（分析化学专业论文）微流控芯片液—液萃取和多相层流技术的研究.pdf

摘要 微流控分析( m i c r o f l u i d i ca n a l y s i s ) 自兴起以来，一直得到化学、生物、电子、 机械等领域的科学家们的广泛关注。液体在微流控芯片通道中，由于尺度效应导 致的许多不同于宏观体系的特点，促使了许多不同于常规方法的无膜分离技术的 产生，促进了微流控芯片试样前处理技术的进。步发展。本工作的主要内容是进 行基于微流控芯片的无膜液一液萃取技术和无膜多相层流分离技术的研究。 第一章对溶剂微萃取技术、微流控芯片液一液萃取技术和微流控芯片多相层 流分离技术的发展和现状进行了综述。介绍了这些技术的原理、特点、发展历史 及其在各个领域的应用。 第二章建立了一个基于液滴捕陷技术的微流控芯片液一液萃取分离系统。首 次提出一种新的在微通道中形成微液滴的方法，通过在微通道侧壁加工方形的微 结构，将数百皮升的萃取剂液滴捕陷于其中。该方法对形成液滴的体积和位置有 准确的控制。在进行液一液萃取分离时，水相试样溶液连续流过萃取剂液滴，通 过分析物的扩散传质作用和萃取剂液滴的溶解作用，在萃取剂液滴内实现了分析 物超过1 0 0 0 倍的浓集，远远超过了常规萃取体系所能达到的浓集倍率。采用丁 基罗丹明b 为试样考察系统的分析性能及进行定量分析的可行性。对相转移效应 和液滴的溶解效应对浓集过程的影响进行了详细研究。 第三章建立了一个新的微流控芯片停流液一液萃取分离系统。通过对微流控 芯片的通道表面进行处理，在芯片上实现了有机相停流，水相连续流动的停流萃 取模式，建立了一种具有良好重现性的芯片液一液萃取方法。实验中，首次观察 到萃取物在有机相通道中的浓度梯度和聚焦现象。对萃取过程中的萃取物相转移 和萃取剂溶解两种效应对萃取性能的影响，进行了洋细研究。利用萃取物聚焦效 应，实现了高于多相层流液一液萃取芯片系统浓集倍率的萃取分析，并且可以通 过控制萃取剂的溶解速度实现对聚焦效果和浓度梯度的有效控制。该系统被应用 于铝离子的芯片液一液萃取测定。 第四章建立了一个集成多相层流分离一离子选择性电极检测的微流控芯片 分析系统。系统利用重力驱动方法，利用多相层流分离方法实现血清试样中钾离 子与血清基体的在线分离，同时在芯片。卜集成加工离子选择性电极检测系统进行 钾离子的在线检测。该系统首次实现了多相层流分离系统与离子选择忡电极检测 系统的联用，提高了芯片分析系统的集成度而又避免了试样基体对离子选择性电 极的污染。 关键词：微流摔芯片；液一液萃取；预浓集；液滴捕陷；试样聚焦效应；浓度梯 度；停流萃取；多相层流分离：重力驱动：离子选择性电极 a b s t r a c t m i c r o f l u i d i cc h i p - - b a s e dl i q u i d - l i q u i de x l r a c l i o na n dm u l f i p h a s el a m i n a rf l o w s e p a r a t i o nh a v ep r o v e dt ob ee f f e c t i v em e a n st op e r f o r mo n c h i ps a m p l ep r e t r e a t m e n t i n t h i sw o r k ，s e v e r a lm i c r o f l u i d i cc h i p b a s e ds y s t e m sw e r ed e v e l o p e dt op e r f o r m l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o na n dm u l t i p h a s el a m i n a rf l o ws e p a r a t i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n t so f t h es o l v e n tm i c r o e x t r a c t i o n ，m i c r o f l u i d i c c h i p - b a s e dl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o na n dm u l t i p h a s el a m i n a rf l o ws e p a r a t i o nw e r e r e v i e w e d m o r et h a n8 0p a p e r sp u b l i s h e di nt h e s ef i e l d sw e r ec i t e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，a l la p p r o a c hf o rm i c r o f l u i d i cl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o na tt h e s u b n a n o l i t e r s c a l ew a sd e v e l o p e df o ro n c h i ps a m p l ep r e t r e a t m e n t o r g a n i cs o l v e n t d r o p l e t so faf e wh u n d r e dp l sw e r et r a p p e dw i t h i nm i c r or e c e s s e sf a b r i c a t e di nt h e c h a n n e lw a l l so fam i c r o f a b r i c a t e dg l a s sc h i p t h ee x t r a c t i o nw a sp e r f o r m e db y d e l i v e r i n ga q u e o u ss a m p l e st h r o u g ht h ec h a n n e l ，w i t ht h es a m p l es t r e a mc o n t i n u o u s l y f l o w i n ga d j a c e n tt ot h ed r o p l e t t h ea n a l y t e si na q u e o u ss t r e a m sw e r ee n r i c h e dw i t h i n t h ed r o p l e tw i t l lh i g le n r i c h m e n tf a c t o r so w i n gt ob o t hp h a s et r a n s f e ra n dd i s s o l u t i o n o fo r g a n i cs o l v e n ti n t ot h eb y p a s s i n ga q u e o u ss a m p l e t h es y s t e mp r o v e dt ob ea n e f f i c i e n tm e a n sf o ra c h i e v i n gh i g he n r i c h m e n tf a c t o ro fo v e r1 0 0 0w i t hs a m p l e c o n s u m p t i o no fo n l yaf e wl x l s a na q u e o u sb u t y lr h o d a m i n eb ( b r 8 ) s o l u t i o nw a s u s e da ss a m p l et od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r e s e n ts y s t e m i nt h et h i r dc h a p t e r ，an o v e lm i n i a t u r i z e dl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o ns y s t e mu n d e r s t o p p e d f l o wm a n i p u l a t i o nm o d ew a sd e v e l o p e db ys t o p p i n gt h eo r g a n i cs o l v e n tf l o w i nt h ee x t r a c t i o nc h a n n e lw h i l et h ea q u e o u sp h a s ef l o w sb yc o n t i n u o u s l yi na n o t h e r m e r g i n gc h a n n e l t h ea n a l y t ei na q u e o u sf l o ww a st r a n s f e r r e di n t ot h es t a t i o n a r y o r g a n i cp h a s ei n t h em i c r o c h a n n e lt h r o u g hm o l e c u l a rd i f f u s i o nb e t w e e nt h et w o p h a s e s f o c u s i n go fa n a l y t ei nt h eo r g a n i cp h a s en e a rt h ei n t e r f a c eo fa q u e o u sa n d o r g a n i cp h a s e sa n d c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n to fa n a l y t ea l o n gt h eo r g a n i cp h a s e m i c r o c h a r m e l ，o w i n gt od i s s o l u t i o n o fo r g a n i cs o l v e n ti n t ot h ef l o w i n ga q u e o u s s t r e a m ，w a so b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m e t h ea n a l y t ew a sf o c u s e dn e a rt h ei n t e r f a c e b e c a u s eo ft h es o l u t ef r o mt h es a m p l es o l u t i o ni n t ot h ee x t r a c t a n ta n dd i s s o l u t i o no f t h ee x t r a c t a n ti n t ot h e s a m p l es o l u t i o n t h e e f f e c t so fb o t hp h a s et r a n s f e ra n d d i s s o l u t i o no fo r g a n i cs o l v e n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h ef o c u s i n ge f f e c to ft h ea n a l y t ei n o r g a n i cp h a s ec o u l db ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h ed i s s o l u t i o nr a t eo ft h eo r g a n i c s o l v e n ti n t ot h ea q u e o u ss a m p l ef l o w t h ep r e s e n te x t r a c t i o nc h i ps y s t e mw a sa p p l i e d i nt h ed e t e r m i n a t i o no f a l 3 + u s i n ga 1 - d h a b i s o b u t a n o le x t r a c t i o ns y s t e m i nt h ef o u r t hc h a p t e r , am i c r o f l u i d i cc h i pb a s e do nm u l t i p h a s el a m i n a rf l o w s e p a r a t i o nc o u p l e dt oi o ns e l e c t i v ee l e c t r o d ed e t e c t i o nw a sd e v e l o p e d t h es y s t e m w a sa p p l i e df o r t h ed e t e r m i n a t i o no fp o t a s s i u mi ns e r u m p o t a s s i u mi o n sw e r e s e p a r a t e df r o mt h es e r u n lm a t r i xb ye m p l o y i n gt h ec h i p b a s e dm u l t i p h a s el a m i n a r f l o ws e p a r a t i o ns y s t e m b o t hs a m p l ea n da c c e p t o rs t r e a m sw e r ed r i v e nb yg r a v i t y p o t a s s i u mi o n si nt h ea c c e p t o rs t r e a mw e r ed e t e r m i n e db yu s i n ga ni o ns e l e c t i v e e l e c t r o d ei n t e g r a t e do nt h ec h i p k e yw o r d s ：m i c r o f l u i d i cc h i p ；l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n ；p r e c o n c e n t r a t i o n ；d r o p l e t t r a p p i n g ；s a m p l ef o c u s i n ge f f e c t ；c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ；s t o p p e d f l o w ；m u l t i p h a s e l a m i n a rf l o ws e p a r a t i o n ；i o ns e l e c t i v ee l e c t r o d e ；g r a v i t yd r i v e nf l o w 篼一章绪论 自1 9 9 0 年由瑞士的m a n z 和w i d m e r 提出微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，t a s ) 的概念以来，微流控分析技术到现在十几年的时间里已 经取得了极大的发展。 “微令分析系统”或“芯片实验室”( l a b o n a c h i p ) 是指通过化学分析设备 的微型化与集成化，最大限度地将分析实验室的功能转移到便携设备中，甚至集 成于方寸大小的芯片上。这就对试样的前处理步骤提出了较高的要求，需要对微 量的试样自动完成检测前的前处理操作，如混合、反应、分离( 如液一液萃取、 固相萃取、过滤和渗析等) 、浓集、稀释等。 微流控技术的发展也为试样前处理的进一步发展提供了新的机遇。在微系统 通道中，出现一系列不同于宏观体系的尺度效应，如微通道中表面张力的影响远 大于重力因素，基于扩散的传质效应显著等，在微通道内流体总是表现为稳定的 层流状态，以及较短的扩散距离和扩散时间。这些不同于宏观体系的特点，导致 了许多不同于常规方法的微流控无膜分离技术的产生，如无膜液一液萃取和无膜 多相层流分离技术。与常规分离技术相比，微流控芯片无膜分离技术由于具有较 大的比界面面积和较短的扩散距离，因而系统具有较高的分离效率和较快的分析 速度。 本章简要回顾了相关方向国内外研究发展的现状，包括常规溶剂微萃取、微 流控芯片液一液萃取和多相层流无膜分离等研究的进展。 1 2 溶剂微萃取 l 。2 1 引言 液一液萃取又称溶剂萃取，是利用物质在互不相溶的两相中分配比不i 司而达 到分离的目的。在宏观体系中，液一液萃取通常是将有机溶剂( 即萃取剂) 和含有 待分离组分的试样水溶液振荡混合，使两相充分接触，试样中的分析物就会在两 相之间进行分配。分配达到平衡后，利用两相密度差异将有机相与水相分层分离。 通常把物质从水相进入有机相的过程称为萃取，而相反的过程称为反萃取。萃取 分离法的优点是分离效果好：通过多次萃取，可以达到很高的回收率；萃取所需 设备简单，操作简便，适用范围广。它不仅适用于常量组分的分离，也适用于微 量组分的分离浓集：不仅适用于实验室少量试样的分离，而且适用于工业生产中 大量物质的分离和纯化。 萃取分离法的缺点是采用手工操作时，工作量较大：试剂用量大：所采用的 溶剂往往是易燃、易挥发和有一定毒性的物质，这对操作者和实验室的安全是不 利的：且通常有机溶剂价格较高，因此在应用上受到一定限制。另外，经过剧烈 振荡易导致乳化现象，使分相困难。一般需采用增大有机溶剂的用量，加入电解 质，改变溶液酸度，避免剧烈振荡等方法，来降低或消除乳化现象。 实现液一液萃取操作的微型化和自动化，对于降低试样试剂消耗、提高萃取 速度、萃取效率和萃取浓集倍率具有重要意义，这一领域的研究一直是液一液萃 取技术研究的主要方向之一。1 9 7 8 年，k a r l b e r g l 2 1 和b e r g a m i n t 3 1 分别独立提出了 流动注射萃取方法( f l o wi n j e c t i o ne x t r a c t i o n ，f i e ) 。和常规液一液萃取相比，f i e 系统可实现萃取操作的自动化，完成一次萃取操作的时间可缩短至数分钟，试剂 和样品的消耗可降低至数百微升。但多数f i e 系统在操作的稳定性和可靠性方面 尚有不足，限制了其系统的广泛普及。 1 9 9 6 年，d a s g u p t a 等【4 l 和c a n t w d l 等1 5 l 同时报道了一种基于有机相液滴的溶 剂微萃取( s o l v e n tm i c r o e x t r a c t i o n ，s m e ) 系统。其方法是将一滴有机溶剂液滴( 萃 取剂) 浸入水试样中或者试样的顶空q b ( h e a d s p a c e ) ，由于分析物在萃取剂中有更 大的溶解度而被萃取到萃取剂中而得到浓集。该方法因有机相的消耗小、浓集倍 率高、对操作设备要求低等特点，在近年来得到很大发展，成为目前液一液萃取 微型化研究的主要方向之一。以下将对其进展做一详细综述。 1 2 2 溶剂微萃取技术的提出 1 9 9 6 年，d a s g u p t a 等 4 l 首次报道一种“d r o p i n d r o p ”溶剂萃取系统，其结 构如图1 1 所示。通过一个套管装置在一个流动着的水试样液滴中形成一个和水 不互溶的有机相液滴( 体积约1 3i x l ) 。水相连续输送到外部的液滴中，然后从液 滴的底部抽走。在完成进样萃取过程后，以清洗液替代外部水相试液，以一个 基于发光二极管的吸收检测器，检测有机相液滴中的有色分析物的含量。该系统 被应用于十二烷基硫酸纳( s o d i u md o d e c y ls u l p h a t e ，s d s ) 的测定。s d s 与、亚甲基 蓝形成中性离子对可被氯仿萃取。系统对s d s 检测的线性范围是o 5p p mf r 2 = o 9 9 8 5 ) ，检测限为0 4p p m ( s n = 3 ) 。对5p p m 的s d s 溶液测定的相对标准偏差 是5 o ( n = 6 ) ，这可能是由检测过程中的有机相液滴体秩的变动造成的。 图1 1 “d r o p i n - d r o p ”溶剂萃取系统结构示意图【4 i 同年，c a n t w e l l 和j e a n n o t 5 i 也提出了一种类似原理的溶剂微萃取系统。方法 是将含有内参比物的有机溶剂液滴( 约8 肚l ) ，固定在t e f l o n 管的末端，浸在一个 不断搅拌的试样水溶液中，如图1 2 a 所示。经过一段时间萃取后，将t e f l o n 管 从试样水溶液中取出，用微量注射器取出有机相液滴注射到气相色谱仪中分析。 该系统测定4 甲基苯乙酮的精密度是1 7 ( r s d ) 。 其后c a n t w e l l 和j e a r m o t 6 1 又报道将1 止的辛烷液滴悬挂在一根微注射器的 针尖上，然后浸在搅拌中的试样水溶液中进行摹取，如图1 2 b 。在萃取完成后， 有机溶剂被抽回微注射器，转移到气相色谱仪做进一步的分析。系统测定4 甲基 苯乙酮的精密度是1 ，5 ( r s d ) ，显示了该方法应用于常规分析的潜力。目前文 献报道的溶剂微萃取系统多采用如图1 2 所示的两种结构模式。 ( a )( b ) 图1 2 溶剂微萃取的两种常见模式f 5 ，6 j 1 2 3 溶剂微萃取模型及其理论模拟 分析物在有机相达到的平衡浓度可表示为： g 舻炳旷鬲k c 而a q , n 瓦；i ( 1 1 ) c 凹，m = o 。q + g m k ( 1 2 ) c 。q ，i 。i t 和c a q ，c q 是分析物在试样水溶液中的初始浓度和平衡浓度，c 。是分析物在 有机相中的平衡浓度，v 。和v 。是有机相和试样的体积，而k 是分配比，定义由 f c 0 t c a q ，e q 。如果最终达到了平衡，由于溶剂微萃取的v o ，v 。q 较小，有机相中 分析物的浓度一般由1 c 决定，而且浓集倍率一定小于1 c 。在_ l c v o v 。( ( 1 时，浓集 倍率非常接近k 。 当然，在一定的分析时间内，体系不一定能达到平衡状态，液一液萃取的速 率方程表示为： 譬：了a i 卢( 峨一c d ) 出以、 。 7 c 。和c 。是时间t 时分析物在有机相和水相中的浓度，a i 是界面面积， 质系数( c m s ) 。假设快速穿越液一液界面，总传质系数可以表示为： 1lr 8& & q 艮和p 。分别是在有机相和水相中的传质系数。 ( 1 1 3 ) b 是总传 ( 1 4 ) 去鲁= 胁( 一，r ) = 届b ，一c o ) ( 1 5 ) j 是指两相界面处。假设在界面处是平衡状态，c 。i c 。q i = 1 c 。 因为式1 2 、l - 3 得： c o = c o ，o p 。)( 1 6 ) k 为表观速度常数( s 。1 ) ， t = 罢p ( r 鼍+ 一 n ， 式1 4 和1 5 揭示了影响分析时间的各个因素。要实现快速分析，必须有大的a i ， p 和p a q 。v 。和l c 对平衡时间的影响取决于_ ：v d v a q 和1 的比较，而c 。和时间的 关系可以由式1 6 得出。可根据上式对影响萃取的各个因素进行优化。 根据文献报道，可归纳出影响溶剂微萃取的性能的因素包括： 溶剂的选择 选择合适的萃取剂是实现成功的萃取的重要因素之一。要求萃取剂首先对于 目标分析物要有良好的萃取性能和选择性；其次能形成稳定的液滴并在萃取过程 中保持稳定，不能有太大的溶解度( 对于直接浸入法) 或挥发性( 对于顶空法) ，否 则不利于萃取的进行。实际工作中，应在综合考虑选择性、萃取效率、液滴的损 耗和毒性等因素后做出合适的选择。 试样溶液的搅拌 加快搅拌速度，能促进萃取的进行和减少达到平衡所需时间，但搅拌速度过 快会导致液滴的脱落或破碎。在稳定状态下，水相的传质系数d a b 由下式表示： 肛：拿( 1 8 ) d 。是在水相中的扩散系数，6 w 是扩散层的厚度。随着搅拌速度的增加而增加， 更快的搅拌速度能降低扩散层6 w 的厚度。因此加速搅拌能提高萃取的效率。对 于顶空法，由于搅拌能更快的实现分析物在试样和顶空之间的平衡，从而可以得 到更好的萃取效果和线性关系。 加盐 在常规液一液萃取中常常利用盐析效应，通过加盐的方法增加萃取效率。盐 的存在主要影响溶液的离子强度和有机分析物的溶解度，对于顶空法，盐浓度的 增加会增加萃取效率，因为试样中的盐会结合水分子，导致溶解分析物分子的水 分子的减少，促使更多的分析物进入顶空。 萃取时间 在达到萃取平衡前，萃取时问越长，信号越高。但时间过长，萃取剂会溶解 到试样溶液中，所以需要选择合适的萃取时间。 萃取温度 对于所有的分析物，温度上升，萃取效率上升。但温度过高时有机相中会出 现气泡。而顶空法，被萃取的分析物的总量随着试样温度的升高而升高，直到 个顶点，而后会开始下降。这是凼为随着温度的升高，亨利常数和扩散系数增加， 分析物的蒸汽压和分析物在顶空中浓度之升高，所以能萃取到更多的分析物。而 在这个温度以上，被萃取的分析物的总量下降可能是因为分配系数的改变，因为 分析物在液滴中的吸附过程是个放热过程。 萃取剂的体积 液滴体积越大，试样的绝对质量和分析信号越强，但液滴容易脱落。萃取速 度由下式决定： 七= 爿必( 吉+ 去) c ， v o 和v w 分别是有机相和水相的体积，a i 是界面面积，d o 是与有机相有关的总 传质系数，1 ( 是分配比。显然，大的a l 和小的v o 和v w 有利于实现快速萃取。 然而增大液滴的尺寸导致界面面积a l 和有机相体积v o 的增大，这样，液滴尺寸 的影响是这两个因素的共同作用。这就解释了为什么气相色谱的响应信号随液滴 尺寸的增大到一个顶点然后降低。 1 2 4 溶剂微萃取系统 在d a s g u p t a 4 1 和c a n t w e l l 等1 5 1 的开创性工作之后，又陆续报道了一系列不 同结构的溶剂微萃取系统。1 9 9 9 年，c a n t w e l t 等1 7 报道使用徽升级的液膜用于 溶剂微萃取系统，实现反萃取操作，在短时间内获得高的浓集倍率，实现高效液 相色谱仪分析前的试样净化和预浓集，实验装置如图1 3 。在t e f l o n 环中形成3 0 此的辛烷液膜，覆盖在1 6m l 的试样水溶液( p h = 1 3 ) 2 2 ，一滴1 止，或0 5 肛l 的 接收相水滴( p h _ 2 1 ) 悬挂在微注射器的针尖，浸在有机相液膜中。分析物首先由 6 试样水溶液中被萃取到辛烷液膜中，同时义被反萃取到酸性的接收相液滴中。萃 取一段时间后，液滴被转移到高效液相色谱仪做进一步的分析。这种方法具有系 统稳定的优点，能够经受非常高的搅拌速度，分析物可达到较高的浓集倍率。四 种分析物萃取1 5 分钟后，其浓集倍率分别达到5 0 0 倍( m e t h a m p h e t a m i n e 、 m e p h e n t e r m i n e 和m e t h o x y p h e n a m i n e ) 和1 6 0 倍( 2 - p h e n y l e t h y l a m i n e ) 。 图1 , 3 基于液膜的溶剂微萃取装置图【7 】 该系统中浓集倍率e f 的定义是： e f ：生 c 矗w ， 而 ( 1 1 0 ) 足2 _ 孚墨 ( 1 1 2 ) g 2 。 、。 k l 、k 2 分别指有机相与提供相和接收相的分配比，c 嗍、c 。1 c q 和c a 2 ，。q 分别是平 衡时分析物在有机相、提供相和接收相中的浓度。c a 2 和c 。1 m ，。指分析物在接收 相中浓度和在提供相中的初始浓度。当最终实现平衡时，e f 达最大值。 口一：_ c 0 2 , 。q ( 1 1 3 ) c ：l ， 、 由g 1 ，m ”儿1 _ g 】钾酩l + 巴2 ，叼酩2 + c o ，钾v o ( 1 1 4 ) 朋一= 瓦丽i c a i 2 , b q v 函o l 石鬲 ( 1 1 5 ) ( 凹f 白+ c ：2 q 舷2 + e o ，。q 碥 、7 和式1 1 1 、1 1 2 ，得： 一一面赢蘸再酾 如果k 2 非常小，那么平衡时的浓集系数接近于： 盯。竺f 1 1 7 ) l e e 等1 8 1 对溶剂微萃取和动态液相微萃取两种方法的分析性能进行了比较。 两系统的结构如图1 4 。基于液滴的溶剂微萃取系统使用常规的微注射器，以1 儿l 的甲苯液滴萃取两种氯苯，然后注射到毛细管气相色谱仪中分析。溶剂微萃取系 统对分析物的浓集倍率为1 2 倍，分析重现性为9 7 ( r s d ) ，实验操作简单，但 需要较长的萃取时间，为1 5 分钟。动态液相微萃取系统提供的浓集倍率较高， 为2 7 倍，萃取时间较短，为3 分钟，但分析重现性较差，r s d 为1 2 8 ，主要 是采用手工操作所致。 ( a ) 图1 4 溶剂微萃取和动态液相微萃取方法示意图8 】 l e e 等i9 l 又采用稠环芳烃作为试样来比较溶剂微萃取和半自动动态液相微萃 取系统的分析性能。溶剂微萃取系统的浓集倍率较高( 6 0 8 0 倍) ，测定的精密度 范围为4 7 9 0 ( r s d ) 。动态液相微萃取系统在相同的萃取时间内( 约2 0 分钟) 获得的浓集倍率超过2 8 0 倍，测定的精密度小于6 o ( r s d ) 。上述两方法均被 应用于河水试样中稠环芳烃的分析，检测限达肛g l 量级。 l e e 等【1 0 】提出一种连续流动微萃取系统，结构如图1 5 。在o 5m l 的流通池 中，一滴有机溶剂( 1 5i t l ) 保留在p e e k 管的出 e l 边缘，浸泡于连续流动的试样 溶液中。p e e k 管同时用于液体输送和保持有机液滴，当流通池充满试样水溶液 后，定体积的有机溶剂就被引入到p e e k 管路中，并且随试样水溶液一起向前 移动，当到达p e e k 管出口处时，有机溶剂就在出口处形成一个液滴并保留在出 口外壁，试样水溶液仍不断地由p e e k 管口流出。萃取就发生在有机相液滴和从 p e e k 管口流出的试样溶液之间。萃取一定时间后，用微注射器抽出有机溶剂液 滴，注入气相色谱仪分析。系统被用于五种硝基苯和六种氯苯的分析，在优化的 萃取条件f ，萃取1 0 分钟可得到2 6 0 1 6 0 0 倍的高浓集倍率。测定的精密度范围 为3 8 8 8 ( r s d ) 。采用电子捕获检测器，系统对分析物的检测限达到f g m l 量 级。 图1 5 连续流动微萃取系统示意刚1 0 】 k i t a m u r a 掣1 将液滴模式应用到在流动试样水溶液中萃取状况的研究，系 统如图1 6 所示。用泵1 泵入有机相( 磷酸三丁酯) ，有机相在毛细管的末端形成 液滴并被保留住，然后试样水溶液( a l ”) 和d h a b ( 2 ，2 - d i h y d r o x y a z o b e n z e n ) 的混 合溶液由泵2 引入到流通池，a i ”- d h a b 被萃取到有机相液滴中，每3 0 秒测量 一次透射光强度。液滴的直径范围为1 0 - 1 0 0i j m ，试样水溶液的流速为2 0 此，m i n ， 有机相和水相在实验前预先互相饱和。该技术被用来研究a i s + d h a b 的液一液 萃取过程，测定了萃取速率并且对影响萃取速率的因素进行了讨论。 9 圈 圆 e 蜀 图1 6 应用液滴模式进行液一液萃取研究实验装置示意图1 1 l t o f i m i t s u 等埘应用近红外激光拉曼捕陷系统来研究低于皮升级的液滴的液 一液萃取，系统如图1 7 所示。通过剧烈搅拌含有1 0 此甲苯的lm l 去离子水 溶液以形成甲苯液滴，然后转移1 0 0p l 含有甲苯液滴的去离子水到实验平台上， 在加入壬基苯酚后，甲苯液滴的尺寸逐渐增大，液滴的拉曼光谱证明了液滴尺寸 的增大是因为从水中吸收了壬基苯酚。 图1 7 低于皮升级的液滴萃取过程研究装置示意图他1 l i 等报道将纳升级的溶剂萃取技术和基质辅助激光解吸离子化技( m a l d i ) 窗 联用，系统如图1 8 所示。在毛细管末端形成约3 0n l 的氯仿液滴，浸在】3 u l 的试样水溶液中。萃取后，液滴被沉积到预先铺有一薄层基体的m a l d i 靶上。因为纳升级的液滴没有和试样容器壁接触，避免了吸附在塑料或玻璃 壁上其他物质的污染。而且，萃取后不需要试样浓集步骤，避免了浓集步骤 中可能出现的损失。溶剂微萃取和m a l d i 结合，可实现非常灵敏的检测。 可将憎水的非常少量的分析物从含有大量盐的试样水溶液中萃取出来，而高 浓度的盐在m a l d i 实验中会产生严重的干扰信号。 图1 8 溶剂微萃取结合m a l d i 实现试样净化和高灵敏度分析【1 3 h u 等l h l 在溶剂微萃取系统中，利用离子液f 1 o c t y l 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u m h e x a f l u o r o p h o s p h a t e ) 作为萃取剂来萃取稠环芳烃。在直接浸入溶剂的微萃取模式 中，3 乩的离子液液滴被直接浸入到1 5m l 的试样水溶液中进行萃取。在顶空 法模式中，1 0m l 的试样水溶液被用来进行萃取。对于低挥发性的稠环芳烃，直 接浸入模式萃取比顶空法模式能获得更高的浓集倍率，对于大部分挥发性的分析 物。经3 0 分钟萃取后，顶空法模式获得的浓集倍率是直接浸入模式的3 倍。和 正辛醇相比，离子液能形成更大体积的液滴，能承受更长的萃取时间，这样，能 获得更高的浓集系数。 c b u n g 等【l5 j 将溶剂微萃取用于毛细管电泳的试样预浓集，如图1 9 所示。利 用液压在毛细管入口处形成一滴缓冲液液滴作为接收相( p h - - 9 5 ) ，浸在大量的试 样溶液中( p h = 1 ) ，两相之间用一薄层的有机相来分隔。p h 值的差异导致试样中 酸性化合物荧光素和荧光素异硫氰酸酯( f i t c ) 在接收相中的浓集。3 5 下萃取3 0 分钟，浓集倍率达3 个数量级。此方法还能用于试样净化。 o z - l a n o l r c t , o r l ( 如a w i 3e 耐f a c t o r l 凼娜。鬯 一一 图1 9 毛细管电泳前溶剂微萃取预浓集 x i a 等【16 】结合连续流动微萃取和低温电热蒸发电感耦合等离子体质谱来检 测痕量的铍、钴、铅和镉。采用3 5 皿苯甲酰丙酮形成液滴来进行萃取，在考 察了试样流速、液滴体积、萃取时间等因素后，建立了优化的微萃取条件。在优 化的条件下，对于铍、钴、铅和镉的检测限分别是0 1 2 、o 9 9 、1 5 和o 2 7 p g m l ， 对浓度为o 1n g m l 的分析物检测的相对标准偏差分别是1 6 、1 4 、1 4 和1 1 ， 萃取1 0 分钟后的浓集倍率分别是1 6 0 、1 2 5 、4 0 、1 8 0 倍。该方法用来检测标准 参考物质中痕量的镀、钻、铅和镉，测定值和标准值无显著性差异。 t a n k e v i c i u t e 等1 1 7 提出应用顶空法进行水试样中醇类的溶剂微萃取。将微注 射器固定在覆有隔膜的萃取小瓶的上方，微注射器针头穿过隔膜，悬在试样溶液 上方的空气中，针尖挂有1 止的乙二醇液滴。萃取后，将乙二醇抽回到微注射 器后，进行气相色谱分析。 t h e i s 等1 1 8 i 也提出了顶空法进行溶剂微萃取的方法，系统如图1 1 0 。注射泵 的针头刺穿萃取小瓶的隔膜，在针尖悬挂1 此的辛醇液滴，置于试样的顶空中。 萃取的同时，不断搅拌萃取小瓶中的试样。萃取完成后，抽回辛醇，进行气相色 谱分析。辛醇的蒸气压很低，因此在萃取过程中液滴的蒸发很少。选择四种化合 物苯、甲苯、乙苯和二甲苯考察系统的分析性能。对萃取过程的动力学研究显示 在萃取过程中的传质速率由水相中的搅拌速度和有机相内的对流速度决定。达到 萃取平衡时，分析物在萃取剂中的浓度由分析物在萃取剂一水扛玎的萃取分配比 气i如 、。l 崩一 一 ，摩一 k 0 。和分析物在水试样中的浓度决定。萃取系统的分配比公式如卜- ： k h 。= c h c 。( 1 1 8 ) k o h = c o c h( 1 1 9 ) k o w 2 c d c 。2 k h 。k o h f 1 2 0 ) k h w 、l ( o h 和k 。分别是顶空水、萃取剂一顶空和萃取剂水的分配比。表1 1 是四种模型化合物的分配比。 表1 1 四种模式化合物的分配比 图1 1 0 顶空溶剂微萃取法示意图8 p r z y j a z n y 等【l9 j 在经过分析对比后，提出对于低沸点的分析物，直接顶空法 比顶空溶剂微萃取有更高的灵敏度。而当分析物的挥发性降低时，顶空溶剂微萃 取则更灵敏。在对萃取的各个条件具体优化后，对四种化合物苯、甲苯、乙苯和 二甲苯进行了萃取。分析结果的线性相关系数( r 2 ) 均大于o 9 9 9 1 ，测定的精密度 范围为6 9 9 6 ( 无内标时) 和2 7 5 9 ( 有内标时) 。 f e i z a b a d i 等【20 】用一滴3g l 含有联苯( 作为内标) 的丁醇( 作为萃取剂) 来萃取水 试样中的稠环芳烃，系统如图1 1 l 所示。在对各个条件进行优化后，对七种稠 僦黔 环芳烃进行了萃取。与稠环芳烃的标准方法相比，顶空溶剂微萃取法不需要使用 大量二氯甲烷，萃取过程中不会导致稀释，方法操作简单快速，但精密度和检测 限较标准方法差。 图1 1 1 顶空溶剂微萃取装置图【2 0 】 x u 等1 2 1 1 用项空溶剂微萃取法来检测饮用水中的三卤代甲烷如氯仿、二氯溴 甲烷、一氯二溴甲烷和溴仿等。采用辛醇作为萃取剂。达到平衡时，被萃取到液 滴中的分析物的总量n 由下面的方程表示： 仃：垒堡鱼：竺坠( 1 2 1 ) 仃= 一 l lj 转化后得： 丢= 击睁去降+ z ：， k 。和k h 。分别是液滴一水试样和顶空一水试样得分配比，v 。、v n 和v 。分别是 萃取剂、顶空和试样的体积，c 嘶i 。是分析物在试样中的初始浓度。可以通过这 一方程对萃取条件进行优化。 1 2 5 溶剂微萃取方法的应用 j e a n n o t 和c a n t w e l l 2 2 1 使用1 此的辛烷萃取5 0 0m l 试样中未与牛血清蛋白 质( b s a ) 结合的黄体酬。实验中采用了非常高的相比，相当丁jlm l 的水样中使 用2 x 1 0 击m l 的有机相。因此在萃取过程中，只有很少一部分的黄体酮被萃取， 避免了对试样水溶液中的结合平衡过程产生干扰。 j a g e r 等1 2 3 1 使用2p l 的氯仿萃取尿样中可卡因和可卡因的三种代谢物 ( e c g o n i n em e t h y le s t e r 、c o c a e t h y l e n e 和a n h y d r o e c g o n i n em e t h y le s t e r ) 。全部的分 析时间为1 3 分钟，其中溶剂微萃取2 分钟，然后通过气相色谱仪分离检测。对 o 1 2 5p g m l 的分析物测定的精密度为9 o ( r s d ) 。浓集倍率为7 5 1 7 5 倍。线 性范围为1 0 埘2 5i t g m l 。 a n d r e w s 等【2 4 1 报道的溶剂微萃取系统中，采用2i l l 的己烷液滴来萃取和预 浓集有机氯杀虫剂。总分析时间少于9 分钟。系统对大部分的有机氯杀虫剂检测 限是o 2 5n g m l ，测定的精密度范围为1 2 - - - 2 8 ( r s d ) 。 l e e 等使用静态液相微摹取，利用3 皿的己烷液滴从水中萃取八种有机氯 杀虫剂，气相色谱进行检测。萃取时间为2 5 分钟时，可获得大于5 0 倍的浓集倍 率。八种杀虫剂分析结果的精密度范围为3 2 1 0 7 ( r s d ) 。 p s i l l a k i s 等1 2 6 1 应用溶剂微萃取方法分析硝基芳香族爆炸物。在一个搅拌的水 相溶液内悬1i l l 的甲苯液滴，萃取了1 1 种硝基芳香族爆炸物，使用四极杆质谱仪 检测。萃取时间为1 5 分钟，检测限在0 0 8 1 3 蚓l 之间，测定的精密度范围为 4 3 9 8 ，线性范围为2 0 1 0 0 0i _ t e , l 。在考察氯化钠的浓度( 从0 3 0 ) 对溶剂微 萃取的影响时，观察到萃取效率反而随离子强度的增加而降低，特别是对低极性 的分析物。对这种偏离盐析效应的现象的一个可能的解释是，氯化钠在水中的溶 解改变n e m s t 扩散层的物理性质，而降低了分析物扩散到液滴中去的扩散速 度。 p s i l l a k i s 等1 2 7 1 还通过萃取水试样中的硝基芳香族爆炸物，对固相微萃取( s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，s p m e ) 和溶剂微萃取( s m e ) 方法进行了比较。s p m e 需要 特殊的器材，如石英纤维，其使用寿命较短，成本相对较高。但该技术更容易用 于顶空分