超分子溶剂在样品前处理与检测技术中的应用研究进展

陈 萌，刘艺静，2，郭兴洲，白 桦，马 强*

（1.中国检验检疫科学研究院，北京 100176；2.北京中医药大学 中药学院，北京 102488）

近年来，随着人们对环境问题的普遍关注，传统分析方法因使用有毒有害试剂和产生大量废弃物，逐渐不被接受，绿色分析化学的概念应运而生。绿色分析化学是将绿色化学的原理应用于研发新的分析方法，可减少和消除分析过程中有毒有害物质的使用和产生，将环境污染减少到最低限度［1］。绿色样品前处理是实现绿色分析化学的基础，为此，超分子溶剂［2-3］、低共熔溶剂［4-6］、离子液体［7］等绿色溶剂在样品前处理中得到了越来越广泛的关注和应用，并用于替代具有挥发性、易燃性和毒性的传统有机溶剂［8］。

1 超分子溶剂概述

超分子溶剂（Supramolecular solvents，SUPRASs）［9］是指含有亲水基和疏水基的两亲性分子在水溶性有机溶剂作用下分散在水相中，通过疏水相互作用按照一定顺序排列生成大分子，进而聚集成纳米级或微米级的三维聚合物，可在pH值、温度、电解质、溶剂等外部条件诱导下，从水相中分离出来形成的一种新型绿色溶剂。根据两亲化合物、分散剂或有机溶剂种类的不同，超分子溶剂主要包括3 种结构，即囊泡、正向胶束和反相胶束（图1）［10-11］。超分子溶剂特有的理化性质，赋予其在替代传统萃取溶剂的过程中不容忽略的优势。例如，超分子溶剂可通过极性区域的氢键、偶极-偶极等以及非极性区域的分散、π-π键等作用，同时溶解具有较宽极性范围的溶质。超分子溶剂特有的囊泡结构可以阻碍大分子物质通过，达到萃取和净化的效果。超分子溶剂中含有较高质量浓度（0.1～1 mg/μL）的两亲化合物，使其在样品分析时可以获得较高的富集因子，提高检测灵敏度。超分子溶剂具有较大的比表面积，在萃取过程中可实现更加快速的溶质传递；同时还具有难挥发性和不可燃性，可实现更加安全的分析过程［12］。

图1 超分子溶剂的自组装形成过程［11］Fig.1 Formation of supramolecular solvents by a self-assembly process［11］

2 超分子溶剂在样品前处理技术中的应用研究进展

超分子溶剂特有的优异性质使其在样品前处理方面得到了广泛应用，涉及的样品类型包括环境样品［13］、生物样品［14］、食品［15］、纺织品［16］等，萃取的目标物质涉及有机物和无机物等。超分子溶剂在实际样品萃取过程中通常有两种合成方式，一是将超分子溶剂的制备材料与待测物溶液混合在一起进行液相微萃取，超分子溶剂在溶液中实现自组装并同时萃取其中的待分析物，多用于萃取液体基质样品中的目标物质；二是通过离线方式合成超分子溶剂，将制备好的超分子溶剂加入固体样品中，进行待测物的固液萃取。

2.1 外力辅助超分子溶剂萃取

近年来，研究人员发展了利用磁场、微波辐射、超声波、涡旋等外力方式来改善目标物质在样品相和萃取相之间的分配系数。在超分子溶剂萃取过程中，超声辅助萃取和涡旋辅助萃取是应用最多的方式。外力辅助超分子溶剂萃取的典型应用列于表1。

表1 外力辅助超分子溶剂萃取的典型应用Table 1 Typical applications of external force-assisted SUPRASs-based extraction

2.1.1 超声辅助超分子溶剂萃取 超声辅助萃取（Ultrasound-assisted extraction，UAE）是借助超声波能量加速目标物从样品基质扩散至萃取溶剂的一种方式。在超分子溶剂萃取过程中，超声辅助的方式可以使超分子溶剂分散成更小的液滴，增加与样品之间的接触面积，提高萃取效率。Moradi 等［17］通过在样品溶液中加入四氢呋喃和癸酸，在线生成反相胶束超分子溶剂，在138 W 功率下超声萃取了样品中的邻苯二甲酸酯类化合物，离心后取上清液进行分析检测。在这种萃取方式中，超声波不仅作用于目标物的萃取，还加速了超分子溶剂的生成，缩短了平衡时间，显著提高了萃取效率。

2.1.2 涡旋辅助超分子溶剂萃取 涡旋辅助萃取（Vortex-assisted extraction，VAE）由分散液液微萃取（Dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME）发展而来，在超分子溶剂萃取中的应用最为广泛。在这种方式中，萃取溶剂在样品溶液中的混合分散通过涡旋过程完成。王璇璇等［18］制备了基于六氟异丙醇/辛醇的超分子溶剂，注入利多卡因注射液，涡旋3 s，对2，6-二甲基苯胺杂质进行萃取，极大地缩短了萃取时间。涡旋辅助超分子溶剂萃取也被拓展应用于固体样品中目标物的提取［16］。

2.2 基于超分子溶剂的样品前处理技术

当采用超分子溶剂作为萃取相时，由于萃取剂使用量较少，且能获得较高的萃取效率，有助于提高目标物质的检测灵敏度。但萃取完成后，萃取相的收集和转移是研究的难点之一，萃取相与样品分离不完全将直接影响检测结果的准确性和重现性。近年来，涌现了一些基于超分子溶剂的样品前处理技术，达到了简化操作步骤、提高萃取效率的目的。

2.2.1 基于超分子溶剂的中空纤维膜液相微萃取 中空纤维膜液相微萃取（Hollow-fiber liquid-phase microextraction，HF-LPME）是一种以多孔中空纤维为载体的液相微萃取技术，即以中空纤维膜作为溶剂的载体，萃取时目标分析物从水溶性样品溶液通过中空纤维孔壁中的溶剂转移至中空纤维腔内的接收相中。在样品萃取过程中，大分子、颗粒杂质等不能通过纤维壁的微孔，进而达到净化的作用。将超分子溶剂代替传统有机溶剂作为中空纤维膜液相微萃取的萃取剂，可克服传统溶剂稳定性差、挥发性高的缺点。Moradi等［37］开发了一种中空纤维膜囊泡介导微萃取技术，通过合成基于癸酸/四丁基氢氧化铵的囊泡型超分子溶剂，将其负载到中空纤维膜孔隙及空腔内对水样中的卤代苯胺类物质进行萃取（图2）。萃取完成后，通过注射器抽取萃取液，注入液相色谱仪进行分析检测。在最优条件下，目标物富集因子达到74～203，加标回收率为90.4%～107.4%，相对标准偏差为3.9%～6.0%。Rezaei 等［38］也成功地将同一体系用于人体尿液、血浆以及果汁等复杂基质中苯二氮卓类药物的萃取，富集因子达112～198，加标回收率为90.0%～98.8%。在中空纤维膜上负载超分子溶剂可简化萃取相收集步骤，确保萃取剂与样品完全分离，获得较高的萃取效率和富集因子。

图2 基于超分子溶剂的中空纤维膜液相微萃取示意图［37］Fig.2 Schematic diagram of SUPRASs-based hollow-fiber liquid-phase microextraction［37］

2.2.2 基于超分子溶剂的固相萃取 固相萃取（Solid-phase extraction，SPE）利用固体吸附剂对液体样品中的目标化合物进行吸附，实现与样品基质和干扰物的分离，然后通过洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离富集目标化合物的目的［39］。Laque 等［40］采用十二烷基硫酸钠和四丁基氯化铵溶液制备了双分子层吸附胶束，先将pH 2.0 的十二烷基硫酸钠溶液通过氧化铝柱，在氧化铝表面形成十二烷基硫酸钠半胶束和双分子层吸附胶束，再将四丁基氯化铵溶液流经氧化铝柱，形成混合双分子层吸附胶束，此时氧化铝表面既有阴离子胶束又有阳离子胶束。通过这种方式，实现了对河流和地下水中多种农药残留的有效萃取和富集，加标回收率为96%～106%。基于超分子溶剂的固相萃取将超分子溶剂胶束萃取与固相萃取巧妙结合，可同时实现分析物萃取和基质净化，特别适合于复杂液体样品前处理。

2.2.3 基于超分子溶剂的单滴微萃取 单滴微萃取（Single drop microextraction，SDME）是在液相微萃取的基础上发展起来的一种新型样品前处理技术，通常以进样针作为工具，将作为萃取介质的液滴悬挂于其末端，浸没于样品基质中或者悬挂于样品上方萃取待分析物，最后将萃取剂吸回，引入检测系统进行分析。超分子溶剂液滴在进样针针尖的形成，取决于形成超分子聚集体的表面活性剂头部基团间的分子间作用力，其相互作用强度应足以形成球形液滴。López-Jiménez 等［41］合成了癸酸/四丁基氢氧化铵囊泡型超分子溶剂，将其悬挂于进样针末端，并浸入20 mL 样品溶液中，通过磁力搅拌，实现了样品溶液中氯酚类化合物的萃取。待萃取过程完成后，将超分子溶剂注入液相色谱仪中进行检测，加标回收率为79%～105%。

2.2.4 基于超分子溶剂的悬浮固化液相微萃取 悬浮固化液相微萃取（Liquid-phase microextraction based on solidification of floating organic drop，LPME-SFO）是一种在液相微萃取基础上发展出来的技术。在萃取过程结束后，将萃取溶液转移至冰浴数分钟，再将已固化的悬浮于溶液表面的萃取剂转移至样品瓶，便于快速融化后直接进样分析。由于超分子溶剂具有低密度及低凝固点特性，可与悬浮固化液相微萃取很好地匹配兼容。Ezoddin等［42］开发了一种基于超分子溶剂的超声辅助悬浮固化分散液相微萃取方法，用于测定生物样品中的3 种抗真菌药物。将四氢呋喃和十二醇注入样品溶液中，原位生成超分子溶剂并对目标物进行萃取，将萃取溶液在冰浴中保持5 min，取固化的上层超分子溶剂，融化后直接注入高效液相色谱仪进行检测。通过这种前处理方式，得到3 种目标化合物的富集因子为90～95，加标回收率为92%～99%。

2.2.5 基于超分子溶剂的铁磁流体微萃取 铁磁流体是一种磁性纳米粒子（Magnetic nanoparticles，MNPs）稳定悬浮于载体液体中的胶态悬浮液体，兼具磁性材料的磁性与液体材料的流动性。由于具有磁性，可以很容易地通过外加磁场将其从基体溶液中分离，达到简化分离过程、提高相分离效率的目的。将超分子溶剂作为磁性纳米粒子的载体溶液即可使其实现磁性响应。Zohrabi等［43］用油酸包裹磁性纳米粒子使其表面疏水，再分散于癸酸/四丁基氢氧化铵的囊泡型超分子溶剂中制备得到铁磁流体，以该铁磁流体作为萃取剂，萃取富集果汁样品中残留的有机磷农药（图3）。经测定，有机磷农药的富集因子达108～135，回收率为92.2%～110.5%。这种将磁性纳米粒子负载在囊泡上的方式，有利于超分子溶剂在水相中均匀分散和完全分离，提升了萃取效率。Safari等［44］根据磁性纳米粒子在酸性条件下表面带正电荷的特性制备了铁磁流体，通过使用带正电荷的磁性纳米粒子替代四丁基氢氧化铵诱导超分子溶剂形成，并通过静电相互作用与所形成的囊泡结合，随后将所得到的铁磁流体用于水样中三嗪类除草剂的萃取。在最优实验条件下，富集因子达到183～256，回收率为90.3%～105.0%。基于超分子溶剂的样品前处理技术的典型应用列于表2。

图3 基于超分子溶剂的铁磁流体微萃取示意图［43］Fig.3 Schematic diagram of SUPRASs-based ferrofluid microextraction［43］

表2 基于超分子溶剂的样品前处理技术的典型应用Table 2 Typical applications of SUPRASs-based sample pretreatment techniques

2.3 超分子溶剂萃取与其他前处理技术联用

组成不同的超分子溶剂具有不同的极性，可通过多种方式与低分子量溶质相互作用，对宽极性范围内的目标物进行萃取。而其他样品前处理方式，如固相萃取和超临界流体萃取被认为是降低样品基质效应的有效方式。通常来说，将四氢呋喃作为固相萃取的洗脱溶剂或超临界流体萃取的收集溶剂，再将其用于超分子溶剂的制备，可进一步提高目标物质的富集因子及萃取效率，减少传统模式下固相萃取或超临界流体萃取的溶剂用量，避免后续耗时耗能的溶剂蒸发步骤以及可能造成的目标物损失。超分子溶剂萃取与其他前处理技术联用的典型应用列于表3。

表3 超分子溶剂萃取与其他前处理技术联用的典型应用Table 3 Typical applications of SUPRASs-based extraction coupled with other sample pretreatment techniques

2.3.1 超分子溶剂萃取与固相萃取联用 在大体积液体样品中的稳定性是限制超分子溶剂萃取和检测灵敏度的关键因素。为此，可先采用固相萃取方式对大体积液体样品中的目标物进行浓缩富集，再用超分子溶剂进行萃取，通过这种方式，样品相与最终萃取相的体积比可以达到更高值，从而得到更高的富集因子。Kashanaki 等［51］将分散固相微萃取（Dispersive solid-phase microextraction，DSPME）与超分子溶剂微萃取结合，对体积为100 mL的水样和食品样品中的超痕量铜离子进行高效萃取富集。最终得到的超分子溶剂萃取相体积仅为（40±3）μL，富集因子达到280，回收率为90%～96%。Rezaei 等［52］采用C18固相萃取柱将30 mL水样中的双氯芬酸和甲灭酸目标物浓缩富集至1.5 mL四氢呋喃中，并用于后续超分子溶剂的制备及萃取过程，将最终得到的超分子溶剂萃取液20 μL 注入液相色谱仪中进行检测。在最优条件下，该方法对目标化合物的富集因子和回收率分别为431～489和90.4%～103.8%，整个萃取过程可在25 min内完成。

2.3.2 超分子溶剂萃取与超临界流体萃取联用 与超临界流体萃取（Supercritical fluid extraction，SFE）的结合扩展了超分子溶剂在固体样品萃取中的应用。超临界流体萃取是将超临界状态下的流体作为萃取剂的一种样品前处理技术，具有渗透能力强、萃取效率高等优势。Asiabi 等［53］采用超临界二氧化碳作为萃取剂、甲醇作为改性剂对土壤样品进行萃取，将萃取物收集于四氢呋喃中，并加入癸酸形成超分子溶剂进行萃取，收集超分子溶剂层注入液相色谱仪对磺酰脲类除草剂进行检测，测得目标物的加标回收率为87%～101%。

3 超分子溶剂在检测技术中的应用研究进展

超分子溶剂作为一种新型绿色溶剂，在多种基质类型样品的前处理和宽极性范围目标分析物的萃取中得到了广泛应用。为对萃取的目标物进行定性定量分析，选取适宜的检测技术对超分子溶剂萃取相进行分析成为后续的研究要点。目前，已有多种检测技术可与超分子溶剂达到较好的兼容性，如液相色谱、液相色谱-质谱、气相色谱、气相色谱-质谱等。超分子溶剂在检测技术中的典型应用列于表4。

表4 超分子溶剂在检测技术中的典型应用Table 4 Typical applications of SUPRASs in analytical techniques

3.1 液相色谱及液相色谱-质谱

液相色谱（Liquid chromatography，LC）是一种应用广泛的分析技术，可以根据各组分在两相之间的分配系数不同实现分离，将分离后的组分通过检测器检测，达到定性定量的目的。含有分析物的超分子溶剂萃取相通常被直接注入液相色谱仪，与二极管阵列检测器、荧光检测器和质谱检测器联用对分析物进行检测。在液相色谱系统中，超分子聚集物在有机流动相中分解，产生高浓度的表面活性剂单体，不影响正常的色谱分离行为。然而，在使用高含水量的流动相时，超分子溶剂分解缓慢，从而影响色谱分离，此时超分子溶剂萃取相必须用有机溶剂稀释后才可注入液相色谱系统。张雅玲等［60］采用涡旋辅助超分子溶剂分散液液微萃取的前处理方式，通过癸酸/四丁基氢氧化铵体系的超分子溶剂对抗病毒口服液中的对羟基苯甲酸甲酯进行萃取，萃取液以液相色谱-二极管阵列检测法进行检测，最终得到的检出限为0.32 μg/L。相对于传统有机溶剂而言，该萃取过程更加绿色高效。Moral 等［61］通过在样品溶液中加入癸酸和四丁基氯化铵生成超分子溶剂并进行萃取，萃取相直接采用液相色谱-荧光检测法进行分析，对环境水样中的3种苯并咪唑类杀菌剂进行了检测。王春等［62］以辛醇/四氢呋喃在水中形成的超分子溶剂作为萃取剂，对食品接触材料迁移溶液中的邻苯二甲酸酯类增塑剂进行分散液液微萃取，萃取液经甲醇稀释，以超高效液相色谱-串联质谱法进行检测，采用多反应监测模式进行定性及定量分析，最终得到检出限为0.1～1.0 μg/L，定量下限为0.5～2.0 μg/L。连显会等［63］以十二醇为萃取剂、四氢呋喃作为分散剂在水中自组装形成超分子溶剂，通过涡旋辅助超分子溶剂分散液液微萃取对化妆品中的10 种卡因类化合物进行萃取，并采用超高效液相色谱-差分离子淌度质谱（Differential mobility spectrometry-mass spectrometry，DMS-MS）进行检测。基于差分离子淌度质谱在异构体化合物分离以及降低基质效应等方面的优势，实现了使用色谱难以实现分离的同分异构体（苯佐卡因和三卡因）的淌度分离。高分辨质谱可在单次进样中同时进行定性和定量分析，具有高通量、高选择性和高灵敏度等优势，抗基体干扰能力强，适用于分析超分子溶剂萃取相。马麟等［16］以辛醇、四氢呋喃和水形成的超分子溶剂作为萃取剂，对纺织品中15 种有机磷酸酯类阻燃剂进行萃取，结合超高效液相色谱-四极杆/静电场轨道阱高分辨质谱检测方法，最终得到目标物的检出限为0.8～16 μg/kg。

3.2 气相色谱及气相色谱-质谱

气相色谱（Gas chromatography，GC）是一种对易挥发或通过衍生化后转化为易挥发性化合物的物质进行分离分析的方法。超分子溶剂由于具有低挥发性和粘性，直接进样可能会堵塞毛细管色谱柱，因此大多数情况下需要在分析之前除去，最常用的方法是将萃取至超分子溶剂中的目标物反萃取至兼容性溶剂中。Feizi 等［64］采用表面活性剂与丙醇形成的超分子溶剂，对水样中的3 种邻苯二甲酸酯类化合物进行萃取，萃取完成后，将超分子溶剂层取出转移至正己烷中进行反萃取，最后将正己烷相通过气相色谱-质谱进行检测，得到3 种目标物的检出限为0.01～0.02 μg/L。基于烷基醇的超分子溶剂具有较低的粘性及与气相色谱兼容的挥发性，Salamat等［65］采用基于辛醇的超分子溶剂对生物样品中的抗抑郁剂进行萃取，萃取完成后，直接通过气相色谱-质谱对超分子溶剂相进行检测。此外，还可利用超分子溶剂所具有的热稳定性，将超分子溶剂萃取相通过顶空气相色谱（Headspace gas chromatography，HS-GC）进行分析。Salatti-Dorado等［66］制备了一种低聚表面活性剂聚十一烯酸、四乙二醇二甲醚和水形成的具有高热稳定性的超分子溶剂，对多种固体药物制剂和液体制剂中的有机溶剂残留进行萃取，并用顶空气相色谱进行测定。

3.3 超临界流体色谱-质谱

超临界流体色谱（Supercritical fluid chromatography，SFC）是以超临界流体作为流动相来进行分离分析的色谱技术，兼具液相色谱和气相色谱的特点，既可分析气相色谱不适应的高沸点、低挥发性的样品，又呈现出比液相色谱更快的分析速度。Li等［67］合成了基于庚醇/四氢呋喃的超分子溶剂，对纺织品中的10种全氟化合物进行萃取，萃取相用甲醇稀释后，利用超临界流体色谱-质谱进行检测，检出限为0.2～1.6 μg/kg，实现了纺织品中全氟化合物的绿色样品前处理和分析检测。

3.4 原位电离质谱

原位电离质谱（Ambient ionization mass spectrometry，AIMS）具有样品用量少、溶剂消耗少、分析速度快等诸多优势。其中，纸喷雾（Paper spray，PS）以成本低廉的纸基为载体，将样品负载在三角形纸基上对其进行快速检测。de Oliveira 等［68］采用超分子溶剂分散液液微萃取和纸喷雾质谱相结合的方法，对尿样中的4 种三环抗抑郁剂进行检测。尿样通过癸酸/四氢呋喃合成的超分子溶剂进行萃取，萃取剂经甲醇稀释之后滴加在三角形纸基上进行快速纸喷雾质谱分析。在该方法中，超分子溶剂在样品净化方面起主要作用，而纸基也截留了可能引起离子抑制的基质成分，因此可得到较高的信噪比，方法检出限为5.2～8.6 μg/L，定量限为17.4～28.7 μg/L。

3.5 其他检测技术

超分子溶剂在对金属离子进行萃取方面也得到了广泛应用。由于存在的疏水中心是重要的结合位点，因此在对金属离子进行萃取时，形成稳定的螯合物是萃取的关键步骤。萃取完成后，可以通过多种分析手段对萃取相直接进行检测分析。Tuzen等［69］在样品溶液中加入偶氮玉红作为络合剂，并加入基于癸酸/四丁基氢氧化铵的超分子溶剂对溶液中的六价铬进行萃取，通过火焰原子吸收光谱（Flame atomic absorption spectrometry，FAAS）进行检测。此外，可以与超分子溶剂萃取相结合对金属离子进行分析的检测技术还包括电感耦合等离子体原子发射光谱法（Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry，ICP-AES）［70］、紫外-可见分光光度法（Ultraviolet and visible spectrophotometry，UVVis）［71］等。

4 总结与展望

超分子溶剂由于具有两亲物质含量高、可以对宽极性范围的溶质进行萃取、萃取富集分离条件温和等优势，被认为是环境样品、生物样品、农产品等多种基质中目标分析物的高效萃取剂，不仅可结合超声辅助萃取、涡旋辅助萃取等方式对目标化合物进行萃取，还可以作为中空纤维膜微萃取、单滴微萃取等前处理方式的萃取溶剂，适用于开发通用的样品前处理方法。近年来，对于超分子溶剂的形成机理，如自组装过程的研究逐渐深入，可以通过对形成超分子溶剂的两亲化合物结构进行修饰或对自组装环境进行调节，制备得到与目标分析物及萃取条件相适应的特定超分子溶剂，适用于对多种不同类型样品基质中的单一或多种目标分析物进行萃取。由于超分子溶剂的特有性质，萃取完成后的萃取相与检测技术的兼容性也成为一大研究难点。目前的常用手段是萃取完成后对超分子溶剂进行去除或用有机溶剂对超分子溶剂萃取相进行反萃取，但这些步骤增加了处理步骤，降低了分析效率。

近年来，关于超分子溶剂的理论研究和应用报道逐渐增多，为进一步扩展超分子溶剂的应用范围，发挥超分子溶剂的独特性质，相关研究应着眼于设计合成具有明确功能和用途的特异性超分子溶剂，从而实现对目标物的靶向萃取，提高目标物的萃取效率。此外，还应开发更多快速便捷、微型化的萃取相分离方法与检测技术进行联用，使超分子溶剂萃取这种简单快速、绿色高效的前处理方式可以应用于现场快速检测领域，进一步拓宽其应用场景。