固相萃取劑制備方法研究進展

徐海云 , 趙開樓

(河南應用技術職業學院 化學工程學院 , 河南 鄭州 450042)

0 前言

環境樣品分析時,樣品基質繁雜及干擾物的存在極大地影響了對有毒有害物質含量的檢測。樣品預處理包含從復雜樣品中提取出目標分析物,再對其進行凈化、分離及濃縮等步驟。樣品預處理技術的發展帶動著萃取劑行業快速進步,液液萃取、柱色譜、索式提取等傳統的預處理方法在市場需求下誕生,分析對象也變得越來越復雜,人們急需一種分辨率高,選擇性良好,識別率高,靈敏度和通量都很高的萃取劑來應對研究的發展需求。理想的樣品處理技術是盡可能少地使用萃取劑、操作簡便、成本合理、適用范圍廣的處理技術。因此誕生出固相萃取(SPE)、固相微萃取、超臨界流體萃取(SFE)、膜萃取等技術,這些技術已經廣泛應用于環境檢測、生物制藥、臨床醫學和食品安全等領域[1]。

1 固相萃取劑類型

20世紀70年代中期,固相萃取技術作為樣品預處理技術被提出[2]。它包括液相萃取和固相萃取兩個過程。利用固相萃取劑對液相中的干擾物進行吸附,使樣品與干擾物分離,然后再經過解吸附等過程,從而對干擾物進行分離和富集。優良的萃取劑是樣品預處理成功的關鍵所在,由于各種分析過程的預處理技術幾乎都需要萃取劑,因此,萃取劑在當今的科學發展中擁有極高的地位。

BRAUS等[3]通過一種活性炭萃取劑,成功地將有機化合物從天然的地表水中分離出來,達到了凈化的目的,從此固相萃取就迅速活躍在廣大科學工作者的視野當中。至今,研究者一直致力于新型萃取劑的開發與應用,期望能夠擁有更多的吸附效率高的、識別率好的理想萃取劑。

1.1 單一模式固相萃取劑

目前存在的單一模式固相萃取劑有多種,主要有正相萃取劑、反相萃取劑和離子交換萃取劑。二氧化鋯(SiO2)、硅藻土(SiO2·nH2O)、人工硅酸鎂、氧化鋁是正相萃取劑常用的填充劑。作用對象是脂溶性維生素、農藥等非極性或弱極性化合物。其中二氧化鋯基質,因為存在大量的硅羥基與有機離子或活性官能團反應而被最廣泛的使用,對于非極性溶液中的有機鹵化物、醇類化合物、醛類化合物等中等極性化合物有良好的吸附效能。近年來,水合硅鋁酸鹽(泡沸石)或天然沸石、畫眉石(石墨碳)、玻璃珠及極性比二氧化鋯稍弱的帶氨基、氰基的化學鍵合相也成為了科研工作者的研究對象,后者適用于極性不強的化合物分離,如醛、酮、硝基化合物等[4]。對于正相萃取劑,溶劑強度隨著溶劑的增加而增加。其作用機制為有偶極、靜電引力、氫鍵、離子鍵、范德華力等。

普通單一固相萃取分離技術對于分離物的特性要求過高,操作復雜,洗脫時溶劑浪費過多,大大增加了成本且分離效率不佳。因此科學工作者急需一種新的色譜分離技術來滿足當前更加苛刻分離的需求。多功能固相萃取劑的研究因此成為熱門。

1.2 多功能固相萃取劑

多功能固相萃取劑能夠使吸附基質與溶質分子發生多種相互的作用模式。為了實現多功能固相萃取劑的萃取效果,人們首先將多種具有不同分離機制的色譜柱串聯,用合適的接口連接兩個色譜柱,便形成了第一種多功能色譜柱。因為有多種作用機制,極大地提高了分辨率;但其缺點也很明顯,色譜峰展寬嚴重、操作步驟復雜、試劑流動的兼容性大、系統壓力高等。

LIU等[5]第一次合成了二氧化鋯基質陰離子交換固定相并成功分離蛋白質,使得這種固定相廣泛應用在陰離子交換色譜及疏水作用色譜中。BURTON等[6]描述了一種新的蛋白質層析方法——疏水電荷誘導法。STRANCAR等[7]提出了聯合分析液相色譜,這種色譜是把含有不同功能的兩個或多個對流相互作用媒質連續的裝入同一根色譜柱中。LINK等[8]把具有強陽離子交換作用的固定相與反相液相色譜固定相同時裝入一根柱管中并與質譜進行串聯連接來進行多肽類物質蛋白質組學分析。GENG等[9]使用同時具有弱陽離子交換性能和疏水作用的色譜柱對完整蛋白質進行了快速的在線分離。這種色譜柱與商品化的單一弱陽離子交換色譜柱及疏水作用色譜柱相比,顯示出了更好的分離性能。同時,課題組還把單一色譜柱的二維液相色譜(2D-LC-1C)命名為混合模式色譜,這個名稱也顯示出了此類色譜與相應的單一模式固定性等同或更為優越的分離性能。SHEN等[10]將一種天然的親水縮氨酸——谷胱甘肽通過硫醇-烯烴點擊化學的方法鍵合在硅膠上,得到一種同時具有親水作用與陽離子交換作用的混合模式固定相。

2 多功能固相萃取劑的制備

二氧化鋯基質和有機聚合物基質是多功能萃取劑常見的兩種基質。機械強度高、比表面積大和擁有比較易于控制表面硅羥基結構的二氧化鋯發展成為最廣泛使用的萃取劑基質材料。但二氧化鋯基質的耐酸性弱,pH值適用范圍窄。有機聚合物基質制備的原料是各種天然的多糖,除了擁有很大的負載量,還具有良好的酸堿穩定性,不容易和溶劑等發生反應,在分離生物大分子的方面表現出巨大優勢[11]。

2.1 二氧化鋯基質多功能固相萃取劑的制備

二氧化鋯基質的鍵合相填料強度大,在反應中穩定性好,在樣品前處理技術等領域的分析技術中占有很大的比例[12]。附著在二氧化鋯表面的硅羥基(Si—OH)為二氧化鋯提供了大量的吸附位點,也是改良改性的基礎。通過與各種離子的反應,可以得到適合各種模式的固定相。

劉麗娜[13]將一定量酸化后的二氧化鋯加入帶有冷凝裝置的反應容器中,按一定比例加入干燥甲苯溶劑、催化劑及硅烷化試劑,再依次使用甲苯、甲醇進行洗滌,再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷,依次使用甲苯、丙酮、甲醇進行洗滌。用丁二酸酐與上述鍵合有γ-氨丙基三乙氧基硅烷的二氧化鋯進行酞基化反應,并經過洗滌及干燥等步驟,最終生成反相/弱陽離子型混合二氧化鋯萃取劑。李先國等[14]先將二氧化鋯活化,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,攪拌數小時后,加入干燥的甲苯,再用有機溶劑甲醇進行洗脫等程序,最后用三甲基氯硅烷封端得到氯硅烷型C18反相二氧化鋯鍵合相。經檢驗,該氯硅烷型C18反相二氧化鋯鍵合相填料以其耐熱性好、純度高等特點,其分離性能也大大優于一般萃取劑。

SUN等[15]成功合成出修飾烯丙基咪唑的硅膠基質固定相,該固定相能有效地掩蓋并減弱剩余硅烷基的影響,并且在反相模式流動相下成功分離了苯、苯胺類、苯酚類化合物,在pH值為7.0的NaCl溶液為流動相的模式下成功分離了無機陰離子類化合物。SUN等[16]將聯吡啶修飾在硅膠上,合成出同時具有反相與弱陰離子交換作用的混合模式色譜固定相,在反向模式下成功分離了多環芳香烴化合物與苯酚類化合物,也在離子交換模式下同時分離了無機、有機陰離子化合物。此固定相具有較高的柱效和較好的峰形,而且與其他同類型固定相相比具有較短的保留時間。通過將季胺基嵌入到C18鏈中得到一種反相/陰離子交換混合模式的固定相。

LIN等[17]成功地合成了一種混合模式的RPLC/HILIC固定相,其帶有疏水性的乙二醇末端烷基,用于分析帶有脂肪醇乙氧基化物和烷基酚乙氧基化物的非離子乙氧基表面活性劑。固定相上同時具有非極性基團和極性基團,可與樣品中非極性和極性基團進行相互作用。LIANG等[18]通過點擊化學(“thiol-ene”click)的方法合成了一種混合模式的RPLC/HILIC固定相,將甜菊苷化合物和二萜苷類化合物修飾在多孔硅膠的表面,并成功分離了皂素。

2.2 有機聚合物基質多功能固相萃取劑的制備

早期的混合模式聚合物萃取劑主要是以具有大孔結構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)微球為基礎發展起來的,這類萃取劑對極性大的目標分析物保留較弱[19]。功能單體使用炔丙基甲基丙烯酸醋(PMA)、6-疊氮己酸(AHA),聯合機為乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA),催化劑為CuI,AIBN為引發劑,制備了Poly(AHA-co-PMA-co-EDMA)有機聚合基質混合模式萃取劑,在多環芳烴、核普堿基、生物堿、多膚和蛋白質的高效分離方便,表現優異。

有機聚合物擁有許多優點,如化學穩定性高、pH值適用范圍廣、樣品容量高、對水分的保留較少、可以較多地回收目標分析物等。但是在處理過程中聚合單體及聚合時的引發劑會使背景值偏高,而對后來的分析造成了一定的困難。

3 雙功能固相萃取劑的設計

多功能固相萃取劑擁有多種作用機制,擺脫了傳統的單一功能固相萃取劑分離效率不高、操作復雜、污染大等缺點,并且可以通過改變配基的種類和比例對多功能固相萃取劑的萃取性能進行有效調節,對分析樣品進行更加簡潔有效而又徹底的預處理,因此設計一種同時具有疏水和離子交換作用的多功能固相萃取劑,設計方案(見圖1)在生物學,化學、環境科學中具有十分重要的影響。

圖1 雙功能固相萃取劑的設計方案

3.1 二氧化鋯基質的活化

使用分析天平稱取10.0 g的二氧化鋯和300 mL鹽酸(6.0 mol/L)加入500 mL三口瓶中,使用超聲波將溶液混勻,100 ℃下,充分攪拌回流7 h,室溫下冷卻。然后用蒸餾水洗滌二氧化鋯,真空干燥12 h至中性,所得樣品即為活化二氧化鋯。

3.2 制備功能化二氧化鋯

用分析天平稱取3.0 g活化后的二氧化鋯和50 mL干燥的甲苯,加入250 mL的三口燒瓶中,經超聲波混合均勻。加入2.5 mL十八烷基三甲氧基硅烷和2.2 mL(3-環氧丙基丙氧基)三甲氧基硅烷,加入0.2 mL的三乙胺,充入N2作為保護氣,110 ℃回流48 h,反應結束后自然冷卻,使用漏斗過濾,然后使用有機溶劑甲醇和丙酮依次多次洗滌。真空干燥12 h后得到具有疏水作用和弱離子交換作用的功能化二氧化鋯材料。

3.3 二氧化鋯材料的表面改性

事先準備好250 mL的三口瓶一支,準確稱量3.0 g的功能化二氧化鋯材料和稱取50 mL干燥的甲苯,加入三口瓶中,超聲波充分混勻。滴加4.0 mL二乙胺溶液,加入適量氮氣作為保護氣,在70 ℃下攪拌16 h使其充分反應,環氧基開環與二乙胺發生加成反應,引入叔氨基。所得產物室溫冷卻后經漏斗過濾,用適量甲醇和適量丙酮洗滌多次,真空環境下干燥12 h,得到疏水吸附靜電排斥脫附雙功能固相萃取劑萃取劑。

3.4 對有機廢水的預處理

實驗擬采用有機廢水為分析物,使用實驗設計的疏水吸附靜電排斥雙功能固相萃取劑對其進行分離提純,吸附條件均為實驗所設計的最佳吸附條件。吸附完成后,再用液相色譜對廢水中的目標分析物進行測定,判斷該固相萃取劑的吸附性能。再將固相萃取劑進行脫附,用液相色譜對甲苯和苯乙胺的脫附量進行測試,評價該固相萃取劑的脫附性能。

4 總結

二氧化鋯基質多功能固相萃取劑的制備,有機聚合物基質多功能固相萃取劑的制備,是目前制備固相萃取劑的傳統方法。本文設計出疏水吸附靜電排斥脫附雙功能固相萃取劑的制備方法,技術優于傳統方法的特點,擺脫了傳統的單一功能萃取劑作用單一、操作繁瑣、分離效率不高以及資源浪費的弊端,對分析樣品進行更加簡潔有效而又徹底的預處理。總之,固相萃取劑的制備方法較多,且日趨成熟,在實際應用中根據不同的分析要求來選擇不同的固相萃取劑制備方法。