衍生化固相微萃取技術(shù)在氣相色譜中的應(yīng)用
以下由武漢泰特沃斯科技有限公司色譜技術(shù)人員主要介紹衍生化固相萃取在氣相色譜中的應(yīng)用。固相微萃取技術(shù)(SPME)是20世紀(jì)90年代被提出并得到快速發(fā)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(shù)。針對(duì)強(qiáng)極性、難揮發(fā)的有機(jī)化合物，衍生化反應(yīng)利于進(jìn)一步的色譜分析。重點(diǎn)就固相微萃取的發(fā)展歷史、衍生化反應(yīng)類型及固相微萃取-氣相色譜技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。泰特儀器主要產(chǎn)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(shè)備，以及相關(guān)配套設(shè)備。廣泛應(yīng)用于石油化工、科研教學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品醫(yī)藥安全、高純氣體行業(yè)、生命科學(xué)、司法鑒定等領(lǐng)域。
我國的環(huán)境監(jiān)測始于20世紀(jì)70年代，一開始就成為分析化學(xué)領(lǐng)域最活躍的前沿之一。樣品采集和前處理是目前環(huán)境分析化學(xué)的瓶頸，制約環(huán)境分析化學(xué)的發(fā)展，且往往是測定誤差的主要來源。因此，樣品前處理技術(shù)是目前環(huán)境分析化學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。由于環(huán)境樣品中的有機(jī)污染物具有痕量、復(fù)雜、多組分等特點(diǎn)，因此有機(jī)污染物的分析不僅要開展常規(guī)監(jiān)測和采用綜合測定方法進(jìn)行科研性監(jiān)測，而且有必要選擇一種較好的樣品預(yù)處理方法，才能獲得令人滿意的信息。
傳統(tǒng)的溶劑萃取是樣品預(yù)處理常用手段之一，但具有使用有毒的有機(jī)溶劑、操作繁瑣、不易與其他分析儀器聯(lián)用等缺點(diǎn)。近年來，為提高分析速度和減少對(duì)環(huán)境的污染，發(fā)展了無溶劑萃取技術(shù)，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(shè)備復(fù)雜，運(yùn)行成本高，試驗(yàn)條件苛刻，不適于廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)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(shù)(SPME)，該技術(shù)以固相萃取(SPE)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，由于其獨(dú)到的平衡方法和采樣方法受到了廣泛關(guān)注。該技術(shù)操作簡便，可以節(jié)省樣品預(yù)處理70%的時(shí)間，無需使用有機(jī)溶劑，極大地改善了操作人員的工作環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)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(dòng)化操作，可在任何型號(hào)的氣相色譜儀(GC)上直接進(jìn)樣。固相微萃取技術(shù)是集提取、凈化、濃縮、進(jìn)樣為一體的聯(lián)用技術(shù)。近年來，在環(huán)境檢測中，固相微萃取(SPME)得到迅速的發(fā)展和廣泛使用。而固相微萃取與氣相色譜聯(lián)用是研究最早、也是發(fā)展最成熟的技術(shù)。
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(jìn)樣器的萃取裝置，由手柄和萃取頭2部分構(gòu)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(hù)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(jìn)樣口時(shí)不被折斷。
1.2 原理 SPME技術(shù)包括吸附和解析兩步，其特點(diǎn)就是一個(gè)簡單過程中同時(shí)完成了取樣、萃取和富集，并可以直接進(jìn)樣，完成儀器分析。使用時(shí)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(yīng)用磁力攪拌、超聲振蕩等方式攪動(dòng)樣品基質(zhì)，可縮短達(dá)到平衡的時(shí)間。SPME萃取達(dá)到平衡分配時(shí)，靈敏度高。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(jīng)任何處理，萃取頭直接進(jìn)入到氣相色譜儀的進(jìn)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(jī)理就是待測物在樣品基質(zhì)和萃取介質(zhì)(涂層)間的分配。SPME萃取的選擇性是根據(jù)“相似相溶”原理，結(jié)合分析物的跡象、沸點(diǎn)和分配系數(shù)，通過選用不同涂層材料的萃取纖維實(shí)現(xiàn)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(zhì)相匹配。具有極性較強(qiáng)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(jī)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(yīng)用于氣體、水、土壤和生物樣品中有機(jī)物的萃取，主要是揮發(fā)和半揮發(fā)性有機(jī)物，如苯及其同系物(BTEX)、多環(huán)芳烴(PAHs)等。對(duì)難揮發(fā)性、強(qiáng)極性或熱不穩(wěn)定有機(jī)物的應(yīng)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(jī)物分子中多含有酸性官能團(tuán)(如—OH、—COOH、—NH3等)，其偶極距大，揮發(fā)性低，色譜行為差，GC不能或難于直接分析。衍生化與SPME的結(jié)合，為SPME用于極性、難揮發(fā)性有機(jī)物的分析提供了可能性。為了達(dá)到氣相色譜分析的目的，通常采用衍生化反應(yīng)，用非極性取代基封閉極性官能團(tuán)，提高分析物的揮發(fā)性，將極性分析物轉(zhuǎn)換成弱極性分析物。提高其揮發(fā)性，即提高了SPME的萃取效率，同時(shí)也提高了色譜分辨率、檢測靈敏度及選擇性。根據(jù)衍生化反應(yīng)的發(fā)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(jìn)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(yù)先萃取分離，而是直接將衍生化試劑加入樣品基體中。反應(yīng)完成后，再用SPME萃取。該法最為簡單、快速，對(duì)于痕量分析檢測尤為重要。此法已成功應(yīng)用于水樣中苯酚的測定，通過衍生反應(yīng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜狒?，可得到滿意結(jié)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(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)。脂肪酸直接在水中的衍生化反應(yīng)非常困難，因?yàn)榇蟛糠值难苌磻?yīng)都需要有機(jī)介質(zhì)存在，當(dāng)直接存在于水溶液中，衍生物會(huì)發(fā)生水解。該法要求衍生試劑能與目標(biāo)分析物在樣品中(液體、氣體或固體)反應(yīng)，且產(chǎn)生穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
2.2 在纖維涂層中衍生化 為了避免樣品基體對(duì)衍生化的影響，衍生化反應(yīng)可以在纖維涂層中進(jìn)行。纖維涂層是液體聚合有機(jī)物，可作為有機(jī)介質(zhì)，將待分析物和衍生化試劑萃取到SPME涂層中進(jìn)行衍生化反應(yīng)。該反應(yīng)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(shí)進(jìn)行衍生化反應(yīng)和萃取過程，這要求衍生試劑和反應(yīng)所生成的衍生物是相對(duì)揮發(fā)性較小的物質(zhì)。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(jìn)行萃取同時(shí)衍生化。用較大基團(tuán)芘烷與一些低分子量的羧酸成酯的目的是降低產(chǎn)物揮發(fā)性，使產(chǎn)物在樣品瓶加熱時(shí)也能有效地凝集在涂層上，這樣帶有羧基的化合物即可實(shí)現(xiàn)衍生化頂空固相微萃取。另一種方式是在目標(biāo)分析物被固相微萃取之后進(jìn)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(jìn)行衍生化反應(yīng)。
2.3 在GC進(jìn)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(jìn)樣口處借助高溫?zé)o水條件發(fā)生衍生化反應(yīng)，經(jīng)熱解析后，再進(jìn)色譜分析。這是比較原始的衍生化方法。研究發(fā)現(xiàn)，SPME同時(shí)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(jìn)樣口衍生化，證明了四甲基銨鹽在GC進(jìn)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(qiáng)，SPME的萃取效率低。
這3種衍生化方法體現(xiàn)了衍生化固相微萃取的發(fā)展過程。目前，SPME衍生化方法已用于有機(jī)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(yīng)
目前已報(bào)道的SPME衍生化反應(yīng)的文章不多，主要集中在?；图柞セ磻?yīng)，而硅烷化反應(yīng)的研究較少。?；磻?yīng)主要用于封閉羥基、氨基和硫醇基，增加待分析物的揮發(fā)性，是最早用于SPME的衍生化反應(yīng)，主要有醋酐法、鹵代?；?。反應(yīng)多在樣品中進(jìn)行，通常需要加熱(60～80℃)。在水相反應(yīng)時(shí)，衍生化試劑要過量，否則衍生物會(huì)水解。甲酯化反應(yīng)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(yīng)活性高，常溫下即可進(jìn)行，無副產(chǎn)物，對(duì)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(yīng)活性較高，不易貯藏，反應(yīng)過程中易發(fā)生爆炸，且重氮甲烷是致癌物質(zhì)，對(duì)人體有害。芘基重氮甲烷雖然在常溫下比較穩(wěn)定，但需要有機(jī)溶劑，且衍生化反應(yīng)需要較長的反應(yīng)時(shí)間(＞2 h)。此外，Clark等對(duì)無機(jī)酸催化法進(jìn)行了研究，在樣品中采用鹽酸催化甲醇酯化反應(yīng)后，頂空萃取GC-MS分析了煙草中的有機(jī)酸。
硅烷化衍生化方法主要用于封閉含活性氫的基團(tuán)，適合大多數(shù)極性有機(jī)物，應(yīng)用非常廣泛。其缺點(diǎn)是衍生物對(duì)濕氣很靈敏，有時(shí)穩(wěn)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?。瓪庀嗌V聯(lián)用技術(shù)
SPME自其出現(xiàn)就與GC聯(lián)用，是研究最早、也是發(fā)展最成熟的技術(shù)，非常適用于環(huán)境分析檢測。對(duì)于小分子量高揮發(fā)性、半揮發(fā)性的有機(jī)化合物，經(jīng)SPME富集之后，多與氣相色譜聯(lián)用，進(jìn)行分離測定、定量分析。由于SPME技術(shù)的無溶劑化特點(diǎn)，色譜柱的柱效不會(huì)受溶劑的影響，所以可使用細(xì)徑、固定相薄的毛細(xì)管柱提高分離效果，實(shí)現(xiàn)快速分析。利用SPME方法富集廢水及飲用水中的揮發(fā)性碳化合物(VOCs)及含氯殺蟲劑，只用15 m長的短毛細(xì)管柱就可進(jìn)行很好的分離，不僅縮短了分析時(shí)間，還降低了檢測限。使用SPME-GC聯(lián)用技術(shù)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(yōu)于EPA規(guī)定方法的檢測限(30～90 pg/ml)。SPME與GC聯(lián)用，通常使用的檢測器可以是質(zhì)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(fā)射光譜檢測器(AED)等，最低檢測限可達(dá) 10-9、10-12級(jí)。
衍生化固相微萃取-氣相色譜聯(lián)用技術(shù)作為一種將樣品前處理與分離檢測結(jié)合為一體的技術(shù)，已經(jīng)獲得了一定的發(fā)展，但衍生化方式、反應(yīng)類型及反應(yīng)機(jī)理還有待于深入研究。今后的研究應(yīng)專注于新的衍生試劑的使用和新的SPME涂層的研發(fā)。隨著衍生化固相微萃取-氣相色譜技術(shù)的發(fā)展及衍生化反應(yīng)和萃取方式的改進(jìn)，衍生化固相微萃取-氣相色譜技術(shù)以及理論研究必將會(huì)有大的發(fā)展與完善，在樣品預(yù)處理領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
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