中空纤维液相微萃取技术及其在食品有机污染物检测中的应用

2013-08-07 09:13朱艳梅焦必宁
食品工业科技 2013年15期
关键词:有机溶剂中空液相

朱艳梅,焦必宁,3,*

(1.西南大学食品科学学院,重庆400715;2.中国农业科学院柑桔研究所,重庆400712;3.南方山地园艺学教育部重点实验室,重庆400715)

含有微量或痕量待测成分的样品,特别是复杂样品,其前处理是分析检测领域的研究重点。传统的样品前处理技术存在以下缺点:操作繁琐耗时,需要大量对人体和环境有毒或有害的有机溶剂,难以实现自动化等。为了实现样品前处理的自动化、在线化,并减少有机溶剂的使用,近年来发展了多种微萃取技术。1990 年,Arthur 等[1]提出固相微萃取(solid- phase microextraction,SPME);1996 年,Jeannot 等[2]提出悬滴液相微萃取(single drop liquid phase microextraction,SD-LPME)。但它们都存在许多缺点,SPME 装置的萃取头昂贵,使用寿命短,多次使用会存在交叉感染,与GC 联用有较大优势,而与HPLC 联用时还需要一个专门的解吸装置;SD-LPME 操作繁琐,灵敏度和精确度较差,且在萃取过程中悬滴有机溶剂易脱落损失,实验重现性不好。1999 年,在SD - LPME 基础上,挪威学者Bjergaard[3]首次提出了中空纤维液相微萃取技术(hollow fiber liquid phase microextraction,HF -LPME)。HF-LPME 是一种以多孔中空纤维为接收相载体的新型微萃取技术,以多孔的中空纤维为载体,样品中的大分子物质及杂质不能进入有机溶剂,有很好的净化能力同时具备了较强的抗基体干扰能力;中空纤维价格低廉,降低了实验成本,且一般使用一次性中空纤维,避免了交叉感染,有较好的重现性;并且易于与色谱和毛细管电泳联用。近年来,随着消费者对食品的安全性日益关注,如何实现简便易行而且快速的分析检测已成为亟待解决的关键问题。HF-LPME 适应了当前的前处理要求,在微量或痕量有机污染物的检测分析领域必将有广阔的应用前景。

1 HF-LPME 的装置

理想的中空纤维应具备以下特点:多孔性且孔径大小适宜。孔径太小,则会减小接收相与样品的接触面积,降低萃取效率。孔径太大,一是不能束缚接收相,进而造成萃取过程中有机溶剂的渗漏,二是大分子和颗粒杂质会进入接收相,净化作用减弱;合适的壁厚。在剧烈搅拌时中空纤维应有足够的机械强度,并能强有力地把接收相固定在内腔中。但是如果壁厚过大,一方面中空纤维的内径就会偏小,这样内腔中的接收相体积也就偏小,萃取效率降低。另一方面壁厚过大也会阻碍接收相与样品的接触,延长萃取时间。目前用的最多的中空纤维就是聚丙烯纤维,拥有优异的物理和化学性能的聚偏氟乙烯(PVDF)膜,也已经成功应用于化工、电子、食品检测、生化、环保、水处理等领域[4-7]。

中空纤维液相微萃取所采用的装置各式各样,而且多为研究者自制。目前应用最多的主要有U 型萃取装置、一型萃取装置和溶剂棒型萃取装置。U型萃取装置是最早报道的装置,将U 型中空纤维的两个末端连接在两根不锈钢针头上,接收相由进样器从一端注入,萃取结束后,再从另一端抽取并直接用于色谱和电泳分析(如图1a 所示)。Halvorse 等[8]对U 型萃取装置进行了改进,将中空纤维绕在回形针上,大大增加了中空纤维的长度,接收相与样品的溶液的接触面积增大,进而有效提高了萃取效率。虽然该装置取得了较好的萃取效果,但操作相对繁琐,难以自动化,将中空纤维的两端分别与针头和微量进样器连接,或是两端均连接微量进样器,利用微量注射泵控制微量进样器的推杆来回运动,便可实现自动化;一型萃取装置操作较简单,将中空纤维的一端用加热过的镊子夹住密封,微量进样器从另一端可插入纤维腔底部以注入或吸出接收相溶液(如图1b 所示),为了提高效率,可借助于磁力搅拌器将萃取过程置于搅拌的环境中。在此基础上,Pezo等[9]采用六元微量注射泵实现了对6 个样品的同时萃取,进一步提高了萃取效率;溶剂棒型液相微萃取(solvent bar microextracton,SBME)是一种简便的动态液相微萃取模式,这种方法是用加热过的镊子将充满有机溶剂的中空纤维两端密封形成一个溶剂棒,然后置于快速搅拌的样品溶液中,中空纤维在样品溶液中自由翻转进行萃取(如图1c 所示)。这样不仅有效提高了富集倍数,缩短了萃取时间,由于纤维两端是密封的,接收相不会被污染,还可将中空纤维液相微萃取技术用于较脏样品中分析物的萃取,扩大了HF-LPME 的应用范围。近两年来,将顶空纤维萃取技术与其他前处理技术联用,成为研究者研究的热点,中空纤维液相微萃取的装置也更加多样化了,如顶空纤维液相微萃取装置、超声雾化顶空纤维液相微萃取[10]、分子印迹中空纤维液相微萃取装置等。

2 HF-LPME 的模式及原理

中空纤维液相微萃取包括三种模式:中空纤维两相(two phase system)微萃取、中空纤维三相(three phase system)微萃取和载体转运(active transport mode)。三种模式最终都将样品中的分析物萃取到中空纤维内腔的接收相中,萃取液可直接进样分析,从而具备了集萃取、净化、浓缩为一体且操作简便的特点。

图1 中空纤维液相微萃取装置Fig.1 Instruments of hollow fiber liquid phase microextraction

2.1 中空纤两相微萃取

用于萃取装置的中空纤维要先置于有机溶剂中超声,一是去除杂质,二是将中空纤维的壁孔中充满有机溶剂,然后再用微量进样器往中空纤维的内腔中注入接收相。液-液两相微萃取就是壁孔中的有机溶剂与接收相是同一种溶剂,萃取结束后,分析物同时存在于中空纤维的壁孔和内腔中。液-液两相模式中,接收相的选择是至关重要的,首先分析物在接收相中要有较大的分配系数,可以通过调节样品溶液的pH,或者利用“盐效应”在样品溶液中加适量盐来降低分析物在样品溶液中的溶解度[11-12]。其次,接收相不能与水相溶。另外,接收相要有较大的粘度并与中空纤维的材质有较高的亲和力,保证快速搅拌时不渗露。液-液两相是中空纤两相微萃取的主要模式,此外还有中空纤维气-液、液-气、固-液两相微萃取模式。

2.2 中空纤维三相微萃取

中空纤维三相微萃取模式一般为液-液-液三相模式,样品溶液和接收相为水相,中空纤维壁孔中的溶剂为有机溶剂,且与样品溶液和接收相均不相溶。分析物由有机溶剂萃取到壁孔中,再被接收相反萃取到内腔中。液-液-液三相模式的重点在于壁孔中有机溶剂的选择,所选用的有机溶剂必须使分析物有较大的K有机相/样品(分析物在有机溶剂和样品溶液间的分配系数)和K接收相/样有机相(分析物在接收相和有机溶剂间的分配系数)。这种模式仅限于能解离的分析物的萃取。对于碱性分析物,样品水溶液的pH 要高,同时降低接收相的pH,以增大分析物在接收相中的溶解度[13-15];对于酸性分析物则正好相反[16],也可同液-液两相萃取模式一样借助于“盐效应”。

2.3 载体转运

载体转运主要应用于极性较强的分析物的萃取,是通过在样品溶液中加入一种相对疏水的离子对试剂作为分析物的载体,进而形成转运机制来实现的。该技术可有效解决分配系数低的分析物很难被高效萃取的问题,弥补了液-液微萃取和液-液-液微萃取的不足。

3 HF-LPME 的应用

3.1 HF-LPME 在农药残留检测中的应用

农药残留检测的对象往往是微量、痕量的物质,因此要求分析技术具有灵敏度高、准确性好、选择性好等特点。Barahona 等[17]先将橘汁pH 调至中性,以2-辛醇和盐酸为萃取剂,建立了基于HF-LPME 的快速检测柑橘汁中涕必灵、多菌灵和抑霉锉等3 种杀菌剂残留的LC-MS 法,该法回收率为17.0% ~33.7%,相对标准偏差(RSD)值为3.4%~10.6%,检出限低于0.1μg/L,符合农药残留检测的要求。HF-LPME无需过滤等前处理过程,可用于蔬菜等食品中痕量有机磷农药的富集检测。林海禄等[18]以六氟磷酸盐离子液体作为液-液-液三相微萃取的接收相,正辛醇为有机萃取溶剂,建立了对硫磷的直接进样的HF-LPME-HPLC 技术。中空纤维液相微萃取技术不局限于基质形态,Huang 等[19]以1-辛醇为萃取剂,利用HF-LPME-HPLC 技术,检测了刚采摘的绿茶叶和待饮用的茶水两种不同基质中的6 种有机氯农药,优化后该技术有较好的重复性,RSD达到12.5%,茶叶和茶水的检出限分别为1μg/g、1μg/L。胡玉玲等[20]结合分子印迹固相微萃取与HF-LPME 的优点,发展了分子印迹固-液微萃取(MIP-SLME)样品前处理联用技术,设计联用萃取技术装置,以自制的特丁津MIP-SLME 涂层研究MIP-SLME 技术的萃取条件和萃取性能,建立特丁津MIP-SLME/HPLC 联用分析方法,实现了对复杂生物、环境样品中痕量三嗪类除草剂多残留的残留同时分析检测。

3.2 HF-LPME 在抗生素残留检测中的应用

长期食用含抗生素的动物源食品会对人体健康造成危害,目前各国对大环内酯类抗生素的残留限量都做出了严格的规定,因此建立简便、灵敏、快速的大环内酯类抗生素的分析方法具有重要意义。刘志梅等[25]应用HF-LPME 新技术,建立了牛奶样品中替米考星、麦迪霉素和交沙霉素3 种大环内酯类抗生素的液相色谱分析方法,在优化的实验条件下,萃取20min,替米考星、麦迪霉素和交沙霉素的检出限分别为5、2、2ng/mL(S/N =3),该方法操作简单,灵敏度高,适于牛奶中抗生素残留的检测。赵静[26]用水作为微波辅助萃取中的萃取剂,正辛烷作为HF-LPME的萃取剂,初步建立了微波辅助-HF- LPME-GC 测定鱼体中氯霉素残留量的新方法,为鱼体中抗生素残留的检测开辟了一条新的前处理途径。本法操作过程大为简化,分析速度大大加快,不使用有毒的萃取剂,分析成本显著降低,方法的相关系数、回收率、精密度和检测范围均很理想。

3.3 HF-LPME 在添加剂残留检测中的应用

一般说来,在规定的使用范围内使用食品添加剂对人体没有毒害或毒性极小,加入的剂量过多会产生毒害副作用,不仅影响食用者本身的健康,而且对下一代的健康也有一定的危害,因此,食品添加剂的定性与定量的检测在食品安全性方面是很重要的。向俊[27]利用HF-LPME 与气相色谱法-质谱联用(GC-MS)分析食品药品中的抗氧化剂和防腐剂,通过对影响萃取效果的诸因素如:萃取溶剂种类、溶剂的用量、溶液液相pH、萃取时间及搅拌速度等进行优化,实现了对食品中防腐剂和抗氧化剂的测定。M Saraji 等[28]在HF-LPME 基础上建立了高效液相色谱法-二极管阵列检测器(HPLC-DAD)检测果汁中抗氧剂酚酸含量的方法,以NaCl 为供给相,NaOH为接收相,优化条件下,酚酸的回收率和检出限分别为61%~132%和0.01~2.0μg/L。

3.4 其它

国家标准规定的原料奶、乳制品及含乳制品中三聚氰胺的检测方法中,样品的前处理过程需经过三氯乙酸-乙腈沉淀蛋白、阳离子交换固相萃取小柱净化,有些还需硅烷化衍生等。黄艳红等[29]则采用中空纤维液相微萃取技术,直接从牛奶样品中萃取富集三聚氰胺,有效简化了前处理过程,也降低了成本,双酚A 是广泛用于罐头食品和饮料的包装并容易残留在食品中不易挥发的有机污染物。邵焰[30]以GC-MS 为基础,采用HF-LPME 作为前处理方法提取奶粉样品中双酚A,研究了一种直接快速测定固体样品奶粉中双酚A 的新方法,检测限达到0.0002mg/kg。在中空纤维膜的基础上,结合高效液相色谱法,雌二醇[31]和赭曲霉毒素A[32]均成功得以检测,检测雌二醇时仅需萃取剂100μL,雌二醇的富集倍数即可达200 倍。Kou 等[33]利用HF-LPME-HPLC-UV 技术检测出了饮用水中消毒副产物卤乙酸的含量,该方法不仅简易,且比美国环保局建立的标准方法得出的检出限还要低。HF-LPME 在有机污染物检测中的应用见表1,HF-LPME 使食品中有机污染物残留的检测变得简单、快速。

4 结论与展望

目前,HF-LPME 已经实现了与GC 和HPLC 的在线联用,与仪器在线联用的中空纤维膜萃取装置,通常是把若干根中空纤维装在不锈钢、玻璃或聚四氟乙烯等材质的圆管内。罗肖等[34-35]研究了不同特性的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维,中空纤维膜孔结构明显改善,大孔减少,微孔增多,亲水性也明显增大,中空纤维膜的萃取效率和净化能力得以明显提高。不过HF-LPME 也存在局限性,例如:萃取时间长,萃取过程中分析物可能会被酶降解;搅拌产生的气泡会附着在纤维壁上,导致重现性差;中空纤维的材料目前比较单一,给液-液-液三相萃取模式中有机溶剂的选择带来困难;没有商业化生产的装置,与其它前处理方法联用较少;在处理实际样品时,样品中的亲水性物质会附着在纤维壁上堵塞孔隙影响传质。为了克服该技术现有的缺点,今后的发展方向主要有:萃取机理的探讨,不同萃取模式的动力学研究;与其它前处理技术联用,使HF-LPME 的应用更加广泛;中空纤维材料的进一步扩展。随着研究的不断发展,HF-LPMEHPLC 会日臻完善的。凭借其它萃取技术无法替代的优点,如成本低、有机溶剂用量少、环境友好、样品净化功能突出、易与多种分析仪器联用、操作模式多样化等,HF-LPME 必将发展成为一种广泛应用的样品前处理技术。

表1 HF-LPME 在食品有机污染物检测中的应用Table 1 Application of HF-LPME in the detection of organic pollutants in food

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