综述：基于凝胶的电渗膜萃取技术的下一代绿色预浓缩技术

《Microbiology Resource Announcements》：Next-generation green preconcentration with gel-based electromembrane extraction

凝胶基电磁膜萃取（G-EME）通过水凝胶替代有机膜，利用电场驱动带电分析物迁移，解决传统方法溶剂消耗大、操作复杂等问题，并建立电渗流控制、膜厚度与溶剂配比优化等设计规则，提出检测器耦合策略（如HPLC-MS、离子色谱等）和标准化报告清单，推动环境、食品及临床分析中的绿色高效预浓缩技术发展。

　　近年来，随着分析化学对样品前处理技术的不断追求，一种新型的提取方法——基于凝胶的电膜萃取（Gel-based Electromembrane Extraction, G-EME）逐渐受到关注。这种方法通过将传统的自由有机膜替换为具有机械稳定性的凝胶介质，利用外加电场实现对带电分析物的富集与浓缩。G-EME在环境监测、食品安全分析和临床诊断等关键领域展现出显著的优势，尤其是在减少溶剂使用、提升提取效率和符合绿色化学原则方面。然而，尽管已有大量研究探讨了G-EME的应用，其在实际操作中的设计规范、检测系统耦合方式以及标准化报告体系仍存在一些亟待解决的问题。

G-EME的核心在于其独特的凝胶介质，该介质通常由琼脂糖、琼脂、 tragacanth、聚丙烯酰胺和壳聚糖等生物相容性材料构成。与传统电膜萃取（EME）所使用的有机溶剂浸润膜相比，凝胶介质不仅提供了更强的机械稳定性，还有效减少了溶剂的使用量。这种结构的改变使得G-EME能够在较低的溶剂消耗下实现较高的回收率和富集因子。此外，凝胶介质还具有良好的可控性，能够通过调节其化学成分和厚度，进一步优化分析物的迁移行为。这种灵活性为G-EME在不同应用场景下的适应性提供了可能。

G-EME的两种主要配置形式——常规配置和内部凝胶配置（Inside-gel Electromembrane Extraction, IG-EME）——分别代表了不同的操作理念和设计思路。在常规配置中，凝胶作为支撑膜相，位于两个独立的水相之间，即供体相和受体相。供体相通常是待分析的样品，而受体相则是用于收集目标分析物的溶液。电极被插入到各自的水相中，通过施加电势，使带电分析物从供体相迁移到受体相。这种方法在操作上较为直观，适合在实验室环境中进行初步探索和研究。

相比之下，内部凝胶配置则将供体相和受体相嵌入到同一凝胶介质中，电极被放置在凝胶内部的适当位置，使分析物的迁移发生在凝胶内部或沿其路径进行。这种配置方式消除了不同相之间的物理界面，使整个萃取区域更加紧凑和高效。内部凝胶配置的优势在于其操作的便捷性和对环境的友好性，因为它避免了传统方法中可能存在的复杂步骤和高溶剂消耗问题。然而，这种配置方式在实际应用中也面临一些挑战，例如如何在凝胶内部有效控制电迁移过程，以及如何确保分析物在迁移过程中的选择性和回收率。

在G-EME的实际应用中，凝胶的化学组成和厚度是影响萃取性能的重要因素。不同的凝胶材料具有不同的物理和化学特性，这些特性决定了其在电场作用下的表现。例如，琼脂糖和琼脂因其良好的热稳定性和生物相容性，常被用于构建G-EME的支撑膜相。而壳聚糖由于其天然来源和良好的吸附性能，也被广泛应用于G-EME中。凝胶的厚度则直接影响分析物的迁移路径和萃取效率。较厚的凝胶介质可能会降低分析物的迁移速度，但同时也能够提高萃取的稳定性。因此，在设计G-EME系统时，需要综合考虑凝胶的化学组成和厚度，以达到最佳的萃取效果。

除了凝胶的化学和物理特性，供体相和受体相的组成也是影响G-EME性能的关键因素。供体相通常含有待分析的样品，而受体相则用于收集目标分析物。在实际操作中，供体相和受体相的pH值、离子强度等参数需要进行优化，以确保分析物的有效迁移。例如，某些带电分析物在特定的pH条件下更容易通过凝胶介质迁移，而在其他条件下则可能受到阻碍。因此，在设计G-EME系统时，需要对这些参数进行系统性的研究和优化。

此外，外加电势的强度和电流密度也是影响G-EME性能的重要因素。较高的电势和电流密度可以加速分析物的迁移，但同时也可能对凝胶介质造成损害，影响其稳定性和使用寿命。因此，在实际应用中，需要找到一个平衡点，既能够保证分析物的有效迁移，又不会对凝胶介质造成过度的应力。这种平衡点的确定通常需要通过实验进行验证和优化。

在检测系统耦合方面，G-EME与多种分析技术相结合，如高效液相色谱（HPLC）、离子色谱（IC）、紫外-可见光谱（UV–Vis）、电化学检测和比色/微流控芯片检测（μPAD）。这些检测技术的选择和组合方式直接影响G-EME的实际应用效果。例如，HPLC–UV/MS结合可以提供高灵敏度和高选择性的检测，而离子色谱则适用于检测离子型分析物。因此，在设计G-EME系统时，需要根据目标分析物的性质和检测需求，选择合适的检测技术进行耦合。

然而，尽管G-EME在检测系统耦合方面具有较大的灵活性，其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何将富集因子（Enrichment Factor, EF）和预浓缩因子（Preconcentration Factor, PF）转化为实际的检测限（Limit of Detection, LOD），以及如何确保不同检测技术之间的兼容性和一致性。因此，在设计G-EME系统时，需要对这些因素进行系统性的研究和优化，以提高其在实际应用中的可靠性和有效性。

为了提高G-EME的可比性和可重复性，需要建立一套标准化的报告体系。这一体系应包括凝胶的化学组成和厚度、电流密度、EF/PF的定义以及电迁移过程的证据。通过建立这样的报告体系，可以确保不同研究团队在使用G-EME时能够遵循统一的标准，从而提高其在实际应用中的可比性和可重复性。此外，还需要制定一套简明的报告清单，以便于研究人员在使用G-EME时能够系统地记录和报告相关数据。

在未来的应用和发展中，G-EME需要进一步优化其设计和操作流程，以提高其在不同应用场景下的适应性和可靠性。例如，开发功能化和带电凝胶，以增强其对特定分析物的吸附和迁移能力；实现并行化格式，以提高其在大规模样品处理中的效率；以及实现便携式集成，以提高其在现场检测中的适用性。这些改进将有助于提高G-EME在环境、食品、制药和临床分析中的实用性，使其成为一种更加稳健、便携和可持续的分析方法。

总的来说，G-EME作为一种新型的提取和预浓缩技术，具有显著的优势和广阔的应用前景。然而，为了充分发挥其潜力，还需要在设计规范、检测系统耦合和标准化报告体系等方面进行进一步的研究和优化。通过这些努力，G-EME有望从传统的定制化设置转向更加可靠、环保和标准化的常规操作流程，为分析化学和生物分析领域提供新的解决方案。