分析化学(FE NXI H UAX UE ) 评述与进展第9期
第32卷
液相微萃取技术的研究进展
赵汝松 徐晓白3 刘秀芬
(中国科学院生态环境研究中心, 北京100085)
摘 要 液相微萃取是近年来发展起来的一种新型的样品前处理技术, 该技术集采样、萃取和浓缩于一体, 需要有机溶剂量非常少, 是一种环境友好的萃取技术, 在国内尚未广泛应用。本文综述了液相微萃取的方式、原理、影响因素和应用, 引用文献30篇。
关键词 液相微萃取, 样品前处理, 环境污染物, 有机溶剂, 评述
1 引 言
样品前处理在分析过程中占有重要的地位。迄今为止, , 用得较多的也有十几种[1]。这些方法手工操作多, 劳动强度大, , , 特别是含卤素的有机溶剂, , (liq 2uid 2phase microextraction ,LPME ) 或溶剂微萃取(s olvent ,S ) 的样品前处理技术, 最初是由Jeannot 和2液萃取(Liquid 2liquid extrac 2tion ,LLE ) , , 甚至更佳的富集效果, 同时, , 灵敏度高, 操作简单, 而且还具有快捷, 廉价[4]等特点。另外, (几至几十μL ) , 是一项环境友好的样品前处理新技术, 特别、超痕量污染物的测定。
2 液相微萃取的方式
2. 1 直接液相微萃取(direct liquid 2phase microextraction , Direct 2LPME)
直接利用悬挂在色谱微量进样器针头[3]或T eflon 棒端的有机溶剂[2]对溶液中的分析物直接进行萃取的方法, 叫做直接液相微萃取法(如图1a 所示) 。这种方法一般比较适合于萃取较为洁净的液体样品。但由于悬在色谱微量进样器针头上的有机液滴在样品搅拌时易于脱落, 最近有人将多孔性的中空纤维固定在进样器的针头上[4], 用于保护和容纳有机溶剂, 同时由于纤维上的多孔性, 增加了溶剂与样品接触的表面积, 从而提高了萃取率。
2. 2 液相微萃取/后萃取(liquid 2phase microextraction with back extraction ,LPME/BE)
液相微萃取/后萃取又称为液2液2液微萃取(liquid 2liquid 2liquid microextraction , LLLME ) , 整个萃取过程如下[5]:给体(样品) 中的分析物首先被萃取到有机溶剂中, 接着又被后萃取到受体里(如图1b 和c 所示) 。这种方式一般适用于在有机溶剂中富集效率不是很高的分析物, 需要通过后萃取来进一步提高富集倍数。如在对酚类化合物进行萃取时[6], 通过调节给体(样品) 的pH 值来使酚类以中性形式存在, 那么它们在给体中的溶解度减少, 在搅拌时酚类化合物很容易地被萃取到有机溶剂中, 再通过调节受体pH 值到强碱性, 可以把酚类从有机溶剂中进一步浓缩到富集能力更强的受体(强碱性溶液) 里。对芳香胺的萃取也可采用类似的方法, 只是在受体中加入了182冠26, 它可以与芳香胺发生络合作用, 实现更佳的富集效果。
2. 3 顶空液相微萃取(headspace liquid 2phase microextraction , H S 2LPME)
把有机溶剂悬于样品的上部空间而进行萃取的方法, 叫做顶空液相微萃取法(如图1d 所示) 。这种方法适用于分析物容易进入样品上方空间的挥发性或半挥发性有机化合物。在顶空液相微萃取中包
2003212201收稿;2004205220接受
第9期赵汝松等:液相微萃取技术的研究进展124 7
含3相(有机溶剂、液上空间、样品) , 分析物在3相中的化学势是推动分析物从样品进入有机液滴的驱
动力, 可以通过不断搅拌样品产生连续的新表面来增强这种驱动力。挥发性化合物在液上空间的传质速度非常快, 这是因为在气相中, 分析物具有较大的扩散系数, 且挥发性化合物从水中到液上空间再到有机溶剂比从水中直接进入有机溶剂的传质速度快得多, 所以对于水中的挥发性有机物, 顶空液相微萃取法比直接液相微萃取法更快捷。
由于直接液相微萃取法在萃取样品时, 不可避免的会在有机液滴外围形成一层稳定的扩散层[7], 这会阻碍分析物向有机溶剂液滴的扩散迁移, 而顶空萃取法克服了这一局限, 由于分析物在气相的扩散系数是其在凝聚相的104倍[8], 因此对于扩散系数较大的挥发性物质, 顶空液相微萃取大大缩短了到达平衡所需的时间, 同时还可以消除样品基质的干扰。到目前为止, 应用还很少[9]。最近我们利用这种萃取方式成功地对饮用水中的三卤甲烷(CHCl 3, CHCl 2Br , CHClBr 2, CH Br 3) 进行了快速分析[10]
。
图m of 2microextraction (LP ME )
1. (syringe ) ; 2. 样品溶液(sam ple s olution ) ; 3. 有机溶剂(organic s olvent ) ; 4. 搅拌子(stirring bar ) ; 5. 搅拌器(stirrer ) ; 6. 聚四氟乙烯环(teflon ring ) ; 7. 受体(acceptor ) ; 8. 多孔性的中空纤维(已用有机溶剂浸
渍过) (porous hollow fiber (im pregnated with organic phase ) ) 。a. 直接液相微萃取(direct liquid 2phase m icroex 2
traction ) ; b 和c. 液相微萃取/后萃取(liquid 2phase m icroextraction/back extraction ) ; d. 顶空液相微萃取(headspace liquid 2phase m icroextraction ) 。
3 液相微萃取的理论基础
液相微萃取是一个基于分析物在样品及小体积的有机溶剂(或受体) 之间平衡分配的过程。对于直
接液相微萃取体系, 当系统达到平衡时, 有机溶剂中萃取到的分析物的量由下式计算确定[11]:
(1) n =K odw V d C 0V s /(K odw V d +V s ) 其中n 为有机溶剂萃取到的分析物的量; C 0为分析物的初始浓度; K odw 为分析物在有机液滴与样品之
间的分配系数; V d 、V s 分别为有机液滴和样品的体积。
对于液相微萃取/后萃取体系, 当体系达到平衡后受体中分析物的萃取量n 可按下式计算:
(2) n =K a/d V a C 0V d /(K a/d V a +K org/d V org +V d )
V d 、V a 和V org 分别为给体(样品) 、受体和有机溶剂的体积; K a/d 为分析物在受体与给体之间的分配系数; K org/d 为分析物在有机溶剂和给体之间的分配系数。
对于顶空液相微萃取体系, 当体系达到平衡后液滴中分析物的萃取量n 可按下式计算[11]:
n =K o dw V d C 0V s /(K odw V d +K hs V h +V s )
(3)
其中K hs 为分析物在顶空与样品之间的分配系数; V h 为样品的顶空的体积。
(2) 和(3) 式中可以看出, 平衡时有机溶剂(或受体) 中所萃取到的分析物的量与样品的初始从(1) 、
浓度呈线性关系。
4 萃取效率的影响因素
LPME 对分析物的萃取受某些几个因素的影响, 例如有机溶剂种类、液滴大小、搅拌速率、盐效应、pH 值以及温度等。
1248分析化学第32卷
4. 1 有机溶剂与液滴大小
选择合适的有机溶剂是提高分析物灵敏度的关键, 其选择的基本原则是“相似相溶原理”, 即溶剂的性质必须与分析物的性质相匹配, 才能保证溶剂对分析物有较强的萃取富集能力。另外还需要符合以下几点[4]:(1) 对直接LPME 和LPME/BE , 溶剂与样品一定不能混溶或在样品中的溶解度非常小; (2) 在进行后序仪器的分析时, 溶剂必须易于与分析物分离; (3) 如果使用多孔性的中空纤维, 溶剂必须易于充满纤维壁上的孔穴; (4) 在使用多孔性的中空纤维时, 溶剂必须在较短的时间内(几秒) 固定在纤维上; (5) 对于顶空LPME , 有机溶剂还需有较高的沸点和较低的蒸汽压, 以减少在萃取过程中的挥发。
液滴大小对分析的灵敏度影响也很大。一般来说, 液滴体积越大, 分析物的萃取量越大, 有利于提高方法的灵敏度。但由于分析物进入液滴是扩散过程, 液滴体积越大, 萃取速率越小, 达到平衡所需的时间也就越长。4. 2 搅拌速率的影响
搅拌速率是影响分析速度的重要因素。基于对流2扩散的膜理论[3], 在稳态时, 溶液中质量传递的系数βaq 由下式决定:
β(4) aq =D aq /δaq , D aq , 提高了分析物向溶剂的扩散速率, , 但如果搅拌速率过快, 有可能破坏萃取液滴。4. 3 盐效应与pH 值
, 当样品基体发生变化时, 分配系。(如NaCl , Na 2S O 4等) , 可以增加溶液的离子强度, , , 这也是提高分析灵敏度的有效途径。
控制溶液的pH 值能够改变一些分析物在溶液中的存在形式, 减少它们在水中的溶解度, 增加它们在有机相中的分配。如在对酚类化合物进行LPME/BE 时[6], 控制较小的pH 值, 使溶液中的酚类化合物以分子形式存在, 减少了在水中溶解度, 从而提高了萃取率。4. 4 温度的影响
一般来说, 温度对液相微萃取有两方面的影响:升高温度, 分析物向有机相的扩散系数增大, 扩散速度随之增大, 同时加强了对流过程, 升温有利于缩短达平衡的时间; 但是, 升温会使分析物的分配系数减小, 导致其在溶剂中的萃取量减少。所以, 实验时应兼顾萃取时间和萃取效果, 寻找最佳的工作温度。4. 5 萃取时间的影响
由于液相微萃取过程是一个基于分析物在样品与有机溶剂(或受体) 之间分配平衡的过程, 所以分析物在平衡时的萃取量将达到最大。对于分配系数较小的分析物, 一般需要较长的时间才能达到平衡, 所以, 选择的萃取时间一般在平衡之前(非平衡) 。在这种情况下, 为保证得到较好的重现性, 萃取时间必须严格控制。另外, 萃取时间也会对有机液滴大小产生影响。虽然有机相在水中有较小的溶解度, 但随着萃取时间的增加, 体积本来就不大的有机液滴就会出现较为明显的损失[7]。为了矫正这种变化, 常在萃取溶剂中加入内标。
5 应 用
5. 1 环境监测
对水中污染物的监测是环境分析的重要任务之一。目前使用LPME 方法处理的有机污染物主要包括氯苯[12]、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons , PAHs ) [4,13]、酞酸酯[14]、芳香胺[15,16]、酚类化合物[6]、苯及其同系物(benzene , toluene , ethylbenzene and xylene , BTEX ) [11]、硝基芳族类炸药[17]、有机氯农药(organochlorine pesticides , OCPs ) [7]、杀虫剂硫丹[18]、三嗪类除草剂[19]、三卤甲烷(trihalomethanes , TH Ms ) [10]以及烷基酚[20]等。表1列出了采用LPME 进行样品前处理时所得到的水中污染物的分析结果。
第9期赵汝松等:液相微萃取技术的研究进展124 9
将这种技术用于土壤中污染物的分析也有报道。K ing 等[21]曾对土壤中的17中多环芳烃(PAHs ) 通
过LPME 2G C 法进行了同时测定:8μL 的正辛烷被注入多孔性的聚丙烯中空纤维中, 用于萃取用丙酮和水处理的土壤样品; 萃取8min 后,4μL 的正辛烷被注入到G C 中进行分析。分析过程可在10min 内完成, 富集倍数在80. 1～170. 7之间。
表1 水中污染物的分析结果T able 1 Analytical results of environmental contaminations in water
分析物
Analyte
萃取剂
Extract s olvent
萃取方式
Sam pling
m ode Direct 2LPME Direct 2LPME HS 2LPME Direct 2LPME LPME/BE LPME/BE HS 2LPME Direct 2Direct 2Direct 2LPME HS 2LPME Direct 2LPME
线性范围
Linear range (μg/L ) 1～5010～40010～2400. 02～101～5002. 5～25001～10008. 7检出限
Detection lim it (μg/L ) 0. 02～0. 054～410. 005～0. 10. 05～0. 100. 85～1. 800. 5～2. 5～5. 00. 相对标准偏差
RS D (%) 5. 3
文献
Ref. 124,131415,[**************]0
氯苯Chlorobenzenes 多环芳烃P olycyclic aromatic hydlrocarbons 酞酸酯Phthalate esters 芳香胺
Aromatic am ines
异辛烷Is ooctane 正辛醇12Octanol 正丁醇12Butanol 甲苯T oluene
正己醚Di 2n 2hexyl ether 乙酸乙酯E thyl acetate 正己烷n 2Hexane 正十六烷n 2Hexadecane 甲苯T oluene 正己烷n 2正辛醇12octanol
[C 6MI M][PF 6]
酚类化合物
Phenolic com pounds
苯及其同系物BTEX 硝基芳香类炸药
Nitroaromatic explosive
有机氯农药Organo 2
chlorinepesticides
0. 05～2. 00. 5～501～10010～100
0. 005～0. 20. 010. 007～0. 0630. 15～0. 40. 3, 0. 7
硫丹Endosulfan T riazine 三卤甲烷
T rihalomethanes
烷基酚Alkylphenols
5. 2 饮料分析
T ankeviciute 等[9]最早采用HS 2LPME 2G C 对啤酒中的8种醇进行了分析。对3种极性不同的溶剂
———癸烷、邻二甲苯和乙二醇的萃取效果进行了比较, 发现乙二醇有较好的富集效果。他们还对萃取温度、搅拌速度、萃取时间以及离子强度等条件进行了优化, 应用于啤酒中醇类的测定, 得到了满意的结果。该实验表明LPME 对饮料分析具有巨大的潜力。G onz ález 2Pe λas 等[22]采用正辛醇作为LPME 的萃取剂, 成功地对酒中的污染物赭曲霉素A (Ochratoxin A , OT A ) 进行了萃取, 高效液相色谱2荧光检测进行g/L , 检出限为0. 2μg/L 。结果表明:该方法简了定量。该方法的回收率为77%; 线性范围为0. 25～10μ
单、廉价, 适合于酒中赭曲霉素A 的测定。5. 3 生物分析
由于生物样品组成复杂或受到样品基体的强烈干扰, 对生物物质或者生物体内物质的前处理往往存在着手工操作多, 步骤繁琐等缺点, 而且方法的灵敏度也很低。近年来化学工作者们尝试着将这一技术用于生物分析。表2列出了采用LPME 进行样品前处理时所得到的生物样品的分析结果。
6 液相微萃取与固相微萃取的比较
同液相微萃取一样, 固相微萃取(s olid 2phase microextraction ,SPME ) 也是一种新型的样品前处理技术, 最初是由Pawliszyn 及其合作者在1990年提出的[30]。SPME 的最大优点是该技术是一种无溶剂样品前处理技术, 并已经广泛应用于环境样品中污染物的分析。首先使用SPME 萃取头对样品中的分析物进行萃取; 然后再利用气相色谱进样口的高温或高效液相色谱的流动相或毛细管电泳的缓冲溶液等对萃取的分析物进行解吸。SPME 装置的核心部分是萃取头, 现在已经出现了几种商品化的萃取头, 可以根据分析物种类的不同进行选择。但是SPME 萃取头比较昂贵, 易碎, 寿命较短, 一般可以使用几十次。另外, 新的萃取头在使用之前必须进行老化, 以除去涂层上可能有的污染物。在气相色谱进样口进行热
1250分析化学第32卷
解吸时[9], 解吸速度比较慢, 而且有时候还容易导致分析物的色谱峰拖尾; 当SPME 与高效液相色谱联用时, 需要一个专门的解吸装置, 而且分析物解吸完全需要相当长的时间。
表2 生物样品的分析结果T able 2 Analytical results of biological sam ples
样品基质
Sam ple matrix
分析物
Analyte
M ianserin
μ线性范围(g/L )
Linear range 2. 5～850. 5～8. 0320～100020～100040～6001000～1000002. 5～150
μ检出限(g/L )
Detection lim it
4
0. 020～0. 1153
2. 005～5. 56～2815～5000. 0794
相对标准偏差
RS D (%) 8. 8～12. 36. 6～15. 613. 33. 6～1995～20
Ref. [1**********]829
血浆Plasma 尿Urine
血浆Plasma 尿Urine 血浆Plasma 血浆Plasma 唾液Saliva 尿Urine 血浆Plasma 3单位(unit ) :μm ol/L
安定及代谢物
Diazepam and metabolite Citalopram
Citalopram and metabolite
可卡因及代谢物
C ocaine and metabolites
安非他明Am phetam ines
苯环己哌啶Phencyclidine 多氯联苯
P olychlorinated biphenyls
与SPME 相比,LPME , [17]。LPME 的最大优点是:。这种萃取方式可以将一些酸性或碱性, 。另外, 中空纤维上的小孔也起到微过滤作用], 。液相微萃取的分析物用气相色谱进行分析时克服了解吸速度慢、, 液相微萃取与液相色谱联用时无需专门的解吸装置。这种技术所需要的装置非常简单, 一支普通的微量进样器或多孔性的中空纤维即可。尽管商品化的SPME 萃取头种类不断增加, 但是可用于LPME 的溶剂种类更多, 为优化LPME 的萃取条件提供了更大的选择空间。
7 结束语
LPME 液相微萃取作为一种新型的样品前处理技术, 在分析领域中展现出愈来愈广阔的应用前景。
这种技术现在虽然主要应用于一些难挥发和半挥发的环境污染物以及生物样品中药物的分析, 但是随着人们对其理论研究的不断深入和更多种有机溶剂的使用,LPME 技术将在生命科学领域中, 如一些药物、蛋白质、缩氨酸等分析中大显身手。同时,LPME 技术在处理样品时只需一个搅拌器、一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。R eferences
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第9期赵汝松等:液相微萃取技术的研究进展125 1
14 Psillakis E ,K alogerakis N. J. Chromatogr. A , 2003, 999(122) :145～15315 Zhao L , Zhu L , Lee H K. J. Chromatogr. A , 2002, 963:239～24816 Zhu L , T ay C B , Lee H K. J. Chromatogr. A , 2002, 963:231～23717 Psillakis E , K alogerakis N. J. Chromatogr. A , 2001, 907:211～219
18 L ópez 2Blanco M C , Blanco 2Cid S , Cancho 2G rande B , S imal 2G ándara Z. J. Chromatogr. A , 2003, 984:245～25219 Shen G, Lee H K. Anal. Chem. , 2002, 74:648～654
20 Liu J 2f , Chi Y 2g , Jiang G 2b , T ai C , Peng J 2f , Hu J T. J. Chromatogr. A , 2004, 1026:143～14721 K ing S , Meyer J S , Andrew A R J. J. Chromatogr. A , 2002, 982:201～208
22 G onz ález 2Pe λas E ,Leache C ,Viscarret M ,P érez de Obanos A ,Aragu ás C ,L ópez de Cerain A. J. Chromatogr. A , 2004, 1025:
163～168
23 Andersen S , Halv orsen T G, Pedersen 2Bjergaard S. J. Chromatogr. A , 2002, 963:303～31224 Ugland H G, K rogh M , Rasmussen K E. J. Chromatogr. B , 2000, 749:85～92
25 Halv orsen T G, Pedersen 2Bjergaard S , Rasmussen K E. J. Chromatogr. B , 2001, 760:219～22626 Halv orsen T G, Pedersen 2Bjergaard S , Rasmussen K E. J. Chromatogr. A , 2001, 909:87～9327 Jager L de , Andrews A R. J. Anal. Chim. Acta , 2002, 458:311～32028 Andrews A R J. Casari C. Forensic Science International , 2001, 120:～17129 Basheer C , Lee H K, Obbard J P. J. Chromatogr. A , 2004, 1022:30 Arthur C L , Pawliszyn J. Anal. Chem. , 1990,62:The Liquid 2Phase Microextraction
Zhao Rus ong , Xu X iaobai 3, Liu X iu fen
(Reseach Center for Eco 2Environmental Sciences , Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100085)
Abstract Liquid 2phase microextraction is a new sam ple pretreatment technique that integrates sam pling , extraction and concentration into a single step. This paper reviewed the recent developments of liquid 2phase microextraction and its application in the analysis of environmental contaminations , beverage and biological sam ples ,etc. At the same time , parameters affecting the determination have been discussed.
K eyw ords Liquid 2phase microextraction , sam ple pretreatment , environmental contaminations , organic s olvent , review
(Received 1December 2003; accepted 20M ay 2004)
2004年国际生物芯片技术论坛即将召开
2004年10月21～24日, 北京中关村生命科学园
会议由清华大学、生物芯片北京国家工程研究中心、科技部、教育部、国家自然科学基金委员会等单位共同主办, 由生物芯片北京国家工程研究中心具体筹办。
会议议题主要包括以下内容:(1) DNA 、蛋白质、细胞及组织微阵列芯片技术; (2) 微流体芯片及缩微芯片实验室技术; (3) 芯片药物筛选技术; (4) 生物信息学技术。
会议已邀请到30余位国际上最权威的生物专家来作大会特邀报告, 其中既有从事生物芯片前沿性探索研究的科研院校的著名教授, 也有从事生物芯片研发的知名商业公司的总裁或部门经理, 是国内学者和投资机构进行交流和学习的良好机会。
会议网站:http://w w w. capitalbio. com/IF BT 2004/
会议联系人:任琛 联系电话:[1**********]9;[1**********]; 传真电话:[1**********]9
E 2mail :chren@capitalbio. com
地址:北京市海淀区清华大学生物科学与技术系301室 邮编:100084
分析化学(FE NXI H UAX UE ) 评述与进展第9期
第32卷
液相微萃取技术的研究进展
赵汝松 徐晓白3 刘秀芬
(中国科学院生态环境研究中心, 北京100085)
摘 要 液相微萃取是近年来发展起来的一种新型的样品前处理技术, 该技术集采样、萃取和浓缩于一体, 需要有机溶剂量非常少, 是一种环境友好的萃取技术, 在国内尚未广泛应用。本文综述了液相微萃取的方式、原理、影响因素和应用, 引用文献30篇。
关键词 液相微萃取, 样品前处理, 环境污染物, 有机溶剂, 评述
1 引 言
样品前处理在分析过程中占有重要的地位。迄今为止, , 用得较多的也有十几种[1]。这些方法手工操作多, 劳动强度大, , , 特别是含卤素的有机溶剂, , (liq 2uid 2phase microextraction ,LPME ) 或溶剂微萃取(s olvent ,S ) 的样品前处理技术, 最初是由Jeannot 和2液萃取(Liquid 2liquid extrac 2tion ,LLE ) , , 甚至更佳的富集效果, 同时, , 灵敏度高, 操作简单, 而且还具有快捷, 廉价[4]等特点。另外, (几至几十μL ) , 是一项环境友好的样品前处理新技术, 特别、超痕量污染物的测定。
2 液相微萃取的方式
2. 1 直接液相微萃取(direct liquid 2phase microextraction , Direct 2LPME)
直接利用悬挂在色谱微量进样器针头[3]或T eflon 棒端的有机溶剂[2]对溶液中的分析物直接进行萃取的方法, 叫做直接液相微萃取法(如图1a 所示) 。这种方法一般比较适合于萃取较为洁净的液体样品。但由于悬在色谱微量进样器针头上的有机液滴在样品搅拌时易于脱落, 最近有人将多孔性的中空纤维固定在进样器的针头上[4], 用于保护和容纳有机溶剂, 同时由于纤维上的多孔性, 增加了溶剂与样品接触的表面积, 从而提高了萃取率。
2. 2 液相微萃取/后萃取(liquid 2phase microextraction with back extraction ,LPME/BE)
液相微萃取/后萃取又称为液2液2液微萃取(liquid 2liquid 2liquid microextraction , LLLME ) , 整个萃取过程如下[5]:给体(样品) 中的分析物首先被萃取到有机溶剂中, 接着又被后萃取到受体里(如图1b 和c 所示) 。这种方式一般适用于在有机溶剂中富集效率不是很高的分析物, 需要通过后萃取来进一步提高富集倍数。如在对酚类化合物进行萃取时[6], 通过调节给体(样品) 的pH 值来使酚类以中性形式存在, 那么它们在给体中的溶解度减少, 在搅拌时酚类化合物很容易地被萃取到有机溶剂中, 再通过调节受体pH 值到强碱性, 可以把酚类从有机溶剂中进一步浓缩到富集能力更强的受体(强碱性溶液) 里。对芳香胺的萃取也可采用类似的方法, 只是在受体中加入了182冠26, 它可以与芳香胺发生络合作用, 实现更佳的富集效果。
2. 3 顶空液相微萃取(headspace liquid 2phase microextraction , H S 2LPME)
把有机溶剂悬于样品的上部空间而进行萃取的方法, 叫做顶空液相微萃取法(如图1d 所示) 。这种方法适用于分析物容易进入样品上方空间的挥发性或半挥发性有机化合物。在顶空液相微萃取中包
2003212201收稿;2004205220接受
第9期赵汝松等:液相微萃取技术的研究进展124 7
含3相(有机溶剂、液上空间、样品) , 分析物在3相中的化学势是推动分析物从样品进入有机液滴的驱
动力, 可以通过不断搅拌样品产生连续的新表面来增强这种驱动力。挥发性化合物在液上空间的传质速度非常快, 这是因为在气相中, 分析物具有较大的扩散系数, 且挥发性化合物从水中到液上空间再到有机溶剂比从水中直接进入有机溶剂的传质速度快得多, 所以对于水中的挥发性有机物, 顶空液相微萃取法比直接液相微萃取法更快捷。
由于直接液相微萃取法在萃取样品时, 不可避免的会在有机液滴外围形成一层稳定的扩散层[7], 这会阻碍分析物向有机溶剂液滴的扩散迁移, 而顶空萃取法克服了这一局限, 由于分析物在气相的扩散系数是其在凝聚相的104倍[8], 因此对于扩散系数较大的挥发性物质, 顶空液相微萃取大大缩短了到达平衡所需的时间, 同时还可以消除样品基质的干扰。到目前为止, 应用还很少[9]。最近我们利用这种萃取方式成功地对饮用水中的三卤甲烷(CHCl 3, CHCl 2Br , CHClBr 2, CH Br 3) 进行了快速分析[10]
。
图m of 2microextraction (LP ME )
1. (syringe ) ; 2. 样品溶液(sam ple s olution ) ; 3. 有机溶剂(organic s olvent ) ; 4. 搅拌子(stirring bar ) ; 5. 搅拌器(stirrer ) ; 6. 聚四氟乙烯环(teflon ring ) ; 7. 受体(acceptor ) ; 8. 多孔性的中空纤维(已用有机溶剂浸
渍过) (porous hollow fiber (im pregnated with organic phase ) ) 。a. 直接液相微萃取(direct liquid 2phase m icroex 2
traction ) ; b 和c. 液相微萃取/后萃取(liquid 2phase m icroextraction/back extraction ) ; d. 顶空液相微萃取(headspace liquid 2phase m icroextraction ) 。
3 液相微萃取的理论基础
液相微萃取是一个基于分析物在样品及小体积的有机溶剂(或受体) 之间平衡分配的过程。对于直
接液相微萃取体系, 当系统达到平衡时, 有机溶剂中萃取到的分析物的量由下式计算确定[11]:
(1) n =K odw V d C 0V s /(K odw V d +V s ) 其中n 为有机溶剂萃取到的分析物的量; C 0为分析物的初始浓度; K odw 为分析物在有机液滴与样品之
间的分配系数; V d 、V s 分别为有机液滴和样品的体积。
对于液相微萃取/后萃取体系, 当体系达到平衡后受体中分析物的萃取量n 可按下式计算:
(2) n =K a/d V a C 0V d /(K a/d V a +K org/d V org +V d )
V d 、V a 和V org 分别为给体(样品) 、受体和有机溶剂的体积; K a/d 为分析物在受体与给体之间的分配系数; K org/d 为分析物在有机溶剂和给体之间的分配系数。
对于顶空液相微萃取体系, 当体系达到平衡后液滴中分析物的萃取量n 可按下式计算[11]:
n =K o dw V d C 0V s /(K odw V d +K hs V h +V s )
(3)
其中K hs 为分析物在顶空与样品之间的分配系数; V h 为样品的顶空的体积。
(2) 和(3) 式中可以看出, 平衡时有机溶剂(或受体) 中所萃取到的分析物的量与样品的初始从(1) 、
浓度呈线性关系。
4 萃取效率的影响因素
LPME 对分析物的萃取受某些几个因素的影响, 例如有机溶剂种类、液滴大小、搅拌速率、盐效应、pH 值以及温度等。
1248分析化学第32卷
4. 1 有机溶剂与液滴大小
选择合适的有机溶剂是提高分析物灵敏度的关键, 其选择的基本原则是“相似相溶原理”, 即溶剂的性质必须与分析物的性质相匹配, 才能保证溶剂对分析物有较强的萃取富集能力。另外还需要符合以下几点[4]:(1) 对直接LPME 和LPME/BE , 溶剂与样品一定不能混溶或在样品中的溶解度非常小; (2) 在进行后序仪器的分析时, 溶剂必须易于与分析物分离; (3) 如果使用多孔性的中空纤维, 溶剂必须易于充满纤维壁上的孔穴; (4) 在使用多孔性的中空纤维时, 溶剂必须在较短的时间内(几秒) 固定在纤维上; (5) 对于顶空LPME , 有机溶剂还需有较高的沸点和较低的蒸汽压, 以减少在萃取过程中的挥发。
液滴大小对分析的灵敏度影响也很大。一般来说, 液滴体积越大, 分析物的萃取量越大, 有利于提高方法的灵敏度。但由于分析物进入液滴是扩散过程, 液滴体积越大, 萃取速率越小, 达到平衡所需的时间也就越长。4. 2 搅拌速率的影响
搅拌速率是影响分析速度的重要因素。基于对流2扩散的膜理论[3], 在稳态时, 溶液中质量传递的系数βaq 由下式决定:
β(4) aq =D aq /δaq , D aq , 提高了分析物向溶剂的扩散速率, , 但如果搅拌速率过快, 有可能破坏萃取液滴。4. 3 盐效应与pH 值
, 当样品基体发生变化时, 分配系。(如NaCl , Na 2S O 4等) , 可以增加溶液的离子强度, , , 这也是提高分析灵敏度的有效途径。
控制溶液的pH 值能够改变一些分析物在溶液中的存在形式, 减少它们在水中的溶解度, 增加它们在有机相中的分配。如在对酚类化合物进行LPME/BE 时[6], 控制较小的pH 值, 使溶液中的酚类化合物以分子形式存在, 减少了在水中溶解度, 从而提高了萃取率。4. 4 温度的影响
一般来说, 温度对液相微萃取有两方面的影响:升高温度, 分析物向有机相的扩散系数增大, 扩散速度随之增大, 同时加强了对流过程, 升温有利于缩短达平衡的时间; 但是, 升温会使分析物的分配系数减小, 导致其在溶剂中的萃取量减少。所以, 实验时应兼顾萃取时间和萃取效果, 寻找最佳的工作温度。4. 5 萃取时间的影响
由于液相微萃取过程是一个基于分析物在样品与有机溶剂(或受体) 之间分配平衡的过程, 所以分析物在平衡时的萃取量将达到最大。对于分配系数较小的分析物, 一般需要较长的时间才能达到平衡, 所以, 选择的萃取时间一般在平衡之前(非平衡) 。在这种情况下, 为保证得到较好的重现性, 萃取时间必须严格控制。另外, 萃取时间也会对有机液滴大小产生影响。虽然有机相在水中有较小的溶解度, 但随着萃取时间的增加, 体积本来就不大的有机液滴就会出现较为明显的损失[7]。为了矫正这种变化, 常在萃取溶剂中加入内标。
5 应 用
5. 1 环境监测
对水中污染物的监测是环境分析的重要任务之一。目前使用LPME 方法处理的有机污染物主要包括氯苯[12]、多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons , PAHs ) [4,13]、酞酸酯[14]、芳香胺[15,16]、酚类化合物[6]、苯及其同系物(benzene , toluene , ethylbenzene and xylene , BTEX ) [11]、硝基芳族类炸药[17]、有机氯农药(organochlorine pesticides , OCPs ) [7]、杀虫剂硫丹[18]、三嗪类除草剂[19]、三卤甲烷(trihalomethanes , TH Ms ) [10]以及烷基酚[20]等。表1列出了采用LPME 进行样品前处理时所得到的水中污染物的分析结果。
第9期赵汝松等:液相微萃取技术的研究进展124 9
将这种技术用于土壤中污染物的分析也有报道。K ing 等[21]曾对土壤中的17中多环芳烃(PAHs ) 通
过LPME 2G C 法进行了同时测定:8μL 的正辛烷被注入多孔性的聚丙烯中空纤维中, 用于萃取用丙酮和水处理的土壤样品; 萃取8min 后,4μL 的正辛烷被注入到G C 中进行分析。分析过程可在10min 内完成, 富集倍数在80. 1～170. 7之间。
表1 水中污染物的分析结果T able 1 Analytical results of environmental contaminations in water
分析物
Analyte
萃取剂
Extract s olvent
萃取方式
Sam pling
m ode Direct 2LPME Direct 2LPME HS 2LPME Direct 2LPME LPME/BE LPME/BE HS 2LPME Direct 2Direct 2Direct 2LPME HS 2LPME Direct 2LPME
线性范围
Linear range (μg/L ) 1～5010～40010～2400. 02～101～5002. 5～25001～10008. 7检出限
Detection lim it (μg/L ) 0. 02～0. 054～410. 005～0. 10. 05～0. 100. 85～1. 800. 5～2. 5～5. 00. 相对标准偏差
RS D (%) 5. 3
文献
Ref. 124,131415,[**************]0
氯苯Chlorobenzenes 多环芳烃P olycyclic aromatic hydlrocarbons 酞酸酯Phthalate esters 芳香胺
Aromatic am ines
异辛烷Is ooctane 正辛醇12Octanol 正丁醇12Butanol 甲苯T oluene
正己醚Di 2n 2hexyl ether 乙酸乙酯E thyl acetate 正己烷n 2Hexane 正十六烷n 2Hexadecane 甲苯T oluene 正己烷n 2正辛醇12octanol
[C 6MI M][PF 6]
酚类化合物
Phenolic com pounds
苯及其同系物BTEX 硝基芳香类炸药
Nitroaromatic explosive
有机氯农药Organo 2
chlorinepesticides
0. 05～2. 00. 5～501～10010～100
0. 005～0. 20. 010. 007～0. 0630. 15～0. 40. 3, 0. 7
硫丹Endosulfan T riazine 三卤甲烷
T rihalomethanes
烷基酚Alkylphenols
5. 2 饮料分析
T ankeviciute 等[9]最早采用HS 2LPME 2G C 对啤酒中的8种醇进行了分析。对3种极性不同的溶剂
———癸烷、邻二甲苯和乙二醇的萃取效果进行了比较, 发现乙二醇有较好的富集效果。他们还对萃取温度、搅拌速度、萃取时间以及离子强度等条件进行了优化, 应用于啤酒中醇类的测定, 得到了满意的结果。该实验表明LPME 对饮料分析具有巨大的潜力。G onz ález 2Pe λas 等[22]采用正辛醇作为LPME 的萃取剂, 成功地对酒中的污染物赭曲霉素A (Ochratoxin A , OT A ) 进行了萃取, 高效液相色谱2荧光检测进行g/L , 检出限为0. 2μg/L 。结果表明:该方法简了定量。该方法的回收率为77%; 线性范围为0. 25～10μ
单、廉价, 适合于酒中赭曲霉素A 的测定。5. 3 生物分析
由于生物样品组成复杂或受到样品基体的强烈干扰, 对生物物质或者生物体内物质的前处理往往存在着手工操作多, 步骤繁琐等缺点, 而且方法的灵敏度也很低。近年来化学工作者们尝试着将这一技术用于生物分析。表2列出了采用LPME 进行样品前处理时所得到的生物样品的分析结果。
6 液相微萃取与固相微萃取的比较
同液相微萃取一样, 固相微萃取(s olid 2phase microextraction ,SPME ) 也是一种新型的样品前处理技术, 最初是由Pawliszyn 及其合作者在1990年提出的[30]。SPME 的最大优点是该技术是一种无溶剂样品前处理技术, 并已经广泛应用于环境样品中污染物的分析。首先使用SPME 萃取头对样品中的分析物进行萃取; 然后再利用气相色谱进样口的高温或高效液相色谱的流动相或毛细管电泳的缓冲溶液等对萃取的分析物进行解吸。SPME 装置的核心部分是萃取头, 现在已经出现了几种商品化的萃取头, 可以根据分析物种类的不同进行选择。但是SPME 萃取头比较昂贵, 易碎, 寿命较短, 一般可以使用几十次。另外, 新的萃取头在使用之前必须进行老化, 以除去涂层上可能有的污染物。在气相色谱进样口进行热
1250分析化学第32卷
解吸时[9], 解吸速度比较慢, 而且有时候还容易导致分析物的色谱峰拖尾; 当SPME 与高效液相色谱联用时, 需要一个专门的解吸装置, 而且分析物解吸完全需要相当长的时间。
表2 生物样品的分析结果T able 2 Analytical results of biological sam ples
样品基质
Sam ple matrix
分析物
Analyte
M ianserin
μ线性范围(g/L )
Linear range 2. 5～850. 5～8. 0320～100020～100040～6001000～1000002. 5～150
μ检出限(g/L )
Detection lim it
4
0. 020～0. 1153
2. 005～5. 56～2815～5000. 0794
相对标准偏差
RS D (%) 8. 8～12. 36. 6～15. 613. 33. 6～1995～20
Ref. [1**********]829
血浆Plasma 尿Urine
血浆Plasma 尿Urine 血浆Plasma 血浆Plasma 唾液Saliva 尿Urine 血浆Plasma 3单位(unit ) :μm ol/L
安定及代谢物
Diazepam and metabolite Citalopram
Citalopram and metabolite
可卡因及代谢物
C ocaine and metabolites
安非他明Am phetam ines
苯环己哌啶Phencyclidine 多氯联苯
P olychlorinated biphenyls
与SPME 相比,LPME , [17]。LPME 的最大优点是:。这种萃取方式可以将一些酸性或碱性, 。另外, 中空纤维上的小孔也起到微过滤作用], 。液相微萃取的分析物用气相色谱进行分析时克服了解吸速度慢、, 液相微萃取与液相色谱联用时无需专门的解吸装置。这种技术所需要的装置非常简单, 一支普通的微量进样器或多孔性的中空纤维即可。尽管商品化的SPME 萃取头种类不断增加, 但是可用于LPME 的溶剂种类更多, 为优化LPME 的萃取条件提供了更大的选择空间。
7 结束语
LPME 液相微萃取作为一种新型的样品前处理技术, 在分析领域中展现出愈来愈广阔的应用前景。
这种技术现在虽然主要应用于一些难挥发和半挥发的环境污染物以及生物样品中药物的分析, 但是随着人们对其理论研究的不断深入和更多种有机溶剂的使用,LPME 技术将在生命科学领域中, 如一些药物、蛋白质、缩氨酸等分析中大显身手。同时,LPME 技术在处理样品时只需一个搅拌器、一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。R eferences
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22 G onz ález 2Pe λas E ,Leache C ,Viscarret M ,P érez de Obanos A ,Aragu ás C ,L ópez de Cerain A. J. Chromatogr. A , 2004, 1025:
163～168
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25 Halv orsen T G, Pedersen 2Bjergaard S , Rasmussen K E. J. Chromatogr. B , 2001, 760:219～22626 Halv orsen T G, Pedersen 2Bjergaard S , Rasmussen K E. J. Chromatogr. A , 2001, 909:87～9327 Jager L de , Andrews A R. J. Anal. Chim. Acta , 2002, 458:311～32028 Andrews A R J. Casari C. Forensic Science International , 2001, 120:～17129 Basheer C , Lee H K, Obbard J P. J. Chromatogr. A , 2004, 1022:30 Arthur C L , Pawliszyn J. Anal. Chem. , 1990,62:The Liquid 2Phase Microextraction
Zhao Rus ong , Xu X iaobai 3, Liu X iu fen
(Reseach Center for Eco 2Environmental Sciences , Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100085)
Abstract Liquid 2phase microextraction is a new sam ple pretreatment technique that integrates sam pling , extraction and concentration into a single step. This paper reviewed the recent developments of liquid 2phase microextraction and its application in the analysis of environmental contaminations , beverage and biological sam ples ,etc. At the same time , parameters affecting the determination have been discussed.
K eyw ords Liquid 2phase microextraction , sam ple pretreatment , environmental contaminations , organic s olvent , review
(Received 1December 2003; accepted 20M ay 2004)
2004年国际生物芯片技术论坛即将召开
2004年10月21～24日, 北京中关村生命科学园
会议由清华大学、生物芯片北京国家工程研究中心、科技部、教育部、国家自然科学基金委员会等单位共同主办, 由生物芯片北京国家工程研究中心具体筹办。
会议议题主要包括以下内容:(1) DNA 、蛋白质、细胞及组织微阵列芯片技术; (2) 微流体芯片及缩微芯片实验室技术; (3) 芯片药物筛选技术; (4) 生物信息学技术。
会议已邀请到30余位国际上最权威的生物专家来作大会特邀报告, 其中既有从事生物芯片前沿性探索研究的科研院校的著名教授, 也有从事生物芯片研发的知名商业公司的总裁或部门经理, 是国内学者和投资机构进行交流和学习的良好机会。
会议网站:http://w w w. capitalbio. com/IF BT 2004/
会议联系人:任琛 联系电话:[1**********]9;[1**********]; 传真电话:[1**********]9
E 2mail :chren@capitalbio. com
地址:北京市海淀区清华大学生物科学与技术系301室 邮编:100084