膜萃取技术在食品农药残留分析中的应用

王新铭，赵李霞，付 颖

（东北农业大学理学院应用化学系，黑龙江哈尔滨150030）

膜萃取技术在食品农药残留分析中的应用

王新铭，赵李霞，付 颖*

（东北农业大学理学院应用化学系，黑龙江哈尔滨150030）

膜萃取是膜分离与液-液萃取相结合的一种新型分离技术。文中综述了在食品农药残留分析中应用较广泛的几种膜萃取技术的装置、原理、特点，分析了影响膜萃取效果的因素。阐述了膜萃取与气相色谱、液相色谱、质谱等仪器的联用技术在食品农药残留分析中的应用，并介绍了一些新型膜萃取技术，讨论了膜萃取技术的发展方向。

膜萃取，农药残留分析，应用

膜萃取是近年来兴起的一种新型分离技术，将膜置于两相之间，通过萃取剂对膜具有浸润性而迅速地浸透膜的每个微孔并与膜另一侧的原料液相接触形成稳定界面层，待分离溶质透过界面层从原料液转移到萃取剂中从而达到分离富集的目的。由于其传质是在两相接触的固定界面层上完成的，所以又称固定膜界面萃取［1］。膜萃取没有相的分散和聚结过程，不形成直接接触的液液两相流动，既可以减少萃取剂在料液中的夹带损失，又可以克服单纯液液萃取易形成乳状液而导致分离不完全的缺点［2］。同时料液相和溶剂相各自在膜两侧流动，放宽了对萃取剂物性的要求，且免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制，易实现自动化且可与检测仪器在线联用［3］。由于膜装置体积小，用较少的溶剂即可获得较高的富集率［4］，得到的萃取液可直接转移到检测仪器中［5］，如与气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、反相液相色谱（RHPLC）、毛细管电泳（CEP）、电感偶合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）、质谱仪（MS）等联用［6］。膜萃取技术由于具有溶剂用量少，选择性高，富集倍数高，操作步骤少等优点，作为新的样品预处理技术被广泛用于含水食品如果汁饮料中农药残留的检测。

1 膜萃取技术分类

膜萃取根据膜结构进行样品的分离富集，按其装置构造及萃取原理的不同可将其分为支持液膜萃取（SLME）、微孔膜液液萃取（MMLLE）、中空纤维膜液相微萃取（HFLPME）、固相膜萃取（SPME）等。

1.1 支持液膜萃取（SLME）

支持液膜的结构可看成是两层水相中间夹一个有机液膜相形成的三相萃取体系，可分为平板式支持液膜萃取和中空纤维支持液膜萃取。SLME指由一块疏水性的扁平膜将两种溶液分开，有机溶剂由于毛细管作用力饱和于膜孔中，形成的支撑液膜固定在两扁平的惰性材料模块之间，在膜两边各形成一个流体通道，每个通道体积一般在10～1000μL。目前SLME已应用于萃取富集小分子的重金属，有机物，磺酰脲类、三嗪类除草剂［7-8］残留检测时的样品前处理。

Maxim V等［9］使用SLME法富集萃取果汁中所含的草甘膦及其代谢物，柱前衍生化后利用HPLCUV对其含量进行了测定。采用0.1mol/L盐酸作为接收相，待萃液的流速控制为0.2mL/min时，草甘膦及α-氨基羟甲基噁唑丙酸（AMPA）富集后的最低检测限（LOD）可达到0.025mg/L。于橘子汁、葡萄汁、苹果汁及黑醋栗汁中萃取草甘膦和AMPA的回复率分别为71.1%，72.1%，93.6%，102.7% 和 64.1%，64.6%，81.7%，89.2%。结果表明，利用SLME法富集复杂液体基质中的草甘膦及其代谢物是可行的。

1.2 微孔膜液液萃取（MMLLE）

MMLLE的装置与SLME相同，所用的膜材料也相同，不同的是其为两相系统，即萃取液是与固定在多孔憎水性膜（如聚四氟乙烯膜）膜孔中的有机溶剂相同的溶液，疏水膜将水相与有机相隔开，膜的两边分别为样品和有机溶剂通道，待萃取物（呈中性分子状态）被萃取入吸附着有机溶剂的多孔憎水性膜，然后穿过液膜，扩散进入含有相同有机溶剂的通道内。待萃液流速快而萃取液流速慢或静止，从而达到萃取富集的目的。

Hyötyläinen［6］等使用MMLLE-GC-FID检测红葡萄酒中的有机磷、有机氯农药的残留，为了得到最大萃取率，考察了萃取液极性、萃取时间、萃取温度的影响，优化了萃取条件。结果表明用环己烷作为萃取液在50℃下萃取30min效果最好。研究得出样品中硫丹、异菌脲、林丹、腐霉利、喹硫磷、三氯杀螨砜、伐菌唑灵的富集因子为3.4～13.4，线性关系好，相关系数的范围为：0.9762＜R2＜0.9935。他们测定了不同来源红葡萄酒中相应农药的残留，于其中一种红葡萄酒中检出林丹及三氯杀螨砜的残留量分别为95±11μg/L及1μg/L以下。

Luthje［10］等将MMLLE与GC-MS在线联用检测样品中农药及多环芳烃的残留。离线考察得到萃取的最佳条件为：以甲苯为萃取液、待萃液流速1.0mL/min、温度50℃、萃取时间50min。在最优条件下考察了检测水样中吡草胺等十六种农药时结果的重现性、检测限、萃取率、富集因子等参数。结果表明使用MMLLE法可获得较高的富集因子，其中水样中硫丹的富集因子可达到141.7，方法的LOD值为1.6～15ng/L，低于传统方法的检测限。MMLLE具有较高的敏感性。西马津、氰草津、苯达松等酸性物质由于结果不稳定及具有挥发性等原因不适于此种方法。

对MMLLE及SLME两种方法进行比较发现，MMLLE更适合于对非极性有机物的萃取，能够萃取SLME不能分离的物质。两者互补使用［11-13］，可同时萃取富集极性化合物、非极性以及弱极性化合物。

1.3 中空纤维膜液相微萃取（HFLPME）

HFLPME分为三相体系和两相体系，萃取原理分别与SLME和MMLLE相同，但其设备进一步简单化、微型化，均是在样品瓶中进行。萃取瓶中盛0.5～4mL的待萃液，采用一根疏水性聚丙烯中空纤维膜进行萃取，待萃液在中空纤维膜外，萃取液在膜内。中空纤维微孔中充满有机溶剂，将其浸入样品水溶液中，分析物从水溶液中被萃取到有机溶剂中。三相HFLPME所用萃取液一般为水相，故萃取的可离子化物质可用RHPLC、CEP检测；两相HFLPME萃取液为有机溶剂，可用GC或HPLC测定。

与SLME和MMLLE相比，HFLPME所用萃取液更少，并且富集倍数高，可同时平行萃取多个样品，净化效率高［14］。但测定的物质范围要比固相萃取和液液萃取窄，只适合测分配系数达100以上的物质［15］。两相HFLPME已经应用于有机氯农药的萃取检测［16］。

Bolañosa等［17］应用HFLPME联合超高压液相色谱串联质谱（UHPLC-MS/MS）测定了酒精饮料中的农药残留。此种方法已经发展到可以测定出酒精饮料中约50种农药的残留，且分离后无需进一步净化即可进样检测。实验中采用正辛醇作为膜溶剂，甲醇作为接收相，90r/min旋转振荡，萃取45min，检测限为0.01～5.61μg/L，线性关系较好，R2＞0.95，重现性和精确度分别为3.0%～16.8%，5.9%～21.2%。实验测定了所取样品中胺甲萘、三唑醇、螺恶茂胺、氟环唑、氟菌唑、喹螨醚的含量。结果表明HFLPME可以成功用于萃取进而检测酒精饮料中的残留农药。

Xiong等［18］利用HFLPME-GC/FPD萃取检测饮料中残留的有机硫农药。以二甲苯作为有机萃取剂，样本体积 5.0mL，纤维管长 1.0cm，25℃萃取35min，样本搅拌速度1200r/min，测定马拉硫磷、毒死蜱、噻嗪酮等6种农药的残留量，LOD值为1.16～48.48μg/L，相对标准差（RSD）为3.4%～8.0%，富集因子为27～530。

1.4 固相膜萃取（SPME）

SPME是一种固相萃取技术，继固相柱萃取后发展起来，其装置是将膜材料涂渍或包被在载体上，目标物被萃取后用少量溶剂洗脱或解吸，继而用于仪器分析。由于膜状介质截面积大、传质速率快，可以实现大通量样品处理并获得较高的富集倍数。

许鹏翔等把植物来源的酶和具有不同化学吸附能力的戊二醛等几种化合物涂渍在滤膜上，制成各种萃取膜，比较其对乐果、对硫磷、甲基对硫磷、硫代磷酸三甲酯、精胺的萃取效果。分别采用这些萃取膜对含水样品中残留的有机磷农药进行萃取富集，用气相色谱-脉冲式火焰光度检测器（GC/PFPD）检测，实验结果显示该方法的测定限为0.1μg/L，可满足水体中痕量有机磷农药残留检测的要求［19］。

多孔聚丙烯中空纤维膜保护的固相微萃取（HFM-SPME）过程联合GC/MS可用来分析测定牛奶中三嗪类除草剂的含量。80℃萃取40min，RSD的范围为 4.30%～12.37%。样品中除草剂浓度为0～200μg/L时，校准曲线的相关系数在0.9799～0.9965之间，LOD值为0.003～0.013μg/L［20］。

2 影响膜萃取效果的因素

萃取率（E）和富集因子（Ee）是评价膜萃取效率的主要参数。待萃液和萃取液的pH、待萃液的流速、萃取时间、体系的温度、液膜的组成和性质等对E及Ee有较大的影响。

2.1 pH及溶液流速的影响

对于三相萃取体系而言，膜相两侧的pH决定待萃取物的存在形式。在给体液中使待萃物以中性形式存在，透过膜到达受体液后通过pH的调节使其形成离子态以防止其回到膜相进入给体液中，从而达到不断富集的目的。

一般对小体积样品常采用低流速，而大体积样品用高流速，以获得较大的Ee。

2.2 萃取时间的影响

在pH、流速等条件一定的情况下，萃取时间对萃取率也会产生影响，一般在一定的范围内，萃取时间越长，萃取率越高，但存在峰值。Hyötyläinen等［6］在利用MMLLE萃取红酒中的农药残留时，考察了萃取时间对萃取率的影响。实验在200μL/min的流速下将萃取时间设定为10～50min，结果表明当萃取时间少于30min时，随着萃取时间的延长，萃取率逐渐增大，在30min时萃取率达到峰值，30min后随着时间的增加，各农药的萃取率不再增加，腐霉利及伐菌唑灵的萃取率甚至下降。

2.3 萃取温度的影响

萃取时体系的温度会影响待萃物的扩散系数、液体的表观黏度等。Michel等［21］研究了利用HFSLM萃取三唑类除草剂时温度对传质的影响。温度在278～313K之间时，对目标物的扩散系数、通量等均存在影响，在此范围内随着温度的升高，扩散系数和目标物的通量也随之增高，表观黏度下降。温度较高时，受体相的反萃取过程是影响传质的因素；温度较低时，三唑类除草剂的传质过程主要取决于其经由给体液到液膜表面再穿透膜相的过程。所以当萃取过程主要受给体液或膜相影响时，温度变化的影响就较为显著。

2.4 液膜的组成和性质的影响

通常选择待萃取物在其中分配系数大的有机溶剂作为萃取液。为了获得高传质系数，最好使用低黏度的液膜。在使用SLME时，将1-癸醇和正十一烷1∶1混合，可有效降低有机溶剂的黏度［22］。通过向液膜中加入适当的添加剂（如配位试剂，离子对试剂），也可改变液膜的萃取性质，在提高选择性的同时使E增大。

液膜的种类对富集效果也有显著影响。梁霞等［23］对极性不同的双酚A、辛基酚和壬基酚分别用不同极性的液膜萃取，结果显示用极性较大的有机溶剂萃取极性较大的双酚A时E最大，而辛基酚和壬基酚适合以极性较弱的正己烷作为液膜来富集。以体积比为1∶1的二氯甲烷和正己烷的混合溶剂作为液膜时，双酚A的萃取效率明显提高，说明可通过使用合适的混合溶剂获得高的萃取效率。

3 膜萃取技术的应用前景

当今样品前处理技术的发展趋势是很少甚至不使用有毒有机溶剂，简单快速，操作步骤少，尽量集采样、萃取、净化、浓缩、进样于一体，最好能实现自动化，而膜萃取技术正是符合这一发展方向，已经被广泛地应用于食品和环境中农药残留检测时样品的前处理过程。

3.1 膜溶剂

获得使液膜更稳定、可萃取的物质范围更广、选择性更高的优良溶剂应用于液膜萃取中也是未来的发展趋势。近年来离子液体（ILs）这一新型溶剂在SLME技术中的应用研究得到广泛关注。ILs通常指包含有机阳离子及无机复合阴离子的室温下的溶液［24］，所含离子的不同决定其亲水性的大小，从而对不同的化合物具有相异的选择通透性，应用于SLME中可使萃取具有较高的分离效率［25］。

一般单一萃取剂所能萃取的物质是有限的，所以农残分析中许多物质由于缺乏合适的萃取剂而无法利用膜萃取进行富集。根据萃取物的性质选择合适配比的混合溶液作为膜浸透液则可拓宽预富集物的范围，使膜萃取方法得到更广泛的应用。同时多数有机溶剂具有挥发性也是SLME中存在的主要问题。Hylton等［26］利用混合溶液浸膜，萃取含水样品中五种氨基甲酸酯类农药时，首先将膜浸于正丁醇中形成阻隔膜，从而起到阻碍萃取剂挥发的作用。

3.2 新型膜萃取技术

伴随着膜萃取的发展和完善，不断有新的膜萃取技术和装置出现。膜萃取生物反应器就是比较新颖的处理含水样品中有机物残留的技术之一。即由膜萃取和生物降解耦合而产生，可用来处理含有毒有机物的样品。

另一种吸附界面膜萃取（MESI）是一种无需使用有机溶剂的样品前处理技术。它将采样、富集、进样合为一体，可避免样品的损失和污染。此技术可应用于挥发性、半挥发性和非极性有机物的分析，主要适用于连续监测、现场测试和在线分析，具有良好的分析前景［27］。

圆锥膜液相微萃取（CSM-LPME）装置也可同微液相色谱（micro-LC）联用，用于腐霉利、喹硫磷等残留农药的检测。萃取20min后富集因子高于50，检测限可达1.1～1.9μg/L，优化条件下的重现性达到6.3%～7.5%，线性方程的相关系数大于0.9995［28］。

4 结语

膜萃取技术由于仍存在耗时，膜孔易堵塞，对溶剂要求苛刻，易发生溶胀现象使膜孔变形，每次测定只能应用于特定的某些物质等缺点，且在应用之前，需进行大量的优化实验来确定操作条件，需要特殊装置或材料，所以实现起来有一定的技术难度，但其高选择性、高富集性、简单、绿色和可自动化及可与各种检测仪器联用等优点，符合绿色化学的发展要求，适于食品中农药残留检测过程中的前处理，有广阔的发展前景。

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Application of membrane extraction in pesticide residue analysis of food

WANG Xin-ming，ZHAO Li-xia，FU Ying*
（College of Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Membrane extraction is a new separating technique combining membrane separation with liquid-liquid extraction.lt has been applied widely in the pesticide residue analysis connected with GC，LC，MS and other detectors.The instrument，principles，characteristics and factors effecting the extraction of membrane extraction of food were described.The research trend and some new type techniques of membrane extraction were also pointed out.

membrane extraction；pesticide residue analysis；application

TS201.1

A

1002-0306（2010）11-0401-04

2009-09-14

王新铭（1986-），女，硕士，研究方向：农药残留分析。

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（11521032）。