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衍生化固相微萃取技术在气相色谱中的应用

作者:来源:泰特仪器日期:2019-11-22

以下由武汉泰特沃斯科技有限公司色谱技术人员主要介绍衍生化固相萃取在气相色谱中的应用。固相微萃取技术(SPME)是20世纪90年代被提出并得到快速发展的一种灵敏、方便、快速、无溶剂、适用于液体和气体样品分析的样品前处理技术。针对强极性、难挥发的有机化合物,衍生化反应利于进一步的色谱分析。重点就固相微萃取的发展历史、衍生化反应类型及固相微萃取-气相色谱技术的应用进行了综述。泰特仪器主要产品包括GC2030系列气相色谱分析仪、GC966系列在线气相色谱仪、GC966便携式气相色谱仪等设备,以及相关配套设备。广泛应用于石油化工、科研教学、环境监测、食品医药安全、高纯气体行业、生命科学、司法鉴定等领域。

我国的环境监测始于20世纪70年代,一开始就成为分析化学领域最活跃的前沿之一。样品采集和前处理是目前环境分析化学的瓶颈,制约环境分析化学的发展,且往往是测定误差的主要来源。因此,样品前处理技术是目前环境分析化学研究的难点和热点之一。由于环境样品中的有机污染物具有痕量、复杂、多组分等特点,因此有机污染物的分析不仅要开展常规监测和采用综合测定方法进行科研性监测,而且有必要选择一种较好的样品预处理方法,才能获得令人满意的信息。

传统的溶剂萃取是样品预处理常用手段之一,但具有使用有毒的有机溶剂、操作繁琐、不易与其他分析仪器联用等缺点。近年来,为提高分析速度和减少对环境的污染,发展了无溶剂萃取技术,如顶空萃取、超临界流体萃取、膜萃取等。这些方法能有效萃取某些化合物,但其设备复杂,运行成本高,试验条件苛刻,不适于广泛应用。在20世纪90年代初提出了一种新型的样品前处理方法,即固相微萃取技术(SPME),该技术以固相萃取(SPE)为基础发展而来,由于其独到的平衡方法和采样方法受到了广泛关注。该技术操作简便,可以节省样品预处理70%的时间,无需使用有机溶剂,极大地改善了操作人员的工作环境,使实验室排出的有毒溶剂降至最低。萃取过程使用一支方便的萃取器,易于自动化操作,可在任何型号的气相色谱仪(GC)上直接进样。固相微萃取技术是集提取、净化、浓缩、进样为一体的联用技术。近年来,在环境检测中,固相微萃取(SPME)得到迅速的发展和广泛使用。而固相微萃取与气相色谱联用是研究最早、也是发展最成熟的技术。

1 固相微萃取装置与原理

1.1 装置 SPME使用的是类似于微量进样器的萃取装置,由手柄和萃取头2部分构成。萃取头是一根涂有不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维。由于石英纤维非常脆弱,其外部又套一层起保护作用的不锈钢针管,使纤维可在其中自由伸缩,确保纤维在插入和拔出样品瓶、进样口时不被折断。

1.2 原理 SPME技术包括吸附和解析两步,其最大的特点就是一个简单过程中同时完成了取样、萃取和富集,并可以直接进样,完成仪器分析。使用时插入密封的样品瓶,推压柱塞使纤维暴露在样品或在样品顶空气相中。在萃取过程中应用磁力搅拌、超声振荡等方式搅动样品基质,可缩短达到平衡的时间。SPME萃取达到平衡分配时,灵敏度最高。由于萃取头的选择性,净化、浓缩通常是一步完成的。因此,一旦萃取完成,可不经任何处理,萃取头直接进入到气相色谱仪的进样器,通过加热解析后,靠载气将其引入色谱柱,完成提取、分离和浓缩的全部过程。

SPME的萃取机理就是待测物在样品基质和萃取介质(涂层)间的分配。SPME萃取的选择性是根据“相似相溶”原理,结合分析物的迹象、沸点和分配系数,通过选用不同涂层材料的萃取纤维实现的,没有一种萃取头能够萃取所有的化合物。萃取头涂层的极性与厚度必须与分析物的性质相匹配。具有极性较强涂层,如聚丙烯酸酯(PA)的萃取头适合于萃取极性化合物,而具有非极性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层的萃取头则主要用于非极性化合物的萃取。

2 衍生化固相微萃取方式

SPME适用于多种样品,尤其适合于水相基体中超微量有机物的分离。SPME包括直接萃取和顶空萃取2种萃取方式。研究表明,SPME已应用于气体、水、土壤和生物样品中有机物的萃取,主要是挥发和半挥发性有机物,如苯及其同系物(BTEX)、多环芳烃(PAHs)等。对难挥发性、强极性或热不稳定有机物的应用少,即使使用极性的SPME涂层(如聚丙烯酸酯),其萃取效率也比较低。极性有机物分子中多含有酸性官能团(如—OH、—COOH、—NH3等),其偶极距大,挥发性低,色谱行为差,GC不能或难于直接分析。衍生化与SPME的结合,为SPME用于极性、难挥发性有机物的分析提供了可能性。为了达到气相色谱分析的目的,通常采用衍生化反应,用非极性取代基封闭极性官能团,提高分析物的挥发性,将极性分析物转换成弱极性分析物。提高其挥发性,即提高了SPME的萃取效率,同时也提高了色谱分辨率、检测灵敏度及选择性。根据衍生化反应的发生位置,SPME衍生化方法可分为3种方式:①在样品基体中衍生化;②在纤维涂层中衍生化;③在GC进样口衍生化。

2.1 在样品基体中衍生化 在样品基体中衍生,不需要将待分析物预先萃取分离,而是直接将衍生化试剂加入样品基体中。反应完成后,再用SPME萃取。该法最为简单、快速,对于痕量分析检测尤为重要。此法已成功应用于水样中苯酚的测定,通过衍生反应将其转变为乙酸酐酯,可得到满意结果。除了酚的分析,三氟乙酸酯和五氟苯乙醛可分别将气相和水相样品中极性有机胺衍生化为酰胺和亚胺。同直接萃取相比,其检出限降低了2个数量级。脂肪酸直接在水中的衍生化反应非常困难,因为大部分的衍生反应都需要有机介质存在,当直接存在于水溶液中,衍生物会发生水解。该法要求衍生试剂能与目标分析物在样品中(液体、气体或固体)反应,且产生稳定的反应产物。

2.2 在纤维涂层中衍生化 为了避免样品基体对衍生化的影响,衍生化反应可以在纤维涂层中进行。纤维涂层是液体聚合有机物,可作为有机介质,将待分析物和衍生化试剂萃取到SPME涂层中进行衍生化反应。该反应有2种方式:一种是将含有衍生试剂的纤维暴露在样品中,同时进行衍生化反应和萃取过程,这要求衍生试剂和反应所生成的衍生物是相对挥发性较小的物质。例如一些低分子量的羧酸就可以利用卜芘—重氮甲烷作为衍生化试剂,在萃取头上进行萃取同时衍生化。用较大基团芘烷与一些低分子量的羧酸成酯的目的是降低产物挥发性,使产物在样品瓶加热时也能有效地凝集在涂层上,这样带有羧基的化合物即可实现衍生化顶空固相微萃取。另一种方式是在目标分析物被固相微萃取之后进行衍生化。此法已成功提取下水道水中的酸性化合物,将已萃取待测物的萃取头置于装有硅烷化试剂的MTBSTFA试剂瓶中进行衍生化反应。

2.3 在GC进样口衍生化 将衍生化试剂和SPME萃取物分别注入到GC,二者在进样口处借助高温无水条件发生衍生化反应,经热解析后,再进色谱分析。这是比较原始的衍生化方法。研究发现,SPME同时萃取溶解在水中的长链脂肪酸(C14~C22)和四甲基氢氧化铵(TMAH)或四甲基硫酸氢铵(TMA—HSO4),然后插入在300℃的GC进样口衍生化,证明了四甲基铵盐在GC进样口热分解甲酯化法的可行性。但该法不适用于C12以下的脂肪酸,原因是极性强,SPME的萃取效率低。

这3种衍生化方法体现了衍生化固相微萃取的发展过程。目前,SPME衍生化方法已用于有机酸、胺、酚和醇等多种极性化合物的分析。

3 衍生化固相微萃取反应

目前已报道的SPME衍生化反应的文章不多,主要集中在酰化和甲酯化反应,而硅烷化反应的研究较少。酰化反应主要用于封闭羟基、氨基和硫醇基,增加待分析物的挥发性,是最早用于SPME的衍生化反应,主要有醋酐法、卤代酰基法。反应多在样品中进行,通常需要加热(60~80℃)。在水相反应时,衍生化试剂要过量,否则衍生物会水解。甲酯化反应主要用于封闭羧基,因此较多用于脂肪酸的分析。衍生化方法包括重氮烷烃法、氢氧化铵盐分解法。重氮甲酯化反应活性高,常温下即可进行,无副产物,对SPME涂层没有损害,适合在涂层中衍生化。但重氮化试剂的反应活性较高,不易贮藏,反应过程中易发生爆炸,且重氮甲烷是致癌物质,对人体有害。芘基重氮甲烷虽然在常温下比较稳定,但需要有机溶剂,且衍生化反应需要较长的反应时间(>2 h)。此外,Clark等对无机酸催化法进行了研究,在样品中采用盐酸催化甲醇酯化反应后,顶空萃取GC-MS分析了烟草中的有机酸。

硅烷化衍生化方法主要用于封闭含活性氢的基团,适合大多数极性有机物,应用非常广泛。其缺点是衍生物对湿气很灵敏,有时稳定性差。因此这方面的研究较少,涂层中衍生化是主要的研究方向。

4 固相微萃取-气相色谱联用技术

SPME自其出现就与GC联用,是研究最早、也是发展最成熟的技术,非常适用于环境分析检测。对于小分子量高挥发性、半挥发性的有机化合物,经SPME富集之后,多与气相色谱联用,进行分离测定、定量分析。由于SPME技术的无溶剂化特点,色谱柱的柱效不会受溶剂的影响,所以可使用细径、固定相薄的毛细管柱提高分离效果,实现快速分析。利用SPME方法富集废水及饮用水中的挥发性碳化合物(VOCs)及含氯杀虫剂,只用15 m长的短毛细管柱就可进行很好的分离,不仅缩短了分析时间,还降低了检测限。使用SPME-GC联用技术测定水样中的BTEX也更加灵敏,最低检测限为1.5~15.0 pg/ml,大大优于EPA规定方法的检测限(30~90 pg/ml)。SPME与GC联用,通常使用的检测器可以是质谱检测器(MS)、氢火焰离子化检测器(FID)、火焰光度检测器(FPD)、电子捕获检测器(ECD)、原子发射光谱检测器(AED)等,最低检测限可达 10-9、10-12级。

衍生化固相微萃取-气相色谱联用技术作为一种将样品前处理与分离检测结合为一体的技术,已经获得了一定的发展,但衍生化方式、反应类型及反应机理还有待于深入研究。今后的研究应专注于新的衍生试剂的使用和新的SPME涂层的研发。随着衍生化固相微萃取-气相色谱技术的发展及衍生化反应和萃取方式的改进,衍生化固相微萃取-气相色谱技术以及理论研究必将会有大的发展与完善,在样品预处理领域中的应用范围会进一步扩大。

 



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