畢金虎, 尹哲, 樸相范

(長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室(延邊大學),吉林延吉133002)

ME-101多功能微萃取儀的研究與開發(fā)

畢金虎, 尹哲, 樸相范＊

(長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室(延邊大學),吉林延吉133002)

基于氣體吹掃微注射器萃取技術(shù)(GP-MSE)、高溫加熱和半導體冷凝技術(shù),研究和開發(fā)了集萃取、凈化、濃縮、預分離為一體的氣相色譜樣品前處理儀器——ME-101多功能微萃取儀.通過對比水蒸氣蒸餾法和多功能微萃取儀萃取得到的關(guān)蒼術(shù)根莖中揮發(fā)油的氣相色譜-質(zhì)譜總離子流圖發(fā)現(xiàn),利用該儀器萃取到的揮發(fā)性成分的個數(shù)明顯多于水蒸氣蒸餾法,并且該儀器萃取的主要成分含量高于水蒸氣蒸餾法.實驗表明,該儀器具有試劑用量少、萃取時間短、富集率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、使用費用低等特點,適用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、質(zhì)量控制等領(lǐng)域的固體、液體樣品的氣相色譜樣品前處理.

液相微萃取;氣相色譜;樣品前處理

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展,分析儀器的自動化水平不斷提高,特別是現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機技術(shù)的引入極大地推動了分析化學的發(fā)展.作為分析化學的重要組成部分——樣品前處理技術(shù)也得到了迅速發(fā)展[1].微富集技術(shù)集分離、純化、濃縮為一體,它克服了傳統(tǒng)樣品前處理方法普遍存

在的操作繁瑣、耗時、需要使用大量對環(huán)境有害的有機溶劑等缺點[2]而受到分析工作者的歡迎.近年來發(fā)展起來的微富集技術(shù)主要有固相微萃取(SPME)和液相微萃取(LPME)兩種,這兩種富集方法所需萃取溶劑量都非常少,環(huán)境友好,均可用于對不同樣品中的揮發(fā)性和半揮發(fā)性目標物進行有效地富集.然而,SPME萃取頭比較昂貴、易碎、壽命較短,基體對目標化合物的干擾作用明顯,分析過程中有攜帶的可能性,這些缺點不但提高了它的使用成本,而且限制了其應用范圍;而LPME技術(shù)所需要的裝置非常簡單,只需一支普通的微量進樣器或多孔性的中空纖維,而且可用于LPME的溶劑種類非常多[3].正是由于LPME技術(shù)在萃取時有很大的優(yōu)勢,因此特別適合于環(huán)境或生物樣品中痕量、超痕量污染物的測定,但對于半揮發(fā)性高沸點目標物的富集,LPME存在回收率較低,定量精度差,操作不方便等問題.氣體吹掃微注射器萃取技術(shù)[4](GP-MSE)通過在傳統(tǒng)HS-LPME裝置中不斷循環(huán)通入惰性氣體,使富集系統(tǒng)成為開放的系統(tǒng),并利用高溫加熱和制冷裝置實現(xiàn)了比傳統(tǒng) HS-LPME裝置更高的富集效率.

本文基于 GP-MSE技術(shù)、高溫加熱、半導體冷凝技術(shù),研究和開發(fā)了一種集萃取、凈化、濃縮于一體的氣相色譜樣品前處理儀器,該儀器具有萃取速度快、效率高、操作簡單、自動化程度高等特點.

1 ME-101多功能微萃取儀的結(jié)構(gòu)

ME-101多功能微萃取儀(簡稱微萃取儀)主要由半導體冷凝器、微型加熱器、流量控制器和自動控制電路等構(gòu)成.微萃取儀的結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖如圖1所示.

圖1(a)上面部分為半導體冷凝器.半導體制冷片的冷端貼近鋁盒,鋁盒用以加快冷凝器工作過程中制冷片兩端的熱傳遞;制冷片的熱端與散熱片及風扇相連,散發(fā)由制冷片冷端傳遞至其熱端的熱量.鋁盒內(nèi)部加工了一個直徑為8mm的C形槽,用以放置微量注射器,冷凝器工作時,制冷片冷端通過吸收熱量起到對微量注射器中的萃取溶劑進行制冷的效果.冷凝溫度調(diào)節(jié)范圍為室溫～-10℃.

圖1 (a)微萃取儀結(jié)構(gòu)示意圖;(b)微萃取儀實物圖1.DS18B20溫度傳感器;2.鋁盒;3.有機玻璃隔熱蓋;4.制冷片;5.微量注射器;6.散熱片;7.風扇;8.PTFE墊;9.樣品池;10.基座;11.加熱片;12.不銹鋼進氣管;13.密封蓋;14.樣品管;15.樣品;16.石棉;17.鉑電阻

圖1(a)下面部分為微型加熱器.其加熱部件 為氧化鋁陶瓷加熱片,加熱器內(nèi)部圓柱形樣品池用以擺放石英樣品管.進行萃取實驗時,樣品置入樣品管中石棉層的上方,由加熱片放出熱量對其加熱.加熱器由 PTFE墊密封,不銹鋼進氣管由加熱器底部接入微型加熱器內(nèi)部,通過進氣管可向微型加熱器中通入惰性氣體.樣品加熱溫度范圍為50～350℃,氣體流量調(diào)節(jié)范圍為0～5 SCCM.

2 控制系統(tǒng)的組成與工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

微萃取儀控制系統(tǒng)主要由 A T89C52單片機[5]、冷凝溫度采集與控制電路、加熱溫度采集與控制電路、S49-32B/MT流量控制器[6]、開關(guān)電源、A T24C02存儲器、鍵盤及LCM141液晶顯示器等組成.開關(guān)電源提供+5 V、±15 V、+40 V直流電壓.控制系統(tǒng)的電原理框圖如圖2所示.

圖2 ME-101多功能微萃取儀控制系統(tǒng)的電原理框圖

2.2 工作原理

利用鍵盤設(shè)定制冷溫度、加熱溫度、惰性氣體流量及定時時間.啟動ME-101多功能微萃取儀后,DS18B20溫度傳感器[7]首先采集半導體冷凝器的當前制冷溫度,并將溫度信號轉(zhuǎn)化成11位的數(shù)字信號;A T89C52單片機通過發(fā)出讀暫存器命令,由DS18B20的單總線接口讀取轉(zhuǎn)化后的數(shù)字溫度信號.然后,單片機將DS18B20測量出的溫度值與鍵盤設(shè)定溫度值進行比較,計算出誤差值,并采用 PID算法算出控制量.與此同時,鉑電阻非平衡電橋測量微型加熱器的當前加熱溫度,得到與當前溫度相對應的電橋電壓輸出,該輸出接入AD620儀表放大器[8]進行放大,以滿足A/D轉(zhuǎn)換需要的輸入電壓范圍.系統(tǒng)采用12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1286[9]對采集到的模擬加熱溫度信號進行A/D轉(zhuǎn)換;單片機采集到該數(shù)字,根據(jù)其與鍵盤設(shè)定加熱溫度值的誤差值進行控制.上述的兩路控制量被轉(zhuǎn)化成脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號后,分別接入制冷片和加熱片的驅(qū)動電路來驅(qū)動制冷片及加熱片工作.

系統(tǒng)中的流量控制器用于測量和控制引入加熱器樣品管中的惰性氣體的流量模數(shù)轉(zhuǎn)換.流量控制器檢測的流量模擬信號通過 PCF8591芯片[10]轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號,該數(shù)字信號通過 I2C接口送入單片機進行處理,單片機通過驅(qū)動電路控制電磁調(diào)節(jié)閥,使惰性氣體流量達到設(shè)定值.

綜上,在單片機控制下,整個系統(tǒng)能快速、自動地達到所需要的制冷和加熱溫度及惰性氣體流量.

3 實驗部分

3.1 微萃取儀和水蒸氣蒸餾樣品處理方法

準確稱取粉碎的關(guān)蒼術(shù)(根莖)植物樣品5 mg,放入樣品管中,塞上 PTFE墊.將250μL氣密性注射器通過微萃取儀冷凝器刺透PTFE墊,針尖剛好穿過 PTFE墊底端即可.拔出針桿后,加入20μL萃取溶劑正己烷,通入氮氣,設(shè)定加熱和冷凝溫度后進行萃取.萃取結(jié)束后,用正己烷定容至100μL,取2μL進行 GC-MS分析.萃取條件:氮氣流速為2 m L/min,萃取溫度為250℃,萃取時間為2 min,冷凝溫度為-4℃,萃取溶劑體積為20μL.

稱取5 g植物樣品粉末,放入1 000 mL的水蒸氣發(fā)生裝置中,分別向蒸餾裝置和水蒸氣發(fā)生裝置中加入1/2和1/3體積的蒸餾水,打開冷凝水,開始加熱.當?shù)谝坏握麴s液滴入接收管內(nèi)萃取溶劑中開始計時,萃取時間為6 h.萃取結(jié)束后,用無水Na2SO4干燥后定容至1 m L,進樣前定容至與 GP-MSE萃取液相同的濃度,取2μL進 GCMS分析.

3.2 實驗結(jié)果分析

圖3為利用水蒸氣蒸餾法和微萃取儀萃取得到的關(guān)蒼術(shù)(根莖)中揮發(fā)油的氣相色譜-質(zhì)譜總離子流圖.由圖可知,利用微萃取儀萃取到的揮發(fā)性成分的個數(shù)明顯多于水蒸氣蒸餾法.例如糠醛(2-Furaldehyde),糠醇 (2-Furanmethanol),5-甲基呋喃醛(2-Methyl-5-formylfuran),5-羥甲基糠醛(5-Hydroxymethyl-2-furaldehyde)等化合物只有在微萃取儀萃取溶劑中檢出.經(jīng)過成分及其含量對比分析得出,兩種方法萃取到的揮發(fā)油主要成分種類相同(石竹烯 (Caryophyllene),Elixene,β-瑟林烯(.beta.-Eudesmene)),但微萃取儀萃取的主要成分含量高于水蒸氣蒸餾法.

圖3 關(guān)蒼術(shù)根莖中揮發(fā)油的氣相色譜-質(zhì)譜圖

4 結(jié)論

實驗表明,本文研究開發(fā)的ME-101多功能微萃取儀是一種快速、簡便、自動化的樣品前處理技術(shù),使用它進行樣品前處理不僅省時、省力,而且可以減少由于不同人員操作及樣品多次轉(zhuǎn)移所帶來的誤差.該萃取儀已通過吉林省工業(yè)和信息化廳組織的新產(chǎn)品鑒定,可以廣泛應用于醫(yī)藥、食品、煙草、石油、環(huán)境等行業(yè),特別是在植物原材料和產(chǎn)品的真?zhèn)舞b別、痕量測定等質(zhì)量控制領(lǐng)域中將發(fā)揮重要作用.

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Research and Development of ME-101 Multifunctional Microextraction Apparatus

B IJin-hu, YIN Zhe, PIAO Xiang-fan＊
(KeyLaboratoryofNaturalResourcesoftheChangbaiMountain&FunctionalMolecules(YanbianUniversity),MinistryofEducation,Yanji133002,China)

ME-101 multifunctionalmicroextraction apparatus,a gas chromatography(GC)samp le p retreatment apparatus that integrates extraction,cleanup,concentration and p redissociation was researched and developed based on gas purgemicrosyringe extraction(GP-MSE)technique,high-temperature heating and semiconducto r ref rigeration techniques.By comparing the GC-MS total ion chromatograms(TICs)of the volatile oil that extracted from the rhizome of atractylodes japonica by steam distillation method and multifunctionalmicroextraction apparatus respectively,we find that the volatile components extracted by the apparatus outnumber the ones extracted by steam distillation method clearly.Furthermore,the content of majo r constituents extracted by the apparatus is higher.Through experiments,the apparatus p roved to have characteristics such as lo wconsump tion of reagent,sho rt extraction time,high enrichment efficiency,simple structure,convenience in use and lo woperating cost,it can be app lied to the GC samp le p retreatmentof solid o r liquid samp le in the areas of medicine,agriculture,food,quality control and so on.

liquid phasemicroextraction;gas chromatography;samp le p retreatment

TH89

A

1004-4353(2011)02-0115-04

2011-03-28

國家自然科學基金資助項目(21065014)

＊通信作者:樸相范(1962—),男,教授,研究方向為智能控制與智能儀器.