基于烷基醇/酸的超分子溶劑及其在分析前處理中的應用

戴 沛，朱麗華

華中科技大學化學與化工學院，湖北 武漢430074

液液萃取技術利用組分在不同溶劑中溶解度的不同來分離混合物，是分析化學與化工領域中最重要的分離技術之一。然而，由于水樣與有機溶劑的親和力差、接觸面積小，因此傳統液液萃取在操作中往往需要使用大量的有機溶劑，這不但會提高萃取成本更將造成對環境的污染。通過向萃取體系中加入兩親性的分散劑（如甲醇、乙醇、乙腈等），可以提高有機萃取劑在水相中的分散程度，大大減小有機溶劑的使用量。與液液萃取相比，這種分散液液萃取技術（dispersive liquidliquid microextraction，DLLME），增加了水相與萃取相之間的接觸表面，加快了目標化合物從樣品溶液向萃取劑中的轉移。

表面活性劑作為一種典型的兩親性物質，已被廣泛應用于樣品前處理之中；Yazdi［1］、Moradi和Yamini［2］也對表面活性劑在現代樣品前處理技術中的各類應用進行了總結。當表面活性劑的濃度足夠高，超過其臨界膠束濃度時，就會在溶液中聚集形成水相膠束、反相膠束或囊泡，這些納米級的三維聚集體可作為萃取單元，均勻分散于樣品溶液中，對寬極性范圍內的目標物有良好的親和力。

烷基醇/酸同時具有親水的羥基/羧基和疏水的長碳鏈，對人體毒性小且易于生物降解，是一種綠色表面活性劑。Ruiz首先利用烷基羧酸制備了囊泡［3］和反相膠束［4-5］溶液，用于有機化合物的萃取。在此基礎上，Ballesteros-Gomez等［6］在2009年首次提出了超分子溶劑（supramolecular solvents，SUPRASs）的概念，將這類由表面活性劑依靠分子間作用力自組裝形成的，具有獨特納米結構的三維聚集體溶液統稱為SUPRASs。這種新型的超分子溶劑微萃取技術（supramolecular solvent microextraction，SSME）具有簡單、快速、富集倍數高、成本低、環境友好等優點［7-8］，極有可能取代傳統的有機萃取劑，實現分析萃取過程甚至是分離工業的革命性突破與發展。

1 SUPRASs的組成單體

一般情況下，SUPRASs的形成需要經過連續的兩步自組裝過程，包括分子間的自組裝和納米尺度的自組裝。同時含有親水基團和疏水基團的兩親性分子單體，依靠其分子間的弱相互作用（包括氫鍵、疏水作用、庫倫力、范德華力等）和濃度誘導效應，在水相中有序自組裝形成納米尺度的三維聚集體，并進一步組裝形成更大的聚集體，由于這種組裝聚集體在水中的溶解度變差，最終會從水相中分層，形成一個新液相層，即SUPRASs。現用于制備SUPRASs的兩親性物質主要有傳統表面活性劑和長鏈的烷基醇/酸。

1.1 傳統表面活性劑

表面活性劑指的是具有親水親油基團，溶于水能夠顯著降低水的表面能的物質。傳統的表面活性劑一般含有一個大的頭基，如磺酸基，季銨基，聚氧乙烯醚基，甜菜堿基等，因此具有良好的水溶性；根據親水頭基的不同，這些表面活性劑一般可被分為離子型表面活性劑（包括陽離子表面活性劑與陰離子表面活性劑）、非離子型表面活性劑、兩性表面活性劑。

當表面活性劑在水溶液中的濃度超過其臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）時，會在水相中自發聚集；它們的疏水碳鏈朝內作為內核，親水基朝外與水接觸作為外殼，形成納米級的三維聚集體，即水相膠束。由于水相膠束外層親水，因此將其從水相中分離時常需要較為嚴苛的實驗條件；如通過升高溫度使非離子表面活性劑與水分子間氫鍵斷裂實現濁點萃取（cloud point extraction，CPE），通過調節pH改變離子型表面活性劑溶解度實現凝聚萃取（coacervative extraction，CAE）。Seebunrueng等［9］在以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）為單體制備水相膠束時，通過加入反電荷的陽離子表面活性劑四丁基溴化銨（tetrabutylammonium bromide，TBABr）和無機鹽AlCl3與SDS頭基發生中和，以降低SDS頭基間的靜電排斥作用，這樣避免了濃酸的使用，實現了溫和條件下的液液分離，但仍需消耗大量無機鹽（質量體積比15%），對環境造成額外負擔。除此之外，這類水相膠束不適于熱不穩定分析物的提取，且萃取相條件與色譜系統的兼容性較差。這種具有較大親水頭基的傳統表面活性劑可溶于水，其反相膠束需在與水不互溶的非極性有機溶劑中制備，而囊泡的制備則更為復雜且不穩定；因此，以傳統表面活性劑為單體的反相膠束及囊泡通常被用作載體或微反應器，而不是萃取劑。

1.2 烷基醇/酸

長鏈的烷基醇/酸同樣有疏水的長碳鏈和親水的羥基/羧基，與傳統表面活性劑相比，其具有無毒、無污染、可降解的優點，是一種綠色表面活性劑。然而，這類烷基醇/酸在結構上往往只有一個羥基或羧基，親水頭基小，這導致它們的親水親脂平衡值低（HBL=3～5），不溶于水，因此無法直接在水相中形成水相膠束，需要引入與水分子親和性好的第三相來幫助其溶解分散，如圖1所示。

四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）是一種萬能溶劑，能完全溶解長鏈的烷基醇/酸，且在室溫下能與水完全混溶，因此被廣泛用作長鏈烷基醇/酸的分散劑，使其在有機相中形成反相膠束。Rubio課題組［6］最早利用癸酸（decanoic acid，DeA）、THF與水制備出反相膠束SUPRASs，其中DeA含量高達0.6 mg·μL-1，較水相膠束有更多活性結合位點。

圖1 基于烷基醇/酸的SUPRASs制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of alkyl alcohol/acid-based SUPRASs

除了以THF為分散劑外，還可利用有機堿作為助溶劑，誘導烷基酸在水相中形成聚集體。Moral等［10］將摩爾比為2∶1的DeA與四丁基氫氧化銨（Bu4NOH）混合，制備了一種囊泡型SUPRASs。在這種囊泡結構中，兩親性分子的含量最高可達1 mg·μL-1。Mpupa等［11］的工作表明，采用三辛基甲基氯化銨（Aliquat-336）替代Bu4NOH，同樣可誘導DeA聚集形成囊泡，說明這種制備囊泡型SUPRASs方法具有普適性。

相較于傳統表面活性劑，以綠色的烷基醇/酸為單體的SUPRASs具有更高的萃取效率，同時還避免了水相膠束在分離時必需的高溫（35～90℃）或高濃度酸/鹽（0.6～7 mol/L）的嚴苛條件。因此，由烷基醇/酸制備的新型SUPRASs在液液萃取中具有獨特的優勢。表1對基于各類SUPRASs的萃取技術和傳統DLLME的不同進行了對比總結。

2 基于烷基醇/酸的SUPRASs的特點及應用

基于長鏈烷基醇/酸的SUPRASs包括兩大類，分別為：以THF為分散劑的反相膠束和以有機堿為助溶劑的囊泡。這兩種聚集體的穩定性及萃取容量，直接決定了萃取時樣品相與萃取相之間的體積比，而相比的大小又與前處理過程的富集倍數和檢測靈敏度息息相關；如表1所示，這兩類SUPRASs分別具有不同的萃取驅動力，這也表明它們適用于不同的目標化合物。因此，針對各類SUPRASs的特點及萃取機理進行的基礎研究，將為它們的應用提供指導。以烷基醇/酸為組成單體的SUPRASs也已廣泛應用于環境［12-16］、食品［17-19］和生物［20-21］分析領域中的前處理過程。表2已對基于長鏈烷基醇/酸的SSME在各類化合物檢測中的典型應用進行了總結。

表1 各類SSME與DLLME的比較Tab.1 Comparison between various SSME and traditional DLLE

2.1 以THF為分散劑的反相膠束

在反相膠束中，表面活性劑的極性基團在內形成一個具有溶解極性物質能力的極性核，而排列在外的非極性基團則分散在非極性的有機溶劑之中；因其外表面具有疏水性，因此可快速與水相樣品分離。

利用烷基醇/酸制備反相膠束SUPRASs時，只需將烷基醇/酸與THF、水按適當比例混合。圖2（a）為典型的THF/DeA/水三元相圖，其表明了三者能形成反相膠束的比例［22］。其他烷基醇/酸制備的反膠束SUPRASs的混合比例也可以用類似的三相圖來表示［23-24］。如圖2（a）所示，基于DeA的反相膠束具有較強的耐水性，適用于水溶液或高含水量固體樣品中的萃取過程。為了在萃取過程中達到較高的萃取相比及富集倍數，除了聚集體的高穩定性外，還應保證萃取劑的萃取容量足夠高。反相膠束的萃取驅動力主要是兩親分子與目標物之間的氫鍵和色散力，因此其萃取容量的決定因素即為SUPRASs中兩親物的含量；但是，這類反相膠束SUPRASs中兩親物的最終含量并不取決于烷基醇/酸的使用量，而是制備過程中THF與水間的比例［25］。

制備過程中THF用量越少，則反相膠束SUPRASs中兩親分子與結合位點含量越高。由于外部疏水，反相膠束在非極性/中極性分析物的萃取中具有獨特的優勢，因此被廣泛應用于各類有機目標物、金屬-配體復合物的提取。除此之外，反相膠束的極性內核也可用于提取極性目標物，Altunay等［26］已用DeA制備的反相膠束成功提取了肉類中的亞硝酸鹽，并以紫外光譜進行檢測。由于反相膠束對寬極性范圍內的目標物都有良好的親和能力，Keddar等［27］還用其同時提取了微藻中的極性與非極性抗氧化物。而兩親分子的選擇要同時考慮兩種萃取驅動力：長鏈烷基醇/酸對目標物具有更強的疏水力，而短鏈烷基醇/酸則更容易與目標物間形成氫鍵。Zhao等［28］優化了用于萃取三唑類殺菌劑的兩親物碳鏈長度，發現以癸醇（C10）制備的SUPRAS對其萃取回收率要高于辛醇（C8）、十一醇（C11）和十二醇（C12），即癸醇（C10）與三唑類殺菌劑間相互作用更強。

與之相反，大體積的THF會稀釋烷基醇/酸濃度，降低兩親物在SUPRASs中的含量；但會相應地增大所形成的反相膠束的水腔大小及SUPRASs的體積［圖2（b）］。這種尺寸可調的聚集體溶液表現出尺寸限制的性質［29］，它可以排除蛋白質、多糖、腐植酸等大分子物質在膠束外，一步實現樣品清潔和小分子分析物的提取［30-31］。此外，還可以通過控制THF/水的比例，實現不同尺寸極性/離子目標物的選擇性萃取［32］。Ballesteros-Gomez［25］以體積比為1的THF/水及200 mg DeA制備了反相膠束SUPRAS并用其提取具有不同分子量的極性目標物，結果表明，由此制得的SUPRAS可完全提取赭曲霉毒素A（MW=403.8）和酸性紅97（MW=698.6），而將亮藍G（MW=825.9）排除在外。

圖2 反相膠束SUPRASs的組成、體積與THF/水比例的關系：（a）烷基醇（酸）/THF/水三元混合物相圖示意圖，（b）相同兩親物用量，不同THF/水比例下所得的混合溶液Fig.2 Relationship between composition，volume of reverse micellar SUPRASs and THF/water ratio：（a）phase diagrams for ternary mixtures of alkyl alcohol（acid）/THF/water，（b）mixed solution at different THF/water ratios with same usage of amphiphile

2.2 以有機堿為助溶劑的囊泡

以有機堿四丁基氫氧化銨（Bu4NOH）作為長鏈烷基羧酸的助溶劑，按1∶2的摩爾比進行混合，可以得到具有兩層封閉結構的囊泡型三維聚集體。如圖1所示，在囊泡形成的過程中，Bu4NOH分子中的氫氧根可以中和一半的烷基羧酸，增大了烷基酸在水中的溶解度；而Bu4N+基團降低了羧酸根之間的靜電斥力，誘導形成具有2條烴鏈和1個大頭基的DeA-Bu4N+DeA-gemini結構［33］。為了保持體系穩定，上述gemini結構以尾對尾的形式聚集在一起，最終形成具有封閉雙層結構的有序組合體——囊泡（Vesicles）。該制備方法進一步避免了有機溶劑THF的使用，因而具有更低的毒性和制作成本。

囊泡的萃取驅動力主要是氫鍵、范德華力以及Bu4N+的4價氮與分析物的苯環之間的π-陽離子相互作用。基于這種特殊的π-陽離子作用力，囊泡SUPRASs常用于萃取芳香族化合物。如表2所示，雖然囊泡的兩親物含量最高，但結構緊湊、尺寸大的特點也導致其在萃取時的傳質速度比反向膠束更慢，尤其是對于弱極性目標物質的提取。Rezaei等［34］比較了由DeA制備的反相膠束和囊泡型SUPRASs萃取三嗪類除草劑的效果。結果證實，兩種SUPRASs對三嗪類除草劑均有較好的萃取富集效果，但利用囊泡進行萃取的時間更長約為70 min。這主要是由于囊泡外層親水性好，因此通常需要采用冰浴固化的方法將其與水樣分離，導致了耗時較長。近年來，SUPRASs與其他前處理方法的結合可以有效地解決其分離和收集困難的問題，得到了廣泛的研究。

表2 基于長鏈烷基醇/酸的反相膠束和囊泡型SUPRASs在各類化合物萃取中的典型應用Tab.2 Typical application of alkyl alcohol/acid-based reverse micellar and vesicular SUPRASs in extraction of various compounds

3 SUPRASs與其他前處理方法的聯用

SSME能夠在短時間內達到優異的萃取效果，在樣品前處理中得到了廣泛的應用。然而，由于萃取中SUPRASs用量極少，因此存在著樣品純化效果差、萃取相回收不方便的問題。近年來，研究者們設法將SSME與其他前處理方法相結合，以達到簡化操作、提高萃取效果的目的（圖3）。

圖3 SSME與其他前處理方法的聯用示意圖：（a）通過THF串聯SPE/SFE與反相膠束型SUPRASs，將囊泡負載于（b）中空纖維和（c）MNPs上的并聯聯用Fig.3 Schematic diagram of SUPRASs combined with other pretreatment methods：（a）tandem combination of SPE/SFEwith reserve micelles through THFas connector，Parallel combination through loading vesicles onto（b）hollow fibers and（c）MNPs

3.1 以THF為收集溶劑的串聯聯用——提高樣品純化及富集效率

以THF作為固相萃取（solid phase extraction，SPE）的解吸溶劑或超臨界流體萃取（supercritical fluid extraction，SFE）的收集溶劑，再將其用于反相膠束型的制備，即可實現SSME與傳統SPE/SFE方法的串聯聯用［圖3（a）］，進一步提高了分析物的富集倍數。目標物預先通過SPE/SFE在THF中富集，因此在后續形成反相膠束時，免去了目標物由樣品相向THF的傳質過程。此外，SUPRASs對寬極性范圍內目標物的萃取本身不具有選擇性，而SPE/SFE可以作為一種樣品清潔的方法，有效消除基底雜質的干擾。另一方面，這種串聯方式也減少了傳統SPE/SFE中有機溶劑的用量，避免了后續耗時耗能的溶劑蒸發步驟，及溶劑蒸發時可能導致的目標物分解和流失。

3.1.1 SPE SUPRASs中兩親物含量高，萃取容量足夠大；因此，SUPRASs在超大體積液體樣品中的穩定性是限制其相比和檢測靈敏度的關鍵性因素。利用SPE預先萃取大體積液樣，可以濃縮富集目標物。因此，樣品相與最終萃取相的體積比可以達到更高值。Kashanaki等［43］將分散微固相萃取（μSPE）與SSME相結合，實現了水樣中銅離子的高富集提取。該方法最終萃取相（40μL）與水樣（100 mL）的體積比高達2 500，回收率為90%～96%，對銅的檢出下限達0.2 ng·L-1，μSPESSME前處理過程總耗時23 min，與一般的SSME用時相近。Rezaei等［44］采用C18柱作為固相萃取劑，最終在25 min內將30 mL雙氯芬酸和甲滅酸廢水濃縮為20μLSUPRASs，回收率為93.8%～102%。同時，他們還發現在提高樣品體積到200 mL時，目標物回收率幾乎不變，表明該方法的最終萃取相比可高達1×105。

3.1.2 SFE SFE與SSME的結合進一步擴展了SUPRASs在固體樣品中的應用。通過SFE將固體樣品中的目標物轉移至THF中，可以避免大量兩親物質吸附在固體表面，烷基醇/酸的用量較直接采用SUPRASs萃取固體要少得多。Asiabi等［45］將SFE與SSME結合，萃取富集土壤樣品中的磺酰脲類除草劑，最終萃取相比可達1.7×104g·L-1，回收率為87%～101%。不過，由于SFE耗時較長（45 min），整個樣品前處理過程需要約50 min。

3.2 基于SUPRASs負載的并聯聯用——便于萃取相的轉移與收集

以極微量SUPRASs作為萃取相時，可獲得高的萃取相比，提高目標物的檢測靈敏度。然而萃取過程中，微量萃取相的收集和轉移是研究者們不可避免的難題之一，尤其是對于外表面親水的囊泡結構；而萃取相與樣品的分離不完全將會直接影響結果的準確度與重現性。

長鏈烷基醇/酸具有低毒、熔點接近室溫（10～30℃）、密度小于水的特點。除了利用特殊的用自制容器進行離心分離外［46］，還可以通過漂浮液滴固化的方式進行收集［47］。近年來，研究者們設法通過負載SUPRASs的方式，實現SSME與其他分離方法的耦合聯用，以期達到簡化操作、提高萃取效率的目的。

3.2.1 基于SUPRASs的中空纖維液液微萃取技術 在中空纖維-液相微萃取（hollow fiber-liquid phase microextraction，HF-LPME）中，多孔的HF作為接觸界面，處于樣品供體和微量的萃取相受體之間。由于大分子雜質無法進入纖維孔，因此HFLPME具有出色的樣品凈化能力，適用于復雜基質的直接萃取，可以起到微濾樣品、穩定和保護萃取劑的作用。

傳統有機溶劑穩定性差、揮發性高，在作為受體時可能會流失而導致萃取效率降低。而SUPRASs黏度高、蒸汽壓低，將其用作HF-LPME的萃取劑可以有效克服上述不足。萃取相可直接通過注射器從HF內回收，大大簡化了對微量萃取相的收集過程。

Moradi等［48］開發了一種新型的中空纖維-囊泡介導微萃取（hollow fiber-vesicle mediated microextraction，HF-VMME）技術，用于水樣中鹵代苯胺類物質的萃取。首先通過浸泡和注射器吸取的方式，將基于DeA/DeBu4N的囊泡型SUPRASs負載到HF的微孔和空腔內（如圖3b），萃取完成后再將其抽回注射器，注入HPLC進行檢測。Rezaei等［49］也成功地將同一體系應用于果汁、尿液等復雜基質中苯二氮類藥物的萃取。結果表明，該方法檢出限達0.5～0.7μg·L-1。在HF上負載SUPRASs可簡化收集萃取相步驟，保證萃取劑與樣品間的完全分離；然而，它限制了囊泡在水樣中的均勻分散，因此萃取用時較長（表3）。3.2.2 基于SUPRASs的鐵磁流體微萃取技術 鐵磁流體是一種磁性納米粒子（magnetic nanoparticles，MNPs）穩定懸浮于載體液體中的膠體分散系，利用外磁力進行磁選分離可以簡化分離過程，提 高 相 分 離 效 率［50］。如 圖3（c）所 示，將SUPRASs作為MNPs的載體液體即可實現SUPRASs的磁性響應。

Zohrabi等［51］用油酸包裹MNPs使其表面疏水，再分散于囊泡SUPRASs中制得鐵磁流體，以該鐵磁流體作為萃取劑富集提取果汁樣品中殘留的有機磷農藥。這種將MNPs負載在囊泡上的方式有利于SUPRASs的在水相中的均勻分散和完全分離，該萃取過程僅耗時5 min，整個前處理步驟不超過10 min。在萃取時直接加入MNPs也可實現負載，但此過程中囊泡與MNPs的結合需要一定時間，會導致萃取時間增長［52］。

表3 SUPRASs萃取技術與其他前處理方法的聯用Tab.3 Combination of SSME with other pretreatment methods

Safari等［53］借助MNPs在酸性條件下表面帶正電的特性制備了鐵磁流體：用正電荷的MNPs替代Bu4NOH誘導DeA/De-自組裝，并通過靜電相互作用與所形成的囊泡結合。所得的鐵磁流體用于提取水樣中的三嗪類除草劑，萃取時間為15 min，整個預處理過程耗時約20 min。此外，將MNPs負載于固相吸附劑［54］或HF［55］上，再與SUPRASs相結合，也可以實現SUPRASs的磁回收。

4 結論與展望

SUPRASs在樣品溶液中分散性好、兩親物質含量高，因此比傳統的液液萃取方法具有更高的萃取效率。其中，由長鏈烷基醇/酸組成的SUPRASs主要包括反相膠束與囊泡兩類，相較于由傳統表面活性劑制備的水相膠束而言，這類基于長鏈烷基醇/酸的SUPRASs具有更好的萃取效果與溫和的萃取條件，近年來得到了研究者們的關注，被廣泛應用于樣品前處理過程中。其中，反向膠束可以通過色散力、氫鍵和尺寸排阻特性，萃取寬極性范圍內的目標物；而由于Bu4N+中的四價氮能與分析物通過π-陽離子相互作用結合，因此囊泡型SUPRASs對于萃取芳香類化合物具有獨特的優勢。基于這些萃取機理，我們可以在理論上選擇合適的SUPRASs，并根據目標物調整所需的烷基醇/酸。

將SSME與其他前處理方法相結合，可以解決SUPRASs萃取相回收難、樣品凈化效果差的問題。以THF為串聯接口，可以實現SSME與SPE/SFE的聯用，SPE/SFE步驟不僅凈化了樣品，還進一步提高了目標物的富集倍數；將SUPRASs負載于中空纖維或MNPs上，可實現SSME與HFLPME/鐵磁流體的并聯聯用，大大簡化了微量萃取相的收集和轉移。

由于SUPRASs對分析物的萃取沒有選擇性，因此適用于多組分的同時分析，但難以避免雜質的干擾。因此，萃取相的檢測方法需要具有選擇性，如可以進一步分離分析物的色譜法，或對目標金屬離子有特異性響應的原子光譜法。我們應著力于開發其他更小型化的、快速便捷的萃取相分析方法，使這種簡單快速、富集倍數高的前處理方式能夠應用于現場快檢領域。指紋光譜可以表征分子中振動/轉動能級的躍遷，從理論上講，具有這種分析檢測非選擇性萃取相的潛力。