第六节　膜萃取技术

一、膜和膜分离过程的分类

（一）膜的定义

由于存在许多类型的膜和膜分离过程，很难给膜下一个明确的定义。一般来说，膜可以定义为“两相间的选择性屏障”。当向膜施加一种驱动力时，物质即可从一相（给体，donor）传输至另一相（受体，acceptor），这种传输被称作通量。当某种物质的传输大于其他物质时即可达到分离的目的。

（二）膜和膜分离过程的分类

膜分离应用于很多领域，对膜的分类也有很多种，这里仅介绍根据膜结构和膜分离机制的两种分类方法。

根据膜结构不同可将膜分为多孔膜和非孔膜两类。多孔膜是基于体积排斥（size-exclusion）原理进行分离的，即足够小的分子能透过膜，大分子则无法透过膜，从而达到分离的目的。非孔膜则是一类由液体或聚合物薄膜组成的完全不同的膜，被分离的分子必须能溶解于膜中才能透过该膜。为此，化合物在溶液本体相和膜相间的分配系数是一个重要参数，对物质在膜中的传输起着十分重要的作用。非孔膜可被认为是一种选择性膜，只有那些容易从给体相萃取至膜相，且又容易从膜相反萃取至受体相的化合物才容易传输通过膜。化合物的分离也是基于液液萃取和反萃取的原理，即使大小相同的分子只要具有不同的物理化学性质就能被有效分离。离子交换膜是一个特例，这种膜是在聚合物膜上共价键合有带正电荷或负电荷的官能团，其分离不仅与分子体积有关，而且与分子的电荷有关，与膜带相同电荷的分子将被排斥。

根据膜分离过程的驱动力的不同，膜分离过程分为以下四类，即分别以压差、浓度差、电势差和温度差为驱动力的分离过程。压力推动的膜分离过程可分为过滤、微滤、超滤；以浓度差为推动力的膜分离过程有渗析、渗透和膜萃取；以电势差为驱动力的膜分离过程有电渗析和电渗透。以温度差为驱动力的膜分离过程有膜蒸发、渗透气化。通常，在一种膜分离过程中有一个以上的驱动力起作用，但其中只有一种驱动力起主要作用。

二、样品处理中的膜分离过程

用于样品前处理的膜分离过程主要有渗析、电渗析、过滤和膜萃取等。

（一）渗析

渗析是溶质在浓度梯度的作用下，得以分离的膜过程。在渗析中，膜可用于从相对分子质量高的基体中分离相对分子质量低的分析物，从而实现样品的有效净化，但对不同的小分子物质无法分辨。膜渗析广泛应用于生物化学的蛋白质浓缩中。

渗析单元由带沟槽的惰性材料块（如聚四氟乙烯）和渗析膜组成。渗析膜被固定夹在两块带沟槽的惰性材料块之间，形成给体和受体两个液流通道。当样品被引入给体通道时，大小合适的溶质分子在浓度梯度的作用下，扩散通过膜而进入受体通道中，受体通道与液相色谱系统在线连接。

在膜渗析中，单位时间内透过膜的溶质分子数（通量）与膜的面积和厚度、溶质的浓度梯度和扩散系数等因素有关。而扩散系数又由样品的黏度、温度、膜的孔径大小等因素决定。为了获得高的通量，即溶质的回收率，必须对这些影响因素进行优化。

（二）电渗析

在电渗析中，将阴、阳电极分别置于分离膜的两侧施加电压，带电的溶质即透过分离膜向阳极或阴极迁移。分析物的分离不仅与分子体积有关，而且还与其所带电荷有关。对于弱酸、弱碱化合物，还可通过调节pH提高选择性，达到分离富集的目的。电渗析所用的膜可以是普通的纤维素膜或离子交换膜。为了防止被分离物在电极附近电解，可以用离子交换膜将电极包裹。

电渗析的影响因素较多，除了影响膜渗析的因素外，其他参数如所施加的电压、样品流速、样品的离子强度和pH等也影响分离富集效率。对标准的纤维素膜而言，所施加的电压一般应小于10V，高于10V会因为焦耳热使膜受损害。

电渗析可与色谱或毛细管电泳在线联用，用于血清、食品发酵液和环境样品的前处理，如对地表水和地下水中的一些酸、碱化合物测定。

（三）过滤

膜过滤是将样品置于膜的一侧，并施加压力使大小合适的溶质分子以及溶剂通过膜孔过滤到膜的另一侧。当进行离线操作时，膜过滤的驱动力可通过真空或离心来实现。在线操作中，用泵将样品泵入膜过滤器的给体通道，并在其出口端施加压力，使样品通过膜而进入受体通道中。

膜过滤中，影响体积通量的因素主要有施加的压力、样品黏度以及影响膜阻力的一些参数如面积、厚度和孔径等。

（四）膜萃取

膜萃取是膜过程与液-液萃取过程相结合的一种新的分离技术，膜萃取过程中，萃取剂和料液分别在两侧流动，其传质过程是在分隔料液相和萃取相的膜表面进行的。其萃取过程与常规萃取过程中的传质/反萃取过程十分相似，因此又称为微孔膜液液萃取。由于其传质是在有机溶剂和水溶液相接触的固定界面层上完成的，故又被称为固定界面层膜萃取，简称膜基溶剂萃取或膜萃取。膜萃取由于没有普通溶剂萃取过程中的相分散和聚结问题，不形成直接接触的液液两相流动，既减少了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。此外，由于料液和萃取溶剂在膜两侧流动，两相并不直接接触，所以对选择萃取剂的物性要求可以大大放宽，且不会受到“反混”的影响和“液泛”的条件限制。由于膜装体积小，用较少的溶剂既可获得较高的富集率，得到的萃取液可直接转移到检测仪器中，如与气相色谱、高效液相色谱、毛细管电泳、质谱仪等联用。膜萃取技术具有富集倍数高、净化效率高、有机溶剂用量少、选择性高、成本低等优点，因此在分离提纯方面显示了独特的优势，可广泛应用于样品处理过程中。膜萃取主要有支持液体膜萃取（SLM）、连续流动液膜萃取（CFLME）和微孔膜液液萃取（MMLLE）等几种模式。

三、支持液体膜萃取

（一）支持液体膜萃取原理

支持液体膜（supported liquid membrane，SLM）萃取是将多孔高分子固体膜（如聚四氟乙烯膜）浸在有机溶剂中，使有机溶剂充满膜的空隙形成液膜，再将液膜置于料液和萃取液之间，此两相一般均为水相，从而形成水相-有机相-水相的三相系统，料液又叫给体（donor），萃取液又叫受体（acceptor）。样品与适当试剂在给体相中混合，使待萃取物转换为中性分子并萃取入有机膜相，然后再穿过有机膜相，扩散进入受体相。待萃取物在受体相内被转换为非离子态化合物，以阻止其返回有机膜相。保持吸收液静止而样品等液流流动时，即可达到萃取富集的目的。

装置如图6-3，将憎水性膜（通常为聚四氟乙烯膜）夹在两片惰性材料（聚四氟乙烯）中间，材料与膜的接触面有沟槽，称给体槽和受体槽，根据槽的体积不同可做成螺旋形和直线型，一般应用的槽体积在1.0～1000μl之间。

图6-4为萃取碱性化合物（胺）为例的SLM萃取示意图，可以用强酸溶液为萃取液。

首先加碱调节样品溶液的pH使胺不能电离。未电离的中性胺分子可被萃取进有机膜相，在受体相一侧与强酸作用，电离成不溶于膜相的离子，因此受体相的中性胺浓度接近于零，使膜相两侧始终保持最大浓度差，促进胺的迁移，直到强酸全部反应完，当受体相保持静止且其中强酸足够多，连续不断的样品流入给体槽时，样品可以得到高达几百倍、几千倍的富集倍数。

在这个富集过程中，样品中的酸性化合物因在碱性条件下发生电离，不能进入有机膜，同样带有电荷的其他杂质也不能够被萃取，而中性化合物虽然能通过有机膜，但最终在膜两侧达到平衡，不会被富集。

（二）影响萃取的因素

1.溶液的组成和酸度

给体溶液和受体溶液的组成和酸度是影响富集效率的关键因素。主要是通过调节样品pH使目标分子转化为可萃取形式，而通过调节受体相pH使目标分子离解进入受体相。对于碱性分析物的萃取，受体的最佳pH要低于分析物pK_a值3.3个单位，而给体溶液pH要高于分析物pK_a值3.3个单位，当受体的缓冲容量较低时，随着萃取的进行，酸性受体相pH会升高，导致目标物的萃取不完全。对于酸性化合物的萃取，两相的酸度条件与之相反。在实际样品分析时，由于环境样品成分复杂，包括很多干扰离子，其中与待分析物具有同样电荷和性质的离子会与萃取载体发生竞争性反应，使目标物萃取率下降。另外样品溶液中的离子强度对萃取也有一定影响，向给体溶液中加入盐（如NaCl）可以增大其离子强度，提高分析物在有机相的分配系数，从而提高富集效率和富集倍数，而且还可以防止系统中乳状液的生成。

2.样品的流速

对于固定长宽的萃取槽，萃取效率随样品体积流速增大而降低，而富集倍数则随样品体积流速增大而增大，因此在低流速下可以得到最有效的萃取。理论上，当样品流速接近于零时，萃取效率接近100%，但考虑到分析时间问题，通常在给定的萃取时间内，倾向于获得较大的富集倍数而不是富集效率。而且样品的流速通常受样品体积的制约，当样品体积很小时（尤其是生物样品），常采用低流速，相反，大体积样品（如环境样品）常采用高流速。

3.有机溶剂的种类

用作液膜的有机溶剂是影响萃取效率和富集倍数的主要因素，有机溶剂应选用非极性、低挥发性、低黏度的有机溶剂，这样可以避免液膜的挥发和流失，增加液膜的稳定性。现在常用的有机溶剂有正十一烷、二正己基醚、三正辛基磷酸酯。

4.支持体的种类膜材料

应选用对有机溶剂浸润性强的惰性膜材料，常用聚四氟乙烯膜，一般膜孔径小，孔率大，富集倍数大。如当孔径达3.0μm时，膜两侧溶液会发生渗漏，孔径为0.2μm时富集效果最好。

5.温度

提高萃取温度，液膜黏度变小，扩散速度变快，平衡时间变短，有利于萃取效率的提高。但温度升高，分配系数变小，液膜挥发速度加快，对维持液膜的稳定性不利。一般常温下操作即可保持较好的萃取效率。

（三）支持液膜萃取在样品处理中的应用

1.氨基酸类的萃取

氨基酸类物质一般通过有机液膜中的离子型载体进行萃取。Wieczorek P等在有机液膜三-2-乙基己基磷酸酯（TEHP）中加入载体二-2-乙基己基磷酸酯（DEHPA）对氨基酸，可萃取色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。载体对氨基酸的传输过程可用下式表示：

其中A+为氨基酸离子，（HR）₂为DEHPA。萃取时，氨基酸分子首先在pH=3.0的样品溶液中形成正离子，在液膜界面上与载体复合形成中性分子AR（HR）₃和H+，中性分子通过液膜进入受体相，在受体相一侧，高浓度的H+取代氨基酸离子，A+进入受体相，载体释放出来又重新回到给体相界面进行循环传输，如图6-5。以1mmol/L HCl为受体，萃取0.01nmol/L分析物，萃取效率达60%，富集倍数达150倍。

2.金属离子的萃取

金属离子的萃取原理与氨基酸萃取原理相似，在液膜中加入离子对试剂或螯合试剂作为载体，实现传输富集作用。Diane等在煤油液膜中，以DEHPA为载体对河水中的Cu2+、Cd2+、Pb2+进行富集，萃取效率为80%～95%，检测限分别达0.19μg/L、0.024μg/L、0.09μg/L。

3.除草剂的萃取

磺酰脲类除草剂为弱酸性化合物，可将样品溶液酸化，进行SLM萃取，Nilvé G等用H₂SO₄酸化磺酰脲类除草剂样品，用pH为8.5的磷酸缓冲盐为受体相，以正十一烷与二正己基醚（1∶1）混合液为有机膜相，采用螺旋形萃取装置，萃取液经过C₁₈预柱富集后转移至分析柱检测，该方法的结果与直接固相萃取的测定结果进行比较，发现SLM方法萃取后的色谱图杂峰明显少于用固相萃取所得的色谱图，因此降低了检测限，可达0.05～0.10μg/L，而用固相萃取方法得到的检测限为1.00μg/L左右。

4.有机弱碱的萃取

已有文献以正十一烷为有机液膜对环境水样和尿样中的苯胺及其衍生物进行SLM萃取，并与液相色谱联用进行在线测定，当样品的体积较大（大于或等于1ml）时，常将样品溶液先转移到一预柱上，再转入分析柱进行分离测定，相当于分析物在预柱上进行再一次的富集，检出限可达0.005～0.015μg/L。

四、连续流动液膜萃取

SLM萃取作为一种新的样品预处理技术已经应用于很多领域，在环境及生物样品中的有机及无机污染物、药物等的富集中得到广泛的应用。但该方法用作液膜的有机溶剂必须具备不溶于水、难挥发、黏度小等条件，仅能使用十分有限的几种有机溶剂作为液膜且存在液膜被穿透的风险，比较常用的有机溶剂为二正己基醚、正十一烷、三正辛基磷酸酯。使用这些溶剂分离富集极性化合物，因溶解度小，往往效率很低。例如，当使用弱极性溶剂如二正己基醚时，液膜寿命非常短，仅数小时。因此出现了一种针对克服这种缺点的膜萃取方法——连续流动液膜萃取技术（continuous flow liquid membrane extraction，CFLME）。

（一）基本原理

CFLME萃取是建立在连续流动液液萃取（CFLLE）和SLM萃取基础上的一种新的液膜萃取模式，即在SLM萃取前进行连续流动液液萃取步骤，它综合了CFLLE和SLM的优点，克服了二者的缺点。在CFLME体系中，作为液膜的有机溶剂由微量泵连续输入系统，在流动液膜体系中，流失于给体相或受体相中的膜液可被随时补充到微孔中，液膜的稳定性得到了增强。理论上，所有适用于液液萃取的有机溶剂都可以使用，从而大大拓宽了液膜的选择范围，而且还避免了使用大量有机溶剂。图6-6是连续流动液膜萃取流路示意图，CFLME包含以下三个步骤：①将样品S以一定的流速（2.0～3.0ml/min）而有机相以极小的流速（一般0.05ml/min）泵入萃取系统的给体通道中，进行连续流动液液萃取使分析物萃入有机相；②给体流入SLM萃取装置后，有机相在聚四氟乙烯膜表面形成有机溶剂液膜；③分析物透过液膜被反萃取并捕集于另一侧的受体溶液A中。

CFLME主要有以下优点：①由于有机溶剂在系统中连续流动，液膜连续更新、长期稳定。理论上讲，只要与水不互溶的有机溶剂都可使用，从而大大拓宽了有机溶剂的选择范围，扩展了流动式支载液体膜萃取技术的应用范围。②由于可使用极性、挥发性有机溶剂，从而大大提高极性化合物的萃取效率。③由于设计了一个聚四氟乙烯萃取盘管，可使大部分目标物预先萃取到有机相中，提高了萃取富集效率。

（二）影响因素

影响CFLLE的一些因素，如萃取盘管的内径和长度、样品流速、有机溶剂的流速等，对连续流动液膜萃取有重要的影响。①萃取盘管：当SLM沟槽长度较短时，萃取效率随萃取盘管长度的增加而增加直至恒定；②样品流速：样品流速增加可以提高单位时间的富集倍数，但会使系统不稳定，因此样品流速不宜过大，一般为2.0～3.0ml/min；③有机溶剂的流速：有机溶剂流速的增加导致富集倍数降低，当达到0.20ml/min时，仅为0.05ml/min时富集效率的一半；④有机溶剂的选择：根据相似相溶的原理，采用极性大的有机溶剂有利于提高极性物质的富集速率。

（三）应用

可用于环境样品的预处理中，获得更高的富集效率。例如，可用CFLME萃取水中甲磺隆和胺苯磺隆等磺酰脲类除草剂。刘景富等报道为测定地表水中ng/L级的5种磺酰脲类除草剂，建立了CFLME-C18预柱-高效液相色谱在线联用系统。磺酰脲类除草剂先经CFLME后被萃入960μl缓冲溶液（受体）中，再经在线中和后转移至C18预柱进行第二次富集，最后经C18分析柱分离测定。样品经过60分钟的富集后，可达到5～50ng/L的检测限。在50～100ng/L加标水平下，5种磺酰脲类除草剂在地表水中的回收率为86.6%～117%。与柱切换及固相萃取的对比研究表明，经CFLME富集后，样品的基体峰明显减小，即样品比较“干净”，不须进一步处理就可以获得较低的检测限。该方法的检测限比用C18固相萃取柱富集——高效液相色谱测定时低200倍，为这类污染物的监测和环境毒理研究提供了高选择性、灵敏和廉价的测定方法。

五、微孔膜液液萃取

SLM主要应用于极性化合物如有机酸和碱、带电化合物及金属离子。因低极性或非极性化合物在有机溶剂中的分配并不高，因此用SLM和CFMLE萃取效率并不理想。所以对于憎水性强的化合物，如有机氯农药（OCPs）、多氯联苯（PCBs）和多环芳烃（PAH）等，应选用由水相和有机相两相组成的微孔膜液液萃取（microporous membrane liquid-liquid extraction，MMLLE）体系。

（一）原理

MMLLE的装置与SLM相同，所用的膜也相同，不同的是其为两相系统。即在多孔的憎水性膜（如聚四氟乙烯膜）的两边分别为样品和有机溶剂通道。有机溶剂同时存在于多孔憎水性膜和有机溶剂通道内，待萃取物穿过吸附有有机溶剂的多孔憎水性膜，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。

（二）影响因素

MMLLE的影响因素包括微孔膜材质、厚度、孔径和孔率，受体有机相的性质和流速，给体相的pH和流速等。一般来说，应尽可能选用溶质在其中分配系数大的有机溶剂，调整样品溶液的pH使目标化合物转化为可萃取形式，当样品量足够时，选用尽可能大的流速以获得大的萃取效率。

（三）应用

由于MMLLE中，受体相是有机溶剂，因此特别适合与气相色谱和正相液相色谱联用。如果分配系数比较大，保持受体相静止，将分析物萃取至体积较小的有机溶剂中可获得较高的富集倍数；还可以低流速连续将萃取后的受体相转移至预柱，使分析物保持较高的过膜速率，提高富集效率。

Núria Fontanals等利用中空纤维进行多孔膜液液萃取，测定了环境水样中痕量的溴系阻燃剂-多溴联苯醚，将充满正十一烷的中空纤维膜中浸入含有ng/L级目标分析物的水溶液中，搅拌萃取60分钟，富集倍数可达5200倍，自来水、河水及垃圾渗滤液中多溴联苯醚的回收率为85%～110%，检测限低于1.1ng/L。

T.Hyötyläinen等建立了MMLLE-GC联用在线检测葡萄酒中十几种杀虫剂的方法，MMLLE与GC联用进行样品预处理，提供了高的选择性和富集效率，在几种不同产地的红酒中得到了很好的应用，使用FID检测器所有杀虫剂的检测限为0.05～2.30μg/L，而使用MS检测器，检测限可降至0.03～0.40μg/L。

（宋秀玲）