（生物医学工程专业论文）纳米纤维作为分离富集材料的研究与应用.pdf

英文摘要 i n v e s t i g a t i o na n da p p f i c a t i o no f n a n o f i b e r sa s t h em a t e r i a lu s i n gf o rs e p a r a t i o na n d c o n c e n t r a t i o n a b s t r a c t s a n s i t i v e p r e c i s ea n da c c u r a t em e t h o d o l o g i e sm - ef o n d a m a n t a lt o o l si nl i r es c i e n c e sr e s e a r c h h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to fb i o a n a l y t i c a lp r o c e d u r e si s eo ft h em o s tf o r m i d a b l ec h a l l e n g e sf a c e db yt h e r e s e a r c h e r s t y p i c a ls a m p l e s 1 1 1 0 1 ta n df f l o r ec o m p l e xm l x l x t r e s ，i nw h i c ht h ea n a l y t e so fi n t e r e s tc b e p r e s e n ti nr e d u c e da m o u n t s d e s p i t et h eg r e a tt c c h n o l o 舀c a la d v a n c e s ，m o s ta a a b 瞳i c a li n s a - u m a n t sc a n n o t h a n d l es a m p l em a t r i c e sd i r e c t l ya n 正a sar e s u l t , as a m p l e - p r e p a r a t i o ns t e pi sc o m m o n l yi n 仃o d u c e c lf o r o r g a n i ct r a c ea n a l y s i s , t h i ss t o pm a i n l yc o m p r i s e se x t r a c t i n n s ，w h i c hs a r v et oi s o l a t ec o m p o u n d so fi n t e r e s t f r o mas a m p l em a 心u l t i m a t e l y , t h ec o n c e n w a t i n ao ft a r g e tc o r a p o u n d si se n h a n o e d ( e n r i c h m e n t ) a n dt l e p r e s e n c eo f m a t r i xc o m p o n e n t si sr c d _ , w x x l ( s a m p l ec l e a nu p ) s o l i d - p h a s ea ( t 阿c 6 h a sb e e nw i d e l yu s e df b ri 船h i g hs e l e c t i v i t ya n dg o o dr e p r o d u c i b i l i t yf o rs a m p l e p r e p a r a t i o n h o w e v e r , c o n v e n t i o n a ls o l i d - p h a s e x a a c t i o ni sl a b o ri n t e n s i v e ，u s eo fo r g a n i es o l v e n ta n t i t i m ec o n s u m i n g o n ep o t e n t i a lt e c h n i q u ef o rs o l i d - p h a s ee x t r a c t i o nt oi n c r e a s e a d s o r p t i o ne f f e c to f t h e b e di sl o f s u b s t a n c e si nn a r t o m e t e ro r d e ra sa b s o r b e n t s a l t h o u g ht h es u b m i c r o m e t e r - s i z e dp a r t i c l e s g r e a t l yi n c r e a s et h es u r f a c ea r e a , i m p r a c t i c a l l yh i g hp r e s s u r e si sn 硎f o rt h el i q u i df l o w , w h i c hl i m i t st h e a p p l i c a t i o n h o w e v e r , n a n o m c t e rf i b e r sm a yb e t h ec a n d i d a t e sf o r s o r b e n t s e l e c l x o s p a np o l y m e r s u b m i c r o m e t e rf i b e r sh a v ed i a m e t e r si nt h en a n o m e t g tr 缸l g ea n da r ea r b i t r a r i l yl o n g i f t h e ya r cp k e di n t o t h ec o l u m n , t h ep r e s s u r ed r o pw o u l db el o w e rt h a nt h ec o l u m np a c k e dw i t hn 跏m e 缸p a r t i c l e s b a s e d 锄 1 h i sh y p o t h e s i s ，i tw a sr e v e a l e dt d t h a tn a n o f i b e r sm a y b eh a v e 印随e n a l y t j c a lp o t e m l a | e f f e c t i v e s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o ns o r b e n tf o rt h ea l i a l y t 鹤i nt h es a m p l e s i ti sa s r u l l e dt h a lt h eh u g es u r f a c e so fa i l u m b c ro ff i n en a n o f i b e r sa r ec f f e c t i v ei na d s o r p t i o no f t b ea n a l y t e s b e n e f i c i a lt oi n c m 日s et h ee f f e c i n c yo f e x t r a c t i o n b a s e do nt h i sh y p o t h e s i s 。t h en a n o f i b e r sw e r em a n u f a c t u r e db ye l c c c r o s p i n n i n g , a n dw e r eu s e d a ss o l i dp h a s es o r b e n t s c o m p 删t ot h ec o n v e n t i o n a ls o l i d - p h a s ee x = n - a c t i o n , t h em e t h o di sm o r ee f f e c t i v e ， f a s t , a n di nl o wc o s t , w i t h o u t i i i gp o i s o n o u so r g a n i cs o l v e n t 1 1 ki n v e s t i g a t i o n sw e r ec a r r i e do u ti nf o l l o w i n gs u b j e c t s ：( 1 ) p r e p a r a t i o no fa a n o f i b e r sw i t hd i f f e r e n t p o l y m e r ；c 2 ) p h a r m a c e u t i c a lm l a l y s i sa n dp h a r m a e o k i n e t i c ss t u d i e so fa n i m a l s 鲫dh u m a n ；( 3 ) e x t r a c t i o n a n da n a l y s i so ff u n c t i o n a li n g r e d i e n t si ng o o dh e a l t hf o o d s ( i n c l u d i n gd i 恐r c 眦p r e p a m t i o m ) ；( 4 ) t h e d e t e r m i n a t i o no f h o r m o n e ( c o m s 0 1 ) i nh u m a ns a l i v a ；( 5 ) s a m p l i n ga n de n r i c h m e n to f f o r m a l d e h y d ei na i r t kr e s u l t ss u g g e s t e d t h a t t h e n o v e l m e 艘h o d c o u l d b e a p p t i o d t o w i d e a r e a s k e yw o r d s ：s o l i d - p h a s eo x i r a c t i o n ；n a n o f i b e r ；e l e c t r o s p i n n i n g ；c h r o m a t o g r a p h y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 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， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名： 日期：掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲蝉一名， 期2y 田 厂 - - - - - - - - - j ! - ：- - - - - - - - - - - 一 i 1 纳米纤维 绪论 i i 1 有关定义 纳米结构是指尺寸在l 哪l o o n m 范围内的微小结构。由此得出狭义的纳米纤维的定义，即 直径是l n m l o o n m 的纤维。但实际上从文献资料的介绍来看，还包括亚微米尺寸i o o n m 1 0 0 0 n m 及其以上直径的纤维所以，广义上的纳米纤维直径应为l n m 1 0 0 0 n m ，即纳米纤维的 定义既包括纤维直径为纳米级的超细纤维，也包括在纤维内部、外部、表面进行以纳米尺寸控制的 精密构造设计，从而赋予新功能的纤维( 也叫纳米结构纤维) l - 】。 1 1 2 纳米纤维性质与效应 纳米纤维最大的特点就是比表面积大。导致其表面能和活性的增大在化学、物理( 热、光、 电磁等) 性质方面表现出特异性。纳米纤维也具有纳米材料如下的独特效应： 小尺寸效应当微粒光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺 寸相近或更小的时候。符合周期性的边界条件受到破坏，因此在光、热、电、声、磁等物理特性方 面都会出现一些新的效应称为小尺寸效应。 表面与界面效应 纳米微粒的表面积很大在表面的原子数目所占比例很高，大大增加了纳米 粒子的表面活性：表面粒子的活性不但引起微粒表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子 自旋构象和电子能谱的变化 量子尺寸效应当粒子尺寸降低到莱一值时费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级 的现象t 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸 效应能导致纳米粒子的磁，光、电、声、热、超导等特性显著不同。 量子隧道效应微观粒子具有隧道效应。“隧道效应”是指微小粒子具有在一定情况下贯穿势垒 的能力。电子具有粒子性和波动性，因此可产生此种现象，就像里面有了隧道一样可以通过。这种 效应将是未来微电子器件的基础。 将纳米材料添加至纤维中，可以赋予纤维各种功能特性。将纳米级粒子与纳米纤维进行复合， 使得聚合物制成的纳米纤维，不但能提高比表面积，也可以获得理想的化学性质。仅以功能服装应 用为例增加复合纤维功能的原因有；多种纳米氧化物复合材料被用作抗菌组分，发挥不尉金属 氧化物的“协同效应”：充分利用纳米材料的表面与界面效应，具有巨大比表面的纳米微粒因为 表面的原子数大大增加而表现特别强的表面活性。因此，在共混纺丝时具有添加量少、相容性分散 性好、功能性强的优点；充分利用纳米材料的小尺寸效应。具有纳米量级的某些金属氧化物、氮 化物和碳化物粒子往往都表现出紫外、红外吸收和发射及杀菌作用。在共混纺丝时能赋予纤维特殊 的性能，且有很好的耐久性。利用纳米材料的小尺寸效应，还能解决纤维纺丝时堵塞喷丝孔、断头及 纺丝机械磨损等问题【2 1 。 i 1 3 纳米纤维应用 纳米纤维具有极大的比表面积( 是普通微米纤维的1 0 0 0 倍) ，极高的纵横比( 长度直径比) 、曲率 半径和极强的与其他物质的互相渗透力。纳米纤维织物具有精细的织物结构，特征的光泽和颜色，极 高的孔隙度，极好的柔韧性、吸附性、过滤性、粘舍性和保温性。这些显著的性质使纳米纤维在许 多重要领域的应用具有不可限量的潜能。 国防方面用纳米纤维制成的膜具有低密度、高孔隙度和比表面积大的特点，可以用于制造质量 轻，且具有选择性吸附功能的新型防护用品。这种颏型防护用品对汽溶胶有很强的阻挡性从而对生 东南大学博士学位论文 物化学武器有很好的防护性，同时不阻挡水蒸气的扩散，保证了穿着的舒适性i 。有研究表明，p t 和 币0 2 纳米颗粒对一些神经性毒气有很强的降解作用，将这些具有类似功能的组分掺杂到纳米纤维中， 可以用于制作防护口罩和高性能防护服删。 提高材料机械性能方面将纳米纤维作为增强剂与其他材料复合，提高材料的硬度、强度、韧性 等机械性能。纳来纤维加固复合材料具有微米纤维复合材料无法比拟的优点1 6 1 。如碳纳米纤维与碳 纳米管的复合材科密度仅为钢铁的1 6 ，但强度却是钢铁的1 0 0 倍。这种复合材料适用干制作各种抗 冲击用品。再如：由于微米纤维和透明基体材科的折光率不同，所得到复合物的光散射变得不透明而 纳米纤维将会克服这一弱点。因纳米纤维的直径( 1 l o o n n ) 明显小于可见光波长( 3 4 0 8 5 0 n m ) , 与 基体材料的复合物在透光性方面不会发生变化用 高效过滤介质方面过滤介质的通道和结构单元需与被过滤物质的粒子大小相匹配，所以介质的 过滤效率与过滤介质的纤维细度密切相关。将纳米纤维应用到过滤介质中，就可以除去气体或溶液 中纳米级的粒子l l 。用纳米纤维制作的过滤器可以过滤汽溶胶，适用于净化空气。纳米纤维与某些 选择性试剂复合的纤维被用于开发制作分子过滤器i ”，将有可能实现水汽与有机气体和c 0 2 与0 2 的 分爵。也还可用于过滤生化武器中的有毒试剂。 药品传输方面药品在人体内的溶解速度是影响人体对药品吸收的关键因素。周体状药品的溶 解速度随药品及载体表面积的增加而加快。许多研究表明 t o - 1 2 i ，纳米纤维在药品传输方面有巨大的 应用潜能。通过设计可以将药品与纳米纤维进行复合，控制药品在人体内进行立即释放、缓和释放和 延迟释放。 生物材料方面人体结构中韵不少组织均和纤维相关：骨骼具有纤维结构，神经具有纤维的传导 功能，皮肤类似非织造布，血管是粗细不一的中空纤维网络，肌肉是纤维丝束等等。从生物学的观点来 看，整个人体的组织和器官几乎都是纳米结构单元的沉积，都是多种纳米结构在纳米尺度上的排列。 人体细胞易于附着在直径小于细胞本身的纤维周围进行再生f 1 3 1 ，基于这一现象，纳米纤维将成为重要 的生物材料。 为达到修复或替换人体坏损组织和器官韵目的，新型生物材料一直是组织工程和生物材料领域 最具挑战性的工作。已开展多项研究工作如用纳米纤维制作细胞接种、转移和生长模板眦1 6 l ： 用纳米纤维制作支架用作细胞附着和繁殖的载体；研制与弹性蛋白相类似的高分子纳米纤维用于 模拟动脉血管壁上蛋白质纤维的生物功能【1 7 1 ；用具有连接功能的类似丝绸的高分子纳米纤维制作生 物相容性薄膜，这种薄膜可以植入中枢神经系统，有助于修复断裂的中枢神经i l s l ；用纳米纤维制成 结构精细多孔的无纺布薄膜，不仅能防止汽溶胶的进入和细菌的滋生，还可迅速吸收伤口的渗出液， 在除去后不会留下明显的疤痕1 1 q ；用蛋白原纳米纤维制天然止血布 刈，可以放置在伤口上以减少失 血、促进自然愈合；用易于生物降解纳米纤维缝合伤口，不必拆线，能简化医疗程序。 精密电子和光学器件方面导电纳米纤维中特殊排列的高分子聚集体，通常称为结晶缺陷，使纳米 纤维内的高分子本身具有传输和转动功能。以纳米纤维作载体能将纳米器件排布起来，同时又能互 相连接成大规模集成电路，由于电化学反应速度和电极表面积成正比，因此高表面积 2 1 】( 约为 l o + m 2 g ) 的导电纳米纤维膜非常适用于制作多孔电极，此用纳米纤维膜做传感器感知膜，可以提高 灵敏度。有人将光电染料复合到聚丙烯腈纳米纤维中，用于开发制作高性能电阻电池。 能源方面纳米纤维作为新的超级氢吸附剂是一种很有前途的储氢材料。1 9 9 8 年，美国r o d r i g u e z 等报道，纳米石墨纤维在1 2l v i p a 下的储氢容量高达2 3 3 3l ( 氢) g ( 纳米石墨纤维) ，比现有的各 种储氢技术的储氢容量高1 2 个数量级1 。纳米纤维储氢技术的突破将推动氢氧燃料电池汽车 及其它用氢设备的发展，有效剩用氢能，进而缓解日益严重的能源危机和环境污染问题。 i 1 4 纳米纤维制备方法 1 1 4 1 直径纳米级纤维的制备方法 2 绪论 碳纳米管的制备碳纳米管被科学界称为“超级纤维”，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳 米管将是未来最佳纤维的首选材料，它特有的力学、电学和化学性质，以及独特的准一维管状分子结 构等，迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。碳纳米管的外径为l 5 0 咄，长度一般 从几微米到几百微米，管壁分为单层和多层。其制备方法主要有：电弧法，催化法、微孔模板法、等 离子体法、激光法等俐。 海岛模型制备纳米纤维海岛双组分复合纺丝法是日本东丽公司2 0 世纪7 0 年代开发的一种生 产超细纤维的方法渊。该方法使用两种不同溶解性原料，将海组分原料与岛纤维原科加热熔融从喷 丝板挤出形成一根海岛型纤维( 通常直径约2 0p m ) ，其中一种组分为“海”，另一种为“岛”，“海” 和“岛”组分在纤维轴向上是连续密集、均匀分布的。纺丝后纤维截面为海组分的皮层包围岛组分 的芯层的海岛型结构溶解除去海组分就可得到仅为岛组分的超细纤维。目前，t o r a y 公司用海岛 型复合纺丝技术在实验室已经制得了线密度为0 0 0 1 ld t e x ( 约1 0 01 1 1 1 1 ) 的超细纤维。 催化挤出聚合纳米纤维该法是聚合过程中直接制造纳米纤维 2 司。1 9 9 9 年，日本东京大学的 k a g e y a m a 等在s c i e n c e 杂志上发表了在聚合过程中直接制备聚乙烯( p e ) 纳米纤维的文章。所发明 的这种挤出聚合法在蜂窝结构的硅石纤维内使用茂金属催化剂，硅石纤维起着给聚合后的p e 链集 柬导向的作用。聚合是在硅石纤维孔中进行的，抑制了分子链的支化。此法可以制造直径仅为3 0 5 0 n m 。因为其p e 链是伸直而非折叠的。这种p e 纤维具有较高的强度，其分子量比通常的p e 高1 0 倍 原纤化方法制备纳米纤维制备纳米纤维的原纤化方法是把长链多孔结构的纤维( 如纤维素纤维) 分裂为纳米尺寸的原纤或微原纤。美国k x 公司已经发表了几篇介绍将l y o , n 纤维甄纤化成纳米 纤维的文章。l y o c e l l 主要由天然木纤维素利用环保性可生物降解、可回收利用的溶剂进行生产。这 种方法生产的纳米纤维具有中等的强度，但纤维同尺寸和形态的差异较大鲫。 分子喷丝板纺丝法分子喷丝板纺丝首先设计研究用于纺制纤维的薄膜。该薄膜由含盘状物构 成的柱形有机分子结构组成，该有机分子是一种液晶高分子，盘状物特殊的设计和定位使它们能吸 引和拉伸某种聚合物分子，并将聚合物分子集束和取向。从而得到所需结构的纤维 2 s j 。 静电纺丝技术制备纳米纤维 电纺丝是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝的加工技术，所制得的纤维直径一 般在数十纳米至几微米之间，比传统方法制得的纤维直径小几个数量级，是获得纳米尺寸长纤维的 有效方法之一。静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同，郎静电纺丝技术通过静电力作为牵 引力来制备超细纤维。其基本过程是，聚合物溶液或熔体在几千至几万伏的高压静电场下克服表面 张力而产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化最终落在接收装置上形成纤维毡或其 他形状的纤维结构物。 如图i 1 所示，在静电纺丝工艺过程 中，将聚合物熔体或溶液加上几千至几 万伏的高压静电，从而在毛细管和接地 的接收装置间产生一个强大的电场力。 当电场力施加于液体的表面时，将在表 面产生电流。相同电荷相斥导致了电场 力与液体的表面张力的方向相反。从表 面现象的研究可知在毛细管顶端的液 滴，将成为凸形的半球状。这样，当电 场力施加于液体的表面时，将产生一个 向外的力，这个向外的力就与表面张力 的方向相反，液滴曲面的曲率将逐渐改 图i 1 静电纺丝示意图 变，当电位达到某一临界值耽时，半 东南大学博士学位论文 球状液滴会转变为锥形其锥形的角度为4 9 _ 3 。，这一带电的锥体称t a y l o r 锥。当电场力超过一个临 界值后排斥的电场力将克服液滴的表面张力形成射流，而在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定 的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动的时候，都会出现加速 现象。这也导致了射流在电场中的拉伸最终在接收装置上形成无纺布状的纳米纤维嗍。 i 1 4 - 2 电子纺丝制备纳米纤维的研究进程 p a w l o w s k i ! 捌认为电子纺丝起源于1 9 世纪末l o r dr a y l e i g h 发现的电子喷射。也有文献c ”，j 认 为z e l e n y 在1 9 1 4 年把电子纺丝作为静电雾化的一个特例最早开展研究。通常人们认为1 9 3 4 年 f o r m h a l s 的工作是电子纺丝的最早开发应用。f o r m h a l s 设计了电子纺丝的装置和工艺条件。并申请 了专利。在1 9 6 6 年静电纺丝法制备超薄、超轻无纺步织物的专利出现【”i 。t a y l o r 和h e n d r i c k s 对 电子纺丝做了较多的研究。包括临界电压的公式、喷丝口处t a y l o r 锥形管的形成等。9 0 年代，在 t a y l o r 研究基础上有更多的人e “蚓投入到电子纺丝的理论研究中。包括喷射流体在电场中的不稳 定性、喷射流的分化机理、电场形式对喷射流不稳定的影响以及对电场的改进等；最近s p i v a k 口1 建 立了喷射流的数学模型发现与实验观察具有很好的吻合。最近纺丝原料除了采用共聚、共混合成 聚合物【”外，还延伸到蚕丝、胶原蛋白等天然聚合物h “】。甚至包括电活性的聚合物 3 0 l 、d n a 重 组的聚合物盼，j 等一些特殊的聚合物。目前已有超过1 0 0 种天然和人工合成高分子材科被成功地电 纺成纳米纤维，所得单根纤维的直径从4 0 - 2 0 0 n m ，甚至可以跨越l o - 1 0 4n l l l 的量级，即微米、亚微 米或纳米尺度范围。 i 2 固相萃取 1 2 1 样品前处理的目的意义 分析测试是科学数据的源泉，新的测试原理、方法的建立与新仪器的研制对生命科学、材料科 学、环境科学、能源科学和医疗卫生等领域的发展具有重要作用。同时它在国家安全、人民健康和 经济发展等各方面也起者越来越重要的作用。随着各学科的高速的发展，分析测试与表征所面对的 体系，已从简单体系发展到复杂体系。复杂体系中的物质种类繁多、形态复杂、性质各异、含量极 微。要对这些微乎其微物质的组成和含量进行分析和检测，需使用各种档次、多功能、集成化的先 进仪器。而无论是哪一类分析测试仪器，在进入仪器测试前，有效地分离富集目标分子是高灵敏度 检测的必要条件。样品前处理的目的是： ( 1 ) 除去样品中萋体与其它干扰物。 ( 2 ) 浓缩痕量的被测组分，提高方法的灵敏度，降低最小检测极限。 ( 3 ) 通过衍生化与其它反应使被测物转化为检测灵敏度更高的物质或与样品中干扰组分能分离 的物质，提高方法的灵敏度与选择性。 ( 4 ) 缩减样品的重量与体积，便于运输与保存，提高样品的稳定性，不受时空的影响。 ( 5 ) 保护分析仪器及测试系统，以免影响仪器的性能与使用寿命。 目前复杂体系中微量、痕量物质检测中，样品预处理时间占整个分析过程的6 0 - 8 0 ，而分析 测定的时间仅占了6 ，样品制各时间竟是分析测定的l o 倍，极大地阻碍了现代检测技术的进一步发 展 , u i i 。所以，一些事关人民生命健康的检测，如环境污染、食品安全监测，并非缺乏精密的仪器设 备，丽是样品前处理耗时费力，使得检测结果不能及时、准确得到，不能满足社会发展和人民生活 的需要。由此可见，高效、快速的样品制各与自动化的前处理方法的研究己成为现代分析检测技术 研究的热点之一。一 一个理想的样品制各与处理方法应具备以下各项条件； ( 1 ) 能最大限度地除去干扰被测组分的物质。 ( 2 ) 被测组分的回收率高。 ( 3 ) 操作简便。 4 ( 4 ) 成本低廉。避免使用昂贵的仪器、设备与试剂。 ( 5 ) 不用或少用对环境及人体有影响的试剂，尤其是卤代烃类的溶剂。 ( 6 ) 应用范围广。适用各种分析测试方法，甚至联机操作，便于实现检测过程自动化。 ( 7 ) 适用于野外或现场操作 1 2 2 样品制备与处理技术发展历程 至今应用仍十分普遍的各种经典样品制备与处理方法除离心、沉淀外，最古老和基本的样品处 理方法是提取，将目标物与样品基质分离去除干扰组分。不同的提取方法逐步发展起来。用溶剂 从固体或液体样品中提取m ，这些溶剂可以是有机溶剂、超临界流体、超熟液体或被支载在某种固 体介质上的液体。通过改变提取温度、压力，选择提取溶剂或液体改变p h 或加入添加荆( 如离 子对试剂) 以提高选择性。最常见的方法是用大量的有机溶剂从等量的样品液中提取目标物包括 索氏萃取、液液萃取。这些方法问题很多。操作往往要重复多次进行，十分枯燥、冗长，而且手工 操作居多，容易损失样品，重现性差，引入误差的机会多。此外溶剂用量大，对操作人员的健康与环 境均有影响。同时，处理复杂样品还要多种方法配合，操作步骤更多，更易产生系统与人为误差。 其中浓缩目标物的方法采用挥干溶剂的方法，通常是加热的办法，对于热不稳定或有挥发性的目标 物，该方法尤其不适用。 所以，近年来在发展各种高效快速的样品制备与前处理方法的同时，各种溶剂用量少的处理技 术，尤其是无溶剂的样品制备与处理技术得到了迅速的发展。样品的无溶剂制备与处理是指那些在 样品制各与处理过程中不用或少用有机溶剂的方法与技术，它们包括气相萃取、超临界流体萃取、 膜萃取、周相萃取以及周相微萃取等技术 i 2 2 1 气相萃取 气相萃取是用空气、氮气、氦气或其它惰性气体将被测物从样品中抽提出来的方法。它又分为 静态的顶空法( k a d s p 毗u s ) 与动态的吹捕法( p i l l r g e t r a p ，p & t ) 两种。适用于从液体或固体样品中萃取沸点低 于2 0 0 ，溶解度小于2 的挥发性有机物，当样品适当加 温处理后可用于萃取半挥发性的有机物，广泛用于食品与环 境监测，临床化验等领域l + a - ”l 。h s 法将样品置于顶部带有橡 皮塞或其它弹性材料的密闭容器内，样品上面留有空间因 此样品中挥发物会逸出，当系统达平衡后。取出项部的气样 进行气相色谱分析，示意图见图i 2 。h s 是一种处于平衡状 态的气相萃取过程。这种方法的优点是操作简便，适用于萃 取液体、粘稠体甚至固体中的挥发性物质尤其是萃取沸点 低于1 2 5 的化合物最有效。缺点是对被测组分不能浓缩，因 而方法灵敏度低。只适于挥发性有机物。 为克服这些问题，最近出现了全蒸发技术f f u l lv a p o r a t i o n t e c h n i q u e ，f e t ) 5 “，f e t 实质上是一种改进的顼空法，不同 的是平衡不在室温或其它低温下进行，而是采用高温，使组分从样品基体中全部蒸发，进入气相，再 用气相色谱( g c ) 分析气相中的成分t 5 2 1 。f e t 除了保持项空法所有长处外，该法唯一的限制是被测成 分在高温下不会发生分解或其它反应。 p & t 与h s 不同，它使气体连续通过样品将其中的挥发组分萃取后在吸附剂或冷阱中捕集再 进行分析测定，因而是一种非平衡态的连续萃取1 5 3 - ，i 这种方法几乎能全部定量地将被测物萃取出 来。与h s 相比，不但萃取效率高，而且被测物可以被浓缩，使方法灵敏度大大提高。缺点是设备相 对要复杂些，而且对吹洗气的纯度要求较高，否则易引起交叉污染。此外，吹捕过程中易起泡沫，给 在线测定带来一定困难。 堡堕查兰堡圭兰垡丝苎 1 2 2 2 超临界流体萃取 超临界流体萃取( s u p e r c r i f i c a lf l u i de x b a c f i o n , s f e ) 是近年来分离科学中发展很快的一个领域 陋”，它是基于流体的性质介于气体与液体之间，既有液体的高密度，能溶解各种不溶于气体的物质， 又有气体的粘度小、渗透力强等特点，能快速、高效地将被测物从样品基质中分离出来。其示意图 见图i - 3 。在实际工作中常用的萃取剂都是临界温度与压力较低的物质，用得最多的是c 晚，它无毒、 无嗅、无味、化学性质稳定、不易与溶质反应、临界值低、纯度高、易于与溶质分离，因此是一种 十分理想的萃取剂由于它的极性低，不宜于萃取极性和离子型的化合物。流体中加入少量极性溶 剂如甲醇、异肉醇、二氯甲婉等有利于提高摹取率【”】。应选择不周极性的溶剂作为改性剂。n h ，、 n o z 、c h c 峨、c h f ，等是极性较大的物质作萃取剂，但由于这类物质处于超l 临界态时化学活性强，对 设备腐蚀严重，且有一定的毒性，故不如c 晓用得普遍。由于萃取过程必须使萃取剂处在超临界状 态，因此需要在专门的仪器或设备中进行。萃 取剂过高的临界温度与压力将给操作带来一定 的困难，对仪器设备的要求也较高。 超临界流体萃取主要用于处理固体样品 特别适合于萃取烃类及非极性脂溶化合物。如 果样品中含羟基或羧基等极性基团，萃取就较 为困难。对糖类、氨基酸卵磷脂类极性化合物 及核酸、蛋白、纤维素等天然与合成的高分子 至今仍十分困难，s f e 对于液体样品的萃取十 分有限，通常要把样品先吸附在吸附剂上再千 图i 3 超临界流体萃取示意图 燥，然后用超临界流体进行萃取。如果直接进行萃取，难免会有少量的样品基体( 如水或其它溶剂1 溶 入超临界流体萃取刺，在减压过程中冷凝析出固体，堵塞系统，而且也会给以后的测定带来影响。 i 2 2 3 膜萃取 在样品前处理中，用膜分离过程主要有渗析、电渗析、过滤及膜萃取等【蝴。渗析是溶质在浓 度梯度的作用下，从给体穿过膜进入受体相的过程。在膜渗析中，单位时间内透过膜的溶质分子数 ( 通量) 与膜的面积和厚度、溶质的浓度梯度和扩散系数等因素有关。在电渗析中，将阴阳电极置于 分离膜的两边施加电势差，带电的溶质即透过分离膜向阳极或阴极迁移。这样，分析物的分离不仅 和分子体积有关，而且还与其所带电荷有关。对于弱酸弱碱化合物，还可通过调节p h 提高选择性， 达到分离富集的目的。膜过滤是将样品置于膜的一侧，并施加压力( 包括真空或离心) 使大小合适的 分子以及溶剂通过膜孔到膜的另一侧。在在线操作中，用泵将样品泵入膜过滤器的给体通道，并在 其出口端施加阻力，使样品通过膜而进入受体通道中。影响膜过滤体积通量的因素主要有施加的压 力、样品粘度以及影响膜阻力的一些参数如面积、厚度和孔径等。膜萃取是一种基于非孔膜进行分 离富集的样品前处理技术。这种非孔膜可以是液体也可以是固体( 如聚合物) 。给体和受体一般为液 体，但也可以是气体岬j 。 膜萃取又包括以下几种： 支载液体膜萃取( s t i p p o r t e dl i q u i dm e m b r a n e s l m ) , 该法是由多孔聚四氟乙烯薄膜浸透了与水互不相溶的有 机溶剂将水溶液分离为两相静止的萃取相与流动的 被萃取相。被萃取相的样品水溶液中待测的离子与加入 的试剂生成中性分子，然后扩散分配在有机液膜内并透过 它而进入静止的萃取相，在此受化学环境的影响，待测的 中性分子又分解成原始态离子而无法返回液膜进入样品 溶液。因此，样品水溶液不断流动，其中的待测离子不断 由被萃取相进入萃取相达到浓缩的目的【“l 。图i 4 为一种 6 图1 4 支载液体膜萃取示意图 篓堡 小型的支载液体膜萃取装置。 这种技术与液一液萃取相比，除了多孔薄膜中须浸少量有机溶剂外，不需大量的有机溶剂，萃取 相与被萃取相之比可达i 一1 0 0 ，而且操作易自动化，不污染环境。与透析相比，它不稀释并可富集待 测物，不仅分离分子量不同的物质，根据化学性质不同可对待测物作选择性富集。与固相萃取相比 不但可多次连续使用，而且易自动化，避免固相萃取中污染、超载、竞争吸附等问题，特别适合于 野外采样后就地制各样品。该方法已广泛应用于环境样品的分离富集以及生物样品中药物的萃取。 如用于环境水样以及尿样中的苯胺及其衍生物的萃取，并实现了与液相色谱或气一液色谱的在线联 用测定1 6 删；在液膜中加入离子对试剂或螯合试剂作为载体实现富集金属离子的目的“l ：萃取富 集三嗪类除草剂1 0 7 1 j 及h p l c 测定，检出限最低可达1 5 n g l t 7 ”；还可用于萃取土壤样品中短链羧酸 【7 的分离富集。 中空纤维膜萃取由硅橡胶或微孔聚丙烯f 4 以及其它高分子材料制成的中空纤维，它对多数 有机物具有良好的渗透性能。当样品流过中空 纤维时，其中的有机物会渗透穿过纤维管壁，使 之与样品基体分开。除了样品及中空纤维外，通 常还需第三相物质，用以除去透过中空纤维管壁 的被测有机物。如果有机物极易挥发或h e n r y 系 数较高( 0 i ) ，那么用低压n 2 就很容易除去透 i 丑攘孟 图i 5 中空纤维膜处理样品不同方式的示意图 过中空纤维管壁的有机物；若被测物属半挥发或其h e n r y 系数较低。如酚类化合物，则宜用高密度 流体，如超临界c 0 2 流体i 。图i 5 是其示意图。 徽孔膜液液萃取( 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 ) ，m m l l e 的原理与传 统的液液萃取相同，只不过整个过程在流动系统中进行，样品和微升级的有机溶剂分别置于给体和受 体槽中，有机溶剂渗入憎水性膜的微孔中与待富集物接触，从而将目标化合物富集于有机溶剂中。 一般而言，应该尽可能选择使用溶质在其中分配系数大的有机溶剂，选择合适的p h 使待分析物转 化成可萃取形式。s a h l e s u - o m 等1 7 日首次提出用m m l l e 萃取阴离子表面活性剂。l i u 等【7 7 1 用m m l l e 分离测定了洗涤荆中的阴离子表面活性剂，环境水样中的辛基酚和壬基酚【7 3 1 及磺酰脲类除草剂 例。j o n s s o n 等删用m m l l e 富集了阳离子表面活性剂和有机锡化合物l ”1 等。 膜分离样品前处理技术的优点，主要是选择性高、溶剂用量少、可以实现自动化并易与分析仪 器在线联用以及准确度和精密度均较高。其不足是每次萃取时只适合于处理某些特定类型的物质， 且经常需要优化很多实验条件。长期稳定性不足，一般要比s p e 和l l e 处理样品慢。 i 2 2 ，4 固相萃取 固相萃取( s o l i dp h a s ee x m a c t i o n ，s p e ) 技术白7 0 年代后期问世以来，在诸多领域得到了长足的 发展。在国外已逐渐取代了传统的液一液萃取而成为样品前处理的可靠而有效的方法彻。 该技术是 基于液相色谱原理的一种分离、纯化方法。其吸附剂为固定相，根据固相萃取剂对液相待测物的 吸附作用，当待测物通过萃取剂时，其中某些痕量物质( 目标物) 就被吸附在萃取剂上，然后采用适 宜的选择性溶剂将其洗脱下来，即可得到富集、纯化的目标物。 按s p e 装置的几何构型可以分为以下类别； s p e 柱( c a r t r i d g e ) s p e 柱是一种填充好固定相的短色谱柱。目前的商品萃取柱大多数采用液 相色谱中的填料，所以几乎液相色谱各种类型的填料都被用在固相萃取中，只是颗粒要大一些，约 在3 0 6 0 p m 之间。s p e 柱柱体材料多为塑料( 通常为聚丙烯) 、玻璃及不锈钢，两端均有多孔滤片、 内装直径约4 0 m 的填料，总重0 1 i g 。这种短柱通常是一次性使用，很少再生多次使用。s p e 吸 附剂的类型可分为以下几种；键合硅胶c 1 8 、c 8 ( 疏水性强，反相) ；多扎苯乙烯一二乙烯基 苯共聚物( 亲水和亲脂，反相) ； 石墨碳( 反相) 离子交换树脂( 离子交换) ，适于阴阳离子型有 7 东南大学博士学位论文 机物：金属配合物吸附剂( 配体交换) ，适用于金属配合物，以配位水溶液作为洗脱溶剂。目前，许 多新型崮相萃取剂能综合应用多种作用机制，大大拓展了固相莘取方法的应用范围。 这种柱形s p e 的最大缺点是截面积小，流量低，因而处理液体样品的时间长；其次容易堵塞 尤其是对环境及生物样品更甚，使流量降低，处理时间增长；加上柱形填料易产生缝隙，突破体积缩 小，降低萃取效率渺州，以及不同批号填科的重现性，表面的不可逆吸附等问题给其广泛应用带来 了一些困难。近年来新型的薄膜s p e 具有截面积大，不易堵塞，可用高流量，处理时间短等特点因 而有逐渐代替柱形s p e 的趋势。 s p e 盘( d i s k ) s p e 盘与膜过滤器十分相似。盘式萃取器是含有填科的聚四氟乙烯( p t f e ) 圆 片或载有填料的玻璃纤维片，后者较坚固，无须支撑。填料约占s p e 盘总量的6 0 9 0 ，盘的厚度 约l m m 由于填科颗粒紧密地嵌在盘片内，在萃取时无沟流形成。对于等重的填料，盘式萃取的截 面积比s p e 柱的截面积大约1 0 倍，因而允许液体试样以较高的流速通过。s p e 盘的这个特点适合从 水中富集痕量的污染物。目前盘状的固相萃取剂可分为三大类： 由聚四氟乙烯网络包含了化学 键合的硅胶或高聚物颗粒填科。填料含量占9 0 ，聚四氟乙烯只占1 0 ；由聚氯乙烯网络包含了 带离子交换基团或其它亲合基团的硅胶；薄膜本身直接 经化学反应键合了多种不同的官能团，如二乙胺基乙烯基、 季胺基、磺酸丙基等。图i 6 是柱状和盘状固相萃取器件示 意图。 不同类型的填科，s p e 操作方法略有不同。通常要经过 固相活化、样品的吸附萃取、洗脱、提取液的脱水与浓缩( 通 常将提取液加温条件下用氮气吹脱浓缩至小体积) ，而这一 步骤导致热不稳定或易挥发组分的丢失，影响测定结果的准 s 聘挂s e e 确性嗍 样品采集后立刻用固相萃取处理不但可缩小样品体积，图i 6 固相萃取器件 减少了运输的麻烦，更主要是吸附在固相摹取剂上的物质往 往比存放在冰箱内的样品更稳定，不易受光、热、微生物的作用发生各种化学物理的变化。固相萃 取设备简单，但是处理大量样品时，仍是一项费时、费力的工作，因此进行s p e 与其它分析技术的联 机自动操作的研究十分必要，但是成本因素使得这方面进展不显著。尽管存在诸如回收率低、萃取 柱管易堵塞、易吸附待铡物引起干扰、操作步骤多且费时、易带入人为误差、 仍需少量有毒有机 溶剂、 空白值大、仅适于半挥发性物质等缺陷，但是s p e j 匝是广泛应用于样品前处理，结合各种 现代仪器分析技术。进行复杂样品中微量、痕量目标物的分析f 酬。 i 2 2 5 固相微萃取 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