电场辅助样品前处理技术研究进展

周婉筠，夏 凌，肖小华，李攻科

(中山大学 化学学院，广东 广州 510275)

在样品分析全过程中，样品前处理步骤耗时最长、带来误差最大，因此发展高效快捷、便携自动和安全可靠的样品前处理方法引起众多分析工作者的关注。基于各种新型纳米材料、印迹材料、多孔材料的固相萃取(Solid-phase extraction，SPE)、固相微萃取(Solid-phase microextraction，SPME)、液相萃取(Liquid-phase extraction，LPE)、液相微萃取(Liquid-phase microextraction，LPME)和膜萃取(Membrane extraction，ME)等样品前处理技术在气体和液体样品分析中得到了良好应用。微波辅助萃取(Microwave-assisted extraction，MAE)[1-3]、超声辅助萃取(Ultrasound-assisted extraction，UAE)[4-5]、加速溶剂萃取(Accelerated-solvent extraction，ASE)[6-7]及多种场协同萃取[8-9]等场辅助样品前处理技术，基于微波、光、压力、超声波等的场作用，可强化溶质传递，加快样品分离，有效提高固体样品中微痕量分析物的分离富集效率。

图1 近十年有关电场辅助样品前处理的相关文献情况

电场辅助样品前处理技术是一种利用电场作用提高微痕量分析物萃取效率和选择性的技术。电场作用不仅能有效地缩短分析物萃取时间，而且可通过调整电极所处位置选择性萃取相反电荷种类的分析物。随着电场辅助样品前处理技术研究的深入，发展了电场辅助膜萃取、电场辅助液相(微)萃取、电场辅助固相(微)萃取等技术。

图1总结了近十年有关电场辅助样品前处理技术的文献，其中，电场辅助膜萃取技术占总文献数的79%，而电场辅助固相(微)萃取技术和液相(微)萃取技术分别占17%和4%。本文综述了电场辅助膜萃取、电场辅助液相(微)萃取以及电场辅助固相(微)萃取技术的研究进展，并展望了电场辅助样品前处理技术的发展趋势。

1 电场辅助膜萃取技术

膜萃取利用微孔膜分隔样品相和接收相，当待分离物质透过界面层从样品相转移到接收相时，同步实现分离富集与净化过滤。传统膜萃取技术的传质过程为溶解-扩散过程，耗时长，而电场作用能有效地缩短萃取时间。根据方法原理分类，电场辅助膜萃取技术主要包括电渗析法和电膜萃取法。

1.1 电渗析法

电渗析法(Electrodialysis，ED)是一种膜分离技术，其传质动力是电位差。ED能有效地改善传统透析时间长、容易反向扩散和选择性有限等缺点，具有能分离限定分子量带电物质、选择性良好等特点。电渗析法的膜主要包括离子交换膜和截留分子量膜，两者常联合使用。

电渗析法主要用于金属离子和药物的萃取和富集。Debets等[10]采用电渗析法结合HPLC检测了血清中的麻黄碱。与传统透析方法相比，电渗析法中麻黄碱的回收率从40%增加到90%。使用多层膜能有效提高电渗析法的萃取效率和选择性。如使用阴、阳离子交换膜可在去除无机氮时保留有机氮[11]，进而将水样中无机氮(如硝酸盐、亚硝酸盐和铵根)和有机氮分离。Roblet等[12]制作了一个四层膜装置(在样品溶液附近加入两张超滤膜而在阴、阳电极两侧使用离子交换膜)，并在电场作用下从大豆中分离出含有葡萄糖摄取活性的生物活性肽。

采用截留分子量膜可以有效控制电渗析法中的目标物分子量，但仅使用一种膜往往难以达到目的，而多层膜技术会显著增加装置制作难度。目前成熟且能用于大体积样品处理的大型电渗析装置主要用于工业污水净化和脱盐。

1.2 电膜萃取法

电膜萃取(Electromembrane extraction，EME)即带电目标物在电场作用下经支撑液膜(Supported liquid membrane，SLM)后进入接收溶液，可选择性萃取各种带电物质如酸碱化合物[13-14]和阴阳离子[15-16]等，且能与色谱、光谱等在线联用。与传统中空纤维液相微萃取(Hollow fiber liquid-phase microextraction，HF-LPME)相比，电场能显著缩短萃取时间。

1.2.1支撑液膜液膜对目标物萃取效果起决定性作用。理想的液膜具有以下特点：①与水不互溶而对目标物有较好溶解度；②与膜体有良好结合力；③沸点高(避免在萃取过程中挥发)。目标物酸碱性和极性是选择液膜的主要因素。含硝基芳香醚类化合物如2-硝基苯辛醚(2-Nitrophenyloctylether，NPOE)常用于萃取非极性碱性物质[17-25]，而长链烷醇如正辛醇(1-Octanol)则常用于萃取非极性酸性物质[26-33]。除此之外，常将离子对试剂如二(2-乙基己基)磷酸酯(Di-(2-ethylhexyl)phosphate，DEHP)[15,34-52]、三(2-乙基己基)磷酸酯(Tris-(2-ethylhexyl)phosphate，TEHP)[53-55]等添加到纯溶剂中用于极性较大物质的萃取。离子液体具有良好离子传导性和绿色环保等优点，在EME中的应用逐渐增多。传统EME仅使用纯溶剂(如NPOE、1-Octanol等)及其混合溶剂萃取，限制了其萃取率和选择性。纳米材料具有大的比表面积，能提高萃取率，分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymer，MIP)等材料能有效增强方法选择性，因此将碳材料[56-62]、印迹材料[63]以及金属有机框架材料(Metal-organic framework，MOF)[64]等与纯溶剂结合已成为开发新型液膜的研究热点。表1总结了用于EME的SLM。

表1 用于EME的SLMTable 1 The solvents used as SLM in EME

1.2.2电膜萃取的形式中空纤维电膜萃取由HF-LPME发展而来，既保留了HF-LPME集萃取、富集、净化于一体的优点，又能缩短萃取时间。然而中空纤维电膜萃取的回收率较低，因此在其基础上发展了平面膜式电膜萃取和芯片式电膜萃取等新型电膜萃取形式。

(1)中空纤维电膜萃取

Pedersen-Bjergaard等[88]最早将电场与中空纤维萃取结合，他们以HF-LPME为基础，在样品和接收溶液中分别加入两个电极，将中空纤维浸泡在NPOE中形成SLM，于300 V条件下萃取体液中的哌替啶、诺曲普、美沙酮、氟哌啶醇和洛哌丁胺，用时5 min，富集倍数为7.0～7.9。随后，Sun等[78]分别将离子液体和ENB作为SLM用于人体血液中士的宁和马钱子碱的检测，所需电压为1.5 V，富集倍数分别为96和112，而传统EME的富集倍数仅为83和86，证明离子液体在EME中具有良好应用潜力。

Seidi等[89]发现多个中空纤维管用于EME既能连续萃取多种酸碱性或多种不同极性物质，又能加速萃取。当使用两个中空纤维管时，不仅可以在14 min内连续萃取酸性药物双氯芬酸和碱性药物纳美芬，而且能结合脉冲电场萃取倍他洛尔和阿替洛尔两种极性差异较大的药物。与传统EME相比，脉冲电膜萃取(Pulsed electromembrane extraction，PEME)能获得更低的检出限(检出限达1 ng/mL)[90]。Eibak等[91]使用3个中空纤维管萃取生物样品中的西酞普兰、洛哌丁、美沙酮、帕罗西汀、哌替啶和丝曲林，用时10 min，其中水样样品的回收率达97%～115%，血样样品的回收率为56%～102%。

中空纤维电膜萃取能与色谱、光谱等检测技术在线联用，实现萃取、富集与检测一体化。Fuchs等[92]将NPOE涂覆于中空纤维上并制作成萃取探针，转动十通阀实现了EME/LC-MS联用对小鼠肝微粒体中美沙酮的体外代谢分析。为实现全自动在线联用，该课题组[93]将中空纤维管固定在自动进样器上，自动进样器在吸入样品溶液时萃取和进样，再结合LC-MS进行分析，整个过程仅需5.5 min。

中空纤维电膜萃取具有萃取效率高、装置简单等优点，但仍存在单个中空纤维管容纳接收溶液体积较小、SLM稳定性较差等不足。为此，研究者们开发了多个中空纤维管萃取技术，但装置制作难度较大。平面膜式电膜萃取技术可以改善中空纤维电膜萃取回收率低的缺陷，又能降低装置制作难度，引起研究者们的广泛关注。

(2)平面膜式电膜萃取

平面膜式电膜萃取即用平面膜代替中空纤维作为萃取膜体，具有萃取装置多样，能灵活改变接收溶液体积等特点。

Xu等[94]最早提出将聚丙烯膜热封成信封状后浸入正辛醇中形成SLM，并在300 V条件下萃取甲基膦酸、乙基甲基膦酸、异丙基甲基膦酸和环己基甲基膦酸4种神经性毒剂降解产物，检出限达0.022 ng/mL。为进一步简化装置，Huang等[95]用热封将平面膜附着在一个10～1 000 μL吸液管末端作为接收溶液腔体，2 mL聚丙烯管作为样品溶液腔体，并将该装置用于水样和血浆中西酞普兰、美沙酮、阿米替林和舍曲林的萃取。该研究发现增加接收溶液体积和萃取时间能有效提高回收率，回收率达83%～112%，而传统EME回收率仅为20%～70%。

(3)芯片式电膜萃取

芯片式电膜萃取使用可重复利用的硬质材料制作萃取装置，能有效地克服平面膜式电膜萃取中装置需重复制作的缺点，具有溶液流动可控、无需磁力搅拌，易与色谱等分析技术在线联用等优点，已成为EME的研究热点之一。

Petersen等[96]最早将芯片与EME结合：在两片有机玻璃板间加入SLM后热封，控制样品溶液连续泵入样品腔而接收溶液静止于接收腔中，该方法可在10 min内萃取哌替啶、诺曲替林、美沙酮、氟哌啶醇和洛哌丁胺，回收率为20%～60%。全动态芯片式电膜萃取将样品与接收溶液以不同流速逆向泵入腔体中，可有效提高回收率[97]，萃取哌替啶、诺曲替林、美沙酮、氟哌啶醇、洛哌丁胺和阿米替林仅需7 min，回收率为65%～86%，高于半动态芯片式电膜萃取[96]。

图2 连续萃取芯片式电膜萃取图解说明[98]

芯片式电膜萃取能同时分离样品量较少的酸碱性物质。Asl等[98]在两块有机玻璃板上分别制作两个微流控通道，通道与通道之间用毛细管连接，板与板之间加入SLM，装置如图2所示。改变微通道上电极位置和液膜种类可在33 min内实现酸性物质美芬酸、双氯芬酸与碱性物质倍他洛尔的分离，检出限均低于5.0 ng/mL。

如何增强SLM稳定性是电膜萃取中的另一个关键问题。聚合物内含膜(Polymer inclusion membrane，PIM)能将萃取溶剂固定以防止其在萃取过程中流失，有效增强SLM稳定性。See等[99]用75%(质量分数)三乙酸纤维素、20%(质量分数)TEHP和12.5%(质量分数)Aliquat®336合成PIM，与LC-MS联用对水样中的酸性除草剂氯氧基酸(4-CPA)、3,4-二氯苯氧乙酸(3,4-D)、2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)和2,4,5-三氯苯氧基乙酸(2,4,5-T)进行检测，检出限为0.03～0.08 ng/mL，回收率达99%。

2 电场辅助液相(微)萃取技术

电场辅助液相(微)萃取法既保留了液相(微)萃取操作简单、富集效果好的优点，又能发挥电场可加速迁移、增强方法选择性的特点。根据该技术发展顺序先后，可将其分为液液电萃取、电化学液液萃取法和微电膜萃取3种。

2.1 液液电萃取

液液电萃取(Liquid-liquid electroextraction，LLEE)是一种无膜萃取技术，可使目标物在电场作用下从水相转移到有机相。Stichlmair等[100]首次在工业上用LLEE提取酸性品红，随后Vlis等[101]首次将LLEE与毛细管电泳结合用于分离分析领域，该方法下药物新斯的明、丙胺太林、沙丁胺醇和特布他林的检出限为10-9～10-10mol/L。

LLEE能以连续进样方式增大样品与接收溶液体积比。如将己酰肉碱、辛酰肉碱和月桂酰肉碱混合溶液连续经过样品池而保持接收池内接收溶液体积不变，通过增大体积比增强方法灵敏度[102]。检出限低至0.3～2.0 nmol/L，富集倍数在34.1±4.7和80.0±9.2之间。

LLEE还能与高效液相色谱等分析技术联用。Lindenburg等[103]将毛细管液液电萃取(Capillary electroextraction，cEE)与LC-MS结合，高灵敏地检测了人体尿液中的多肽，部分多肽检出限低至nmol/L水平，其峰高比LC-MS直接检测高100倍以上。

尽管LLEE操作简单且易于与检测技术联用，但由于其有机层较厚，工作电压一般在300 V和15 kV之间，高电压易产生气泡及焦耳热从而影响体系稳定性，提升实验设备要求并导致危险性，因此该技术的研究受到限制。

2.2 电化学液液萃取法

电化学液液萃取法(Electrochemically modulated liquid-liquid extraction)也称为两相电解质萃取(Interface between two immiscible electrolyte solutions，ITIES)，即在电场作用下带电物质在两种互不相溶电解质溶液界面发生转移并由电化学法检测。该技术可通过添加电解质增强体系导电性，使工作电压仅在-1 V和+1 V之间，远低于LLEE所需电压。

ITIES法最早由Arrigan等[104]提出。他们以四乙铵离子(TEA+)、4-正辛基苯磺酸离子(4-OBSA-)、甲苯磺酸离子(p-TSA-)为目标离子并将含电解质的样品溶液连续注入系统，在电场作用下，离子转移到静止且含电解质的有机相中，利用电流变化情况可实时监测该萃取过程。除此之外，目标物也能从有机相中反萃取出来，使有机相完全再生[105]。

虽然该技术能在低电压下实现萃取，但是目前对目标物的检测均仅能采用电化学法，检测对象有限，因此将ITIES萃取与色谱、毛细管电泳等分析技术联用可能成为新的研究方向。

2.3 微电膜萃取

微电膜萃取(Micro-electromembrane extraction)也被称为三相液液电萃取，其原理与EME相似，在样品与接收溶液之间存在一层与水不互溶溶剂，该溶剂层被称为自由液体膜(Free liquid membrane，FLM)，样品中分析物能穿过FLM进入接受溶液而样品与接受溶液不直接接触。该法不需要膜体支撑，属于无膜技术。它能准确控制萃取溶剂使用量、减少膜体制备工艺误差，且透明装置能实现萃取过程的实时视觉监控，保证良好重复性。

微电膜萃取能改变样品相和接收相数量及其所处位置以达到理想萃取效果。以正戊醇作为FLM并置于聚丙烯管内组成三相萃取系统(样品相/FLM/接收相)时，水样中高氯酸盐富集倍数超过30[106]。在此基础上构建五相萃取系统(样品相/FLM 1/接收相1/FLM 2/接收相2)[107]，通过改变接收溶液pH值能将目标物去甲替林(pKa=10.5)和罂粟碱(pKa= 6.0)萃取到两种接收溶液中。调整溶液位置组成新萃取系统(接收相2/FLM 2/样品相/FLM 1/接收相1)，可萃取布洛芬和普鲁卡因[108]，整个分离过程仅需5 min，检出限为0.75～1.5 mg/L。

图3 三相电萃取装置(A)及三相电萃取与nano ESI-DI-MS联用(B)[109] 的实验示意图

微电膜萃取技术能将直接进样方式与高效液相色谱等分析技术联用。Raterink等[109]将50 μL样品溶液置于离心管底层后在样品溶液上方加入150 μL有机溶剂，随后通过进样器吸入10 μL接收溶液，并挤出一个体积为2 μL的液滴于针尖处，然后将液滴伸入有机溶剂中，目标物在电场作用下由有机溶剂萃取到液滴后直接进样，如图3所示。在140 V下萃取人体血样中的肉毒碱类物质，直接注入ESI MS检测，检出限为9～33 nmol/L。

微电膜萃取技术中有机层较厚，所需电压较大，会产生焦耳热和气泡等一系列问题，影响体系稳定性，如何减少电场带来的不良影响已成为该技术的研究重点之一。

3 电场辅助固相(微)萃取技术

电场辅助固相(微)萃取技术将电场作用与固相(微)萃取相结合，既保留了固相(微)萃取技术萃取效果和方法重现性良好的优点，又能发挥电场可增强选择性、加速萃取的优势。目前，研究者认为电场对于固相(微)萃取主要有两种作用方式：一是直接作用于萃取介质中，即电化学固相萃取法；二是加速带电物质迁移到分离介质上或促进分析物洗脱。

电化学固相萃取法(Electrochemically solid-phase extraction)由电化学法合成萃取介质，该法能控制萃取介质厚度、导电性和形态等性质。通过改变电化学步骤和条件及修饰不同功能单体，可合成出多种萃取效果优良、选择性高的萃取介质。其中，导电聚合物如聚吡咯(Polypyrrole，PPy)[110-116]和聚噻吩(Polythiophene，PTh)[117]及其衍生物因具有良好电化学性质被广泛地用于电化学固相萃取中，它们能与阴阳离子[110-113]、碳材料[114，117]和印迹材料[115-116]等实现电聚合。Ahmadi等[111]将PPy与高氯酸锂电聚合后萃取尿液中的萘普生，结合HPLC/UV检测，检出限为0.07 ng/mL。Sarafraz-Yazdi等[114]将PPy与TiO2和高比表面积的碳纳米管电聚合后萃取水样中苯、甲苯、乙苯和二甲苯4种挥发性化合物，结合GC/FID检测得其检出限为0.01～0.04 ng/mL。PTh也能与氧化石墨烯电聚合萃取人体尿液和血样中阿米替林和多虑平，检出限分别为0.30 ng/mL和0.50 ng/mL[117]。为增强选择性，Asiabi等[115]将PPy与分子印迹材料电聚合后选择性识别吲哚美辛，在血样中该物质的检出限为0.07～2.00 ng/mL。

除此之外，电场作用还能加速带电分析物迁移到材料或促进洗脱过程以改善萃取效果和分析速率。Ribeiro等[118]分析了鸡蛋中残留的氟喹诺酮类药物(FQs)，在萃取、清洗及洗脱多个步骤下均使用电场作用，萃取率达60%～80%，而传统SPE萃取率仅为0.4%～68%。

4 结论与展望

电场辅助样品前处理技术在加速样品前处理、增强选择性等方面具有良好发展潜力和应用前景。电场辅助膜萃取技术能与萃取介质相结合，富集效果好，但方法重现性较差；电场辅助液相(微)萃取技术操作简单，富集效果好，但增大有机层厚度会增加实验危险性；电场辅助固相(微)萃取技术萃取效果良好，选择性高，但实验步骤相对繁琐，有机溶剂使用量大。此外，电场还会产生焦耳热、气泡等问题从而影响萃取体系稳定性。如何解决这些不良影响，增强体系稳定性也是电场辅助样品前处理技术的主要发展方向。

膜萃取技术由于具有突出优势已成为电场辅助样品前处理技术研究的重点与热点，因此制备各种基于新型材料的萃取液膜，以及与电场引入方式匹配的在线联用技术研究及其装置研制，将越来越受到关注。另外，利用电场作用制备出更多选择性高、萃取效果良好的新型材料已成为电场辅助固相微萃取技术的研究重点。