样品前处理是分析检测中非常关键的一环，开发简单、快速地从不同基质样品中提取目标物的方法十分必要。传统的前处理方法有液液萃取法、固相萃取法、顶空萃取法、超临界流体萃取法、QuEChERS 等。其中，液液萃取法耗时，有机溶剂消耗量大，不符合绿色化学的发展趋势，因此各种微萃取技术应运而生。液相微萃取 (LPME)就是其中一类，包括中空纤维液相微萃取 (HF-LPME)、悬滴液相微萃取和分散液液微萃取等萃取模式。电膜萃取(EME) 技术在LPME技术的基础上发展而来。LPME的主要传质动力是扩散，而EME中带电目标物通过施加电场的作用，穿过支撑液膜 (SLM)，到达接受相。EME技术可以有效缩短萃取时间，提高萃取效率，且由于接受相体积远小于供体相，EME可获得高富集倍数。该项技术改善了LPME萃取时间过长的缺点，且能提供更加清洁的样品供后续仪器分析测试，已成功应用于多种复杂基质中药物、金属离子、多肽、组织胺等物质的分离和提取，取得了较为理想的回收效果。

 

1、 电膜萃取原理

 

1.1 电膜萃取简介

 

     EME装置的主体结构由稳压电源、电极和SLM构成。该技术通常使用中空纤维或者多孔聚丙烯平板膜为支撑基体，在支撑基体材料上固定有机溶剂 [ 如2-硝基苯辛醚 (NPOE)、三 (2-乙基己基 ) 磷酸酯(TEHP)、二(2-乙基己基)磷酸酯(DEHP)、1-辛醇、2-硝基乙基苯 (ENB) 等 ] 形成SLM。采用EME从不同基质样品中提取目标物时，要根据目标物的极性、酸碱性等性质来选择不同膜溶剂，并调节供体相酸度，使目标物呈离子态，进而在外加电场的作用下定向移动到接受相。其中，电场作用可以加快传质过程，缩短萃取时间。

 

1.2 电膜萃取传质理论

 

     EME的传质过程与药物透过皮肤的离子电泳迁移过程非常相似，二者原理同为离子在电场下从一侧电解质经过透过膜迁移到另一侧电解质中。GJELSTAD等在药物透过皮肤迁移理论模型的基础上，假设SLM在外加电场的条件下没有产生对流流体，建立了基于Nernst-Planck方程的稳态EME数学模型。该模型描述了分析物通量与膜的厚度、温度、电压、溶液的离子平衡参数等的关系，认为SLM上的电压尤为重要。但是该模型没有体现出萃取时间对整个传质过程的影响。因此，SEIP等在对一些药物和多肽的实际研究基础上建立了一个反映分析物浓度水平实时变化的EME瞬时传质模型。该模型基于以下4个假设：①萃取开始时，分析物不能立即到达接受相，存在滞后时间；②透过膜过程是速控步骤；③有足够的搅拌；④目标物的提取是单向的，不存在反萃取。该模型能很好地描述大部分目标物在萃取过程中的分布状态。综上，在对试验条件进行优化时，可以从溶液酸度、萃取电压、萃取时间、SLM组成等方面进行考虑。而基于不同假设建立的EME过程的稳态和瞬时传质模型能很好地描述EME中目标物在萃取过程中的传质过程，有利于未来试验条件优化以及新技术开发工作。

 

2、 电膜萃取模式

 

     中空纤维EME是最早出现的EME模式，该模式既保留了HF-LPME集萃取、富集、净化于一体的优点，又能缩短萃取时间。但是，该模式的回收率较低，因此在该技术的基础上又出现了平板膜EME、芯片EME、凝胶EME(G-EME) 等新型EME模式。

 

2.1 中空纤维电膜萃取

 

      以中空纤维为SLM的EME模式最早由PEDERSEN-BJERGAARD 等提出，在聚丙烯中空纤维上固定 NPOE 并在其与样品溶液两端施加

 

电压，形成EME基本结构。ASADI 等为了加快EME传质过程，建立了一种配有可旋转电极的EME装置，与普通HF-LPME装置相比，该装置可以有效减少SLM与接受相的扩散层厚度，从而达到缩短萃取时间，增加萃取率的目的。为了提高多目标物萃取分离效率，SEIDI等搭建了一个在正极和负极都有中空纤维膜的双中空纤维EME装置，该装置可以同时萃取酸性和碱性两类药物。KORUNI等在双中空纤维EME装置的基础上增加两个辅助电极和中空纤维膜，辅助中空纤维膜上涂覆有与主中空纤维膜不同的有机溶剂，从而达到对不同极性的酸性物质和碱性物质都有较高回收率的目的。中空纤维的体积很小，尽管其浓缩富集倍数高，但是电解反应产生的负面影响被放大，导致一些目标物的回收率偏低。

 

2.2 平板膜电膜萃取

 

     平板膜EME不仅改善了中空纤维EME的缺点，同时降低了EME装置的制作难度，提高了萃取稳定性。

 

     平板膜EME模式最早由XU等于2008年提出，该研究团队用一个信封状的聚丙烯膜替代中空纤维膜作为SLM，在施加电压后即可用该模式成功分离4种有机磷神经毒物的降解产物。HUANG等基于上述研究，将头部被剪掉、尾部焊有聚丙烯膜的移液枪枪头放入离心管中，开发了一种单孔EME装置。EIBAK等开发了一种8孔平行EME装置(Pa-EME)，在一个多孔板上，用带有多个EME装置的锡箔纸连接每个孔，将EME装置整合到一起。该装置可同时进行多个EME，大幅缩短了前处理时间，但在药物实际检测中，其萃取效果不及传统EME的。EIBAK等和DROUIN等开发了96孔的EME装置，该装置结构稳定，且能承受高搅拌速率，可在短时间内同时对96个样品进行EME，非常符合分析测试行业高通量和自动化的需求。

 

2.3 芯片电膜萃取

 

     考虑到EME自动化需求，芯片EME已然成为EME研究的热点。相关装置具有拆卸方便、可重复利用、样品量少、涂敷SLM所需有机溶剂极少、无需磁力搅拌、可精确控制溶液流量、能与色谱装置在线联用等优点。

 

     PETERSEN等将常规EME装置缩小制作了芯片EME装置。该装置为在两片有机玻璃上分别雕刻出样品通道和接受槽，其中间夹有疏水性的聚丙烯多孔膜，而NPOE填充了局部膜孔，从而形成SLM。芯片EME装置为样品的分离和富集提供了一种微型高效的系统，即使样本量很小也能实现目标物的高效预浓缩。但是，该装置的接受相是静止的，需要手动取出接受槽中的溶液进行后续进样分析。PETERSEN等将原本静止的接受槽改为使用注射泵推动的接受通道，进而将通道内中的溶液连续泵入检测器，从而实现对药物代谢的实时监测。

 

2.4 凝胶电膜萃取

 

     G-EME是一种以凝胶作为SLM的EME模式。G-EME模式不使用传统EME所需的膜板和有机溶剂，而是以各种类型的凝胶膜作为萃取膜。凝胶膜的孔径可通过调整凝胶配比来改变，可选择性地过滤掉一些大分子物质，获得更加干净的接受相。TABANI等将琼脂糖凝胶作为 EME膜，相较传统EME的SLM所用疏水膜只有固定尺寸，G-EME的凝胶膜可以定制形状和尺寸，自由度更高。该课题组随后制备了更小型的装置，该装置使用具有窄孔的透明聚合物管作为接受相，并将琼脂糖凝胶膜作为微塞放在透明聚合物管的一端，将含有供体相的圆形小瓶连接在填充有凝胶膜和接受相的两根管之间，即制备成了管内-凝胶-EME(IT-G-EME) 装置。

 

     RAHBARIAN等使用6cm玻璃管作为IT-G-EME主体装置，在玻璃管中间放入一个填充有琼脂糖凝胶的塞子作为萃取膜，进一步简化了IT-G-EME装置。IT-G-EME技术优点在于能减少样品的使用量，但作为G-EME技术的一种，仍存在大电流和电内渗 (EEO) 现象，会导致接受相体积的改变，影响萃取效率。

 

     为克服EEO效应，RAHIMI等提出了一种新G-EME模式—— “内”凝胶EME，即将EME中的接受相固定在作为SLM的琼脂糖凝胶的内部，成功解决了萃取过程中接受相体积变化的问题。此外，还可使用黄蓍胶、壳聚糖和聚丙烯酰胺等其他高分子材料代替琼脂糖作为凝胶膜，从而来降低或消除G-EME的EEO现象。

 

3、 电膜萃取在实际检测中的应用

 

3.1 食品

 

     食品安全关乎身体健康，食品中有害物质检测监督及食品中有益物质提取都很重要。FASHI等使用中空纤维EME模式对水和乳制品中的三聚氰胺进行提取，使用高效液相色谱仪检测，检出限小于6μg·L−1，回收率为85.3%~95.3%。GAO等建立了一种平板膜EME模式提取和纯化猪肉、猪肝、牛肉和羊肉中微量莱克多巴胺的方法，回收率为80.3%~109%。WAN等使用平板膜EME装置对新鲜土豆皮中的α-茄碱和α-查茄碱两种甾体糖苷生物碱进行了提取，加标回收率为73.0%~106%，可应用于发芽土豆中毒物的检测。ZARGHAMPOUR等使用G-EME装置对香肠中的组胺、色胺、腐胺、尸胺、亚精胺等生物胺进行萃取，使用高效液相色谱仪进行分析，检出限为3~8μg·L−1，回收率均在95.0%以上。NABIZADEH等使用了中空纤维EME装置，并将NPOE同时用作膜溶剂和接受相，结合气相色谱-质谱法对香肠中6种亚硝胺致癌物进行了检测，检出限为0.26~0.29ng·g−1，回收率为84.0%~95.0%，富集因子为 76~90。该方法节省了传统 EME 方法在使用GC-MS分析时需要将分析物从水相转移到有机相的步骤，缩短了前处理时间。食品检材基质非常复杂，EME萃取液杂质少，富集和净化效果优于传统前处理方法。

 

3.2 麻醉药品和精神药品

 

     血液、尿液中麻醉药品和精神药品检测可用在毒品滥用证明中，而检测废水中麻醉药品和精神药品可为毒情研判提供证据。PEDERSEN-BJERGAARD等在聚丙烯中空纤维上固定NPOE并在其与样品溶液两端施加电压进行EME。在300V萃取电压下，5min内能完成对哌替啶、去甲替林、美沙酮、氟哌啶醇和洛哌啶胺的萃取，回收率为70.0%~79.0%。KORUNI等使用4个中空纤维EME装置，对尿液中甲基苯丙胺、可卡因、美沙酮、丁丙诺啡、吗啡以及布洛芬、酮洛芬和依那普利等多种极性相差较大的酸性药物和碱性药物进行了萃取，回收率为 33.0%~66.0%。RAHBARIAN等 开发了IT-G-EME装置，并在5min内完成水、尿液和血液中可待因、羟考酮、氢可酮、曲马多、蒂巴因和那可汀的萃取，回收率为61.9%~86.9%。RAHIMI等使用自制的IG-EME装置对吗啡和可待因进行了萃取，回收率为67.7%~73.8%。在麻醉药品和精神药品分析中，EME技术检材用量少、萃取时间短、不需要加入有机萃取剂，降低了样品污染的可能性，操作过程非常绿色环保。

 

3.3 医源性药物及多肽物质

 

     HUANG等以纯亚磷酸二酯(DEHPi) 为膜溶剂，使用平板膜EME装置，在100V电压下，20min内完成了人血浆中甲氨醇、苄脒、索他洛尔、苯基丙醇胺、麻黄碱、甲氧苄啶等极性碱性药物的提取，回收率为25.0%~91.0%，DEHPi作为膜溶剂可以降低EME过程中的电流，提高了萃取稳定性。该课题组还对水样和血浆中西酞普兰、美沙酮、阿米替林和舍曲林进行了提取，回收率为83.0%~112%；在小于50μA低电流下，25min内完成磷酸盐溶液中乙酸缓激肽、血管紧张素Ⅱ抗肽、血管紧张素Ⅱ乙酸酯、神经紧张素、血管紧张素Ⅰ三氟乙酸酯等5种多肽的成功提取，回收率为77.0%~94.0%。

 

    DAVARANI等采用平板膜EME模式对废水、尿液和母乳等3种基质中的双氯芬酸钠进行了提取，回收率为 74.0%~90.0%。SEIDI等使用双中空纤维EME装置在40V的低电压下，14min内完成了对尿液中碱性药物纳美芬和酸性药物双氯芬酸的同步快速萃取，富集倍数分别为300和350。TABANI等使用琼脂G-EME模式提取水样中的利瓦司汀、维拉帕米、氨氯地平和吗啡等4种临床心脏病治疗药物，回收率为38.2%~ 73.6%。ASADI等使用聚丙烯酰胺G-EME模式，对母乳和废水中的伪麻黄碱、利多卡因、普萘洛尔等3种不同极性药物进行了萃取。

 

3.4 重金属离子

 

     由于环境水中的重金属含量较低，为达到仪器响应阈值，常需要对样品进行浓缩处理。KAMYABI等使用EME模式进行前处理，分别使用原子吸收光谱法和分光光度法在较短时间内完成了对Hg(Ⅱ) 和As(Ⅴ) 的检测，通过对不同实际水样的分析，验证了该方法的适用性。TABANI等调节供体相酸度使C（Ⅲ）带正电，C（Ⅵ）以酸根形式带负电，从而可以通过EME模式分离三价铬和六价铬，再利用均二苯卡巴肼(DPC) 和铬离子体系的显色强度计算出铬离子浓度，Cr(Ⅵ) 和 Cr(Ⅲ) 的回收率分别为72.0%和84.0%。在重金属离子检测中，该方法的样品使用量较少，无需使用高成本的分析仪器，利用纸基显色反应即可实现检测结果的可视化。

 

4、 结论与展望

 

     随着EME在前处理过程中的应用范围的扩大和EME装置的改进和完善，改变SLM材料、调控电场强度、酸度等可以完成复杂基质中分析物的萃取、浓缩、净化过程，操作简单化、萃取高效化是该技术的主要优点。从分析物应用范围来看，EME技术可以用于有机药毒物、重金属离子，以及大分子多肽类物质的萃取，其适用范围还可以继续深入开发。EME相关文献报道内容多为多膜材料方面的创新，且这种研究趋势还会继续，通过将新的膜材料，如纳米材料、环境友好型膜材料等应用到EME中，可以实现更高选择性、更强稳定性、更低成本以及绿色检测的目的。目前所有的EME装置几乎均为自制，还没有形成商品化装置，更鲜有联用技术方面的研究。因此，研制出高通量且能实现自动化分析的装置是目前的主要研究趋势，而开发新EME装置和联用技术是未来的发展方向。

 

作者：伏广想1，张婷1，王瑞琛1，历莹璐2

 

单位：1. 中国刑事警察学院 刑事科学技术学院；

 

2. 绥化市公安局刑事科学技术支队

 

来源：《理化检验-化学分册》2024年第6期

 

来源：理化检验化学分册

关键词： 电膜萃取前处理技术