固相微萃取技術在制藥和生物醫學分析中的當前發展和未來趨勢

郭 慧 徐 卓

（遼寧省大連大學附屬新華醫院，遼寧 大連 116040）

生物基質中的治療藥物和它們的代謝物的定量分析，已廣泛應用于藥代動力學，藥效學和代謝組學研究，其對評估藥物的療效、毒性以及開發更多選擇性高且療效好的藥物有更加重要的作用。在臨床和法醫毒物分析中經常需要分析濫用藥物，違禁藥物以及意外中毒的情況[1-2]。此外，生物和臨床研究中涉及的內源性物質分析，如神經遞質、激素和各種有生物活性的化合物可以作為疾病的診斷或預后標志物，臨床醫師在群篩檢、疾病診斷、治療藥物的生物監測過程中可以利用其分析結果預測治療效果[3]。因此，如何找到簡單、快速的生物分析方法在藥物研發、臨床對照、興奮劑檢查和法醫學中已成為一個重大的挑戰。在過去的10年中，出現了很多分析方法及設備領域的突破。在這些現代分析技術中，液相色譜-質譜聯用由于其特異性、靈敏性和高效率的特點，被認為是定量/定性分析的標準。但是這些分析的技術也有選擇性差、易受基質影響等局限性。而微萃取技術及微型設備的發展很好的實現了這個目的。固相微萃取（Solid-phase microextraction，SPME）由于其簡單性和有效性尤為引人注目。SPME是Arthur和Pawliszyn在20世紀90年代初首次發明的[4]，其裝置類似于一支氣相色譜的微量進樣器，萃取頭是在一根石英纖維上涂上固相微萃取涂層，用其直接萃取含水樣本。萃取過程通常是不徹底的，而且只有一小部分初始量的分析物被分離并導入分析儀器。固相微萃取有快速、無溶劑的特點，并且容易和氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）和毛細管電泳（CE）聯用。固相微萃取技術已被用于許多領域。在這篇綜述中，我們匯總了新型固相微萃取技術的當前發展和未來趨勢，包括纖維固相微萃取、管內固相微萃取和其他新的固相微萃取相關技術以及他們在生物醫學領域的應用。

1 固相微萃取技術在生物分析中的發展現狀

SPME技術可粗略地分為靜態批量平衡微萃取和動態流動平衡微萃取的方法。最常用的技術是利用在纖維（纖維固相微萃取，fiber-SPME）和毛細管（管內固相微萃取）外涂覆有一個適當的固定相，目前攪拌棒（SBSE），薄膜（TFME），微量注射器（syringe SPME）和吸頭（in-tip SPME）也已經被開發利用于SPME。在此技術上，科學家們研制了新的圖層、設備來提高提萃取效率；設計了新的接口可以連接多種分析儀器系統和自動化在線系統。目前多種SPME方法已經被用于測定生物樣品中的化合物，包括尿、血清、血漿、全血、唾液、呼氣和頭發。本節將回顧這些新型SPME技術及其在生物分析中的新應用。

1.1 纖維固相微萃取技術：fiber-SPME裝置是由一個內置萃取纖維的針頭和一個外部支架集合體構成的。含有熔融二氧化硅的可伸縮固相微萃取纖維（1或2 cm）目前可以在市場上買到。當纖維被插入到樣品，目標分析物從樣品基質中分離，進入涂布在纖維的外表面的固定相，直至達到平衡。與有填充柱的傳統固相萃取相比，該方法可以將所有的樣品制備步驟整合在一起。fiber-SPME通過在GC中的熱吸附作用與GC或GC-MS聯用，已經成功地應用于檢測多種氣體、液體及固體樣品內的揮發性和半揮發性有機化合物。fiber-SPME也可以連接HPLC和LC-MS來分析不適合GC的弱揮發性或熱不穩定化合物，SPME/HPLC接口配備了一個微量的溶劑室用于溶劑解吸。市售的自動進樣器，如PAL、MPS-2、TriPlus、和Concept 96，可以實現fiber-SPME的自動化。該系統通過簡單編程編可以執行稀釋、攪拌和提取等多種樣品制備步驟，從而降低檢測時間、加快采樣處理量以及提高可重復性。

1.2 批量平衡微萃取技術：其他幾種靜態批量平衡固相微萃取的差別在于提取設備的結構，如涂層位于攪拌棒或薄膜上。攪拌棒吸附萃取（SBSE）是一個新的樣品制備技術，克服了纖維固相微萃取的有限容量的缺點。現在市售的磁性PDMS涂層攪拌棒，如Twister?攪拌棒，類似于SPME，但是有較厚的涂層（0.3～1.0 mm），使相容量是纖維固相微萃取的50～250倍，但SBSE需要手動處理，自動化程度低。SBSE/GC-MS法檢測已經發展到檢測血液、尿液和組織樣品的基本藥物，用于法醫毒理學中的常規藥物篩選。最近，一個高度敏感的分析方法利用SBSE可以測定人尿樣品中的微量酚類外源性雌激素。此外，SBSE與HPLC-UV聯合使用可用于檢測血漿樣品中卡馬西平、苯妥英及苯巴比妥的含量。

雖然的固相微萃取方法的靈敏度可以通過增加萃取相的體積而提高，但是單純增加吸附層的厚度將需要更長的平衡時間，因為萃取率通過涂層厚度來控制。最近開發的薄膜固相微萃取（TFME）可以增加物質的萃取速率和固相微萃取的敏感性。PDMS膜的薄層表面積大，比其他的固相微萃取的裝置（如纖維和攪拌棒）提取相容量大，萃取率高。這種方法是特別適用于具有高的分布常數的疏水性半揮發性組分。此外，一個新的C18薄膜萃取結構已被應用到LC-MS/MS分析尿液樣本中的苯二氮類藥物，該方法通過使用自動進樣器，使分析物能在96孔板中平行萃取來實現高通量分析。

1.3 管內固相微萃取技術：管內固相微萃取（In-tube SPME）使用一個毛細管柱，具有小型化，自動化，高通量的特點，可以即時與分析儀器聯用以減少溶劑消耗。不同于fiber-SPME，In-tube SPME通常使用很短的內壁涂層為熔融石英的毛細管。根據填充類型的不同，纖維填充，吸附劑填充和桿型整料柱被開發出來以提高提取效率和增加特異性。纖維填充柱由裝有纖維的剛性棒狀雜環聚合物組成，吸附劑填充和桿型整料柱具備一個附有萃取相的微型液相毛細管柱。在In-tube SPME方法中，分析物被吸收或吸附到填充纖維和吸附劑的外表面上。In-tube SPME操作系統可以分類為溢流萃取系統和吸入/噴射萃取系統，第一種系統中溶液是朝一個方向上連續地通過一個提取的毛細管柱，第二種系統中樣品溶液被毛細管柱被反復吸入和分配。分析物可以隨流動相或靜態解吸溶劑解吸，與GC，LC或CE聯用進行分析。

1.4 其他新型SPME技術：目前更多新型的圖層及裝置已經被研發用于醫學生物檢測。聚吡咯和聚噻吩涂層纖維已被用于萃取血液中的治療多重耐藥性金黃色葡萄球菌的抗生素和血漿中抗腎上腺素藥物。睪酮印跡SPME纖維被用于選擇性萃取在尿液樣本中合成代謝類固醇。最近，有生物相容性的In-tube SPME聯合HPLC-熒光檢測方法被用于血漿樣品中干擾素α的治療監測。此外，具有唯一萃取相的鉛筆芯纖維，被用于從人的唾液中提取微量的甲基苯丙胺。一個基于DISPME，使用溶膠-凝膠法制得的衍生纖維聯用GC-MS，被用來分析21例肺結核患者的痰中的脂肪酸。

2 結論和未來發展趨勢

科研工作者為了從復雜基質中提取分析物而研究更新、更有效的方法，樣品制備一直位于制藥和生物化學研究的最前沿。多種類型SPME裝置與GC、LC或CE聯用成為高效的樣品制備方法，包括纖維、攪拌棒、薄膜及毛細管。批量平衡微萃取克服了SPME萃取相容量有限的缺點。固相微萃取技術已廣泛地應用于生物分析，他們是目前的樣品制備方法的優秀替代品。在未來的研究中，可以實現即時分析和自動化樣品萃取的設備和系統是SPME重要的發展方向。小型化和自動化的樣品制備技術在高通量分析中必不可少，并且需要連接多種微型分析裝置。此外，在96孔板中纖維或薄膜涂層的使用有利于并行高通量樣品處理。

改良固相微萃取的涂層使其吸附能力和選擇性增強也是科研工作者重要的發展方向，利用它可以有效地提取復雜基質中的低濃度的目標分析物。目前已經開發利用的涂層材料包括聚吡咯、溶膠-凝膠法制備的多孔二氧化硅等。此外，利用光響應的聚合物和聚合物磁性顆粒也可用于選擇性樣品制備。SPME發展的主要障礙是缺乏特異性設備，找到既有良好的生物相容性又有高精準度的纖維已經成為攻關難點，這也限制了這種技術在實驗室的應用。

總之，固相微萃取技術對于制藥和生物醫學的樣品制備是有良好的發展前景，特別是考慮到固相微萃取的獨特功能，使得未來研究變得生機勃勃。由于智能材料的發展、新型集成高通量采樣設備及方法的研究，固相微萃取的潛在應用范圍有望擴大。