样品制备与前处理技术中GC-MS分析检测方案

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河北农业科学，2010，14(6)：158-160Journal of Hebei Agricultural Sciences编辑 李布青 ·159·张志罡等： GC-MS分析中的样品制备与前处理技术第6期 GC-MS分析中的样品制备与前处理技术 张志罡，李 勇，朱兆洲 (天津师范大学水环境与水资源重点实验室，天津 300387) 摘要：综述了气相色谱-质谱联用仪分析样品的几种前处理技术，并对今后样品制备与前处理技术进行了展望。 关键词：样品制备与前处理；气相色谱-质谱联用仪；萃取 中图分类类：TQ014 文献标识码：A 文章编号：1008-1631(2010) 06-0158-03 Sample Preparation and Pretreatment Techniques in GC-MS Analysis ZHANG Zhi-gang， LI Yong， ZHU Zhao-zhou (Key Laboratory of Water Environment and Water Resources， Tianjin Normal University， Tianjin3300387， China) Abstract： Several sample preparation and pretreatment techniques in GC-MS analysis were reviewed. The trends in thedevelopment of these methods were also discussed. Key words： Sample preparation and pretreatment； GC-MS； Extraction 样品前处理是整个样品分析过程中的1个重要环节。其主要目的是浓缩痕量目标物，降低最小检测浓度，提高测定的精确度和灵敏度，通过化学衍生，提高被测物的灵敏度和选择性，除去干扰物，消除对分析系统有害的物质，使仪器良好稳定运行、延长使用寿命。 萃取方法 1.1 溶剂萃取 溶剂萃取是各类样品最常用的处理技术之一。液-固萃取(LSE)和液-液萃取(LLE)一直是应用最为广泛的样品前处理方法，如索氏提取，兼有富集和排除基体干扰的效果。过去美国 EPA500、EPA600 和 EPA800系列方法大多采用这个方案，但其缺点是要耗用较大量的有机溶剂并易引入新的干扰(溶剂中的杂质等)，提取时间长，萃取溶剂用量多，分析人员劳动强度大，回收率及精确度不够高，易导致被测物的损失，造成空气污染，效率也较低21。 ，2 微波萃取 微波萃取(Microwave Extraction， ME)是微波技术与萃取技术相结合产生的新技术，在萃取过程中用微波来提高萃取效率。该方法是建立在分析化学研究的基础上的，是制备分析样品的有效方法之一。 在微波场中，由于不同物质的介电常数不同，吸收微波能的程度各不相同，其产生的热能及传递给周围环境的热能也不同，这种差异使得萃取体系中的某些组分或基体物质的某些区域受热不均衡，.-一类物质(如水、乙醇、某些酸、碱、盐类)可以将微波转化为热能，这 ( 收稿日期：2010-03-04 ) ( 基金项目：天津师范大学青年基金项目(52X09028)；天津师范大学 引进人才基金(5 R L056) ) ( 作者简介：张志罡(1981-)，男，甘肃通渭人，助理实验师，硕士，主要从事大型仪器管理工作。 ) 类物质能吸收微波，提升自身及周围物质的温度；另一类物质(如烷烃、聚乙烯等非极性分子结构物质)在微波透过时很少吸收微波能量；还有一类物质(金属类)可以反射微波。 不同物质与微波的不同作用产生的受热不均衡性，可以导致被萃取物从基体或体系中分离出来。采用微波萃取法制备样品，具有时间短、节省试剂、制样精度高、回收率高等优点。 1.3 固相萃取 固相萃取 (SPE) 是20世纪70年代初发展起来的样品前处理技术，主要用于复杂样品中微量或痕量目标化合物的分离和富集。例如，生物体液(如血液、尿等)中药物及其代谢产物的分析，食品中有效成分或有害成分的分析，环境水样中各种污染物的分析，均可使用 SPE 进行样品预处理。该术术利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的。 1.4 固相微萃取 固相微萃取(SPME) 是在 SPE 的基础上发展起来的样品前处理技术，其原理是根据有机物与溶剂之间“相似相溶”的性质，利用萃取头表面的色谱固定相的吸附作用，将组分从样品基质中萃取富集起来，完成样品的前处理过程3。该法的基本技术是将一附着有适当涂层(固相)的弹性石英丝(丝径100~150p.m)浸入待测水样，待平衡一段时间(15~20min)后，水样中的待测物即被吸附于固相涂层上，吸附量与水样中待测物的原始浓度呈正比，并与待测物的物化性质和平衡条件有关，然后将石英丝导人气相色谱进样室，待测物受热挥发进入色谱系统。 1.5 液相微萃取 液相微萃取(LPME) 是1996年发展起来的1种新 型的样品前处理技术，最初是由 Jeannot 和 Cantwell 提出的④。该技术是将有机液滴挂在气相色谱微量进样器针头上对物质进行萃取。微量进样器，既用作 GC 进样器，又用作微量分液漏斗。该技术是在液-液萃取的基础上发展起来的。与液-液萃取相比， LPME 可以提供与之相媲美的灵敏度，甚至更佳的富集效果。同时，该技术集采样、萃取和浓缩于一体，灵敏度高，操作简单，而且还具有快捷、廉价等特点。另外，它所需要的有机溶剂也较少，是一项环境友好型的样品前处理新技术，特别适合于环境样品中痕量、超痕量污染物的测定。另外， LPME 技术在处理样品时只需1个搅拌器、1支普通的微量进样器或多孔性的中空纤维，这些特点使液相微萃取与便携式的气相色谱仪很容易联用，可望对环境污染物进行简单、快捷的现场分析，因此具有广泛的应用前景。 1.6 顶空技术 顶空气相色谱不是1种新技术，此技术从气相色谱出现初期就一直被应用。顶空分离技术广泛用于将挥发性物质从液体或固体样品中的基体中分离出来，快速简单、不需要有机溶剂、需要的样品量少、分离过程中无杂质生成。可分为静态顶空技术和动态顶空技术。 1.6.1 静态顶空技术 将样品放入到密封的瓶中，平衡一段时间，用气密性的注射器从样品上空进行样品采集(通常0.1~2.0mL)，然后注入 GC中。静态顶空技术很容易实现自动化，适合用于大量样品的筛选。在对样品进行采集的过程中，温度、时间、所用的容器体积以及溶解样品的溶剂会对结果产生影响。另外，由于样品上方空间的限制，该方法不是很灵敏。为了更有利于挥发性化合物的释放，在采集过程中可以加热样品或进行搅拌。 1.6.2 动态顶空技术 动态顶空法适合于样品中挥发性物质的分析，该方法在理论上可测定水中全部挥发性有机物。原理是依据许多有机化合物具有挥发性的特点，利用载气(氮气或氦气)将挥发性物质认样品中吹扫出来，使之吸附到捕集器(装有多孔聚合物如Tenax 的玻璃管或带有玻璃内衬的不锈钢管)上，然后利用反吹法把短柱所吸附的化合物吹脱出来，直接用色谱仪进行分析。这样可以将水体中的痕量有机物富集到足以用色谱能够检测的浓度。此法不但克服了色谱分离中溶剂主峰掩盖其他峰的问题，而且比静态顶空有更高的检测灵敏度，更适于痕量和超痕量分析。 利用动态顶空-气相色谱分析法时，最好使用大口径(0.54mm)毛细管色谱柱。如用填充柱时，应选择冷柱头进样方式，以便使各组分得到较好的分离。另外吹扫流量、吹扫和捕集时间是影响分析灵敏度的主要因素，最好用标准样品在已知的条件下通过试验获得。 国内已开展了一些气提法富集水中痕量有机物的研究，但挥发性有机物回收率低，不够稳定，应用面也较 窄。牛春地等15改进了气提装置，深入、系统地研究了气提法的试验条件对挥发性有机物收率的影响，并确定了最佳富集条件。在进行了合成样品试验的基础上，以气提法富集 GC-MS 联用方法对多个水样进行定性定量分析，取得了令人满意的效果。 1.7 超临界流体萃取 超临界流体萃取(SFE)是近年来发展较快、应用较广的1种样品前处理技术。该方法较传统的样品前处理方法优点明显：操作简单、萃取时间短、提取效率高、重现性好，对目标物选择性强，并能将干扰成分减小到最低程度等[6]。与通常液-液或液-固萃取一样，超临界流体萃取也是在两相之间进行的1种萃取方法，所不同的是萃取剂不是液体，而是超临界流体。超临界流体是介于气液之间的1种既非气态又非液态的物态，这种物态只能在物质的温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体对物质的溶解能力接近于液体，但其粘度接近于气体，扩散系数介于液体和气体之间，它既有良好的溶解能力，又有高效的传输能力。 超临界流体萃取中萃取剂的选择随萃取对象的不同而改变，通常临界条件较低的物质优先考虑，表1列出了超临界流体萃取中常用的萃取剂的临界值。目前最常用的流体是 CO，， 不但临界值相对较低，而且具有一系列优点，如化学性质不活泼，不易与溶质反应，无毒、无嗅、无味，不会有2次污染，纯度高，价格适中，便于广泛使用而且沸点低，容易从萃取后的馏份中除去，后处理比较简单特别是不需加热，极适合于萃取热不稳定的化合物。由于 CO，的极性很低，只能用于萃取低极性和非极性的化合物，而对于极性较大的化合物，通常用氨或氧化亚氮作为超临界流体萃取剂，因为其具有一定的极性，溶解性能好。但是氨很容易与其他物质反应，对设备腐蚀很严重，而氧化亚氮有毒，没有 CO，使用得那么普遍。低烃类物质因可燃易爆，也不及 CO，使用广泛。 表1 常用萃取剂的临界温度与压力 Table 1 The critical temperature and criticalpressure of common extractants 流体 临界温度 临界压力 临界温度 临界压力 (℃) (10Pa) 流体 (℃) (10 Pa) 乙烯 9.3 50.4 丙烷 96.7 42.5 二氧化碳 31.1 73.8 氨 132.5 112.8 乙烷 32.3 48.8 已烷 234. 2 30.3 氧化亚氮 36.5 72.7 水 374.2 220.5 丙烯 91.9 46.2 1.8 液膜萃取法 液膜萃取技术是近年来继超临界流休萃取及固相萃取法之后发展起来的1种用于样品前处理的新技术，它吸取了液-液萃取具有富集与选择的两大特点，又结合了透析过程中可以有效除去基体干扰的长处，具有高效、快速、简便、易于自动化等优点，在发展样品前处 理技术的领域中取得了应有的地位。 液膜萃取的基本原理。由浸透了与水互不相溶的有机溶剂的多孔聚四氟乙烯薄膜把水溶液分隔成两相-萃取相和被萃取相，其中与流动的样品水溶液系统相连的相为被萃取相，静止不动的为萃取相。样品水溶液中的离子流人被萃取相，其中加人的某些试剂形成的中性分子(处于活化态)通过扩散溶人吸附在多孔聚四氟乙烯上的有机液膜中，再进一步扩散进入萃取相。一旦进人萃取相，中性分子受萃取相中化学条件的影响又分解为离子(处于非活化态)而无法再返回液膜中去。其结果使被萃取相中的物质--——离子通过液膜进入萃取相。 1.9超声悬浮技术 超声悬浮技术是利用声辐射力将物体悬浮在超声驻波场声压结点处的无容器处理技术。该技术能够以非接触的方式处理体积为几微升甚至几十纳升的样品，避免因容器壁的不确定性吸附、记忆效应和污染而引起的分析物的损失，排除由于容器壁与样品间的相互作用对细胞反应的干扰以及容器壁引起的光学干扰，且对被悬浮物体的物理化学性质无特殊要求，是基于单颗粒或小液滴研究的强有力工具，特别适合于材料的深过冷(远离凝固平衡状态)研究和小体积痕量分析，可使检测极限降低1~3个数量级。超声悬浮技术在生物科学与生物技术中的应用越来越引人注目，展示了诱人的前景。但在应用于GC-MS 样品的前处理段段，国内研究基本处于空白。 H◆!II◆川川◆排◆排◆◆!非◆川◆◆!|◆|◆川◆川◆|◆!川◆川|◆川◆|H◆川!◆il/◆|!!◆!!|◆川◆川!◆◆|◆川◆川◆◆|◆川◆!/◆◆||◆|◆|i◆川◆!◆卜◆◆◆◆◆◆!◆|!◆!!◆|li◆|! (上接第139页) 全进行权威管理，并通过长期规范的管理来遏制解决农产品质量安全问题。 结语 加快农产品质量安全立法，创建适合我国农产品质量安全运行规律内在需要的法律体系，是从根本上提高我国农产品质量安全水平的关键措施。应当建立和完善配套法律制度，促进农产品质量安全法律体系的协调统一性，建立统一协调的监管执法机制，明确监管部门职责，逐步完善农产品质量安全法律体系。 展望 样品制备与前处理技术今后将继续是分析化学领域中一项十分重要而且具有极广阔发展前途的工作，特别是在环境分析中，尽管最近十多年来引起了人们对它极大的关注，但是发展至今仍十分年轻，有待于继续深入全面地进行研究。 ( 参考文献： ) ( [1]黄骏雄.环境样品前处理技术及其进进(一)[J].环 境化学，1994，13(1)：95-105. ) ( [2]肖彦春，沈宏伟.加速溶剂萃取技术在土壤有机污染分 析中的应用[J].安徽农业科学，2007，35(19)： 5815-5816， 5 938. ) ( [3]王丽霞，钟海雁，袁列江.固相微萃取法提取果汁香气的影响因素及萃取条件的优化[J].安徽农业科学， 2006，34(15)：3787-3788. ) ( [4]赵汝松，徐晓白，刘秀芬.液相微萃取技术的研究进展 [J] . 分析化学，2004，32(9)：1246-1251. ) ( [5]牛春地，许莉娟.气提法富集气相色谱质谱法测定水中痕量挥发有机物[J].分析测试技术与仪器，1995， 1 ( 2)：28-32. ) ( [6]薄尔琳，于基成，曹远银.超临界流体萃取技术在农药残留分析中的应用[J].安徽农业科学，2006， 34(15)：3743-3744，3 7 46. ) ( 科学，2009，37(29)：14 4 35-14436，1 4 491. ) ( [2 ] 翁 鸣.中国农产品质量与国际竞争力[J].中国农村 经济，2003，(4)：20-26. ) ( [3]李哲敏.我国农产品安全的现状、争论与建议[J].中 国农业科技导报，2003，(3)：68-71. ) ( [4]林 涛.推进我国农产品质量安全法制建设的思路与建 议[J].安徽农业科学，2008， 36(5)：2053-2054 ) ( [5]吕 青，苏大路，吕 朋，等.美国 HACCP体系法律法规建立与实施的研究[J].安徽农业科学，2008， 36 ( 15)：340-341. ) ( [6]陈兴平.浅谈我国农产品质量管理[J].安徽农业科学， 2007，35 ( 24)：7559-7560. ) ( [1]胡 莲.食用农产品质量安全概念辨析[J].安徽农业 ) !!◆川川◆◆!◆◆◆◆川◆川◆|◆◆川◆◆|川◆川l◆H◆|川◆川◆川◆◆川◆川◆|◆|1◆卜◆i+◆◆◆◆川川◆◆川◆◆川|◆||◆|+H◆川◆川◆川◆卜◆川◆川!◆川l◆1H◆!◆|i+1l ( 参考文献： ) ( [1]张凤莲.河北省农林科学院干部流动情况分析与管理策略 [J].河北农业科学，2007， 11 (2)：106-107，125. ) ( [2]刘德莉，邱晓霞.城乡一体化过程中农村基层政权建设的思考[J]. 河 北农业科学，2008， 12(12)：146-148. )