（分析化学专业论文）基于液芯波导管的微流控停流液液萃取系统的研究.pdf

浙江大学项士平业语文 摘要 溶剂微萃取是近年来在液一液萃取的基础上发展起来的一种新型的样品前处理 技术，与传统液一液萃取的灵敏度相当，但富集倍率更高，同时，该技术集采样、 萃取和浓集于一体，具有操作简单，分析速度快，廉价等特点。此外，它仅需要微 升级的有机溶剂，是一项对环境友好的样品前处理新技术，具有广泛的发展前景， 适合于环境样品中痕量、超痕量污染物及药物等的分析测定微流控分析 ( 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。本工作通过t e f l o na f 液芯波导管的使用，建立了一个微流控 停流液一液萃取系统，并将其应用于阴离子表面活性剂的检测。 第一章对微液一液萃取技术的发展进行了综述。其中详细介绍了溶剂微萃取技 术的几种形式，各自的优缺点，以及在试样预处理中的应用。 第二章对t e f l o n a f 液芯波导管技术在分析化学中的应用进行了综述。t e f l o n a f 作为一种新型的氟聚合物材料，其所具有的特殊性质使得t e f l o na f 液芯波导管在 光化学分析中具有广泛的应用前景。 在第三章中，利用了t e f l o na f 液芯波导管的憎水性及其液芯波导原理，建立 了一个基于液芯波导管的微流控停流液一液萃取系统。将液芯波导管同时作为萃取 池及吸收光度检测池，不需相分离，即可完成对萃入波导管内有机溶剂中阴离子表 面活性剂的检测。 实验结果表明，本工作建立的液一液萃取系统具有消耗样品、有机溶剂少，操 作简单，自动化程度高等特点，不需特殊的微加工设备，极大的方便了该方法在普 通化学实验室的普及。该体系可被广泛的应用于一些其它涉及到液一液萃取吸光度 检测的化学分析中。 关键词：微流控系统；液一液萃取；停流技术；液芯波导管 浙江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t s o l v e n tm i c r o e x t r a c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e df r o ml i q u i d l i q u i d ( l - l ) e x t r a c t i o ni n r e c e n ty e a r sa san o v e ls a m p l ep r e t r e a t m e n tt e c h n i q u ep e r f o r m i n gf i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n a n da n a l y t ep r e c o n c e n t r a t i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t , r a p i da n a l y s i ss p e e da n d l o wc o n s u m p t i o nf o ro r g a n i cs o l v e n t a tt h es a m et i m e t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o f l u i d i c a n a l y s i sh a sa t t r a c t e ds c i e n t i s t sw o r k e di nc h e m i s t r y ，b i o l o g y ，e l e c t r o n i ca n dm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g 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 to ft h em i c r o e x t r a c t i o nt e c h n i q u e si n c l u d i n g f l o wi n j e c t i o nl - le x t r a c t i o ms o d e n tm i c r o e x t r a c t i o a n ds o l i dm i c r o e x t r a c t i o nw a s i n t r o d u c e d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a sw e l la sa p p l i c a t i o n si ns a m p l e p r e t r e a t m e n tw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ht h es e c o n dc h a p t e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e f o na fl i q u i dc o r ew a v e g u i d e c a p i l l a r ya sw e l la si t sa p p l i c a t i o n si na n a l y t i c a lc h e m i s t r yw a si n t r o d u c e d ht h et h i r dc h a p t e r , an o v e lm 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 ns y s t e mu s i n g s t o p p e d f l o wt e c h n i q u ea n dl i q u i dc o r ew a v e g n i d ec a p i l l a r yw a sd e v e l o p e d t h et e f l o n a f c a p i l l a r yw i t he x t r e m e l yl o wr e f r a c t i v ei n d e xa n dh y d r o p h o b i cp r o p e r t i e sw a ss e r v e d a sb o t ha b s o r p t i o nf l o wc e l la g de x t r a c t i o nc h a n n e l l - le x t r a c t i o nc o u l db ep e r f o r m e d w i t h o u tr e q u i r e m e n tf o ro r g a n i c a q u e o u sp h a s es e p a r a t i o n t h ep r e s e n ts y s t e mp r o v e dt ob ea ne f f i c i e n t , r o b u s ta n do r g a n i cs o l v e n t e c o n o m i c m e a n sf o ra c h i e v i n gl le x t r a c t i o nu n d e rs t o p p e df l o wm o d e t h eu s co ft e f l o na f l c w c a p i l l a r ys i g n i f i c a n t l yf a c i l i t a t e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h el l e x t r a c t i o ns y s t e ma n d s p e c t r o m e t r i cd e t e c t o ri nr o u t i n ec h e m i c a ll a b o r a t o r i e s s u c hs y s t e m ss h o u l db ew i d e l y a p p l i c a b l ef o rv a r i o u sa n a l y t i c a lp u r p o s e si n v o l “n gl 广le x t r a c t i o nw i t hs p e c t r o m e t r i c d e t e c t i o n k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i cs y s t e m ；l i q u i d - l i q u i de x t r a c t i o n ；s t o p p e d f l o wt e c h n i q u e ； l i q u i dc o r ew a v e g n i d ec a p i l l a r y 浙江大学硕士毕业论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝垄盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与哉一同：r 作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：歹小象 签字日期：久妒b 年7 月l 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘鲎有关保留、使用学位沦文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复日j 件和磁盘，允胡论文被查阅和 借阅。本人授权迸、江盘鲎可以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 汁彖 签字日期：，善卵6 年弓月 。日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：乌毒年 j 签字日期：沁l 年) 月i 。只 电话： 邮编： 浙江大学硕士毕业论文 i i 引言 第一章微液一液萃取技术 液一液萃取( 1 i q u i d 1 i q u i de x t r a c t i o n ，u 点) 又称溶剂萃取，是利用物质在互 不相溶的两相中分配比不同而达到分离的目的。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。 传统的液一液萃取是液体样品使用最广泛的前处理方法。但其主要缺点是采用 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。 近年来，随着人们对仪器微型化及分析微量化的不断追求，众多新颖而有效的 微萃取技术被研制出来。实现液一液萃取操作的微型化及自动化，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均具有重要意义，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。以下将对微液一液萃取技术的发展 做一详细综述。 浙江大学项士平业论文 1 2 微液一液萃取技术的发展 1 2 1 流动注射萃取法 最初进行液一液萃取系统微型化尝试的是勋r l b c r g l l l 和b e r g a m i n l 2 】等人，他们建 立了流动注射萃取技术( f l o wi n j e c t i o ne x t r a c t i o n ，f i e ) 。典型的f i e 步骤包括：将 一段样品水溶液注入水溶液载流，与适当的试剂载流混合。有机溶剂区带被连续注 入到试样流中，形成分段的有机相水相间隔液流，流经盘符时进行萃取。随后有机 相与水相进行相分离，有机相流入检测器进行测定。与常规液一液萃取相比，f i e 具有萃取速度快，溶剂试样消耗少的优点。但是，每次分析所用的溶剂仍需数百微 升。 1 2 2 固相微萃取法 1 9 9 0 年，a r t h u r f f p a w l i s z y n t 3 l 提出了一种无溶剂消耗的萃取方法，被称作固相 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 ) 。固相微萃取是在周相萃取技术 ( s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o n ，s p e ) 的基础上发展起来的一项新的样品预处理技术。1 9 9 3 年美国的s u p e l o o 公司推出了商业化的固相微萃取设备，其核心是石英纤维表面的涂 层，目前，商品化的固相萃取柱较常采用的涂层材料主要有聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) ，聚丙烯酸酯( p a ) ，聚乙二醇( p e g ) ，聚二甲基硅氧烷聚二乙烯基 苯( p d m s d v b ) ，多孔活性炭涂层等。与固相萃取技术相比，固相微萃取操作更 加简单、携带更为方便，另外由于采取在直径为数百微米的柱状石英纤维上涂覆微 米级厚度的吸附剂，超薄的吸附涂层使萃取吸附及解吸附均能快速达到平衡，克服了 固相萃取回收率低、吸附剂孔道易堵塞的缺点 2 浙江大学顷士毕业论文 图1 1 固相微萃取与色谱联用系统 在s p m e 中，涂渍不同化合物的熔融石英纤维置于样品之中或样品顶部( 顶空 固相微摹取，h s s p m e ) 吸附基体中的目标分析物。萃取，预浓集一段时间后，再 结合色谱技术将被吸附物质脱附进行鉴定。如通过气相色谱( g c ) 的加热型注射阀 或s p m e - - 高效液相色谱( h p l c ) 接口进行分析，如图1 1 所示这种技术的一个重 要特征是将采样、萃取、浓集和试样引入结合于一体，节省了分析时问。目前，s p m e 已被成功的运用到气体，液体和固体样品的分析当中，应用范围包含环境，食品， 临床和法医鉴定。s p m e 主要的缺点是固相萃取纤维昂贵且它们的使用寿命有限， 性能会随着使用次数的增加而降低。部分涂层的降解或损失往往会带走目标分析物， 所以会影响测量准确度。此外，当s p m e 与g c 联用时，对一些分析物在连续测定中 的会有样品携出问题，且在较高的解吸温度下也较难消除。 浙江大学硕士平业论文 1 2 3 溶剂微萃取法 溶剂微萃取包括两类萃取方法：液滴微萃取和液膜微萃取： ( 1 ) 液滴微萃取( s i n g l e - d r o pm i c r o e x t r a c t i o n ，s d m e ) ，萃取相为一与水不相 溶的有机液滴，悬浮于试样溶液中。d a s g u 【p t a 等1 4 l 于1 9 9 6 年首次报道一种 “d r o p - i n - d r o p ”溶剂萃取系统，其结构如图1 2 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 3 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g 取过程后，清洗液又 可以替代外部水相试样层中的试样 式剂，产生一个干净的外液滴，包裹着一个含有 色分析物的有机相液滴。有机相液滴的颜色变化，用一个基于发光二极管的吸收检 测器检测，其响应信号与液滴中分析物的浓度成正比。该系统被应用于十二烷基硫 酸钠( s o d i u md o d e c y ls u l f a t e ，s d s ) 的测定。十二烷基硫酸钠与亚甲基蓝形成的中 性离子对可被氯仿萃取。系统对s d s 检测的线性浓度范围是0 巧p p m ( r 2 = o 9 9 8 5 ) ， 检测限为0 4 p p m ( s n = 3 ) 。对5 p p m 的s d s 溶液测定的相对标准偏差是5 0 ( n = 6 ) ， 这可能是因为检测过程中的有机相液滴体积的变动产生的影响。该微萃取系统操作 简单而灵活，可完成自动清洗，只消耗少量的有机溶剂。 图1 2 “d r o p - i n d r o p ”溶剂微萃取系统 同年，c a n t w e l l 和j e 锄o t 【5 l 也提出了一种类似原理的溶剂微萃取系统。方法是 4 浙江大学硕士平业论文 将含有内参比物的有机溶剂液滴( 约8 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 3 ( 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，有机相用微量注射器注射到气相色谱仪中分析。该系统采用辛烷 作为萃取剂，对4 甲基苯乙酮测定的相对标准偏差为1 7 。 其后c a n t w e i l 和j e a 彻o t l 6 】又报道将1 l 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萃取，如图1 3 伯、。在萃取完成后，有 机溶剂被抽回微注射器，转移到气相色谱做进一步的分析。该系统对4 - 甲基苯乙酮 进行分析，相对标准偏差为1 5 ，显示了该方法应用于常规分析的潜力。 图1 3 液滴微萃取 l e e 等同提出一种连续流动微萃取( c o n t i n u o u s f l o wm i c r o e x t r a c t i o n ，c f m e ) 系 统，结构如图1 4 。在o 5m l 的流通池中，一滴有机溶剂( 1 5 l ) 保留在p e e k 管 的出口边缘，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，一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， 在优化的萃取条件下，萃取1 0 分钟可得至1 j 2 6 0 - 1 6 0 0 倍的高浓集倍率。测定的精密度 5 浙江大学硕士毕业论支 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 a 连续流动微萃取系统 t h e i s 等1 8 愧出了一种将悬挂小液滴用于顶空溶剂微萃取的方法，实现了用微升 级的有机溶剂( 1 - 辛醇) 顶空分析试样溶液中易挥发的有机化合物( 苯，甲苯，邻 二甲苯) 。比起需要吸附载体的萃取技术，可在忽略不计的成本下更新小液滴。在较 短的分析时间中( 5m i n ) 得到了较好的精确度和灵敏度。对比顶空固相微萃取，在 精确度和分析速度上具有相似的性能。但是顶空s m e 拥有两个明显的优势，第一 可以无约束的选择溶剂，而s p m e 目前可选择的表面涂层材料有限。第二，s m e 使 用微升级的溶剂其成本可忽略不计，而固相微萃取柱价格要高得多。 6 浙江大学硕士毕业论文 图1 5 液滴项空溶剂微萃取 ( 2 ) 液膜微萃取，在不相混溶的两相间形成液膜，进行液一液微萃取( 两相体系， 包括液相微萃取) 和液一液一液微萃取( 反萃取，三相体系) 。 l e e 等【9 j 使用微量注射器对液滴微萃取和动态液膜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 6 。基于液滴的溶剂微萃取系统使用常规的微注射 器，以1 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。液滴 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 ，实验操作简单，但 需要较长的萃取时间，为1 5 分钟。动态液膜微萃取系统利用在微注射器针头内表面 形成的非常薄的有机液膜( o f ) 进行萃取，被吸入的试样分析物( a s p ) 不断转移 到有机液膜中，当萃取达到平衡时，试样溶液被排出，液膜中的分析物再快速转移 到有机相( o p ) 中，使其起到了一个传输器的作用。动态液膜微萃取得到的浓集倍 率较高，为2 7 倍，萃取时间较短，为3 分钟，但相对标准偏差较差，为1 2 8 。较 差的原因是采用手工操作所致。 7 浙江大学项士平业论文 mi i | o _ n _ q f o 一 骨 b - _ _ _ 叶- - - _ 一 - _ _ t 图1 6 液滴微萃取和动态液膜微萃取系统对比图 c a n t w e l l 掣”】还报道使用微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，实现高效液相色谱分析前的试样净化和预浓集，实 验装置如图1 7 。在t e f l o n 环中形成3 0 l 的辛烷液膜，覆盖在1 6m l 的试样水溶 液( p h = 1 3 ) 上，一滴1 口l 或0 5u 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。分析物首先由试样水溶液中被萃取到辛烷液膜中，同时被 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做进 一步的分析。这种方式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( 甲 苯丙胺、甲苯丁胺和甲氧苯丙胺) 和1 6 0 倍( 2 - 苯乙胺) 。使用o 5 l 的液滴时，萃 取1 5 分钟浓集倍率大约是采用1 液滴时的2倍。ul 8 浙江大学项士毕业硷交 图1 7 三相液膜微萃取系统 总的来看，溶剂微萃取技术已被证明是一个快速，有效，价格低廉的试样预处 理方法，从根本上避免了大量有毒溶剂的使用。 另一种形式的溶剂微萃取技术是需要支载体的膜摹取，该技术可主要被分为两 类： 多孔膜技术，基于体积排斥原理进行分离，即足够小的分子能透过膜而大分子则 无法透过膜； 非孔膜技术，由液体或聚合物薄膜组成的，被分离的分子必须能溶解于膜中才能 透过该膜。为此，化合物在溶液本体相和膜相间的分配系数是一个重要参数，对物质 在膜中的传输起着十分重要的作用。非孔膜可被认为是一种选择性膜，只有那些既容 易从给体相萃取至膜相，又容易从膜相反萃取至受体相的化合物才容易传输通过膜。 “支载液体膜”( s u p p o r t e dl i q u i dm e m b r a n e ，s l m ) 技术首先f h a u d u n s s o n l l l 】 提出，用有机溶剂将聚合物膜充分的浸润，使有机溶剂充满膜的孔隙，当与有机溶 剂不相混溶的试样溶液流经膜时，便可和膜的表面充分接触，进行萃取。膜的使用 可避免传统液一液莘取乳化现象的产生，而且只要被萃取的物质在溶剂中的溶解度 更大，膜对于从水溶液到有机溶剂的传质几乎没有任何的阻力，因此具有选择性高， 萃取专一性高和浓集倍率高的优点。此外该技术极易实现萃取操作的自动化。s l m 9 浙江大学项士平业论文 有两相和三相体系两种萃取模式，如图1 8 所示。 三相体系是将有机溶剂层夹在供体和受体溶液之间。若其中一相( 通常是接受 相) 也为有机溶剂，便成为两相体系，由此产生的技术也可被称作“微孔膜液一液 萃取”( m i c r o p o r o u sm e m b r a n el i q u i d - l i q u i de x t r a c t i o n ，m m l l e ) 。 ( a ) s l m a u e o 峙o o n o | ( b ) m m l l e 图1 8 支载液体膜萃取的两种形式 j 6 n s s o n 和m a t h i a s s o n 等【1 2 l 使用s l m 试样预浓集技术测定了人体血浆中的安哌 齐持( 一种抗精神病药) 。水相为p h = 1 0 的含1 2 5m m o l l e d t a 的缓冲溶液，接 受相溶液p h = 2 _ 5 ，采用十二烷基醚作为萃取剂，经过1 5 - 2 0m i n 的浓集，检测限 达到3 0 n g m l 。 图1 9 支载液体膜萃取结构示意图 j 6 n s s o n 和m a t h i a s s o n 等【1 3 1 将微孔膜液一液萃取结合毛细管气相色谱用来自动 分析复杂的样品，试样溶液采用流动体系注入憎水微孔膜的授予相一侧，膜的孔隙 浙江大学硕士毕业论文 内及另一侧充满正己烷作为萃取剂和接受相。对含在人体血浆内的几种麻醉剂的检 测限达到0 5 1n g m l ，相对标准偏差为- 5 。 o h 眦 图1 1 0 微孔膜液一液萃取结构示意图 尽管具有自动化的巨大优势，但是支载液体膜萃取法采用在线操作模式时，会 引起膜的记忆效应，为了克服由此而来的试样携出问题，出现了一种新的试样预处 理技术一中空纤维膜( h o l l o wf i b r e ，h f ) 技术，使用廉价的一次性的中空纤维作为 载体进行l p m e 。 中空纤维形似中空管，其纵向剖面见图1 1 1 。中空纤维孔中含有机溶剂作为萃取 剂，中空纤维将水样溶液和接受相隔开，纤维腔内盛有接受相，纤维浸在水样中。中空 纤维管壁对接受相和试样溶液有阻断作用，可以防止其相互浸入。目标物分子经纤维 孔中萃取剂萃取后。进入接受相，当目标物在接受相和萃取剂中达到分配平衡时，萃 取过程完成。目前l p m e 也有两种模式：两相l p m e 和三相l p m e ，如图1 1 2 所示， 二者的基本原理类似。 l l 浙江大学项士平业论文 木样吸收液纤维竣 ， ； ， 7 e 卜一 ! ： 鼍 羔、纤维孔 甘标物分子 ? r- 浸有摹眼捌 譬匿 图1 1 1 中空纤维膜纵向剖面图 f 啦e “啦 m ，e g n 目e dm 伪 唧n 霉札_ 憎 八 o r 9 0 n c t l a c c e p l o ( p i m i n s j e 价e m1 h 巾h q _ m f 栅盹 衲p r 嘲ww m 驴m t 八 i l 口u 0 ma q u e l l m p 岫翻呐l i l o w 怒ll m l 嘲o l 45 0 i 咀。呻 a c c e p t o rp h m ”釉魄i e f b r e n 巾h 靠s y - m m 图1 1 2 中空纤维膜萃取的两种形式 a i 蠡c “m 5 戚 i m r m h * l “晰o - 卅k d l 黼甜 黜蚪_ d 城 蕾m 州日 图1 1 3 三相中空纤维膜萃取结构示意图 i t 一 b f 目i l a 施 i 柚 i d 9 0 隧m n * r 哪h 日l 舛 k r 。w n 删 w i t hd p k m 浙江大学硕士毕业论文 r a s m u s s e n 和p e d e t s e n b j e r g a m d “一个廉价一次性的，多孔憎水的聚丙烯中 空纤维体浸润到有机相中，接受相则被包含在中空纤维体内腔中，如图1 1 3 所示， 使得已被萃取入腔内的物质不和试样溶液直接的接触，因此可以剧烈地搅动试样溶 液而不至于损失被萃取物质。由此而来的方法也被认为是溶剂微萃取法的延伸( 如 加入对小液滴体系的保护或帮助形成不相混溶的液膜) ，因此也被称作l p m e 。 这种新颖的萃取方法很快引起了人们的注意，因为比起其它微萃取方法，除了 简单，低价，快速，低溶剂消耗，它还具有更高的灵敏度和准确度，而且由于中空 纤维一次性的使用特性，消除了试样间携出发生的可能性。 r a s m u s s e n 和p e d e r s e n b j e r g a a r d l l 5 】还通过使用不同规格的中空纤维增加其与试 样溶液的接触面积，在对尿，血浆和血液试样的分析中，萃取时间可降低一半。 z h a o 和l e e 1 6 l p m e 与h f 结合对比了静态和动态两种模式的l p m e h f ， 如图1 1 4 ( a ) ，( b ) 所示。在静态模式中，将浸润有机溶剂的中空纤维浸入到不断搅 拌的水相试样溶液中进行萃取；在动态模式中，有机溶剂由一个注射泵反复抽入抽 出中空纤维，在中空纤维内壁亦可形成有机液膜而加速萃取，该体系被认为是首个 半自动的液相微萃取装置。通过测定水样溶液中的两种多环芳烃考察了两种萃取技 术的分析性能。在1 0r a i n 的萃取时间里，静态l p m 哪f 得到一3 5 倍的富集倍率和 4 的重现性，而动态l p m e h f 富集倍率可达到0 5 倍，相对标准偏差为句。 图1 1 4 静态和动态中空纤维膜萃取对比图 浙江大学硕士平业硷文 j i a n g 和l e e l l 刀在此基础之上报道了一种新的而又简单的微筚取方法，称之为溶 剂棒微萃取( s o l v e n tb a rm i c r o e x t r a c t i o n ，s b m e ) 。作者将有机溶剂加入到一个两端 密封的中空纤维，并将之放到搅拌的试样溶液中，使其可在溶液中自由翻滚，使得 萃取更容易进行，对比液滴微萃取和中空纤维保护的液相微萃取可得到更高的富集 倍率。在对五氯苯和六氯苯的分析中富集倍率分别达到1 1 0 倍和一7 0 倍，萃取时间 为1 0m i n ，相对标准偏差 9 s n oc n s t a l l l n n y ； a m 甜p h o u s s o l u b b a t r o o m t e m o e r a t u r ei n s e v e r a ls o l v e n t s t r a n s p a r e n t ； h i g ht r a n s m i s s i o n v e r yl o wr e f r a c t i v e i n d e x - s t i f l m - h i g hg a sp 针m e a b i ! 表2 1t e f l o n 。a f 的性质 比例调配适当的t e f l o n 雷a f 在某一全氟溶剂中可以有较窄的溶解范围，但仍保 留对所有其它溶剂和操作助剂的化学惰性( 见图2 4 ) 。早期实验显示t e f l o n 雪a f 聚 合物具有3 一1 5 的溶解范围。这种溶解度允许使用溶液浇铸出亚微米级的超薄覆 浙江大学硕士平业论文 层。 图2 4t e f l o n 。a f 对常见溶剂的化学惰性 由于非晶形聚合物的本质特性，t e f l o a f 具有出色的光学透明性和透光度， 如图2 5 所示，t e f l o n 。a f 从紫外区直到部分红外区具有出色的光穿透性。而且由 于它不吸收光，使其在光的照射下不会变质。这些光学性质都是其它任何聚合物不 具备的。 2 0 0 稍6 0 08 0 0t 0 0 0 1 2 0 0t 4 0 0 鲫1 , 8 0 0 卿 w a v e l e n q i h n m 图2 5t e f l o n 。a f 的透光度 水的折射率为一1 3 3 。2 0 世纪8 0 年代末期以前，尚没有比这更低的液芯波导覆 层或者管壁材料。直到1 9 8 9 年，杜邦公司发明了t e f l o n 雪a f 氟聚合物材料( 折射 co_嚣一l_品c毋j襻 浙江大学硕士平业论文 率在范围内1 2 9 1 3 1 ) ，使得液芯波导原理可广泛应用于水溶液样品的光谱分析 中。这个性质使得t e f l o n o a f 可以成为出色的光学组件和液芯波导涂层的理想材料。 此外，t e f l o n 。a f 还具有其它一些有意义的物理特性，如t e f l o n o a f 管的柔韧性好， 容易弯曲缠绕，适合用于需要长光程而又不增加体系体积的便携式检测器1 3 , 7 , 1 1 , 1 2 】。 多孔的分子结构特征使其具有气体穿透性1 2 2 - 2 4 1 ，而其表面的憎水性对物质的渗透具 有选择性。 2 2 2 液芯波导管的应用 2 2 2 1 荧光检测 在液芯波导管内荧光分子或化学发光反应产生各向同性的发射光。在光致发光 体系，在液芯波导管内的分析物可采用轴向或正交两种模式激发。在荧光或拉曼实 验中，如果分析物充满了全部或大部分液芯波导管，轴向激发同轴反向散射检测非 常有利，因为大部分的分子被光照到，由此增强了信号强度。但是，需要一个单色 器或滤光片来阻止激发光进入检测器。这种安置方法在拉曼光谱中被广泛使用，因 为拉曼信号非常弱，所以反向散射检测方便而又有利。此外，微型的荧光检测系统 采用正交激发的方式较为有利，使用一个或多个垂直于液芯波导管的光源，或是采 用一系列不同波长的光源来激发分析物质。未被溶液吸收的激发光大部分穿过了覆 层。对于一个性能较好的光导纤维，在正交激发模式下，小于1 1 0 6 的光子能达到 检测器，而对于液芯波导管，此数值为1 1 0 5 ，即便如此，在检测器一端也不必再对 激发光进行滤光处理。 图2 6 为一典型的基于液芯波导原理的荧光检测系统。液芯波导管长度一般在1 5 5 0c m ，内径在0 1 1f i l m ，被放置在一个不透明的管子或盒子内，避免外部光进 入检测系统。使用相同或较大内径的光纤以及高数值孔径透镜收集从波导管出来的 光并导入检测器。若不需聚焦，光学器件之间的耦合更为方便。在三通处，波导管 出口和光纤的距离尽量的保持最小，以使光损失也达到最小。在大部分体系中，只 有从一个波导管管口出来的光被检测；然而，在有些商品化的化学发光光度计中， 三通被用于管的两端，从一端或是两端收集光信号。光源的选择范围更广，可以使 浙江大学硕士牛业论文 用一个或多个l e d 分别对应一个或多个波长，用于连续的或时间控制的多元检测。 小型的笔形汞灯和空心阴极灯也可被应用于系统中。检测器依据检测的灵敏度，特 性和需要的波长范围进行选择。可应用的检测器包括最简单的光电二极管，集成干 涉滤光片的光电二极管，低价的光电倍增管以及光纤引入的c c d 和光电二极臀阵列 分光光度计。 图2 6 基于液芯波导管的荧光检测系统 在液芯波导管内有时会形成微小的气泡， 的散射。可以采取在管的出口处施加一背压， 用表面张力低的溶剂( 如甲醇) 冲洗。 粘附于波导管内壁，能够引起激发光 或将波导管垂直放置。气泡的去除可 2 2 2 2 长光程吸光度检测 使用长的液芯波导管进行长光程吸光度测量，在痕量分析中能够得到较低的检 测限。y a o 等1 1 7 l 报道了一个长光程吸收光谱检测系统( 1 0 n gp a t hl e n g t ha b s o r b a n c e s p e c t r o s c o p y ，l p a s ) ，如图2 7 所示，使用o 5 6m m 内径，4 5m 长的液芯波导管分 析天然水中痕量硝酸盐亚硝酸盐，检测限分别达到1 5n m 和0 5n m ，且在对该系 统6 个月的使用过程中，未发现系统的稳定性有明显的改变。 2 2 浙江大学项士平业奄文 m l n i 啊 图2 7 长光程吸收光谱检测系统 基于液芯波导原理的长光程吸收检测系统非常适合于天然水质和海洋化学的痕 量分析。已经被应用于硫化氢1 1 4 】，铁离子 i s , t 6 l ，硝酸盐和亚硝酸盐i ”，磷酸盐【1 引， 铬离子及钼离子【1 9 1 ，铜离子例等的测量。此外，也可使用液芯波导管对羟基自由基 反应进行光谱学研究【2 1 l 。 2 2 2 3 气体及有机物分析 除了能作为流体和光的流通管路，液芯波导管还可以被用作物质预浓集器，气 体穿透膜或电泳通道。许多气体很容易穿透t e f l o n a f ，进入波导管内腔，与特异性 的显色剂作用产生颜色，因此可将其用作灵敏的气体传感器，如文献 2 2 1 报道的h 2 s ， a 2 ，n 0 2 和c c h 气体传感器。即使两种气体可以等同的与同一种发色试剂反应，但 是由于它们对a f 具有不同的穿透能力，所以依然能够使用不同壁厚或管长的液芯 波导管来区分这两种气体从而进行测量，如文献1 2 3 报道的h o n o 和n 0 2 测定系统。 l a r s s o n 等i 报道了使用长光程紫外吸收光谱法测定性质相似的有机化合物 ( 苯，甲苯，乙苯和二甲苯) ，如图2 8 所示。将具有气体穿透性的液芯波导管用作 长光程液芯波导吸收池，使用石英光纤分别将脉冲氙灯( 2 0 0h z ) 发出的光引入液 芯波导管，并在另一端导入二极管阵列检测器( 2 0 0 2 8 0n m ) 进行检测。在1m 长 的液芯波导管中取样1 0 m i n 后得到苯的检测限为1 0 p g ，l 。 浙江太季项士平业论文 h m - i s _ _ 瞻_ r ll 图2 8 长光程紫外吸收光谱系统 非极性的物质可被a f 吸附。t a n i k k u l 等1 2 5 】研制了一个基于液芯波导管体系的 拉曼传感器，如图2 9 。首先苯，甲苯和邻二甲苯作为分析物浓集在波导管内壁，然 后经过乙腈水混合溶剂的冲洗得到1 4 倍浓集的分析物，进行拉曼光谱测量。对苯 的检测限达到7 3 0 9 9 l 。 o o p s e n g o rf l o w 图2 9 基于液芯波导原理的拉曼传感器 2 2 2 4 化学发光检测 在许多化学发光( c h e m i l u m i n e s c e n c e ，c l ) 和生物发光实验中，随着溶液的混 合及反应的发生立即产生发光。一些化学发光反应时间甚至是毫秒级的，这就需要 溶液在光电倍增管( p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ，p m t ) 检测窗口前进行混合，比如，次溴 酸盐尿素反应在混合2 0m s 时光强度达到顶峰随后信号逐渐减弱，1 2 0m s 后信号已 溢 浙江夫学硕士毕业论文 接近为零。因此，光电倍增管前这段混合区域对于是否能检测到光信号是非常重要 的。 。 i j 等1 2 i 报导了一个将液芯波导管同时作为反应池和光收集器的化学发光检测系 统，如图2 1 0 。鲁米诺次氯酸盐的反应在混合8 0 0m s 后光强达到最大值，当向该 反应体系中通入氨气，可消耗次氯酸盐而使背景光降低，以此来测定氨的含量。作 者使用一个t 型电解池在线产生次氯酸盐，对n h 4 + 的检测限达到1 2 0 1 6 0n m 。 图2 1 0 基于液芯波导管的化学发光检测系统 l j 等【6 l 通过一个n a t i o n 膜扩散净气器收集空气中的过氧化氢( h 2 0 2 ) 然后与鲁 米诺在液芯波导管内进行化学发光反应。最高光强度出现在混合后2s 内，这就使得 反应和检测必须要在同一波导管中进行。光电倍增管用于检测，信噪比为3 时检测限 达到2 5p p w ( p a n sp e rt r i l l i o nb yv o l u m e ，万亿分之一体积) ，0 3 的干扰小于0 5 ， s 0 2 和n 0 2 不干扰测定。 2 2 2 5 毛细管电泳 在毛细符电泳中将液芯波导管应用于正交激发的荧光检测系统早期已被报导过 浙江大学嘎士平业论文 【”，作者用两个l e d 作激发光源，用光电倍增管或光电二极箭作检测器，可应用于 多种物质的测定，如图2 1 1 所示。该系统简单，价格低，灵敏度高，如荧光素的检 测限可达到以0 0a m o ! ，亚甲蓝和罗丹明的检测限分别为5 0n m 和1n m ，甲醛的检 测限1 0 0p p t v ，s 0 4 2 - 的检测限为1p p m 等等。 ， 图2 1 1 基于液芯波导管的毛细管电泳荧光检测系统 w a n g 掣5 l 随后使用滴液式试样引入系统结合a f 涂覆的短毛细管电泳，分离了 f 1 t c 标记的氨基酸，如图2 1 2 。使用l e d 激发，p m t 检测，可达到每小时1 4 4 个 样品的分析速度，标准偏差分别为3 2 ( 精氨酸) 和4 3 ( 甘氨酸) ，试样携出仅 为2 。信噪比为3 时精氨酸的检测限为1 3 m ，苯丙氨酸和甘氨酸的检测限为1 9 m 。此外，在l e d 与液芯波导管之间插入球形透镜，使得s n 提高了4 倍。 阳 i 壶i 图2 1 2 滴液式试样引入液芯波导管电泳分离体系 h a n n i n g 等【4 l 报导了一个正交激发的荧光检测系统，使用c c d 检测器，对荧光 素的检测限达到0 5 5a m o l 。同时作者也将该体系应用于d n a 的测序。 o l i v a r e s 等1 8 j 将液芯波导管用于d n a 电泳分离和蛋白质的等电聚焦。用该体系 测定d n a 片段的大小以及分离蛋白质证明了其分析性能。激发光沿电泳后的波导 管进行扫描，分别激发已被分离的试样条带，荧光信号在波导管末端由光纤导入 浙江夫季硕士毕业论文 p m t 检测，因此得到沿整根波导管的分离谱图，且能检测到的目标分子达到z m o i 级。 一 图2 1 3 基于液芯波导管的d n a 电泳分离及蛋白质等电聚焦系统 b e l z 等【9 1 建立了一个9 1 根液芯波导毛细管阵列的凝胶电泳体系，通过荧光检测 进行d n a 测序，并使用类似的体系进行单核苷多样性分析i l o l 。 图2 1 4 基于液芯波导管的d n a 序列分析及单核苷多样性分析系统 u u 和p a w l i s z y n t l 3 1