楊翠, 張永峰, 任春燕, 李秀花, 李東浩

(長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延邊大學(xué)),吉林延吉133002)

氣流式吹掃液相微萃取

楊翠, 張永峰, 任春燕, 李秀花, 李東浩＊

(長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延邊大學(xué)),吉林延吉133002)

在現(xiàn)代分析技術(shù)開發(fā)中,簡便、快速并且環(huán)境友好的樣品前處理技術(shù)受到科技工作者的廣泛關(guān)注.目前,分析技術(shù)的發(fā)展趨向于多步驟的一體化、多技術(shù)的聯(lián)用和集成化、自動化、在線化等等.氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)具備了快速、操作簡單、完全萃取、使用少量樣品和有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn),可完成揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的同時萃取,實(shí)現(xiàn)了萃取和精制的一體化.本文探討了氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)、發(fā)展過程和應(yīng)用前景.

吹掃;微萃取;樣品前處理;色譜分析;一體化

0 引言

樣品分析的整個過程,特別是復(fù)雜樣品分析過程基本可分為兩大類:樣品前處理和儀器分析[1].近十年儀器分析技術(shù)得到迅速發(fā)展,已經(jīng)達(dá)到了一體化(如進(jìn)樣、分離、檢測、數(shù)據(jù)處理等)、自動化、多技術(shù)的聯(lián)用化、在線化、快速化等現(xiàn)代分析技術(shù)要求.然而對復(fù)雜樣品分析而言,因?yàn)闃悠非疤幚砑夹g(shù)中存在許多問題,影響了現(xiàn)代分析儀器功能的發(fā)揮.為了完成復(fù)雜樣品的快速處理,多步驟的一體化、多技術(shù)的聯(lián)用和集成化、自動化、在線化的樣品前處理技術(shù)受到國內(nèi)外研究者們的高度重視[2].

基于液液萃取原理,1996年,Jeannot等[3]利用懸掛于微注射器針尖上的一滴有機(jī)溶劑,開發(fā)了液相微萃取技術(shù)(LPME).這種技術(shù)僅利用幾微升溶劑即可完成樣品的萃取、精制、濃縮等多步驟的一體化.同時,LPME可與 GC-MS、LC-MS/

UV和CE-MS/UV等分離檢測技術(shù)聯(lián)用.LPME技術(shù)可分類為浸入式液相微萃取(D I-LPME)和頂空式液相微萃取(HS-LPME),其中 HS-LPME技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境[4]、生物[5]、食品[6]等各個領(lǐng)域.為提高 HS-LPME的富集率,一系列的微萃取技術(shù)被開發(fā),如中空纖維液相微萃取技術(shù)(HF-LPME)[7]、微波輔助頂空單滴微萃取技術(shù)[8]等.在大多數(shù)情況下,當(dāng)萃取達(dá)到動態(tài)平衡時,這些技術(shù)的富集率最高.

為實(shí)現(xiàn)頂空微萃取技術(shù)的完全萃取,楊翠等[9]在2009年開發(fā)了一種氣流式吹掃液相微萃取技術(shù).本文在介紹氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)的組成基礎(chǔ)上,討論氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)的發(fā)展過程,并對該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望.

2 氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)工作系統(tǒng)的組成

氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)不同于傳統(tǒng)液相微萃取技術(shù),該技術(shù)的萃取體系被設(shè)計(jì)為開放體系.在該體系內(nèi),可以通過延長萃取時間增加萃取體系內(nèi)氣相的相對體積而最終達(dá)到完全富集的目的.氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)必須具備3個系統(tǒng),即氣路系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)和萃取系統(tǒng).

氣路系統(tǒng):通過向萃取系統(tǒng)內(nèi)引入惰性氣體的方式提高了目標(biāo)物的運(yùn)動速度,即縮短了頂空相中目標(biāo)物向萃取相的轉(zhuǎn)移時間,從而加快了萃取速度.在氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)中,惰性氣體有2個作用:一是防止不穩(wěn)定(易氧化、易水解、熱不穩(wěn)定)物質(zhì)的物理化學(xué)變化,確保未知樣品中目標(biāo)物的原始成分信息;二是通過延長萃取時間增加萃取體系內(nèi)氣相的相對體積,進(jìn)而增加氣相中目標(biāo)物的絕對量.

氣化系統(tǒng):在頂空萃取技術(shù)中,為實(shí)現(xiàn)半揮發(fā)性目標(biāo)物的完全萃取,必須實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的氣化,因此氣化系統(tǒng)在該技術(shù)中是必不可少的.氣化溫度根據(jù)目標(biāo)物的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡冗M(jìn)行選擇.

萃取系統(tǒng):氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)是利用微量的萃取相(幾微升或十幾微升有機(jī)溶劑)實(shí)現(xiàn)萃取目的,萃取相的選擇根據(jù)目標(biāo)物的性質(zhì)而定,理論依據(jù)是相似相容原理.

3 氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)的發(fā)展

3.1 氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)的理論基礎(chǔ)

目前,被廣泛應(yīng)用的 HS-LPME技術(shù)的萃取體系為密閉體系(如圖1A).為了提高富集率,一般采用的方法是提高樣品基質(zhì)溫度和降低萃取相溫度以及增大萃取相的表面積,但當(dāng)樣品溫度提高時,萃取溶劑溫度也間接被提高,不利于萃取過程;降低萃取相溫度會消耗較大的財(cái)力,增加實(shí)驗(yàn)的成本;增大萃取相表面積可以增加萃取相中目標(biāo)物的絕對量,但該方法一般會增大萃取相體積,因此降低萃取相中目標(biāo)物的相對含量,不利于檢測.由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知,氣相中某一種物質(zhì)的絕對量與氣相中目標(biāo)物的分壓和體積密切相關(guān),即可以通過增加氣相中目標(biāo)物的分壓和氣相體積的方式實(shí)現(xiàn)增加氣相中某種物質(zhì)絕對量的目的.然而對于復(fù)雜的樣品基質(zhì),單獨(dú)增加萃取體系內(nèi)目標(biāo)物的分壓有一定難度,相對而言,增加萃取體系內(nèi)氣相體積的方式比較容易實(shí)現(xiàn).為了增加氣相的相對體積,一種開放式的萃取體系被提出[9],在該體系內(nèi),可以通過延長時間達(dá)到增加萃取體系內(nèi)氣相體積和氣相內(nèi)目標(biāo)物絕對含量的目的,進(jìn)而提高萃取技術(shù)的萃取率.

3.2 氣流式頂空液相微萃取技術(shù)

工作原理:基于頂空液相微萃取技術(shù)開發(fā)的氣流式頂空液相微萃取技術(shù)(GF-HS-LPME)與頂空液相微萃取技術(shù)相同,萃取過程是利用1～3 μL懸掛于微注射器針尖上的有機(jī)溶劑來實(shí)現(xiàn);萃取之后,微液滴被抽回到注射器針筒內(nèi),再通過分析檢測儀器(如 GC-MS,LC-UV,LC-MS等等)完成目標(biāo)物的定性、定量分析(如圖1B).

GF-HS-LPME和 HS-LPME的不同點(diǎn):2種技術(shù)的萃取體系不同,GF-HS-LPME萃取體系被設(shè)計(jì)為開放體系,而 HS-LPME萃取體系為封閉體系;萃取相自身的蒸氣壓對萃取率的影響程度不同.由于 GF-HS-LPME萃取體系是開放體系,萃取相自身的蒸汽壓對萃取率不會有明顯影響,因此在確保操作簡單、可行的基礎(chǔ)上,GF-HSLPME選擇萃取相時遵循相似相容原理.對于HS-LPME技術(shù),萃取相自身的蒸汽壓是影響萃取率的重要因素[10].在封閉體系內(nèi),萃取相蒸汽壓越高,則氣相內(nèi)萃取相的分子數(shù)就越多,而在一定體積內(nèi)能容納的氣體分子數(shù)是恒定的,如果萃取相的氣體分子數(shù)增加,目標(biāo)物的氣體分子數(shù)就會降低,不利于目標(biāo)物的萃取.而在 GF-HSLPME中,因萃取體系為開放體系,所以不涉及這一問題.

參數(shù)優(yōu)化:在 GF-HS-LPME技術(shù)中,通過優(yōu)化氣體流速、氣體出口管徑、萃取溶劑相對氣體出口管的位置、樣品和萃取溶劑的溫度、富集時間等參數(shù)提高目標(biāo)物的富集率.對于固定的萃取溶劑,獲得最佳富集率時,氣體出口管徑和萃取溶劑相對氣體出口管的位置均是固定的,而且這2個量不隨萃取體系溫度的變化而變化.其它參數(shù)根據(jù)目標(biāo)物性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡却_定.

存在的問題:GF-HS-LPME技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了提高萃取率的目的(富集率比 HS-LPME提高了3～4倍)[9],但該技術(shù)仍然存在一些缺點(diǎn),如萃取時間長(大于20min),操作困難(單滴萃取溶劑容易損失),定量分析存在一定難度(萃取過程為不完全萃取)等,因而限制了該技術(shù)的應(yīng)用.

圖1 (A)HS-LPME萃取裝置圖[3];(B)GF-HS-LPME萃取裝置圖[9];(C)GP-MSE萃取裝置圖[11]

3.3 氣流式吹掃微注射器萃取技術(shù)

GP-MSE技術(shù)的產(chǎn)生:為了克服 GF-HSLPME技術(shù)的缺點(diǎn)[11],2011年楊翠等開發(fā)了氣體吹掃微注射器萃取(GP-MSE)技術(shù).該技術(shù)利用100μL的微量注射器針筒作為萃取相的支撐體和保護(hù)體,利用微量注射器針頭隔離高溫氣化系統(tǒng)和低溫溶劑富集系統(tǒng).

GP-MSE的工作原理:在惰性氣體的帶動下,目標(biāo)物隨惰性氣體通過微量注射器針頭進(jìn)入針筒內(nèi),該過程中,目標(biāo)物被萃取相定量捕集,而惰性氣體進(jìn)入大氣環(huán)境(如圖1C).其原理與色譜的工作原理相似,不同之處在于:GP-MSE利用萃取溶劑代替色譜技術(shù)中的固定相,含有待測物質(zhì)的惰性氣體等同于色譜技術(shù)中的流動相.即GP-MSE技術(shù)的萃取過程是目標(biāo)物在萃取相和氣相中進(jìn)行分配,最終實(shí)現(xiàn)萃取的目的.

GP-MSE技術(shù)中的工作參數(shù)的優(yōu)化:在 GPMSE技術(shù)中,通過優(yōu)化氣體流速、樣品和萃取相溫度、萃取時間、萃取相性質(zhì)和體積等參數(shù)實(shí)現(xiàn)液相微萃取技術(shù)的完全萃取.依據(jù)目標(biāo)物性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡冗x擇最佳工作參數(shù).

GP-MSE的技術(shù)優(yōu)勢:GP-MSE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頂空液相微萃取技術(shù)的完全萃取(萃取回收率為85%～107%),在較短時間內(nèi)(小于2 m in)可同時萃取揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì),達(dá)到與不揮發(fā)的物質(zhì)的完全分離,而且該技術(shù)集萃取、精制、濃縮于一體[11].另外,該技術(shù)具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)、快速、容易定量等優(yōu)點(diǎn),有利于樣品前處理技術(shù)與儀器分析的匹配.

4 結(jié)論和展望

氣流式吹掃液相微萃取技術(shù)將萃取體系設(shè)計(jì)為開放或半開放體系,引入的惰性氣體既可以增加氣相的相對體積、加速目標(biāo)物的運(yùn)動速度,又可以保護(hù)不穩(wěn)定目標(biāo)物(易氧化、易水解、熱不穩(wěn)定).在較短時間內(nèi)(小于2 min),GP-MSE在不同樣品基質(zhì)中能同時萃取揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì),而且可達(dá)到目標(biāo)物的完全萃取.

作為新型的萃取技術(shù),GP-MSE技術(shù)在醫(yī)學(xué)、代謝組學(xué)、食品化學(xué)、生物化學(xué)、環(huán)境科學(xué)等眾多領(lǐng)域以及土壤、植物、水、大氣等不同樣品基質(zhì)分析中將獲得廣泛應(yīng)用.由于 GP-MSE技術(shù)具有簡便、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn),所以在現(xiàn)場分析和實(shí)時分析方面也將擁有廣泛的應(yīng)用前景.

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Gas Purge Liquid Phase Microextraction

YANG Cui, ZHANG Yong-feng, REN Chun-yan, L IXiu-hua, L IDong hao＊
(KeyLaboratoryofNaturalResourceoftheChangbaiMountainandFunctionalMolecules(YanbianUniversity),MinistryofEducation,Yanji133002,China)

In modern analytical technology,the scientific community has pay close attention to simp ler,fast,and more environmental friendly samp le p retreatment techniques.The trends involve several techniques such as integration of multi-step,com bination and integration of multi-techniques,automation,on-line,and so on.Gas purge liquid phasemicroextraction has p rovided with many merits and functions,such as fast,easy to operate,quantitative extraction,require small amount of samp le and organic solvent,simultaneous extraction of volatile and semivolatile compounds,and integration of extraction and cleanup.This revie wfocused on fabrication,development,and app lication of gas flo wpurge liquid phasemicroextraction technique.

purge;microextraction;sam le p reparation;chromatogram analysis;integration

O656.31

A

1004-4353(2011)02-0111-04

2011-03-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21027009)

＊通信作者:李東浩(1965—),男,博士,教授,研究方向?yàn)橛袡C(jī)分析.