被分为两类，即传统的有机-无机杂化整体柱和基于多面体低聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）的新型杂化整体柱。前者的制备方法和无机杂化整体柱相同，只是在反应单体上进行了改进，不再采用单纯的硅氧烷作聚合单体，而是以硅氧烷作为交联剂以提供大的骨架，含有机官能团的硅烷偶联剂，如：3-氨丙基三已氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、3-（异丁烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷等作为功能单体。基于POSS的新型杂化整体是以含有机官能团的多面体低聚倍半硅氧烷（一种新型纳米结构聚合材料，通式为（R2SiO1．5）n，其中R可以是烯基、芳基、烷基等）作为功能单体，与其他有机单体共聚制备整体柱。2017年，Ma等［18］采用“一锅法”，以多面体低聚倍半硅氧烷和甲基丙烯酸（POSS-MA）共聚，制备出基于多丙烯酸酯的双季戊四醇-五∕六丙烯酸酯（DPEPA）的高交联杂化整体柱。与传统意义上的杂化整体柱相比，基于多面体低聚倍半硅氧烷的整体柱具有良好的刚性结构，更加丰富的硅氧结构和立体空间，因而具有更加坚固的骨架，更加耐酸碱，整体柱的性能也得到了极大的提高。

2 整体柱的设计与制备

由于整体柱具有简单的制备工艺、丰富的孔隙结构、较高的稳定性、良好的吸附性等优势，目前已经开发了多种用于制备整体柱的方法，如聚合法、掺杂法、后修饰法、三维（3D）打印法等。

聚合法主要包括热引发聚合、“溶胶-凝胶”法、点击反应等。如Wu等［19］以N-异丙基丙烯酰胺为功能单体，二乙烯基苯和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂在加热条件下制备了用于富集烟草生物碱的有机聚合整体柱，与之相类似的还有以3-丙烯酰胺苯基硼酸作为功能单体，二乙烯苯和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺作交联剂制备的整体柱可用于富集食用肉品中的苯并咪唑［20］。Huang等［21］以苯乙烯和乙烯基苯磺酸（VBSA）为单体，二乙烯基苯为交联剂，采用原位加热共聚法制备了一种新型聚苯乙烯基整体柱，由于乙烯基苯磺酸的引入，该柱可以应用于酸性物质的富集。Grzywiński等［22］采用甲基丙烯酸胆甾醇酯作为功能单体制备了聚（甲基丙烯酸胆甾醇酯-共-4-甲基苯乙烯-共-乙烯基苄基氯-共-二乙烯基苯）毛细管整体柱，并用此整体柱实现了对羟基苯甲酸酯、邻三联苯基苯并菲的特异性吸附。

“溶胶-凝胶”法是用于制备整体柱的重要方法，主要适用于有机-无机杂化整体柱或无机杂化整体柱。Lian课题组［23］使用溶胶-凝胶法运用水解聚合机理制备了一种羧基功能化的整体柱，该方法利用羧基与重金属铬离子的配位作用，实现了对Cr（Ⅲ）和Sb（Ⅲ）的高效富集。Chen等［24］采用溶胶-凝胶法和化学修饰法制备了一种新型的左旋苯丙氨酸酰胺修饰的整体硅胶柱，并成功用于丹磺酰氨基酸的对映体分离。Schmidta和Bottoli［25］以四甲氧基硅烷（TMOS）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）为前驱体，采用溶胶-凝胶法制备了有机-无机化硅杂化整体柱，采用十二硫醇对混合整体柱进行修饰最终得到乙烯基-硫醇-烯杂化整体柱，并以此柱作为萃取介质对7种烷基苯进行了富集和分离。

点击法是近年新兴的一种聚合方法，点击反应是由Kolb等［26］在2001年引入的一个合成概念，主旨是通过小单元的拼接，快速、可靠地完成化学合成，该反应具有产率高、速度快、反应条件简单、原料和反应试剂易得等优点。Wei课题组［27］首次采用点击反应通过紫外光引发巯基和炔基聚合，将1，3-二乙炔基四甲基二硅氧烷（DYDS）与3种多硫醇共聚，通过使用二甘醇二乙醚（DEGDE）和聚乙二醇（PEG200）的二元成孔系统，快速制备了杂化整体柱。Lin课题组［28］开发了一种在室温下紫外光引发自由基聚合和“烯-醇”点击反应同时进行的方法，并以此法制备了含适配体的杂化亲和整体柱。Lian课题组［29］通过“一锅法”联合“硫醇-烯”点击反应开发了一种新型羧基功能化杂化整体柱的快速、高效制备方法，该整体柱在pH = 3 ～ 7的范围内可以选择性地富集Cr（Ⅲ），并通过联合电感耦合等离子体质谱实现了Cr（Ⅲ）的分离富集与检测。

采用掺杂法制备整体柱可以将掺杂材料的优点与整体柱的优越性相结合，从而提高整体柱的性能。常用于掺杂法制备整体柱的掺杂材料主要有氧化石墨烯（GO）［30-31］，各种纳米粒子［32-38］（如碳纳米颗粒［39］、凹凸棒石纳米粒子［40］，利用有机物新合成的纳米粒子［41］以及传统的金纳米颗粒［42］等）。共价有机框架（Covalent organic frameworks，COFs）［43］由于其优异的吸附和传质性能也逐渐被作为掺杂体应用于整体柱的制备［44-48］。

后修饰法是在整体柱的制备过程中单体官能团不能满足需求的情况下而发展起来的一种方法。该方法是将修饰分子中丰富的官能团引入整体柱的直接而有效的方法，其具体要求是作为修饰体的分子具有可与所制备整体柱中已有的官能团之间相结合的结构，这种结合作用力可以是共价键，也可以是静电作用等［49-52］。

由于目前用到的所有整体柱制备方法均不能完全人为地控制整体柱的形状、孔隙大小及排布，而3D打印技术［53-54］可以实现这一要求，因此使用该技术制备的整体柱也已经被应用于样品的前处理过程。Su等［55］以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）打印了整体柱的外壳，使用聚乙烯醇以及聚氨酯泡沫打印了整体柱的内部填料，从而实现对水样中的几种痕量重金属离子的在线富集与检测。Gupta等［56］使用带有相同聚合物内填料的3D打印整体柱对不同形状（2D蛇形柱、3D螺旋柱和3D蛇形柱）的整体柱的色谱分离效果进行了研究。Correa课题组［57］首次报道了在三维立体光刻（3D-SLA）打印体中将多孔聚合物共价连接到丙烯酸酯光聚合树脂内表面以制备整体柱，并将其作为在线吸附萃取装置在人类唾液中进行自动固相萃取，测试了对生物样品（人类唾液）中4-羟基苯甲酸（4-HBA）、N-（3-马来酰亚胺基丙酰基）生物胞素（MPB）、双酚A（BPA）、对羟基苯甲酸苯酯（PhPB）和三氯生（TCS）的萃取性能。

3 整体柱在样品前处理领域的应用

由于整体柱有着相对简单的制备工艺，丰富的孔隙结构，优良的萃取性能，易于实现的在线操作［55-59］等优点，因而在样品前处理领域中有潜在的应用价值。应用于该领域的整体柱以毛细管整体柱为主，除毛细管外还可以制备于注射器针头或移液枪枪头等材料中。相比于应用于色谱柱的整体柱，应用于样品前处理的整体柱的制备相对简单和微型化，该类整体柱优良的性能使其在样品前处理方面均有应用。

3.1 生物监测

Zhao等［58］首先以N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、甲基丙烯酸乙酯三甲基氯化铵（DMC）和2-乙烯基-4，4-二甲基氮内酯（VDMA）等为原料制备了母体整体柱，随后利用DNA电荷依赖性吸附将适配体接到该整体柱表面从而获得Apt @ MDV 整体柱（图1）。实现了赭曲霉毒素A（OTA）的在线选择性提取和高效识别，当OTA质量浓度控制在0．200 ng∕mL的低水平且共存OTB为50 ～ 125倍时，OTA的回收率仍保持在96．9% ～ 96．7%。在实际样品的加标回收实验中也获得了良好的回收率（＞ 96．5%）。Wu等［19］制备的聚（N-异丙烯酰胺-共-二乙烯苯-共-N，N'-亚甲基双丙烯酰胺）毛细管微萃取整体柱联合质谱实现了6种烟草生物碱的富集与分离。通过这种方法获得的烟草生物碱的质谱信号比直接质谱法高400倍，6种烟草生物碱的最低检出限（LOD）为0．140 ～ 0．644 ng∕g。Ou等［60］采用水热法制备MIL-101（Cr）0．3，用乙二醇丙烯酸二甲酯和亚乙基二硫醇对其进行改性后，通过同时引发硫醇-烯点击反应和自由基聚合的一步策略制备了MIL-101共价键合巯基功能化毛细管整体柱，将其嵌入微流控芯片的微通道中，作为毛细管微萃取的介质富集细胞中的甲基汞（CH3Hg+）和无机汞（Hg2+），并将该装置与高效液相色谱与原子化检测器-质谱联用，其最低检出限分别为9．7 ng∕L和18．9 ng∕L，表明装置对细胞内基质干扰具有良好的耐受性。

图1 DNA在聚合物上的吸附示意图（A）和OTA在线选择性识别与HPLC联用示意图（B）［58］Fig．1 Schematic diagram of DNA adsorption on photopolymerization supports（A） and selective recognition of OTA online coupled with HPLC（B）［58］

3.2 食品安全

Wu课题组［61］以2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC）和1-丁基-3-乙烯基咪唑溴化铵为原料，制备了离子液体功能化的聚合物整体微萃取柱，将该柱作为毛细管电色谱（CEC）分析之前的毛细管微萃取（CME）的萃取介质，从食品样品中富集了糖类抗生素。在0．05、0．50、1．000 mg∕L三个不同加标浓度的牛肉和猪肉样品中测得回收率分别为78．8% ～ 103．5%和72．0% ～ 92．8%，RSD值分别小于9．5%和8．9%。Wang课题组［40］将凹凸棒石纳米粒子改性的整体柱应用于奶制品中环丙氨嗪和三聚氰胺的固相微萃取。结果表明该整体柱具有较强的抗干扰能力和高效的富集能力，所开发的方法对环丙氨嗪和三聚氰胺的检测灵敏度分别提高了约4．7倍和167倍，在实际样品检测中具有很高的应用价值。Wu等［20］采用聚（3-丙烯酰胺苯基硼酸-共-二乙烯基苯-共-N，N-亚甲基双丙烯酰胺）整体柱结合质谱对食用肉类中的痕量苯并咪唑进行了富集和检测。与直接质谱法相比，经毛细管整体柱萃取后的质谱强度明显提高，基质效应明显减弱，在1 ～ 100 ng∕g范围内研究其线性，R2＞ 0．99，RSD值小于2．45%，其最低检出限为0．55 ～ 0．91 ng∕g。在三种不同加标浓度的猪肉和鸡肉样品中，其回收率分别为74．5% ～92．4%和74．5% ～ 91．5%，且使用该方法在市售食用肉类中检出少量的苯并咪唑（见图2）。Zhang等［62］以甲基丙烯酸缩水甘油酯和乙二醇二丙烯酸酯为原料，制备了聚（甲基丙烯酸缩水甘油酯-共-乙二醇二丙烯酸酯）整体柱，将该柱用靶向棒曲霉素单链DNA适体修饰后得到适体功能化毛细管整体柱，以其作为固相微萃取的吸附剂，结合超高效液相色谱联合质谱法用于食品样品中棒曲霉素的测定。该方法具有超低的检出限（2．17 pmol∕L）、适宜的线性范围（0．008 11 ～ 8．11 nmol∕L）。在5．0 ng∕kg和50 ng∕kg两个水平下进行加标实验，其回收率分别为85．4% ～ 95．8%和93．7% ～ 106%，RSD值分别小于7．2%和5．3%，利用该方法在部分水果样品中检出少量棒曲霉素。

图2 苯并咪唑在聚合物整体柱上的吸附机理［20］Fig．2 Adsorption mechanism of benzimidazole on polymer monolithic column［20］

3.3 环境检测

整体柱在环境检测方面的应用较为普遍。Wang课题组［63］采用掺杂法制备了一种有机-无机杂化整体柱。首先以六水合硝酸锌和2-甲基咪唑制备了多孔的沸石材料（ZIF），将其掺杂到以氨丙基三乙氧基硅烷为功能单体，正硅酸四乙酯为交联剂，乙醇和十六烷基三甲基溴化铵为混合致孔剂的整体柱预聚液中制成混合整体柱。以该整体柱为萃取基质，对4种溴代阻燃剂（TBBPA、TBBPS、TBBPA-ae、TBBPA-dbpe）进行萃取并采用高效液相色谱进行检测。在1 ～ 500 µg∕L的范围内考察了其线性，得到R2＞ 0．997 1，RSD ＜ 0．14%，LOD值在0．52 ～ 3．1 µg∕L之间，实际水样加标实验中获得的回收率为82．4% ～ 116．6%。Lian课题组［29］采用羧基功能化杂化整体柱作为毛细管微萃取吸附剂与原子化检测器和质谱联用，通过控制pH值实现了对环境水体中无机铬（Cr（Ⅲ）、Cr（Ⅵ））的分离、富集和检测，其实际样品中加标回收率高于88%，在未加标的实际水样中也不同程度地检出了少许Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）。Chen等［64］以甲基丙烯酸2-羟丙酯和二甲基丙烯酸酯为原料，在热引发条件下制备了聚（甲基丙烯酸2-羟丙酯-共-二甲基丙烯酸酯）整体柱，将该柱作为高效液相色谱前样品预处理装置，对水样中3种杀菌剂（嘧菌酯、二氟苄草胺和乙胺嘧啶）进行萃取与检测，其最低检出限为0．19 ～ 0．65 µg∕L，而直接高效液相色谱法并未检出这3种杀菌剂，加标回收实验中其回收率高于80．2%，RSD值小于4．2%。Lin等［65］以甲基丙烯酸烷基酯为功能单体，二乙烯基苯（DVB）作交联剂制备聚合物整体柱，将此整体柱作为固相萃取剂联合高效液相色谱对8种单苯环苯脲类除草剂和7种多环磺酰胺类抗生素进行萃取和检测。结果表明所制备的整体柱具有良好的稳定性（RSD ＜ 1．2%）。Fei等［66］以Cu（Ⅱ）为模板离子，制备了新型氨基功能化Cu（Ⅱ）离子印迹有机-无机杂化（Cu（Ⅱ）-IIHMC）整体柱，并以此作为固相微萃取基质联合电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析了环境中的痕量Cu（Ⅱ）。在优化条件下，该整体柱能选择性地吸附Cu（Ⅱ），吸附量为3．13 mg∕g，富集倍数为10，在0．05 ～ 50 µg∕L范围内建立校准曲线，R2= 0．999 2，最低检出限为0．008 µg∕L。

3.4 医疗卫生

Wang课题组［41］采用制备的新型席夫碱网格（SNW-1）整体柱对人血浆中的3种抗癫痫药物进行萃取，并联合高效液相色谱对其进行测定。与不含SNW-1的整体柱相比，在聚合物整体柱中加入SNW-1可显著改善3种抗癫痫药物的提取性能。在0．5 ～ 200 ng∕mL范围内考察其线性，R值为0．999 9，最低检出限为0．2 ng∕mL，日内、日间及柱间的RSD值总体小于7．14%，在3个不同浓度水平下进行血浆的加标回收实验，回收率为88．6% ～ 106．1%，3次实验的RSD ＜ 2．53%，表明该方法在血浆样品分析中具有良好的灵敏度、准确性和稳定性。Mao等［67］以苄基奎宁作为功能单体，1，3，5-三丙烯酰六氢-1，3，5-三嗪为亲水性交联剂，在热引发条件下聚合得到两亲性苄基奎宁功能化强亲水性（N-苄基氯化奎宁-共-1，3，5-三丙烯酰六氢-1，3，5-三嗪）整体柱，并将其用于分离硫脲、酚类和药物等。Liu等［68］通过热引发原位自由基聚合制备了聚（离子液体烯丙基缩水甘油酯-共-乙二醇二甲基丙烯酸酯）整体柱，并将其用作在线固相萃取柱，与高效液相色谱联用从人血浆中有效提取并分离了3种降压药，提取效率令人满意，无基质干扰。在优化提取条件下对不同加标浓度的实际样品进行回收率测试，其回收率为96% ～ 105%和90% ～ 106%。Lei等［69］使用表位方法设计和制造了一种新型分子印迹单片（MIM）柱，用于神经肽神经降压素（NT）和神经调节蛋白N（NmN）的选择性毛细血管微萃取（CME），并在HPLC-UV分析之前将其应用于人血浆中NT和NmN的富集。印迹的整体材料显示出优异的最大吸附容量和对其靶肽的选择性。NT和NmN分别获得了0．62 nmol∕L和1．20 nmol∕L的低检测限和令人满意的回收率（82．5% ～ 98．8%）（图3）。表1列出了整体柱在生物监测、食品安全、环境监测、医疗卫生等领域样品预处理中的应用。

图3 用于神经肽神经降压素和神经调节蛋白的选择性毛细血管微萃取［69］Fig．3 Selective CME for neuropeptides neurotensin and neuromedin N［69］

表1 整体柱在样品预处理中的应用Table 1 Application of monolithic column in sample pretreatment

4 结论与展望

截止目前，有机聚合、物理掺杂、后修饰以及3D打印技术等方法已在整体柱的制备中被广泛应用。本文对当前整体柱的设计制备理念及方法进行了总结，对目前已制备的整体柱进行了简单归类，从中可以看出，整体柱的制备过程相对于其他材料较为简单，制备方法多样，性能优异，而且易与其他材料结合，在富集萃取方面具有极大的应用价值，尤其是样品前处理方面，整体柱可以实现快速高效的处理，提高样品分析的效率。

尽管整体柱有以上优势，但在制备方面还存在以下问题需改进：①可用于制备整体柱的单体种类有限。功能单体是影响整体柱性能的关键，高性能的功能单体可赋于整体柱更好的应用性能，因此需开发更多新颖的高性能单体，从而提高整体柱的性能。②制备整体柱的反应时间过长，大部分需要12 h甚至更长时间，探索更快速的制备方法以缩短反应时间可使整体柱的制备过程更加绿色环保。③掺杂法制备整体柱可将用于制备整体柱的单体材料的优良性能和掺杂材料的优良性能相结合，但目前报道的掺杂法大多是混合掺杂，缺少化学键的作用力，制备出的掺杂整体柱存在结构不均匀的现象，影响了柱子的性能。因此在今后的发展中应开发更多可以产生共价键等化学作用力的掺杂体。④目前整体柱仅在吸附、富集方面发挥作用，若所开发的整体柱能将有害污染物在富集检测后去除或在整体柱中将有害污染物转化为清洁无害物质后再进行检测，整体柱将能发挥更大的作用。