基于電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集技術(shù)的研究進(jìn)展

劉玉蘭, 陳雅莉, 肖小華, 夏 凌, 李攻科

(中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

樣品前處理是復(fù)雜樣品分析的關(guān)鍵步驟,根據(jù)物質(zhì)的理化性質(zhì)差異,將待測(cè)物從復(fù)雜的基質(zhì)中預(yù)先分離富集出來,幫助提高分析方法的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確性。但這是一個(gè)無法自發(fā)進(jìn)行的、從無序到有序熵減的過程。實(shí)現(xiàn)樣品的有效制備需要向體系做功或通過引入相、膜和場(chǎng)改變化學(xué)勢(shì)的分布以降低體系的熵值[1,2]。這些過程不僅耗時(shí)費(fèi)力,還極易引起誤差,是當(dāng)前分析化學(xué)發(fā)展的瓶頸問題。將電場(chǎng)引入在線樣品前處理,既能向體系做功,又能驅(qū)動(dòng)樣品在分離、富集、檢測(cè)各步驟之間定向遷移,使熵減過程順利進(jìn)行,是快速樣品制備的有效途徑[3,4]。

圖 1 近10年關(guān)于電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道情況Fig. 1 Literature reports on electrically-driven force based online rapid separation and enrichment techniques in recent 10 years Literature source: Web of Science; keywords (2010-2020): capillary electrophoresis (CE), microchip electrophoresis (MCE), online concentration, solid-phase (micro)extraction, liquid-phase (micro)extraction, electromembrane extraction (EME).

近年來,電驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管在線分離富集、電驅(qū)動(dòng)芯片在線分離富集、電驅(qū)動(dòng)膜萃取等模式的電驅(qū)動(dòng)在線快速樣品前處理技術(shù)發(fā)展迅速。該技術(shù)綜合了多種加速樣品制備的策略:(1)以電場(chǎng)形式向系統(tǒng)輸入能量,加速系統(tǒng)的傳質(zhì)和傳熱;(2)以電滲、電泳定向流形式驅(qū)動(dòng)樣品在分離、富集、檢測(cè)各步驟之間定向遷移,保證樣品前處理/檢測(cè)順利進(jìn)行;(3)利用在線聯(lián)用技術(shù)集成樣品前處理與分析步驟,以提高自動(dòng)化程度和減少人為誤差;(4)通過微型化裝置或微萃取方法提高樣品制備效率，縮短樣品制備時(shí)間。圖1總結(jié)了近10年來基于電驅(qū)動(dòng)的在線快速分離富集技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道情況,該研究領(lǐng)域每年都有超過100篇的研究論文,其中半數(shù)以上的文獻(xiàn)是基于電驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管在線分離富集方法,電驅(qū)動(dòng)膜萃取在線分離富集技術(shù)研究的文獻(xiàn)雖然較少,但呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì),正逐漸成為研究熱點(diǎn)。本文綜述了包括電驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管分離富集、電驅(qū)動(dòng)芯片分離富集和電驅(qū)動(dòng)膜萃取3種在線模式的電驅(qū)動(dòng)在線分離富集技術(shù)的研究進(jìn)展,討論了該技術(shù)的能量輸入、定向流加速傳質(zhì)、集成策略和微型化等加速樣品制備原理,展望了電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)。

1 電驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管在線快速分離富集技術(shù)

根據(jù)帶電粒子在電場(chǎng)作用下在介質(zhì)中定向遷移的性質(zhì),通過在毛細(xì)管兩端施加高壓電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的毛細(xì)管電驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅是快速、高效、低耗的分離手段,同時(shí)也是復(fù)雜樣品快速制備的有效途徑。電泳分離之前在同一毛細(xì)管中先進(jìn)行樣品的電場(chǎng)聚焦,在線毛細(xì)管電泳分離技術(shù)利用電滲驅(qū)動(dòng)和電泳驅(qū)動(dòng)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)分離富集,能提高電泳分離效率和檢測(cè)靈敏度,且操作簡(jiǎn)便、速度[5,6]。而利用在線聯(lián)用技術(shù)將微萃取與毛細(xì)管電泳進(jìn)行集成,通過電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)樣品中目標(biāo)物在樣品制備與分析檢測(cè)各步驟之間的定向遷移,則在保持自動(dòng)化樣品分析省時(shí)省力優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展了毛細(xì)管電泳技術(shù)在復(fù)雜樣品分離分析的應(yīng)用范圍。

1.1 在線毛細(xì)管電泳分離富集技術(shù)

在毛細(xì)管兩端施加電場(chǎng),管中的溶液受電滲驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定向移動(dòng),移動(dòng)速度與溶液理化性質(zhì)密切相關(guān)。通過調(diào)控樣品溶液和電泳背景溶液的離子濃度,可重新分配毛細(xì)管中的區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度,改變樣品與帶電粒子的遷移速度乃至方向，以達(dá)到目標(biāo)物分離富集的效果[7,8]。另外,基于待測(cè)目標(biāo)物在不同電泳背景溶液中淌度、解離度等的性質(zhì)差異也可進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)樣品預(yù)富集[9,10]。這些電場(chǎng)聚焦技術(shù)可與電泳分離在同一毛細(xì)管中完成,實(shí)現(xiàn)在線樣品前處理與電泳分析的聯(lián)用,無須附加樣品前處理裝置,操作簡(jiǎn)便[11,12]。根據(jù)操作方法和富集效果可細(xì)分為簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦、增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦、整管聚焦、等速電泳聚焦和pH聚焦在線毛細(xì)管電泳分離富集技術(shù)。

圖 2 簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of simple electric fields stacking-CE online separation and enrichment technique

簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)中,低離子濃度的樣品以電動(dòng)進(jìn)樣模式引入毛細(xì)管中高離子濃度的電泳背景溶液,樣品區(qū)帶上的電場(chǎng)強(qiáng)度大于電泳背景溶液,目標(biāo)分析物可在進(jìn)樣口處富集,形成簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦(見圖2)。Zayed和Belal等[11]建立了簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-CE方法用于茚達(dá)特羅和葡萄糖吡喀兩種藥物的同時(shí)測(cè)定。他們將低離子濃度的樣品甲醇-水(70∶30, v/v)溶液以電動(dòng)進(jìn)樣模式引入充滿65 mmol/L磷酸鹽緩沖液的毛細(xì)管中,進(jìn)樣電壓10 kV,進(jìn)樣時(shí)間20 s,使目標(biāo)物富集于樣品溶液與緩沖液交界面。該方法有效提高了茚達(dá)特羅和葡萄糖吡喀的檢測(cè)靈敏度,并成功應(yīng)用于血漿和尿液中2種藥物的測(cè)定。簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)還在天然產(chǎn)物研究[13,14]、食品安全[15]、藥物監(jiān)測(cè)[16]中得到應(yīng)用。

增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)是在簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦操作之前,以壓力進(jìn)樣模式先進(jìn)一段純?nèi)軇﹨^(qū)帶,再以電動(dòng)進(jìn)樣模式引入樣品溶液,此時(shí)純?nèi)軇﹨^(qū)帶上電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于毛細(xì)管中其他區(qū)域,引起目標(biāo)分析物的增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦。由于溶劑區(qū)帶長(zhǎng)度可控,目標(biāo)物的富集效果也得到相應(yīng)提升。Hamidi等[17]用增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了呼出液中美沙酮的手性分離與測(cè)定。所有樣品進(jìn)樣前先在毛細(xì)管中注入一段水區(qū)帶,再以電動(dòng)進(jìn)樣模式引入樣品溶液,進(jìn)樣電壓15 kV,進(jìn)樣時(shí)間40 s。增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù)也用于單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)代謝物檢測(cè),靈敏度提高了100～300倍[18]。在尿樣中卡西酮對(duì)映體的檢測(cè)中,靈敏度提高了444～472倍[19],在磺胺類藥物快速分析中,其富集倍數(shù)高達(dá)150～206倍[20]。

為提高痕量目標(biāo)物的富集倍數(shù),整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)先將樣品溶液灌滿整根毛細(xì)管,再施加反向分離電壓,使電泳背景溶液從毛細(xì)管出口處倒灌進(jìn)入,在樣品/背景溶液界面形成電場(chǎng)強(qiáng)度梯度,并持續(xù)富集目標(biāo)物直至背景溶液到達(dá)進(jìn)樣口。Chen等[21]運(yùn)用整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)進(jìn)行細(xì)胞中銅離子分析,他們先將樣品溶液充滿毛細(xì)管,然后施加與分離過程相反的高壓,將樣品基質(zhì)推出毛細(xì)管,當(dāng)背景溶液完全填充毛細(xì)管時(shí),又將電源極性改變,使分離條件回到正常的分析。與常規(guī)毛細(xì)管區(qū)帶電泳分析相比,該技術(shù)樣品富集倍數(shù)高達(dá)1 000倍。整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)在藥物質(zhì)量控制[22,23]、天然產(chǎn)物研究[24]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[25]中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

pH聚焦-CE在線分離富集技術(shù)通過調(diào)節(jié)樣品溶液與電泳背景溶液的pH值,弱解離樣品在通過pH突變界面時(shí)因解離度變化而改變遷移速度,形成樣品聚焦。Li等[29]利用該技術(shù)成功分離富集血液中的肌紅蛋白。pH聚焦-CE在線分離富集技術(shù)還可用于弱堿性/弱酸性或兩性離子[30,31],如肽[32]和氨基酸[33]的分析。

將兩種或兩種以上的電場(chǎng)聚焦技術(shù)結(jié)合,采用協(xié)同電場(chǎng)聚焦或多步電場(chǎng)聚焦的方法提高富集倍數(shù)已成為一種趨勢(shì)。結(jié)合增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦和整管聚焦2種電場(chǎng)聚焦技術(shù),Hsieh等[34]采用增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-整管聚焦-CE在線分離富集技術(shù)分析動(dòng)物飼料中8種激素,與常規(guī)電泳技術(shù)相比,靈敏度提高了400～2 000倍。Kawai等[35]發(fā)展了簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-CE在線分離富集技術(shù),在葡萄糖低聚物分析中,該方法靈敏度提升高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2 微萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)

基于電場(chǎng)聚焦作用的毛細(xì)管電泳在線分離富集技術(shù)雖然具備裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),但在復(fù)雜樣品分析中容易受到基體干擾,且富集效果受到進(jìn)樣體積或毛細(xì)管長(zhǎng)度的限制[36,37]。毛細(xì)管中實(shí)現(xiàn)微萃取-電泳在線聯(lián)用技術(shù)在復(fù)雜樣品分離富集中優(yōu)勢(shì)明顯。該技術(shù)主要包括液相微萃取-毛細(xì)管電泳及微固相萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)。

液相微萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)中液相微萃取常以液膜萃取形式進(jìn)行。操作過程與增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦相似,先以壓力進(jìn)樣模式向毛細(xì)管引入萃取液膜區(qū)帶,再以電動(dòng)進(jìn)樣模式引入樣品溶液,樣品溶液中目標(biāo)分析物在電驅(qū)動(dòng)下穿過萃取液膜區(qū)帶富集于液膜/緩沖液界面。該技術(shù)中萃取液膜不僅起到消除樣品基質(zhì)干擾的作用,還引起目標(biāo)分析物的電場(chǎng)聚焦。Chui等[38]采用自由液膜萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用技術(shù)測(cè)定污染河水樣品中百草枯和地喹,與常規(guī)CE分析相比,在線分離富集技術(shù)靈敏度提高了1 500～1 866倍,且不再需要附加離線樣品前處理步驟。

圖 3 微固相萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用方式Fig. 3 Online integrated micro solid-phase extraction-capillary electrophoresis methods

在電驅(qū)動(dòng)下,微固相萃取(μ-SPE)與毛細(xì)管電泳也可實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)用。如圖3所示,在電泳毛細(xì)管上利用微固相萃取涂層或整體柱的形式對(duì)進(jìn)樣端修飾,或直接將固相萃取小柱拼接到進(jìn)樣口,微固相萃取和電泳可在同一根毛細(xì)管上進(jìn)行[39]。Zhang等[40]采用μ-SPE整體柱方式修飾電泳毛細(xì)管進(jìn)樣口,并在修飾后的毛細(xì)管中進(jìn)行牛血清白蛋白、非洲爪蟾卵和大腸桿菌中多肽的在線微固相萃取-毛細(xì)管區(qū)帶電泳-質(zhì)譜分析。Pero-Gascon等[41]報(bào)道了一種在線適配體固相萃取-毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜技術(shù)用于血液中α-核蛋白的分離富集。適配體固相萃取小柱以拼接方式接入電泳毛細(xì)管,紅細(xì)胞裂解液樣品在電驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入毛細(xì)管前端的適配體固相萃取小柱,目標(biāo)物預(yù)分離富集后,再進(jìn)行電泳與質(zhì)譜分析。該方法線性在0.5～10 μg/mL之間,LOD為0.2 μg/mL,可用于分析帕金森病患者紅細(xì)胞裂解液中內(nèi)源性α-核蛋白。

在一根毛細(xì)管上實(shí)施的微固相萃取-毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用分離富集雖然在復(fù)雜樣品分析中有一定的優(yōu)勢(shì)。但是,在SPE過程中樣品基質(zhì)也會(huì)通過分離毛細(xì)管導(dǎo)致分離通道污染,影響分離效果。在獨(dú)立的兩根毛細(xì)管中分別進(jìn)行固相萃取和電泳,并以泵、閥和流體控制實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)用，可避免樣品基質(zhì)對(duì)分離通道的污染,且能進(jìn)一步增大樣品處理量。Zhang等[42]采用四通納米閥作為接口,實(shí)現(xiàn)μ-SPE-CE在線聯(lián)用,并應(yīng)用于廢水中磺胺類抗生素的分析。該方法每次進(jìn)樣可對(duì)20 mL樣品進(jìn)行在線分離富集,與常規(guī)CE相比,LOD降低了約20倍。

2 電驅(qū)動(dòng)芯片在線快速分離富集技術(shù)

樣品前處理時(shí)長(zhǎng)與待處理樣品量和處理效率直接相關(guān)。利用微加機(jī)械加工與微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的樣品前處理微型化,不僅可處理微量樣品,還能在微通道中迅速完成傳質(zhì)和傳熱過程,加速樣品制備[43,44]。通過微流控芯片加工過程中定制的通道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和流體操控技術(shù),在一塊芯片上完成萃取、分離、富集、純化、檢測(cè)等多個(gè)樣品前處理和分析步驟[45,46]。而電驅(qū)動(dòng)流體控制技術(shù)因其高效、靈活、清潔等優(yōu)勢(shì)從眾多微流體操控技術(shù)中脫穎而出。在電驅(qū)動(dòng)芯片在線分離富集技術(shù)中,電泳驅(qū)動(dòng)力可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的電泳分離,電滲驅(qū)動(dòng)力既可作為芯片上不同單元之間流體輸送動(dòng)力,也可用于電動(dòng)流體泵閥的操控[10,47]。該在線聯(lián)用技術(shù)主要包括在線芯片電泳分離富集技術(shù)和微萃取-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)。

2.1 在線芯片電泳分離富集技術(shù)

芯片電泳是微型化的毛細(xì)管電泳,所以毛細(xì)管電泳在線分離富集方法能在芯片上實(shí)施。而芯片通道的加工方式,使分離通道截面積更小,尺寸更均一,加快傳質(zhì)平衡的同時(shí)減少焦耳熱的產(chǎn)生,提升電泳分離性能[48,49]。在分離微通道入口處設(shè)計(jì)進(jìn)樣閥,芯片電泳的自動(dòng)進(jìn)樣極易實(shí)現(xiàn)。芯片電泳的電場(chǎng)聚焦技術(shù)自動(dòng)化程度更高,速度更快,而芯片裝置的便攜性使其在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[50,51]。

Zeid等[52]報(bào)道了一種在十字芯片通道上實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用技術(shù)。該技術(shù)先將樣品溶于低離子濃度緩沖液(3 mmol/L硼酸鹽緩沖液)中,以高離子濃度緩沖液(30 mmol/L硼酸鹽緩沖液)為電泳背景溶液,電動(dòng)進(jìn)樣過程中目標(biāo)分析物巴噴丁(GPN)和普瑞巴林(PGN)被富集于樣品區(qū)帶前端。該方法對(duì)PGN和GPN芯片電泳檢測(cè)靈敏度分別提高了14倍和17倍,整個(gè)分離富集檢測(cè)可在4 min內(nèi)完成。Cheng等[53]利用增強(qiáng)場(chǎng)聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),并于電感耦合等離子體質(zhì)譜檢測(cè)聯(lián)用測(cè)定面包中溴的形態(tài)。該技術(shù)可在35 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)溴酸鹽和溴酸鹽的分離,且溴酸鹽和溴酸鹽的靈敏度分別提高了12.8倍和12.0倍。Zhang等[54]報(bào)道了增強(qiáng)場(chǎng)聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù)在大腸桿菌檢測(cè)中的應(yīng)用。Kitagawa等[55]報(bào)道了整管聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),首先使用注射器將樣品溶液手動(dòng)注入整個(gè)通道,再利用反向電泳驅(qū)動(dòng)力使樣品遷移回進(jìn)樣口并富集于狹小區(qū)帶中,隨后,該技術(shù)被應(yīng)用于DNA片段的預(yù)富集和芯片電泳分離。Kawal等[56]利用整管聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù)將低聚葡萄糖芯片電泳檢測(cè)靈敏度提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在芯片上等速電泳聚焦的靈敏度和效率與CE相比較低,但是它的裝置簡(jiǎn)單,操作更加靈活[57]。Eid等[58]用等速電泳聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)分析全血樣本中失活的單核增生李斯特菌,包括細(xì)胞裂解、萃取、檢測(cè)等步驟在內(nèi)的整個(gè)分析過程僅需50 min,且可通過芯片設(shè)計(jì)加工多通道芯片,實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品的同時(shí)分析檢測(cè)。

多種電場(chǎng)聚焦-芯片電泳在線聯(lián)用技術(shù)的集成,可將不同聚焦技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相互結(jié)合,使目標(biāo)物的靈敏度得到提高。Kitagawa等[59]采用簡(jiǎn)單電場(chǎng)聚焦-增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-芯片電泳在線分離富集技術(shù),研究了微芯片電泳,并實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的分析。該方法將染料的分析靈敏度提高了4 520倍,是單一增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-芯片電泳分析靈敏度的33倍。Wang等[60]將整管聚焦-多步增強(qiáng)電場(chǎng)聚焦-芯片電泳技術(shù)運(yùn)用于大腸桿菌的分析,該電驅(qū)動(dòng)多重富集策略的富集倍數(shù)高達(dá)6 000倍,且操作簡(jiǎn)單,樣品消耗量少。

2.2 微萃取-芯片電泳在線聯(lián)用分離富集技術(shù)

在芯片上構(gòu)建微型化樣品前處理單元,微萃取與電泳的在線聯(lián)用可通過芯片通道中的流體操控技術(shù)實(shí)現(xiàn),而樣品前處理裝置的微型化,可進(jìn)一步加速分離富集過程。目前芯片與微流控技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了液-液萃取[61,62]、電膜萃取[63]、固相萃取[64]、液相微萃取[65]等前處理步驟與芯片電泳的在線聯(lián)用,在食品安全[66]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[67]、醫(yī)療診斷[68]等快速檢測(cè)中得到應(yīng)用。

將芯片液膜萃取與毛細(xì)管電泳在線聯(lián)用,Ramos Payán等[69]利用電驅(qū)動(dòng)流協(xié)助接受液相向毛細(xì)管的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)了阿米替林、美沙酮、氟哌啶醇、洛哌丁胺、哌替啶等藥物的在線分離富集。液膜萃取芯片由樣品通道、接受液通道和支撐液膜組成,萃取過程以壓力流為主要驅(qū)動(dòng)力,接受液在電驅(qū)動(dòng)力協(xié)助下進(jìn)入毛細(xì)管進(jìn)行后續(xù)在線分析。該技術(shù)的萃取效率和富集倍數(shù)都較之前的文獻(xiàn)報(bào)道高[70]。以阿米替林為例,120 min的連續(xù)萃取可實(shí)現(xiàn)500倍的富集。

將分子印跡固相萃取整體毛細(xì)管柱接入電泳芯片,Zhai等[71]的微固相萃取-芯片電泳在線聯(lián)用裝置可在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下依次進(jìn)行樣品的提取、注射、分離和檢測(cè)。該方法避免了在微通道中制備固相萃取柱的煩瑣步驟,也可針對(duì)目標(biāo)分析物更換整體柱,拓展裝置的應(yīng)用范圍。Cakal等[64]在芯片上進(jìn)行硅烷化處理后進(jìn)行修飾,用SPE-CE在線聯(lián)用裝置對(duì)兒茶酚胺進(jìn)行富集、洗脫和檢測(cè),該方法可實(shí)現(xiàn)100倍的富集。

3 電驅(qū)動(dòng)膜萃取在線分離富集技術(shù)

2006年,Pedersen-Bjergaard等[72]報(bào)道了一種基于電驅(qū)動(dòng)的液膜萃取方法,可使帶電目標(biāo)物在直流電場(chǎng)作用下穿過支撐液膜進(jìn)入接受溶液。因其快速高效,且具備一定的選擇性,以該方法為原型的電膜萃取技術(shù)逐漸發(fā)展起來,并在生命[73,74]、環(huán)境[75]、醫(yī)藥[76,77]、食品[78]等復(fù)雜樣品制備中得到有效應(yīng)用。傳統(tǒng)的液相分離系統(tǒng)以目標(biāo)物的濃度梯度為驅(qū)動(dòng)力,而電膜萃取技術(shù)將電場(chǎng)這一能量場(chǎng)引入液相分離系統(tǒng),不僅向系統(tǒng)中輸入能量、加速傳質(zhì),還驅(qū)動(dòng)帶電目標(biāo)物在電場(chǎng)中定向遷移,進(jìn)一步加速萃取過程[79]。電膜萃取中的支持液膜則起到消除基質(zhì)干擾的重要作用,選用適當(dāng)或改良膜材料可提升該樣品前處理技術(shù)的選擇性[80]。通過樣品溶液和接受溶液體積調(diào)控,電膜萃取也能應(yīng)用于痕量目標(biāo)物的有效富集[80,81]。除此之外,與其他加速樣品制備策略聯(lián)用還能進(jìn)一步提升電膜萃取的性能。例如采用陣列裝置可對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行同時(shí)電膜萃取[73];與液相微萃取聯(lián)用可拓寬電膜萃取技術(shù)的適用樣品范圍[75,82];通過在線聯(lián)用技術(shù)使電膜萃取與其他樣品制備/分離分析步驟自動(dòng)進(jìn)行,減少人為操作,提升樣品分析性能[83,84]。

常見的電膜萃取模式包括中空纖維、平面模式、芯片式和微電膜萃取[80]。其中芯片式和微電膜萃取正受到越來越多的關(guān)注。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,電膜萃取技術(shù)制備的樣品可通過LC[85]、LC-MS[83,86,87]、HPLC[78,88]、GC-MS[89,90]、CE[73,91]、MS[77,92]、伏安法[93]等方法進(jìn)行分析。而集成多種高效樣品制備特性的電膜萃取在線分離富集技術(shù)在復(fù)雜樣品分析中優(yōu)勢(shì)明顯。

將電膜萃取與電噴霧電離-質(zhì)譜(ESI-MS)直接在線聯(lián)用,Rye等[77]報(bào)道了相似的EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了生理pH條件下兩性離子代謝物的有效分離富集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并成功應(yīng)用于大鼠肝微粒體中羥嗪和伏替西汀的代謝研究。Dugstad等[84]研發(fā)的EME-ESI-MS方法成功地將待測(cè)目標(biāo)物從緩沖液和蛋白質(zhì)中分離富集出來,避免離子抑制和質(zhì)譜儀的污染,實(shí)現(xiàn)了大鼠肝臟微粒體中堿性藥物阿米替林的藥物代謝反應(yīng)的實(shí)施監(jiān)測(cè)。Fuchs等[94]將EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù)用于阿米替林、異丙嗪和美沙酮3種不同藥物的代謝動(dòng)力學(xué)研究。他們的研究結(jié)果顯示,與LC-ESI-MS相比,EME-ESI-MS在線聯(lián)用技術(shù)在快速分析上呈現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì),可在20 s內(nèi)完成單個(gè)樣品分析,在藥物代謝的監(jiān)控中極具應(yīng)用潛力。與快速傅里葉變換方波伏安法(FFTSWV)在線聯(lián)用,Norouzi等[93]報(bào)道的EME-FFTSWV在線分析技術(shù)可在低電壓下完成血液中格列本脲的高靈敏度檢測(cè)。

圖 4 芯片式電膜萃取-高效液相色譜-質(zhì)譜在線聯(lián)用示意圖[86]Fig. 4 Schematic diagram of online combination of on-chip EME-HPLC-ESI-MS[86]

利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電膜萃取裝置微型化,電驅(qū)動(dòng)芯片膜萃取(on-chip EME)不僅可減少樣品和溶劑的消耗,還能通過微流控技術(shù)精確操控流體定向流動(dòng),易于與各種樣品制備/分析技術(shù)在線聯(lián)用。Petersen等[92]將on-chip EME與ESI-MS直接在線聯(lián)用,應(yīng)用于阿米替林藥物代謝研究,單個(gè)分析過程僅需9 s。On-chip EME將待測(cè)目標(biāo)物從富含蛋白質(zhì)和電解質(zhì)的少量樣品溶液中快速、高效地分離富集出來,再將目標(biāo)物進(jìn)行ESI-MS在線分析,該方法的重現(xiàn)性良好,在線on-chip EME-ESI-MS技術(shù)在少量樣品的實(shí)時(shí)監(jiān)控研究中展現(xiàn)出超強(qiáng)潛力。在on-chip EME與ESI-MS之間增加在線色譜分離步驟進(jìn)一步提升樣品制備效果,拓寬電膜萃取在線分離富集技術(shù)的應(yīng)用。See等[86]介紹了一種在線on-chip EME-HPLC-ESI-MS分析系統(tǒng),用于河水中氯化苯氧乙酸除草劑的測(cè)定。該在線分析系統(tǒng)通過注射泵(syringe pump)和閥(selection valve)控制流體在系統(tǒng)中的定向流動(dòng),在萃取芯片(extraction cell)上施加電壓進(jìn)行連續(xù)電膜萃取,萃取芯片末端的接收溶液出口與HPLC-MS儀器連接完成萃取物的在線分析(見圖4)。Hansen等[87]也報(bào)道了類似的在線on-chip EME-HPLC-ESI-MS分析系統(tǒng),并通過萃取芯片設(shè)計(jì)將電膜萃取的富集倍數(shù)提高到400,使得納升級(jí)樣品中痕量目標(biāo)物的分析成為可能。在不斷提升樣品制備效果的同時(shí),該在線分析技術(shù)的應(yīng)用也從液體樣品拓展到固體樣品。例如,Kamankesh等[78]將on-chip EME-HPLC方法用于烤肉中多環(huán)芳香烴的檢測(cè)。除了與分析儀器在線聯(lián)用,on-chip EME還能與其他樣品前處理技術(shù)在線聯(lián)用,以取得更好的樣品制備效果。Karami等[90]在芯片上加工EME單元和分散液液微萃取(DLLME)單元,利用離心力控制微通道中的流體流動(dòng)方向,完成在線on-chip EME-DLLME,制備好的樣品通過GC-MS進(jìn)行分析。

電驅(qū)動(dòng)微型膜萃取(μ-EME)是EME的微型化模式,且樣品與接受溶液之間換用自由液膜,不再需要膜體支撐。μ-EME中可精確控制溶液體積,而透明裝置則利于實(shí)時(shí)觀察萃取過程,是電膜萃取理論研究的利器。Kubáň課題組在μ-EME理論[91,95,96]與應(yīng)用[85,97]研究上做出了眾多貢獻(xiàn)。該課題組的最新研究進(jìn)展之一是將μ-EME與HPLC在線聯(lián)用[85],不僅保留了萃取速度快的優(yōu)勢(shì),還實(shí)現(xiàn)了自由液膜的自動(dòng)更換,有效避免了μ-EME樣品殘留和膜容量損失的問題。

電膜萃取在線分離富集技術(shù)在幾秒鐘的時(shí)間能完成樣品分離富集,且富集效果超過兩個(gè)數(shù)量級(jí),已在藥物代謝研究中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。通過裝置微型化,on-chip EME和μ-EME可用于小體積樣品的超快速分離分析,而與其他樣品前處理技術(shù)的在線聯(lián)用以及先進(jìn)膜材料的研究也將拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)論與展望

在復(fù)雜樣品分析中,如何快速、高效地從復(fù)雜成分的實(shí)際樣品中將痕量的目標(biāo)化合物進(jìn)行分離富集,是提高分析靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力的在線分離富集技術(shù),既能向體系做功,又能驅(qū)動(dòng)樣品在分離、富集、檢測(cè)各步驟之間定向遷移,保證熵減過程順利進(jìn)行,是快速樣品制備的有效途徑。本文綜述了電驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管分離富集、電驅(qū)動(dòng)芯片分離富集和電驅(qū)動(dòng)膜萃取3種模式電驅(qū)動(dòng)的在線快速分離富集技術(shù)研究進(jìn)展。討論了該技術(shù)中基于電場(chǎng)的能量輸入、電驅(qū)動(dòng)定向流加速傳質(zhì)、在線集成策略和裝置微型化等加速樣品分離富集的方法與原理?；陔婒?qū)動(dòng)的在線分離富集技術(shù)具有速度快、分離富集效果好、自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)。但是該技術(shù)多與電泳、質(zhì)譜分析技術(shù)聯(lián)用,在復(fù)雜樣品中的應(yīng)用較少。分析化學(xué)所面對(duì)的樣品復(fù)雜程度越來越高,發(fā)展快速分離富集技術(shù)對(duì)復(fù)雜樣品分析意義重大,未來基于電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集技術(shù)研究將集中在以下幾個(gè)方面:(1)集成先進(jìn)的樣品前處理材料與技術(shù),進(jìn)一步提高分析方法的選擇性和靈敏度,加快分析速度。(2)與色譜、拉曼光譜等高性能檢測(cè)器在線聯(lián)用,拓寬基于電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,并為相關(guān)色譜、光譜檢測(cè)提供快速有效的前處理技術(shù)。(3)針對(duì)食品、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域快速檢測(cè)需求,發(fā)展可用于復(fù)雜樣品分析的基于電驅(qū)動(dòng)在線快速分離富集的快速檢測(cè)技術(shù)。