固相萃取剂制备方法研究进展

徐海云 , 赵开楼

(河南应用技术职业学院 化学工程学院 , 河南 郑州 450042)

0 前言

环境样品分析时,样品基质繁杂及干扰物的存在极大地影响了对有毒有害物质含量的检测。样品预处理包含从复杂样品中提取出目标分析物,再对其进行净化、分离及浓缩等步骤。样品预处理技术的发展带动着萃取剂行业快速进步,液液萃取、柱色谱、索式提取等传统的预处理方法在市场需求下诞生,分析对象也变得越来越复杂,人们急需一种分辨率高,选择性良好,识别率高,灵敏度和通量都很高的萃取剂来应对研究的发展需求。理想的样品处理技术是尽可能少地使用萃取剂、操作简便、成本合理、适用范围广的处理技术。因此诞生出固相萃取(SPE)、固相微萃取、超临界流体萃取(SFE)、膜萃取等技术,这些技术已经广泛应用于环境检测、生物制药、临床医学和食品安全等领域[1]。

1 固相萃取剂类型

20世纪70年代中期,固相萃取技术作为样品预处理技术被提出[2]。它包括液相萃取和固相萃取两个过程。利用固相萃取剂对液相中的干扰物进行吸附,使样品与干扰物分离,然后再经过解吸附等过程,从而对干扰物进行分离和富集。优良的萃取剂是样品预处理成功的关键所在,由于各种分析过程的预处理技术几乎都需要萃取剂,因此,萃取剂在当今的科学发展中拥有极高的地位。

BRAUS等[3]通过一种活性炭萃取剂,成功地将有机化合物从天然的地表水中分离出来,达到了净化的目的,从此固相萃取就迅速活跃在广大科学工作者的视野当中。至今,研究者一直致力于新型萃取剂的开发与应用,期望能够拥有更多的吸附效率高的、识别率好的理想萃取剂。

1.1 单一模式固相萃取剂

目前存在的单一模式固相萃取剂有多种,主要有正相萃取剂、反相萃取剂和离子交换萃取剂。二氧化锆(SiO2)、硅藻土(SiO2·nH2O)、人工硅酸镁、氧化铝是正相萃取剂常用的填充剂。作用对象是脂溶性维生素、农药等非极性或弱极性化合物。其中二氧化锆基质,因为存在大量的硅羟基与有机离子或活性官能团反应而被最广泛的使用,对于非极性溶液中的有机卤化物、醇类化合物、醛类化合物等中等极性化合物有良好的吸附效能。近年来,水合硅铝酸盐(泡沸石)或天然沸石、画眉石(石墨碳)、玻璃珠及极性比二氧化锆稍弱的带氨基、氰基的化学键合相也成为了科研工作者的研究对象,后者适用于极性不强的化合物分离,如醛、酮、硝基化合物等[4]。对于正相萃取剂,溶剂强度随着溶剂的增加而增加。其作用机制为有偶极、静电引力、氢键、离子键、范德华力等。

普通单一固相萃取分离技术对于分离物的特性要求过高,操作复杂,洗脱时溶剂浪费过多,大大增加了成本且分离效率不佳。因此科学工作者急需一种新的色谱分离技术来满足当前更加苛刻分离的需求。多功能固相萃取剂的研究因此成为热门。

1.2 多功能固相萃取剂

多功能固相萃取剂能够使吸附基质与溶质分子发生多种相互的作用模式。为了实现多功能固相萃取剂的萃取效果,人们首先将多种具有不同分离机制的色谱柱串联,用合适的接口连接两个色谱柱,便形成了第一种多功能色谱柱。因为有多种作用机制,极大地提高了分辨率;但其缺点也很明显,色谱峰展宽严重、操作步骤复杂、试剂流动的兼容性大、系统压力高等。

LIU等[5]第一次合成了二氧化锆基质阴离子交换固定相并成功分离蛋白质,使得这种固定相广泛应用在阴离子交换色谱及疏水作用色谱中。BURTON等[6]描述了一种新的蛋白质层析方法——疏水电荷诱导法。STRANCAR等[7]提出了联合分析液相色谱,这种色谱是把含有不同功能的两个或多个对流相互作用媒质连续的装入同一根色谱柱中。LINK等[8]把具有强阳离子交换作用的固定相与反相液相色谱固定相同时装入一根柱管中并与质谱进行串联连接来进行多肽类物质蛋白质组学分析。GENG等[9]使用同时具有弱阳离子交换性能和疏水作用的色谱柱对完整蛋白质进行了快速的在线分离。这种色谱柱与商品化的单一弱阳离子交换色谱柱及疏水作用色谱柱相比,显示出了更好的分离性能。同时,课题组还把单一色谱柱的二维液相色谱(2D-LC-1C)命名为混合模式色谱,这个名称也显示出了此类色谱与相应的单一模式固定性等同或更为优越的分离性能。SHEN等[10]将一种天然的亲水缩氨酸——谷胱甘肽通过硫醇-烯烃点击化学的方法键合在硅胶上,得到一种同时具有亲水作用与阳离子交换作用的混合模式固定相。

2 多功能固相萃取剂的制备

二氧化锆基质和有机聚合物基质是多功能萃取剂常见的两种基质。机械强度高、比表面积大和拥有比较易于控制表面硅羟基结构的二氧化锆发展成为最广泛使用的萃取剂基质材料。但二氧化锆基质的耐酸性弱,pH值适用范围窄。有机聚合物基质制备的原料是各种天然的多糖,除了拥有很大的负载量,还具有良好的酸碱稳定性,不容易和溶剂等发生反应,在分离生物大分子的方面表现出巨大优势[11]。

2.1 二氧化锆基质多功能固相萃取剂的制备

二氧化锆基质的键合相填料强度大,在反应中稳定性好,在样品前处理技术等领域的分析技术中占有很大的比例[12]。附着在二氧化锆表面的硅羟基(Si—OH)为二氧化锆提供了大量的吸附位点,也是改良改性的基础。通过与各种离子的反应,可以得到适合各种模式的固定相。

刘丽娜[13]将一定量酸化后的二氧化锆加入带有冷凝装置的反应容器中,按一定比例加入干燥甲苯溶剂、催化剂及硅烷化试剂,再依次使用甲苯、甲醇进行洗涤,再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷,依次使用甲苯、丙酮、甲醇进行洗涤。用丁二酸酐与上述键合有γ-氨丙基三乙氧基硅烷的二氧化锆进行酞基化反应,并经过洗涤及干燥等步骤,最终生成反相/弱阳离子型混合二氧化锆萃取剂。李先国等[14]先将二氧化锆活化,以一定比例投入甲苯、十八烷基三氯硅烷等材料,在三乙胺的催化作用下,搅拌数小时后,加入干燥的甲苯,再用有机溶剂甲醇进行洗脱等程序,最后用三甲基氯硅烷封端得到氯硅烷型C18反相二氧化锆键合相。经检验,该氯硅烷型C18反相二氧化锆键合相填料以其耐热性好、纯度高等特点,其分离性能也大大优于一般萃取剂。

SUN等[15]成功合成出修饰烯丙基咪唑的硅胶基质固定相,该固定相能有效地掩盖并减弱剩余硅烷基的影响,并且在反相模式流动相下成功分离了苯、苯胺类、苯酚类化合物,在pH值为7.0的NaCl溶液为流动相的模式下成功分离了无机阴离子类化合物。SUN等[16]将联吡啶修饰在硅胶上,合成出同时具有反相与弱阴离子交换作用的混合模式色谱固定相,在反向模式下成功分离了多环芳香烃化合物与苯酚类化合物,也在离子交换模式下同时分离了无机、有机阴离子化合物。此固定相具有较高的柱效和较好的峰形,而且与其他同类型固定相相比具有较短的保留时间。通过将季胺基嵌入到C18链中得到一种反相/阴离子交换混合模式的固定相。

LIN等[17]成功地合成了一种混合模式的RPLC/HILIC固定相,其带有疏水性的乙二醇末端烷基,用于分析带有脂肪醇乙氧基化物和烷基酚乙氧基化物的非离子乙氧基表面活性剂。固定相上同时具有非极性基团和极性基团,可与样品中非极性和极性基团进行相互作用。LIANG等[18]通过点击化学(“thiol-ene”click)的方法合成了一种混合模式的RPLC/HILIC固定相,将甜菊苷化合物和二萜苷类化合物修饰在多孔硅胶的表面,并成功分离了皂素。

2.2 有机聚合物基质多功能固相萃取剂的制备

早期的混合模式聚合物萃取剂主要是以具有大孔结构的聚乙烯基吡咯烷酮-二乙烯基苯(PVP-DVB)或聚苯乙烯-二乙烯基苯(PS-DVB)微球为基础发展起来的,这类萃取剂对极性大的目标分析物保留较弱[19]。功能单体使用炔丙基甲基丙烯酸醋(PMA)、6-叠氮己酸(AHA),联合机为乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA),催化剂为CuI,AIBN为引发剂,制备了Poly(AHA-co-PMA-co-EDMA)有机聚合基质混合模式萃取剂,在多环芳烃、核普碱基、生物碱、多肤和蛋白质的高效分离方便,表现优异。

有机聚合物拥有许多优点,如化学稳定性高、pH值适用范围广、样品容量高、对水分的保留较少、可以较多地回收目标分析物等。但是在处理过程中聚合单体及聚合时的引发剂会使背景值偏高,而对后来的分析造成了一定的困难。

3 双功能固相萃取剂的设计

多功能固相萃取剂拥有多种作用机制,摆脱了传统的单一功能固相萃取剂分离效率不高、操作复杂、污染大等缺点,并且可以通过改变配基的种类和比例对多功能固相萃取剂的萃取性能进行有效调节,对分析样品进行更加简洁有效而又彻底的预处理,因此设计一种同时具有疏水和离子交换作用的多功能固相萃取剂,设计方案(见图1)在生物学,化学、环境科学中具有十分重要的影响。

图1 双功能固相萃取剂的设计方案

3.1 二氧化锆基质的活化

使用分析天平称取10.0 g的二氧化锆和300 mL盐酸(6.0 mol/L)加入500 mL三口瓶中,使用超声波将溶液混匀,100 ℃下,充分搅拌回流7 h,室温下冷却。然后用蒸馏水洗涤二氧化锆,真空干燥12 h至中性,所得样品即为活化二氧化锆。

3.2 制备功能化二氧化锆

用分析天平称取3.0 g活化后的二氧化锆和50 mL干燥的甲苯,加入250 mL的三口烧瓶中,经超声波混合均匀。加入2.5 mL十八烷基三甲氧基硅烷和2.2 mL(3-环氧丙基丙氧基)三甲氧基硅烷,加入0.2 mL的三乙胺,充入N2作为保护气,110 ℃回流48 h,反应结束后自然冷却,使用漏斗过滤,然后使用有机溶剂甲醇和丙酮依次多次洗涤。真空干燥12 h后得到具有疏水作用和弱离子交换作用的功能化二氧化锆材料。

3.3 二氧化锆材料的表面改性

事先准备好250 mL的三口瓶一支,准确称量3.0 g的功能化二氧化锆材料和称取50 mL干燥的甲苯,加入三口瓶中,超声波充分混匀。滴加4.0 mL二乙胺溶液,加入适量氮气作为保护气,在70 ℃下搅拌16 h使其充分反应,环氧基开环与二乙胺发生加成反应,引入叔氨基。所得产物室温冷却后经漏斗过滤,用适量甲醇和适量丙酮洗涤多次,真空环境下干燥12 h,得到疏水吸附静电排斥脱附双功能固相萃取剂萃取剂。

3.4 对有机废水的预处理

实验拟采用有机废水为分析物,使用实验设计的疏水吸附静电排斥双功能固相萃取剂对其进行分离提纯,吸附条件均为实验所设计的最佳吸附条件。吸附完成后,再用液相色谱对废水中的目标分析物进行测定,判断该固相萃取剂的吸附性能。再将固相萃取剂进行脱附,用液相色谱对甲苯和苯乙胺的脱附量进行测试,评价该固相萃取剂的脱附性能。

4 总结

二氧化锆基质多功能固相萃取剂的制备,有机聚合物基质多功能固相萃取剂的制备,是目前制备固相萃取剂的传统方法。本文设计出疏水吸附静电排斥脱附双功能固相萃取剂的制备方法,技术优于传统方法的特点,摆脱了传统的单一功能萃取剂作用单一、操作繁琐、分离效率不高以及资源浪费的弊端,对分析样品进行更加简洁有效而又彻底的预处理。总之,固相萃取剂的制备方法较多,且日趋成熟,在实际应用中根据不同的分析要求来选择不同的固相萃取剂制备方法。