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膜萃取和流动注射在线样品前处理技术研究

zijifei

2006/01/14

前处理综合讨论

摘要

样品前处理是目前分析化学的瓶颈，它制约着相关学科如环境科学和生命科学的发展，是分析化学研究的难点和热点问题之一。由于样品数量极多，且分析物含量越来越低、基体越来越复杂，迫切要求发展高通量、高选择性、高效率的在线样品前处理技术。因此，开展这方面的研究具有极为重要的意义。近年来，自动化的样品前处理技术，尤其是在线样品前处理技术，正越来越受到分析界的关注。膜分离技术和流动注射（FI）技术的应用是在线样品前处理技术的两个重要发展方向。

论文简要地概述了膜分离技术和FI样品前处理技术的发展和应用现状，对膜萃取、FI液液萃取和FI高温反应等做了较为详细的综述。论文提出了一种新的样品前处理技术——连续流动液膜萃取（Continuous flow liquid membrane extraction, CFLME），用于痕量极性有机污染物的分离富集。在此基础上，建立了CFLME与高效液相色谱的在线联用系统，用于磺酰脲类除草剂的高效灵敏测定。论文还发展了液液萃取、高温反应和样品背景吸收干扰的消除等几种FI在线样品前处理技术，为FI应用于日常分析提供了新的思路和途径。本论文主要包括以下研究内容：（一）提出了连续流动液膜萃取技术支载液体膜（Supported liquid membrane，SLM）萃取为三相系统，即在两水相（给体和受体）之间夹一有机相，有机相固着于多孔的憎水性膜上。SLM可以看作是萃取和反萃取两过程的结合，目标化合物先被萃入有机相，再经反萃取而富集于受体中。选择使用合适的条件如给体和受体的pH等，可使目标化合物获得很高的富集倍数。SLM具有有机溶剂用量少、富集倍数高、选择性高、操作简单并且可以方便地与分析仪器联用等优点，已用于环境及生物样品的在线预处理。SLM的缺点是液膜寿命有限，有机溶剂的选择范围比较窄，而且萃取速率较低。为了克服这些缺点，我们将SLM与连续流动液液萃取结合，发展了一种新的膜萃取技术，并将其命名为“连续流动液膜萃取(CFLME)”。CFLME包含以下三个步骤：（1）将样品以一定的流速（2~3 mL/min）而有机相以极小的流速（一般0.05 mL/min）泵入萃取系统的给体通道中，进行连续流动液液萃取使分析物萃入有机相；（2）给体流入SLM萃取装置后，有机相在聚四氟乙烯膜表面形成有机溶剂液膜；（3）分析物透过液膜被反萃取并捕集于另一侧的受体溶液中。

以甲磺隆等5种磺酰脲类除草剂及双酚-A等内分泌干扰物为模型化合物的研究表明，在各自优化条件下，CFLME在单位时间内的富集效率是SLM的3.5-200倍。甲磺隆经120分钟的萃取后可达到1000倍的富集倍数，而双酚-A经40分钟的萃取后则可达到200倍的富集倍数。

研究表明，CFLME除拥有SLM的优点外，还有以下优点：由于有机溶剂在系统中连续流动，液膜长期稳定；理论上，只要与水不互溶的有机溶剂都可使用，从而拓宽了有机溶剂的选择使用范围；由于可使用极性有机溶剂，显著提高了极性化合物的萃取效率。CFLME是一种比较有前途的样品预处理平台，具有重要的学术意义和实用价值。（二）建立了连续流动液膜萃取与高效液相色谱在线联用系统研究了将CFLME与高效液相色谱在线联用，测定水中甲磺隆和胺苯磺隆等磺酰脲类除草剂的方法。样品中的目标分析物经在线萃取后富集于50 mL 缓冲溶液（受体）中，然后被自动转移至高效液相色谱进样阀的定量环，再经C18 分析柱分离测定。以二氯甲烷作为液膜时，甲磺隆和胺苯磺隆经过10分钟富集后即可达到100倍的富集倍数，检测限分别达到0.05和0.1 mg/L，消耗的实际样品的体积仅20 mL。而文献报道的SLM萃取法则要富集5小时才能达到相同的富集倍数。用本方法分析测定了海水、自来水和瓶装矿泉水，0.2 mg/L甲磺隆和0.4 mg/L 胺苯磺隆的加标回收率分别在83.0-94.7%和87.8-99.7%之间。本方法自动化程度高，样品预处理时间短，样品消耗量少。

为测定地表水中ng/L级的5种磺酰脲类除草剂，我们还建立了CFLME—C18预柱—高效液相色谱在线联用系统。磺酰脲类除草剂先经CFLME后被萃入960 µL缓冲溶液（受体）中，再经在线中和后转移至C18预柱进行第二次富集，最后经C18分析柱分离测定。样品经过60 分钟的富集后，可达到5-50 ng/L的检测限。在50-100 ng/L 加标水平下，5种磺酰脲类除草剂在地表水中的回收率在86.6-117%之间。与柱切换及固相萃取的对比研究表明，经CFLME富集后，样品的基体峰明显减小，即样品比较“干净”，不需进一步处理就可以获得较低的检测限。本方法的检测限比用C18固相萃取柱富集—高效液相色谱测定时低200倍，为这类污染物的监测和环境毒理研究提供了高选择性、灵敏和廉价的测定方法。（三）发展了流动注射在线样品前处理技术论文较系统地研究了液液萃取、高温反应和样品背景吸收干扰的消除等FI在线样品预处理技术，成功地解决了FI分析实用化的某些技术难题，为FI应用于日常分析提供了新的思路和途径。

论文研究了用FI微孔膜液液萃取技术，进行洗涤剂中阴离子表面活性剂的日常测定的可行性。样品中的阴离子表面活性剂在给体中与次甲基蓝试剂形成离子缔合物，再透过聚四氟乙烯膜被萃入三氯甲烷受体中进行自动比色测定。实验优化了流路系统的一些参数，如微孔膜液液萃取单元的沟槽长度及微孔膜的孔径等。研究表明，当使用蠕动泵和置换瓶输送三氯甲烷时，系统的长期稳定性有限。但若每隔20 min校正一次系统，仍然可用于日常分析。方法的线性范围为0.2-2.0 mmol/L十二烷基苯磺酸钠，进样频率和检测限分别为50 样次/小时和0.1 mmol/L 十二烷基苯磺酸钠(S/N=3)，相对标准偏差为1.8% (n=11)。用所建立的方法和标准Epton法分别测定了11种洗衣粉中的阴离子表面活性剂含量，所得结果一致，对偶-t检验表明两种方法无显著差异。

建立了FI高温反应系统，用于合成洗涤剂中的总无机磷酸盐和正磷酸盐的自动分析。聚磷酸盐在2.5 mol/L硫酸和145℃高温条件下，经50秒自动在线水解即完全转化为正磷酸盐，再用FI—钼蓝显色法测定总无机磷酸盐；正磷酸盐则利用FI的动力学分辨技术，在其它磷酸盐共存下以钼蓝显色法直接测定。加入十二烷基硫酸钠，成功地消除了非离子表面活性剂对比色测定的干扰。总无机磷酸盐和正磷酸盐进样频率分别为40和80样次/小时，远远高于现有的自动分析方法（20样次/小时），方法的灵敏度能够满足实际样品分析的要求。用本法和国家标准方法测定了合成洗涤剂中的总无机磷酸盐和正磷酸盐，所得结果一致。

我们还将建立的高温反应系统应用于测定烟草中总还原糖。在110℃高温下，样品中的非还原糖如蔗糖等先在0.5 mol/L HCl中在线完全水解为还原糖，再在碱性条件下与铁氰化钾反应生成亚铁氰化钾，最后在室温下与三价铁离子反应生成普鲁士蓝并在690 nm处分光光度测定总还原糖的含量。选择适当的铁氰化钾及氢氧化钠浓度，可使葡萄糖和果糖与铁氰化钾的反应速率一致，从而保证总还原糖的准确测定。采用以碱性柠檬酸钠为载液的并合并带法，成功地避免了普鲁士蓝沉淀于流路系统管壁上造成的基线漂移。方法进样频率为40样次/小时，用于测定烟草浸提液中的总还原糖，结果满意。

论文以硫氰酸汞光度法测定烟草中水溶性氯化物的为例，探索了用试剂注入FI技术消除样品背景吸收干扰。方法的线性范围为0-7.5 mg/L Cl，检测限为0.02 mg/L Cl，相对标准偏差为0.1%，进样频率达到60样次/小时。用本法和膜渗析—FI法测定了烟草样品中的氯化物含量，结果表明二者的相对偏差小于4.3%，对偶-t检验表明两方法之间无显著性差异。由于不需要膜渗析装置，本方法的流路系统较现有的连续流动分析和FI方法简单，长期稳定性更好。

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