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衍生化固相微萃取技術在氣相色譜中的應用

作者:來源:泰特儀器日期:2019-11-22

以下由武漢泰特沃斯科技有限公司色譜技術人員主要介紹衍生化固相萃取在氣相色譜中的應用。固相微萃取技術(SPME)是20世紀90年代被提出并得到快速發展的一種靈敏、方便、快速、無溶劑、適用于液體和氣體樣品分析的樣品前處理技術。針對強極性、難揮發的有機化合物,衍生化反應利于進一步的色譜分析。重點就固相微萃取的發展歷史、衍生化反應類型及固相微萃取-氣相色譜技術的應用進行了綜述。泰特儀器主要產品包括GC2030系列氣相色譜分析儀、GC966系列在線氣相色譜儀、GC966便攜式氣相色譜儀等設備,以及相關配套設備。廣泛應用于石油化工、科研教學、環境監測、食品醫藥安全、高純氣體行業、生命科學、司法鑒定等領域。

我國的環境監測始于20世紀70年代,一開始就成為分析化學領域最活躍的前沿之一。樣品采集和前處理是目前環境分析化學的瓶頸,制約環境分析化學的發展,且往往是測定誤差的主要來源。因此,樣品前處理技術是目前環境分析化學研究的難點和熱點之一。由于環境樣品中的有機污染物具有痕量、復雜、多組分等特點,因此有機污染物的分析不僅要開展常規監測和采用綜合測定方法進行科研性監測,而且有必要選擇一種較好的樣品預處理方法,才能獲得令人滿意的信息。

傳統的溶劑萃取是樣品預處理常用手段之一,但具有使用有毒的有機溶劑、操作繁瑣、不易與其他分析儀器聯用等缺點。近年來,為提高分析速度和減少對環境的污染,發展了無溶劑萃取技術,如頂空萃取、超臨界流體萃取、膜萃取等。這些方法能有效萃取某些化合物,但其設備復雜,運行成本高,試驗條件苛刻,不適于廣泛應用。在20世紀90年代初提出了一種新型的樣品前處理方法,即固相微萃取技術(SPME),該技術以固相萃取(SPE)為基礎發展而來,由于其獨到的平衡方法和采樣方法受到了廣泛關注。該技術操作簡便,可以節省樣品預處理70%的時間,無需使用有機溶劑,極大地改善了操作人員的工作環境,使實驗室排出的有毒溶劑降至最低。萃取過程使用一支方便的萃取器,易于自動化操作,可在任何型號的氣相色譜儀(GC)上直接進樣。固相微萃取技術是集提取、凈化、濃縮、進樣為一體的聯用技術。近年來,在環境檢測中,固相微萃取(SPME)得到迅速的發展和廣泛使用。而固相微萃取與氣相色譜聯用是研究最早、也是發展最成熟的技術。

1 固相微萃取裝置與原理

1.1 裝置 SPME使用的是類似于微量進樣器的萃取裝置,由手柄和萃取頭2部分構成。萃取頭是一根涂有不同色譜固定相或吸附劑的熔融石英纖維。由于石英纖維非常脆弱,其外部又套一層起保護作用的不銹鋼針管,使纖維可在其中自由伸縮,確保纖維在插入和拔出樣品瓶、進樣口時不被折斷。

1.2 原理 SPME技術包括吸附和解析兩步,其最大的特點就是一個簡單過程中同時完成了取樣、萃取和富集,并可以直接進樣,完成儀器分析。使用時插入密封的樣品瓶,推壓柱塞使纖維暴露在樣品或在樣品頂空氣相中。在萃取過程中應用磁力攪拌、超聲振蕩等方式攪動樣品基質,可縮短達到平衡的時間。SPME萃取達到平衡分配時,靈敏度最高。由于萃取頭的選擇性,凈化、濃縮通常是一步完成的。因此,一旦萃取完成,可不經任何處理,萃取頭直接進入到氣相色譜儀的進樣器,通過加熱解析后,靠載氣將其引入色譜柱,完成提取、分離和濃縮的全部過程。

SPME的萃取機理就是待測物在樣品基質和萃取介質(涂層)間的分配。SPME萃取的選擇性是根據“相似相溶”原理,結合分析物的跡象、沸點和分配系數,通過選用不同涂層材料的萃取纖維實現的,沒有一種萃取頭能夠萃取所有的化合物。萃取頭涂層的極性與厚度必須與分析物的性質相匹配。具有極性較強涂層,如聚丙烯酸酯(PA)的萃取頭適合于萃取極性化合物,而具有非極性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂層的萃取頭則主要用于非極性化合物的萃取。

2 衍生化固相微萃取方式

SPME適用于多種樣品,尤其適合于水相基體中超微量有機物的分離。SPME包括直接萃取和頂空萃取2種萃取方式。研究表明,SPME已應用于氣體、水、土壤和生物樣品中有機物的萃取,主要是揮發和半揮發性有機物,如苯及其同系物(BTEX)、多環芳烴(PAHs)等。對難揮發性、強極性或熱不穩定有機物的應用少,即使使用極性的SPME涂層(如聚丙烯酸酯),其萃取效率也比較低。極性有機物分子中多含有酸性官能團(如—OH、—COOH、—NH3等),其偶極距大,揮發性低,色譜行為差,GC不能或難于直接分析。衍生化與SPME的結合,為SPME用于極性、難揮發性有機物的分析提供了可能性。為了達到氣相色譜分析的目的,通常采用衍生化反應,用非極性取代基封閉極性官能團,提高分析物的揮發性,將極性分析物轉換成弱極性分析物。提高其揮發性,即提高了SPME的萃取效率,同時也提高了色譜分辨率、檢測靈敏度及選擇性。根據衍生化反應的發生位置,SPME衍生化方法可分為3種方式:①在樣品基體中衍生化;②在纖維涂層中衍生化;③在GC進樣口衍生化。

2.1 在樣品基體中衍生化 在樣品基體中衍生,不需要將待分析物預先萃取分離,而是直接將衍生化試劑加入樣品基體中。反應完成后,再用SPME萃取。該法最為簡單、快速,對于痕量分析檢測尤為重要。此法已成功應用于水樣中苯酚的測定,通過衍生反應將其轉變為乙酸酐酯,可得到滿意結果。除了酚的分析,三氟乙酸酯和五氟苯乙醛可分別將氣相和水相樣品中極性有機胺衍生化為酰胺和亞胺。同直接萃取相比,其檢出限降低了2個數量級。脂肪酸直接在水中的衍生化反應非常困難,因為大部分的衍生反應都需要有機介質存在,當直接存在于水溶液中,衍生物會發生水解。該法要求衍生試劑能與目標分析物在樣品中(液體、氣體或固體)反應,且產生穩定的反應產物。

2.2 在纖維涂層中衍生化 為了避免樣品基體對衍生化的影響,衍生化反應可以在纖維涂層中進行。纖維涂層是液體聚合有機物,可作為有機介質,將待分析物和衍生化試劑萃取到SPME涂層中進行衍生化反應。該反應有2種方式:一種是將含有衍生試劑的纖維暴露在樣品中,同時進行衍生化反應和萃取過程,這要求衍生試劑和反應所生成的衍生物是相對揮發性較小的物質。例如一些低分子量的羧酸就可以利用卜芘—重氮甲烷作為衍生化試劑,在萃取頭上進行萃取同時衍生化。用較大基團芘烷與一些低分子量的羧酸成酯的目的是降低產物揮發性,使產物在樣品瓶加熱時也能有效地凝集在涂層上,這樣帶有羧基的化合物即可實現衍生化頂空固相微萃取。另一種方式是在目標分析物被固相微萃取之后進行衍生化。此法已成功提取下水道水中的酸性化合物,將已萃取待測物的萃取頭置于裝有硅烷化試劑的MTBSTFA試劑瓶中進行衍生化反應。

2.3 在GC進樣口衍生化 將衍生化試劑和SPME萃取物分別注入到GC,二者在進樣口處借助高溫無水條件發生衍生化反應,經熱解析后,再進色譜分析。這是比較原始的衍生化方法。研究發現,SPME同時萃取溶解在水中的長鏈脂肪酸(C14~C22)和四甲基氫氧化銨(TMAH)或四甲基硫酸氫銨(TMA—HSO4),然后插入在300℃的GC進樣口衍生化,證明了四甲基銨鹽在GC進樣口熱分解甲酯化法的可行性。但該法不適用于C12以下的脂肪酸,原因是極性強,SPME的萃取效率低。

這3種衍生化方法體現了衍生化固相微萃取的發展過程。目前,SPME衍生化方法已用于有機酸、胺、酚和醇等多種極性化合物的分析。

3 衍生化固相微萃取反應

目前已報道的SPME衍生化反應的文章不多,主要集中在酰化和甲酯化反應,而硅烷化反應的研究較少。酰化反應主要用于封閉羥基、氨基和硫醇基,增加待分析物的揮發性,是最早用于SPME的衍生化反應,主要有醋酐法、鹵代酰基法。反應多在樣品中進行,通常需要加熱(60~80℃)。在水相反應時,衍生化試劑要過量,否則衍生物會水解。甲酯化反應主要用于封閉羧基,因此較多用于脂肪酸的分析。衍生化方法包括重氮烷烴法、氫氧化銨鹽分解法。重氮甲酯化反應活性高,常溫下即可進行,無副產物,對SPME涂層沒有損害,適合在涂層中衍生化。但重氮化試劑的反應活性較高,不易貯藏,反應過程中易發生爆炸,且重氮甲烷是致癌物質,對人體有害。芘基重氮甲烷雖然在常溫下比較穩定,但需要有機溶劑,且衍生化反應需要較長的反應時間(>2 h)。此外,Clark等對無機酸催化法進行了研究,在樣品中采用鹽酸催化甲醇酯化反應后,頂空萃取GC-MS分析了煙草中的有機酸。

硅烷化衍生化方法主要用于封閉含活性氫的基團,適合大多數極性有機物,應用非常廣泛。其缺點是衍生物對濕氣很靈敏,有時穩定性差。因此這方面的研究較少,涂層中衍生化是主要的研究方向。

4 固相微萃取-氣相色譜聯用技術

SPME自其出現就與GC聯用,是研究最早、也是發展最成熟的技術,非常適用于環境分析檢測。對于小分子量高揮發性、半揮發性的有機化合物,經SPME富集之后,多與氣相色譜聯用,進行分離測定、定量分析。由于SPME技術的無溶劑化特點,色譜柱的柱效不會受溶劑的影響,所以可使用細徑、固定相薄的毛細管柱提高分離效果,實現快速分析。利用SPME方法富集廢水及飲用水中的揮發性碳化合物(VOCs)及含氯殺蟲劑,只用15 m長的短毛細管柱就可進行很好的分離,不僅縮短了分析時間,還降低了檢測限。使用SPME-GC聯用技術測定水樣中的BTEX也更加靈敏,最低檢測限為1.5~15.0 pg/ml,大大優于EPA規定方法的檢測限(30~90 pg/ml)。SPME與GC聯用,通常使用的檢測器可以是質譜檢測器(MS)、氫火焰離子化檢測器(FID)、火焰光度檢測器(FPD)、電子捕獲檢測器(ECD)、原子發射光譜檢測器(AED)等,最低檢測限可達 10-9、10-12級。

衍生化固相微萃取-氣相色譜聯用技術作為一種將樣品前處理與分離檢測結合為一體的技術,已經獲得了一定的發展,但衍生化方式、反應類型及反應機理還有待于深入研究。今后的研究應專注于新的衍生試劑的使用和新的SPME涂層的研發。隨著衍生化固相微萃取-氣相色譜技術的發展及衍生化反應和萃取方式的改進,衍生化固相微萃取-氣相色譜技術以及理論研究必將會有大的發展與完善,在樣品預處理領域中的應用范圍會進一步擴大。

 

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