1 引言：農殘分析中的脂肪酸清除利器

在農藥殘留分析的樣品前處理中，脂肪酸是造成基質效應的主要“元兇"之一。這些存在于蔬菜、水果、谷物等樣品中的游離脂肪酸，會在氣相色譜-質譜（GC-MS）分析中引起保留時間漂移、信號抑制或增強，嚴重干擾農藥的準確定量。如何高效、選擇性地去除脂肪酸，成為農殘檢測方法開發的核心挑戰。

PSA（Primary Secondary Amine，N-丙基乙二胺）固相萃取柱正是在這一需求背景下脫穎而出的解決方案。它與NH2柱同屬氨基類吸附劑，卻因多了一個二級氨基而擁有更大的離子交換容量和獨特的金屬絡合能力。從QuEChERS方法的分散固相萃取，到傳統柱式SPE凈化，PSA以其卓越的脂肪酸去除能力，成為農殘分析實驗室不可或缺的前處理工具。

2 PSA固相萃取柱的物理化學基礎

2.1 填料結構與多重保留機制

PSA固相萃取柱的核心在于其乙二胺基-N-丙基鍵合相。它以高純硅膠為基質，通過硅烷化反應在硅膠表面鍵合含有兩個氨基的丙基鏈（-Si-(CH?)?-NH-CH?-CH?-NH?），形成具有多重作用機理的吸附材料。

與NH2（氨丙基）相比，PSA多了一個二級氨基，這帶來了三個關鍵優勢：一是離子交換容量顯著增大（PSA兩個氨基的pKa值分別為10.1和10.9，而NH2只有一個pKa 9.8的氨基）；二是能夠通過氫鍵更有效地萃取極性化合物；三是可與金屬離子形成螯合物，實現金屬離子的選擇性保留。

表：PSA固相萃取柱典型填料參數

2.2 PSA的多重角色：從陰離子交換到金屬絡合

PSA的獨特之處在于其能夠在不同環境下展現出不同的保留機理，實現“一柱多用"：

弱陰離子交換作用（水相環境）：當在水相或高極性溶劑體系中使用時，PSA的兩個氨基在酸性條件下質子化帶正電，可選擇性保留帶負電的酸性化合物——這正是其去除脂肪酸的核心機理。脂肪酸（如油酸、棕櫚酸、亞油酸）的羧基在適當pH條件下解離為羧酸根陰離子，與質子化的PSA發生強離子交換作用而被保留。

正相極性作用（非極性有機溶劑環境）：在正己烷、乙酸乙酯等非極性溶劑中，PSA的氨基作為極性位點，可與含有-OH、-NH、-SH等官能團的極性化合物形成氫鍵，實現極性相互作用。這一特性使其能夠去除樣品中的極性色素、糖類、酚類等干擾物。

金屬絡合作用：PSA的雙氨基結構使其可作為螯合配體，與某些金屬離子形成穩定的絡合物。這一特性在金屬離子提取和某些特殊應用中具有獨特價值。

2.3 PSA與NH2的對比：何以PSA更優？

PSA與NH2是氨基類固相萃取柱中最常被比較的一對“孿生兄弟"。兩者的核心差異如下：

簡而言之：當NH2只能提供一種氨基的相互作用時，PSA憑借其雙氨基結構在離子交換容量、脂肪酸去除效率和金屬離子提取方面全面勝出。在農殘分析中，PSA已成為脂肪酸凈化的“黃金標準"。

3 標準化操作流程與條件優化

3.1 柱式SPE操作程序

PSA固相萃取柱的經典操作方法因應用場景而異。以下是基于國家標準方法的典型凈化流程：

以GB 23200.68-2016中啶酰菌胺殘留量測定為例：

1.       活化/預淋洗：向PSA柱中加入5 mL丙酮-正己烷混合溶液（比例依標準規定），預淋洗小柱，棄去流出液。

2.       上樣：將經過液/液分配預凈化的樣品提取液傾入柱中。

3.       洗脫：用10 mL丙酮-正己烷混合溶液洗脫，控制流速小于2 mL/min。

4.       濃縮：收集全部洗脫液，于40℃水浴中濃縮至近干，氮氣吹干。

5.       復溶：用丙酮-正己烷溶解并定容至1.0 mL，供GC-MS測定。

3.2 QuEChERS方法中的分散SPE應用

在QuEChERS（快速、簡便、經濟、高效、耐用、安全）方法中，PSA以分散固相萃取（d-SPE）的形式使用，這是其在農殘分析中最廣泛的應用模式之一：

·         操作方式：將PSA吸附劑粉末直接加入樣品提取液中，振蕩、離心后取上清液進樣分析

·         作用原理：PSA顆粒分散于溶液中，與基質干擾物充分接觸，通過離子交換作用吸附脂肪酸、有機酸等

·         用量選擇：通常為25-150 mg PSA/6 mL提取液，具體用量需根據樣品基質類型優化

研究證實，柱式SPE與分散SPE均可有效減少基質效應，但柱式SPE在回收率方面通常表現更優。

3.3 方法開發的關鍵參數

溶劑選擇：PSA主要在非極性有機溶劑體系中發揮作用。典型溶劑包括正己烷、乙酸乙酯、乙腈、丙酮等。需注意的是，應避免使用含羰基的化合物（如丙酮、乙酸乙酯）作為長期儲存溶劑或高比例流動相，以防發生希夫縮合反應。

pH控制：在反相模式下，流動相pH值應控制在3.0-7.0范圍內，避免鍵合相水解；反相流動相中水的比例不應超過40%。

活化與保存：PSA柱若保存在正相溶劑中，在反相模式使用前需用異丙醇過渡（因異丙醇粘度大，建議小流速操作），再逐步轉換為甲醇或乙腈。短期保存可用甲醇或乙腈，長期保存需用異丙醇置換后保存在正己烷中。

流速控制：在柱式SPE凈化中，上樣和洗脫階段應控制流速在1-2 mL/min以內，以保證充分的傳質效率。

4 主流應用領域與方法驗證

4.1 食品中農藥多殘留檢測

PSA柱最核心的應用領域是農藥多殘留分析中的樣品凈化，特別是去除脂肪酸等干擾物。

蔬菜水果中的氨基甲酸酯類農藥：NY/T 1434-2007標準明確采用PSA柱作為蔬菜中2,4-D等13種除草劑多殘留測定的凈化柱。在韭菜等高色素、高脂肪酸蔬菜的檢測中，PSA柱對脂肪酸的去除效果尤為顯著。

谷物及加工食品中的農藥殘留：針對燕麥粉等高脂肪酸樣品的研究表明，PSA柱能夠有效去除游離脂肪酸，顯著改善GC-MS分析中農藥的識別能力，減少因保留時間漂移和離子重疊造成的假陰性結果。與凝膠滲透色譜（GPC）等傳統凈化方法相比，PSA柱凈化更快速、溶劑消耗更少。

86種農藥的方法學驗證：一項發表于Journal of Chromatography A的系統研究評估了PSA柱對86種非極性至中等極性農藥的回收率表現。結果顯示，除個別化合物（如乙酰甲胺磷）外，PSA柱對絕大多數農藥均提供了滿意的回收率和洗脫曲線。

4.2 復合柱應用：GCB/PSA與Silica/PSA

在復雜基質的樣品凈化中，PSA常與石墨化碳黑（GCB）或硅膠組成雙層復合柱，實現多種干擾物的協同去除。

GCB/PSA復合柱：GCB層利用石墨化碳的六元環結構吸附色素（葉綠素、類胡蘿卜素等）和甾醇，PSA層則去除脂肪酸、有機酸等極性干擾物。這種復合設計在高色素樣品（如菠菜、韭菜、茶葉）的農藥多殘留分析中應用廣泛。GCB層的典型參數為：比表面積100 m2/g，粒徑100-300目；PSA層參數為：碳含量8%，比表面積500 m2/g，粒徑40-75 μm。

Silica/PSA復合柱：Silica層提供極性相互作用，PSA層提供弱陰離子交換和正相保留作用。這種組合在鄰苯二甲酸酯（塑化劑）等特定化合物的分析中有應用。

4.3 其他典型應用

生物樣品分析：PSA柱可用于體液（血液、尿液）中鎮靜類藥物、堿性/中性藥物的檢測。通過去除生物基質中的脂肪酸、蛋白質等干擾物，提高LC-MS/MS分析的靈敏度與準確性。

金屬離子提取：利用PSA雙氨基的螯合作用，可與某些金屬離子形成絡合物，實現選擇性分離。

結構異構體分離：利用極性差異，PSA柱可用于分離結構相似的化合物。

表：PSA固相萃取柱典型應用方法匯總

5 PSA的技術定位：在SPE產品譜系中的選擇策略

5.1 脂肪酸去除能力的科學驗證

脂肪酸是造成GC-MS分析中基質效應的主要貢獻者。研究證實，PSA柱能夠強效保留乙酸乙酯-環己烷溶液中的游離脂肪酸，顯著減少保留時間漂移、信號抑制和信號增強等基質效應。

在七種不同固相萃取柱的對比研究中，僅有Varian PSA和Silicycle SiliaPrep Diamine（SPD）兩種吸附劑在脂肪酸去除效率、農藥回收率和洗脫曲線三個維度上均表現優異。這表明，雖然市場上有多種固相萃取產品可供選擇，但在脂肪酸去除這一特定任務上，PSA具有不可替代的地位。

5.2 PSA與NH2的選擇決策

雖然PSA與NH2在功能上有重疊，但以下場景更推薦使用PSA：

1.       脂肪酸含量高的樣品：如油脂、谷物、干制蔬菜等，PSA因更大的離子交換容量而對脂肪酸去除更徹底

2.       需要去除金屬離子干擾：PSA的雙氨基結構可螯合金屬離子，NH2不具備此功能

3.       QuEChERS方法中的分散SPE凈化：PSA是QuEChERS方法的經典選擇

4.       需要更強凈化能力：當NH2凈化效果不足時，可嘗試PSA

相反，當目標是簡單的正相分離（如糖類分析）或成本控制優先時，NH2可能是更經濟的選擇。

5.3 PSA與混合模式吸附劑的選擇

當需要同時去除色素和脂肪酸時，GCB/PSA復合柱是優于單層PSA柱的選擇。GCB層專門負責色素去除，PSA層負責脂肪酸和有機酸去除，兩者協同作用，提供更全面的凈化效果。

當處理含有大量酸性干擾物的樣品時，SAX/PSA混合柱可提供更強的陰離子交換能力。上層SAX吸附酸性物質，下層PSA去除脂肪酸和有機酸。

6 技術局限與發展趨勢

6.1 當前面臨的技術挑戰

PSA固相萃取柱作為硅膠基質產品，與NH2一樣面臨pH耐受范圍窄（2-8）的固有局限，在強酸或強堿條件下填料易水解。其次，其正相模式需要在非極性溶劑體系中使用，對某些極性目標物的回收率可能不理想。此外，應避免使用含羰基的化合物（如丙酮、乙酸乙酯）作為高比例流動相或長期儲存溶劑，以防發生希夫縮合反應。

6.2 技術演進方向

復合柱設計的持續優化：GCB/PSA、SAX/PSA、Silica/PSA等復合柱產品不斷涌現，針對特定基質和應用進行了定制化設計。未來可能出現更多針對特定樣品類型（如茶葉、油脂、深色蔬菜）的專用復合柱產品。

自動化與高通量：隨著自動固相萃取儀的普及，PSA柱的操作正從手工向自動化轉變。標準化的操作方法和質量控制指標有助于提高方法的重現性和實驗室間可比性。

QuEChERS方法的持續演進：作為QuEChERS方法的核心吸附劑之一，PSA的使用方式正朝著更高效、更環保的方向發展。預混合PSA/無水硫酸鎂/GCB等即用型管的產品化，進一步簡化了操作流程。

7 結語

PSA固相萃取柱以其乙二胺基-N-丙基鍵合相為核心，通過弱陰離子交換、正相極性作用和金屬絡合三重機制，成為農殘分析中脂肪酸去除的“黃金標準"。與NH2柱相比，PSA的兩個氨基提供了更大的離子交換容量和更廣的適用性，在脂肪酸、有機酸、金屬離子等干擾物的去除方面表現卓越。

從GCB/PSA復合柱的高色素樣品凈化，到QuEChERS方法中的分散SPE應用，再到國家標準方法的明確規定，PSA柱在食品安全的廣袤舞臺上演繹著不可替代的角色。在農殘檢測靈敏度要求日益提高的今天，理解PSA的多重保留機理、掌握其操作關鍵參數、根據樣品基質合理選擇使用方式，是獲得高質量分析結果的前提。面對未來，PSA技術將繼續在自動化、復合化、綠色化的道路上前行，為分析化學家提供更可靠、更便捷的樣品前處理解決方案。