（分析化学专业论文）快速现场色谱分析新方法研究.pdf

o o 复旦大掣日受士掌位论文 摘要 本论文研究了以色谱原理为基础的快速现场分析新方法。首次提出了一种 在毛细管和微流控芯片微通道中制备固相萃取样品前处理单元的方法：通过原 位紫外光照法制备聚合物整体柱，以此整体柱为塞子，填充色谱填料形成双相 载体。建立了微通道固相萃取与微型便携式气相色谱仪联用，检测安非他明类 刺激剂药物的快速现场分析新方法。我们建立了针对易制毒化学品检测的现场 分析方法，并参与了相应便携式易制毒化学品检测仪的研制。该方法对国务院 制定的易制毒化学品目录中的挥发性有机物做到了现场快速检测。本论文共分 四章。主要内容摘要如下： 第一章介绍了选题背景、意义。论述了当今快速现场色谱分析技术进展。 进而展开到实现快速现场色谱分析的技术途径：便携式气相色谱仪以及相应的 微型化样品前处理方法。着重介绍了固相萃取技术的进展。综述了在微流控芯 片上实现固相萃取的方法。介绍了便携式气相色谱仪的发展和应用。 第二章研究了以原位紫外光照法制备单相聚合物前处理柱和聚合物o d s 双 相预处理柱的方法，并将其移植到p m m a 芯片上，制作了样品前处理阵列芯片。 该方法的创新之处在于：能够方便地实现微通道中固相萃取载体的定位，并采 用双相载体对样品进行固相萃取。我们以麻黄碱为分析对象，通过离线紫外检 测法考察了预处理单元的固相萃取性能。最后，使用固相萃取芯片前处理一电泳 分离一激光诱导荧光检测的方法对尿样中的麻黄碱进行了检测。 第三章将双相固相萃取样品前处理芯片与便携式气相色谱仪联用对安非他 明类刺激剂进行现场快速检测。建立了微通道固相萃取一便携式气相色谱仪分离 检测新方法，对水溶液中的安非他明类药物实现了快速分析。实验结果表明， 该方法具有很低的检测限和很好的重现性，样品消耗量小，非常适合于刺激剂 类兴奋剂的现场快速初筛。 第四章建立了易制毒化学品快速现场检测方法并参与研制了便携式易制毒 化学品检测仪。该方法包括样品衍生等前处理方法，使用便携式易制毒检测仪 对易制毒化学品进行快速现场检测。该便携式易制毒检测仪具有检测灵敏、快 速分析、易携带、易操作等特点。目前，该检测仪已投入云南边防各检查站禁 毒现场试用。 本论文围绕快速现场色谱分析新方法研究这个主题，研制了用于样品前处 理的毛细管双相固相萃取柱和毛细管阵列芯片；建立了双相固相萃取芯片与便 携式气相色谱仪联用现场检测安非他明类刺激剂新技术；建立了易制毒化学品 快速现场检测方法并参与研制了便携式易制毒化学品检测仪。为兴奋剂及易制 o o 毒化学品的快速现场检测提供了新方法新技术。 关键词：快速现场分析；固相萃取；微流控芯片；易制毒化学品；安非他明 i i o o 复旦大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si st od e v e l o pf a s t f i e l da n a l y t i c a lm e t h o db a s e do n t h ep r i n c i p l eo fc h r o m a t o g r a p h y f i r s tp r e s e n tam e t h o dt of a b r i c a t et h es o l i dp h a s e e x t r a c t i o n ( s p e ) u n i ti nt h ec a p i l l a r yo rt h ec h a n n e li nt h em i c r o c h i p ：u s ei n - s i t u u v - i n i t i a l e dp o l y m e r i z a t i o nt op r e p a r ep o l y m e rm o n o l i t ha n du s et h em o n o l i t ha s f r i tt op a c kc h r o m a t o g r a p h i cp a c k i n gm a t e r i a l sa sd u a lp h a s es o l i ds u p p o r t s d e v i s e d af a s t f i e l dd e t e c t i o nm e t h o df o ra m p h e t a m i n e - - t y p es t i m u l a n t sb yc o u p l i n gt h ed u a l p h a s es p em i c r o c h i pt ot h ep o r t a b l e g c w eh a v ed e v e l o p e daf a s t - f i e l dd e t e c t i o n m e t h o df o rd m g - m a k i n gc h e m i c a l s ( d m c ) a n dd e s i g n e dap o r t a b l ed m cd e t e c t o r t h ev o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d si nt h ed m cl i s tt h a ts p e c i f i e db yc h i n as t a t e d e p a r t m e n tc a nb ef a s t f i e l dd e t e c t e db yu s i n gt h i sm e t h o d t h er e s e a r c hw o r ki n t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n dp u r p o s eo ft h i sr e s e a r c ha r ed e m o n s t r a t e d s u m m a r i z e dt h ea d v a n c e si nf a s t f i e l dc h r o m a t o g r a p h i ct e c h n o l o g y i n t r o d u c e dt h e a d v a n c eo fs p ea n dm i c r o f l u i d i c s p e i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fp o r t a b l e - g c i nc h a p t e r2 ，a ni n s i t uu v - i n i t i a t e dp o l y m e r i z a t i o nm e t h o dt of a b r i c a t es i n g l e p h a s ep o l y m e rs a m p l ep r e t r e a t m e n tc a p i l l a r ya n dd u a lp h a s ep o l y m e r o d ss a m p l e p r e t r e a t m e n tc a p i l l a r y m i g r a t e dt h i st e c h n i q u et oap m m ac h i pt op r e p a r eas a m p l e p r e t r e a t m e n ta r r a yi nt h em i c r o c h i p b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h el o c a t i o no ft h es p e u n i ti nt h em i c r oc h a n n e lc a nb es e te a s i l y a no f f - l i n eu vd e t e c t i o nw a sa d o p t e dt o e x a m i n et h ed u a lp h a s es a m p l ep r e t r e a t m e n tu n i t se x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fe p h e d r i n e e p h e d r i n e i nt h eu r i n es a m p l ew a sd e t e c t e d b yu s i n g t h es p em i c r o c h i p p r e t r e a t m e n t e l e c t r o p h o r e s i ss e p a r a t i o n l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n i nc h a p t e r3 ，t h ed u a lp h a s es p em i c r o c h i pw a sc o u p l e dt op o r t a b l e - g ct o f a s t f i e l dd e t e c t sa m p h e t a m i n et y p es t i m u l a n t s t h i sn o v e lm e t h o dp e r f o r ma f a s t f i e l dd e t e c tf o ra m p h e t a m i n et y p es t i m u l a n t sw i t hl o wl i m i to fd e t e c t i o n ( l o d ) ， h i g hr e p r o d u c i b i l i t ya n dl o wq u a n t i t yo fs a m p l ec o n s u m i n g i nc h a p t e r4 ，ap o r t a b l ed m cd e t e c t o ra n dc o r r e s p o n d i n gf a s t f i e l dd m cd e t e c t i o n m e t h o dw e r ed e v e l o p e d t h ep o r t a b l ed m cd e t e c t o ri ss e n s i t i v e ，f a s ta n a l y s i sa n d e a s yo p e r a t i n g n o w , t h i sm e t h o di n c l u d et h ei n s t r u m e n tw a st e s t i n gi nt h eb o r d e r c h e c k p o i n ti ny u n n a np r o v i n c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ef a s t f i e l dc h r o m a t o g r a p h i ct e c h n o l o g y d u a lp h a s es p e o o o c a p i l l a r ya n dd u a lp h a s es p ea r r a ym i c r o c h i pw a sd e v e l o p e df o rt h es a m p l e p r e t r e a t m e n t d u a lp h a s es p em i c r o c h i pw a sc o u p l e dt op o r t a b l e g ct od ot h e f a s t f i e l dd e t e c t i o no fa m p h e t a m i n et y p es t i m u l a n t s af a s t - f i e l dd m cd e t e c t i o n m e t h o di n c l u d e sap o r t a b l ed m cd e t e c t o rw a sd e s i g n e d k e yw o r d s ：f a s t f i e l dd e t e c t i o n ，s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，r a i c r o c h i p ，d r u g - m a k i n g c h e m i c a l ，a m p h e t a m i n e i v o c 0 ，l 旦大掌硬士掌位论文 第一章文献综述 1 1 引言 色谱法是一种高效的分离技术，其原理是利用欲分离的诸组分在两相间的分 配有差异( 即有不同的分配系数) ，当两相作相对运动时，这些组分在此两相中 的分配反复进行，从几千次到百万次，即使组分的分配系数只有微小差异，随着 流动相移动却可以有明显的差距，最后使这些组分都得到分离1 1 。从1 9 0 3 年 t s w e t t 发现色谱到现在已经有1 0 0 年历史了。在这期间，特别是在1 9 5 2 年j a m e s 和m a r t i n 提出的色谱概念性文章【2 】之后，色谱技术得到了迅速发展。到今天， 色谱科学已经发展成为- - i 独立的三级学科。j a m e s 和m a r t i n 也因为在色谱领域 的突出贡献而获得诺贝尔化学奖，此外色谱分析方法还在1 2 项获得诺贝尔化学 奖的研究工作中起到关键作用。常用的色谱技术包括：柱色谱法、薄层色谱法、 气相色谱法、高效液相色谱法、高效毛细管电泳法等等，这些色谱技术广泛应用 于石油产品分析【3 】、生物化学【4 】、天然产物【5 】、氨基酸【6 】，食品香料【7 】等领域 中。 随着色谱技术的不断发展，人们对色谱技术的应用提出了各种新的要求。其 中，色谱分析技术的快速化、现场化是一个研究的热点。快速现场色谱分析技术 在环境检测、工业卫生、法医学、化学战争、石油勘探、过程分析化学、原位化 学分析，空间科学等方面都有广泛应用【8 1 1 1 。如： 航空航天领域：在航天飞机以及各种宇宙探测器上，进行气体检测。 环境检测领域：空气、水质、土壤、固体废弃物的现场检测；汽车尾气检测； 居住环境空气、办公室空气、装饰材料释放物的检测等。 石油化工领域：化学工艺过程检测，脱脂溶剂检测，慢性泄露物检测，石油勘 探检测，炼油工业检测，健康和安全检测，厂房空气质量检测，汽车、集装箱喷漆 溶剂与废气检测等。 刑事侦察领域：毒品检测、易燃物、爆炸物残留物的现场检测等。 医学诊断领域：兴奋剂检测、呼吸气体检测，诊断代谢疾病等。 要实现快速现场色谱分析，应当从发展快速、高效的样品前处理技术和研制 适合现场快速分离、检测的便携式分析仪器这两方面入手。从样品前处理技术来 看，色谱分析通常使用的样品前处理方法包括液相萃取和固相萃取这两大类。液 相萃取是传统的样品前处理方法，而固相萃取是目前研究样品前处理方法的热 o o c 点。同时，近年来微流控芯片技术的迅速发展，也为探索新型的样品前处理方法 提供了广阔的平台。另一方面，对于现场快速分析仪器来说，气相色谱原理已经 非常成熟，由此产生的便携式气相色谱仪也已经得到了较广泛的应用，市场上已 经出了现很多技术成熟、性能稳定的便携式气相色谱仪。而液相色谱的便携式仪 器现在还大多处于研究阶段，直接采用便携式液相色谱做现场分析的技术还不成 熟。综上，针对发展快速现场色谱分析新方法，本文将从固相萃取样品前处理技 术、微流控芯片固相萃取技术和便携式气相色谱技术这三个方面加以阐述。 1 2 固相萃取样品前处理技术 1 2 1 固相萃取样品前处理技术原理 在现代分析化学研究中，所面对的待测样品多种多样，不仅包括了气、液、 固相所有的物质，并且往往以多种形态存在。待测样品常常组成复杂、所含目的 物浓度低。这给分析测定带来了一系列困难。因此，样品的前处理是分析分离科 学中一个非常重要的环节。很多时候，只有通过对样品的前处理，使其在浓度、 纯度等方面满足后续实验的要求，才能获得最终准确、灵敏的分析检测结果。在 快速现场的色谱分析方法中，对样品前处理的要求更高，适合的样品前处理技术 必须满足操作简单、处理高效等要求。固相萃取( s o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，s p e ) 是符合上述要求的高效样品前处理技术。 传统的样品前处理技术，主要包括液液萃取、蒸馏、结晶、过滤、预沉淀、 离心、吸附、索氏提取等等。其中色谱技术需要使用到的主要是液液萃取技术， 它是利用溶剂对样品溶液进行萃取、浓缩的方法来实现样品的前处理。液液萃 取的主要缺点在于；1 萃取时间长；2 萃取试剂消耗量大；3 多数萃取试剂易 挥发，对人体有害，污染环境：4 萃取后不能直接进行下一步分析，往往还需 要经过浓缩、富集等操作。7 0 年代发展起来的固相萃取技术与液液萃取技术相 比，克服了以上所有确点，是一种选择性强、处理样品时间短、富集倍数高、精 密度和准确度较高以及低溶剂消耗的新型样品前处理方法。 固相萃取的原理与液相色谱类似，使用色谱固定相作为吸附剂。典型的反向 填料固相萃取操作如图1 1 所示，当待处理样品流经固相萃取装置时，目标分子 被固定相吸附。样品中的其他干扰物质则随清洗溶剂流过固定相。进样、清洗完 毕后，使用洗脱溶剂将吸附在固定相上的目标分子洗脱，就达到了对样品富集、 纯化的效果。 1 2 2 固相萃取方法进展 2 o o o o ! ! j 3 _ ! 畸里孽一 ( 3 ) 上样 ( 2 ) 3 - 5 l l 永娥鬟冲渡 卜5 7 二i n 上 上 锤茹熊 山 ( 4 ) 1 - 2 - l 龊 性溶剂。洗麓 l 韩韩翰槔 上 b 上 d 图1 1 固相萃取操作示意图 吸附剂材料技术进展 人们使用固体吸附剂分离样品的历史可以追溯到二十世纪初t s w e t t 发现的 色谱现象 1 2 1 。1 9 4 9 年，b r a u s 等人使用填有1 2 0 0 - 1 5 0 0g 活性炭颗粒的萃取筒来 萃取地表水中的有机物1 1 3 1 。萃取完成后，将活性炭颗粒取出，用乙醚洗脱富集 的有机物。使用活性炭作为固相萃取吸附剂虽然存在很多缺点，如不可逆吸附、 活性炭化学活性较高，表面易被吸附物质修饰等等，但是它引发了人们对各种新 型固相萃取吸附剂的研究。 1 9 6 0 1 9 8 0 年间，大量的新型固相萃取吸附材料被开发出来，固相萃取材料 技术得到了快速发展。r i l e y 和t a y l o r 1 4 首次报道了使用a m b e r l i t ex a d 1 聚苯 乙烯交联聚合物树脂小球( 2 0 5 0 目) 预富集水样中的有机物。此后，苯乙烯 二乙烯基苯共聚物( x a d 2 ，m 4 ) 及乙烯基二甲基丙烯酸酯树脂( x a d 7 ， x a d 8 ) 得到了广泛应用【1 5 1 7 1 。在这一时期，除了a m b e r l i t e 以外，p o r a p a k s 、 c h r o m o s o r b s 和t e n a x 等制造商也开始提供用于处理水样的共聚物固相萃取吸附 剂。7 0 年代中期，m a y 等人【1 8 】以及l i t t l e 和f a l l i c k 【1 9 1 首次采用了常用的液相 色谱填料一键合硅胶作为固相萃取吸附剂。1 9 7 7 年，w a t e r s 向市场投放了首 个商品化的固相萃取柱( s e p p a k ) 就是采用的键合硅胶( c 8 、c 1 8 ) 。与此同 时，石墨碳黑材料也开始用于固相萃取。至今，各种功能修饰的新型聚合物吸附 剂、键合硅胶吸附剂以及石墨碳吸附剂仍然是广泛使用的固相萃取吸附剂材料。 o c c ，：旦大学习【士学位论文 近年来，新型免疫亲和吸附剂和分子印迹聚合物固相萃取柱引起了人们很大 的兴趣。免疫亲和吸附剂是利用抗原抗体相互作用的原理进行选择性吸附的固 相萃取材料。将抗体通过共价键、吸附作用或胶囊化封装连接到合适的固体支撑 架上形成免疫亲和吸附剂，利用抗原抗体间高选择性和高亲和性的相互作用， 对样品进行前处理。h e n n i o n 的课题组对免疫亲和吸附剂做了大量研究应用 f 2 0 2 3 。分子印迹聚合物固相萃取柱是另一种具有高选择性的固相萃取材料。在 构造分子印迹聚合物时，模板分子被引入到聚合物中。这样，制备出聚合物后将 这些模板分子从聚合物中洗脱。聚合物中就留下了高选择性的适合目标分子的三 维空位，其中各位点主要通过氢键、离子和亲水相互作用与目标分子结合，进行 高选择性固相萃取。分子印迹聚合物固相萃取柱被广泛应用于从不同基质中提取 药物或污染物 2 4 2 6 1 。 固相萃取应用技术进展 ( 1 ) 自动化固相萃取技术 使用自动化的固相萃取可以大大降低操作人员工作强度，在对大量样品进 行分析时，自动化方法体现出显著的优越性。此外，使用高度自动化的固 相萃取装置也可以提高分析方法的准确性和重现性。m u s s h o f f 等人1 2 7 使 用自动化顶空动态固相萃取装置( 图1 2 ) 对头发样品中的安非他明类药 物进行固相萃取，衍生化反应，获得了较好的结果。 i 卜爹 i lj ；2 5 j i m f f r f a + i i 鬻i ：曼弱 b ) d y n a m i cc ) o n - c o a t i n g e x t 怕c 目o nd e r i v a 憾z a t i o n 9 r a i n )1 1r a i n ) 4 豇悬 i 学熬 l 纂 t n i 。，衙“ | | | d ) a s p i r a t i o ne ) d e s o r p t i o n o fn i t r o g e ni r tng ci n j e c t o r g a ss t a t i o n 4m i n 2 5 0 0 c 1 瀑恻漱帮一藩攀 o c o o 复且大学h 甄士掌位论文 图1 2 自动化顶空动态固相萃取( a u t o m a t e dh e a d s p a c es o l i d - p h a s ed y n a m i c e x t r a c t i o n ，s p d e ) 示意图 ( 2 ) 在线联用技术 固相萃取与其他分析技术的在线联用随着固相萃取的广泛使用也在迅速 发展，常用的固相萃取色谱联用技术包括：固相萃取高效液相色谱联用 ( s p e h p l c ) 【2 8 2 9 】、固相萃取气相色谱联用( s p e g c ) 【3 0 等。 s l o b o d n i k 等人 3 1 1 将固相萃取样品前处理与液相色谱、气相色谱分离和质 谱检测联用。使用该系统对水样进行一次分析只需要3 小时，就可以获得 水样中未知有机物的g c m s 、l c m s 和l c d a du v 三种信息。采用固 相萃取与色谱技术联用的在线分析方法可以提高分析测试的准确性和回 收率、改善检测限，并且适用于现场实时自动化连续检测。 ( 3 ) 固相微萃取技术 固相微萃取技术( s o l i dp h a s em i c r oe x t r a c t i o n ，s p m e ) 是在固相萃取技术 基础上发展起来的新型萃取分离技术，它保留了固相萃取技术的优点，避 免了固相萃取中样品高空自及萃取柱易阻塞等特点，具有操作简便、萃取 快速、选择性高等特点。图1 3 为常用固相微萃取装置示意图，萃取时将 保护针套 蘖觎纤 样品溶液 搅挣子 图1 3 固相微萃取装置示意图 涂有s p m e 纤维的针尖插进待测样品瓶中，插入溶液( 直接s p m e 法) 或悬空( 顶空s p m e 法) 进行萃取。萃取完成后将针尖收回保护针套， 将s p m e 装置从样品瓶中取出即完成萃取操作。 固相微萃取技术已广泛应用于各类样品的前处理中。在安非他明类刺激 剂药物的检测中，使用固相微萃取技术的例子也非常多f 3 2 3 5 1 。 1 3 微流控芯片固相萃取技术 自从2 0 世纪9 0 年代初m a n z 等人提出微型全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i s 5 o c c s y s t e m ，m - t a s ) 【3 6 3 7 】以来，微流控芯片分析方法得到了很大的发展，成为了当 今分析化学发展的一个热点。微流控芯片技术的使用，可以将分析速度成百倍的 提高，费用成百倍的下降。由于微型化的主体部分常以芯片形式出现，它也被通 俗化的称为“芯片实验室”( l a b o i l a c h i p ) 。微流控芯片技术发展的目标就是 把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微 芯片上，有着广泛的实用性及应用前景【3 8 】。 近年来，随着微流控芯片技术在生物样品分析中起到越来越重要的作用，如 何对复杂基质样品中的目标分子特别是低浓度组分进行高灵敏度、高选择性的检 测成为了人们关心的问题。采用固相萃取技术对样品进行高效、专一的前处理是 解决这一难题的重要方法。在微流控芯片上构建固相萃取功能单元实现固相萃取 技术，主要有四种方式：( 1 ) 使用固定液对微通道涂层；( 2 ) 填充填料制备固 相萃取单元( 3 ) 原位聚合制备整体柱固相萃取单元；( 4 ) 溶胶凝胶法制备整 体柱固相萃取单元。 微通道固定液涂层法 k u t t e r 等人【3 9 】在微流控芯片上使用c 1 8 固定液对微通道内壁进行涂层作为 固定相，对香豆素c 4 6 0 进行了5 0 倍的富集。 填充填料法 o l e s c h u k 等人【4 0 】报道了在微流控芯片通道中通过机械加工制成填充床，填 充o d s 填料作为固相萃取单元的方法。使用该固相萃取单元对染料b o d i p y 进 行了8 0 - 5 0 0 倍富集。e k s t r o m 等人【4 1 】采用类似的方法在微通道中填充反向液相 色谱填料p o r o s2 0r 2 ，对蛋白质酶解产物进行富集。i 沁等人【4 2 】在p d m s 芯 片上加工了网格状结构，作为填充时的柱塞。b e r g k v i s t 等人1 4 3 1 在微通道中制作 了“坝”式结构和“栅”式结构的柱塞( 图1 4a ，b ) ，填充填料进行固相萃取。 原位聚合法制备整体柱 y u 等人【4 4 】采用紫外原位光照法在微通道内制备了多孔聚合物整体柱固相 萃取单元( 图1 5 ) ，对荧光染料香豆素5 1 9 进行了1 9 0 1 6 5 0 倍的高效富集。 溶胶凝胶法制备整体柱 w o l f e 等人【4 5 】采用溶胶凝胶法在芯片微通道内制备了固相萃取整体柱，用 于d n a 样品的前处理。在进一步研究中 4 6 1 ，他们通过采用硅胶基质的溶胶凝 胶包埋法制备整体柱，改善了其重现性和稳定性。 以上四种方法制备微流控芯片上的固相萃取单元的主要问题如表1 1 所示： ，u 驮胃明玎士学位诗：乞 图1 4 微通道结构示意图，( a ) “坝”式结构塞子；( b ) “栅”式结构塞子【4 3 】 图1 5 多孔聚合物整体柱截面扫描电镜图删 表1 1 常用微流控芯片中实现固相萃取功能方法比较 固相萃取实现方法 缺点优点 微通道固定液涂层法负载量小 填料负载量大；可根据样 填充填料法塞子加工复杂，成本较高 品选择填料 聚合物孔径较大，富集效在芯片r 定位、确定长度 原位聚合法制备整体柱 率没有色谱填料高 容易 制作难度较高，不易控制 溶胶凝胶法制备整体柱 长度和位置 ，l 且大学习i 士掌位论文 1 4 便携式气相色谱技术 1 4 1 便携式气相色谱仪介绍 随着环境监测、突发事件、特别是化学战剂等现场检测工作的迫切需要，便 携式气相色谱仪( p o n a m cg c ) 的研究在当今气相色谱仪器的研究中受到很大的 关注。美国分析化学杂志从1 9 9 6 年起，每隔两年出版一次的气相色谱专题 综述中都会列出一个专题“快速和便携式气相色谱仪”，专门讨论快速色谱分析 和便携式气相色谱仪器的研发 4 7 - 5 1 】。2 0 0 2 年的美国色谱科学杂志也有一 期专刊讨论快速气相色谱 5 2 1 。国际上各大著名仪器公司也相继推出了许多商用 微型气相色谱仪器以及微型g c ，m s 系统，a 酉l e n t3 0 0 0 、v a f i nc p 4 9 0 0 是其中 的代表( 图1 6 ) 。 图1 6 商用便携式气相色谱仪：a 舀l e n l3 0 0 0m i c f og c 5 3 和埘c p 4 9 0 0 m i c r og c 5 4 1 这些商用微型g c 的共同特点足： ( 1 ) 体积小，重量轻，便于携带。可安装在航天飞机及各种宇宙探测器上，也 可由工作人员随身携带进行野外考察分析。 ( 2 ) 速度快，保留时间以秒计，很适合于有毒气体的监测和化工过程的质量控 制。 o 复且大学习【士掌位论文 ( 3 ) 灵敏度高，对许多化合物的最低检测限为1 0 5 级。 ( 4 ) 可靠性高，适合于不同的环境，可连续进行2 5 0 0 0 0 0 次分析。 ( 5 ) 功耗低，省能源，一般采用1 2 v 直流电，功耗不超过1 0 0 w 。 ( 6 ) 自动化程度高，可用笔记本电脑控制整个分析过程和数据处理，也可遥控 分析。 ( 7 ) 样品适用范围有限。目前市场上的微型g c 基本都采用t c d 检测，进样 口温度不超过1 5 0 ，故主要用于常规气体分析，如天然气、炼厂气、氟 里昂、工业废气以及液体和固体样品的顶空分析，而不适于分析高沸点样 品。因此所用色谱柱多为0 2 o 5 m m 内径的p l o t 柱，柱长为1 0 m 左右。 目前的商品化的微型g c 的色谱柱升温的速度还是比较慢，而且大多数的微 型g c 只能在恒温下进行工作 5 5 1 。 1 4 2 便携式气相色谱仪的应用 便携式气相色谱仪主要应用于现场环境检测、刑侦、突发事件及现场在线监 控等领域。h 等3 5 6 1 使用带双柱分析模块的便携式气相色谱仪- 聚合物声波检 测器检测室内空气中的挥发性有机物( v o c ) 。w i l l i a m s 等人使用e l e c t r o n i c s e n s o r t e c h n o l o g y 4 1 0 0 便携式气相色谱仪，声波检测器，检测沙林( s a t i n ) 和索 曼( s o m a n ) 两种神经毒气，检测灵敏度达到p g 级 5 7 1 。e c k e n r o d e 介绍了v i k i n g s p e c t r a t r a k5 7 2 便携式气相色谱，质谱检测仪用于环境检测、突发化学污染检测、 毒品检测( 图1 7 ) 、化学战剂及化工排放物检测【5 8 】。便携式气相色谱仪器在 以上现场检测工作中发挥了非常重要的作用。 1 5 本研究的意义及内容 发展快速现场色谱分析新技术，是现代色谱技术研究的一个重要方向。本研 究围绕快速现场检测这一核心，抓住发展高效样品前处理方法和便携式气相色谱 仪这两个方面，建立了一系列新技术、新方法。本论文可分为三部分： 第一部分：从建立快速现场色谱分析技术的首要问题样品前处理方法入手， 制备了单相聚合物固相萃取毛细管柱、聚合物0 d s 双相固相萃取毛细管柱及双 相固相萃取芯片等新型样品前处理装置。首次提出了以紫外原位聚合整体柱为塞 子、填充色谱填料制备双相固相萃取单元的方法。该方法具有灵活定位，可精确 控制固相萃取单元长度，可根据样品需要更换色谱填料的特点，特别适合于构 o ，0 目大学啊甄士d 纠也论文 可卡因 1 0n g 梅洛因 2 0n g f ； ：l ：爱_ 焉i 。i 写一 r e t e n t i o n3 1 m e r a i n ) 图1 7v i k i n gs p c c t r a t r a k5 7 2g c m s 检测毒品图谱 5 8 1 建微流控芯片上的功能单元。我们以水溶液中的麻黄碱为样品，考察了以上固相 萃取前处理装置的性能。最后，采用双相固相萃取前处理芯片处理尿样中的麻黄 碱样品，使用电泳分离激光诱导荧光检测器对经过前处理后的样品进行检测， 建立了高灵敏度快速分析方法。该方法的建立，不仅可以满足兴奋剂毒品检测 的要求，还为将来构建集成前处理、分离、检测等功能的芯片实验室奠定了基础。 第二部分：安非他明类药物是一类常用的兴奋剂，也是使用最泛滥的毒品之 一。滥用安非他明类药物给全世界带来了严重危害。为了实现针对安非他明类刺 激剂药物的现场检测，我们将双相固相萃取芯片与便携式气相色谱联用，建立了 完整的针对安非他明类刺激剂药物进行快速现场检测的色谱分析新方法。使用该 技术检测尿样中的安非他明类药物，总时间不超过3 0 分钟，比传统的刺激剂类 兴奋剂g c m s 标准方法检测时间缩短了5 0 1 0 0 倍，试剂的使用量也大大减少。 本方法不仅检测灵敏、分析迅速，还具有扩展性强的特点，只需针对分析样品改 变固相萃取填料以及色谱条件，就可以满足环境检测、刑事侦察等各种快速现场 分析的要求。 第三部分：易制毒化学品，是毒品的源头，为了远离毒品的危害，必须对易 制毒化学品进行严格监管。我们建立了易制毒化学品快速现场检测新方法，并研 1 0 一 一 。 。 复旦大学h 曩士掌位沧文 制出以气相色谱技术为基础的便携式易制毒化学品检测仪。该方法具有检测灵 敏，操作简单等特点，非常适合现场快速检测易制毒化学品，可以在1 5 分钟内 对挥发性易制毒化学品做到快速、准确的检测。 6 c o c ，：且大掌司l 士学位沦文 参考文献 【1 】1 卢佩章，张祥民等色谱理论基础【m 】北京：科学出版社，1 9 9 7 【2 】2 j a m e sa t , m a r t i na j eg a s - l i q u i dp a r t i t i o nc h r o m a t o g r a p h y ：t h es e p a r a t i o na n d m i c r o 。e s t i m a t i o no fv o l a t i l ef a t t ya c i d sf r o mf o r m i ca c i dt od o d e c a n o i ca c i d i j b i o 曲e m i c a lj o u r n a l ，1 9 5 2 ，5 0 ( 5 ) ：6 7 9 - 6 9 0 【3 】3 s m o l k o v a k e u l e m a n s o v ae ，af e wm i l e s t o n e so nt h ej o u r n e yo fc h r o m a t o g r a p h y 【j 】h r c - j o u r n a lo f h i g hr e s o l u t i o nc h r o m a t o g r a p h y ，2 0 0 0 ，2 3 ( 7 8 ) ：4 9 7 5 0 1 【4 】l i p s k ys r ，l a n d o w n er a g a sc h r o m a t o g r a p h y b i o c h e m i c a la p p l i c a t i o n s 【j 】 r e v i e wo f b i o c h e m i s t r y ，1 9 6 0 ，2 9 ：6 4 9 6 6 8 【5 】z l a t l d s 气o r oj f , k i m b a l la p d i r e c ta m i n oa c i d - , a n a l y s i sb yg a s c h r o m a t o g r a p h y 【j 】a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ，1 9 6 0 ，3 2 ：1 6 2 【6 】e g l i n t o ngh a m i l t o nr j ，h o d g e sr ，r a p h a e lr a 【m 】l o n d o n ：c h e m a n di n d ， 1 9 5 9 ：9 5 5 7 】j e n n i n g sw gl e o n a r ds ，p a n g b o mr m ，v o l a t i l e sc o n t r i b u t i n gt ot h ef l a v o ro f b a r t l e t tp e a r s 【j 】f o o dt e c h n o l o g y ，1 9 6 0 ，1 4 ：5 8 3 5 8 7 【8 】w i l l i a m sd ，p a p p a sgr a p i di d e n t i f i c a t i o no fn e r v ea g e n t ss a r i s ( g b ) a n ds o m a l i ( g d ) w i t ht h eu s eo faf i e l d - p o r t a b l eg c s a wv a p o rd e t e c t o ra n dl i q u i dd e s o r p t i o n f r o n t - e n dd e v i c e 【j 】f i e l d a n a l y t i c a lc h e m i s t r ya n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，3 ( 1 ) ：4 5 5 3 【9 】k o z i e lj ，j i am y k _ h a l e dan o a hj ，p a w l i s z y nj f i e l da i ra n a l y s i sw i t hs p m e d e v i c e 【j 】a n a l y t i c a lc h i m i c aa c t a ，1 9 9 9 ，4 0 0 ( s d ：1 5 3 - 1 6 2 【l o m e u z e l a a rh l c ，d w o r z a n s k ij p , a r n o l dn s ，m c c l e n n e nw h ，w a g e rd j a d v a n c e si nf i e l d p o r t a b l em o b i l eg c m si n s t r u m e n t a t i o n 【j 】f i e l da n a l y t i c a l c h e m i s t r ya n dt e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，4 ( 1 ) ：3 - 1 3 【1 1 】a r n o l dn s ，d w o r z a n s k ij p , s h e y as a , e ta 1 d e s i g nc o n s i d e r a t i o n si n f i e l d - p o r t a b l e g c - b a s e d h y p h e n a t e di n s t r u m e n t a t i o n 【j 】f i e ma n a l y t i c a l c h e m i s t r ya n dt e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，4 ( 5 ) ：2 1 9 - 2 3 8 【1 2 】l i s ki f i f t yy e a r so fs o l i d - p h a s ee x t r a c t i o ni nw a t e ra n a l y s i s h i s t o r i c a l d e v e l o p m e n ta n do v e r v i e w 【j 】j o u r n a lo fc h r o m a t o g r a p h ya ，2 0 0 0 ，8 8 5 ( 1 2 ) ： 3 1 6 0 o o c 复旦大肖曩士掌位能哆c 【1 3 】b r a n sh ，m i d d l e t o nf ，w a l t o ng m i d d l e t o nf m ，w a l t o nq o r a n g i cc h e m i c a l c o m p o u n d si nr a w a n df i l t e r e ds u r f a c ew a t e r s 【j 】a n a l c h e m ，1 9 5 1 ，2 3 ：1 1 6 0 【1 4 1s u f f e tj h , m c g u i r em j a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o no fo r g a n i c sf r o mt h e a q u e o u sp h a s e 【m 】a n n a r b o r ：a n na r b o r p u b l i s h e r s ，1 9 8 1 【1 6 】b u r n h a ma kc a l d e rg v , f