（分析化学专业论文）电动流动分析系统以及毛细管电泳绿色前处理技术的研究.pdf

摘要 摘 要 论文研究了毛细管电泳（ce）的预富集技术。基于流动分析和双向电堆积（bdes）的 原理和实验技术，建立了一套依靠电动作用的新型流动分析系统电动流动分析系统，探 讨了双向电堆积条件及其应用研究。此外，建立了一种在同一根毛细管上实施萃取溶剂定 容、微液滴悬挂、萃取富集、样液注入和毛细管色谱分析的一体化顶空液相微萃取毛细管 电泳联用技术，并将其用于食品与饮料中防腐剂的分析。 1, bdes 单元与 ce 联用检测茶叶中的有机酸离子。 采用在线 bdes 与 ce 联用测定茶叶中的有机酸离子。 用砂芯取代盐桥隔离缓冲液与电 极液， 制成集成的双向电堆积装置， 并用计算机程序控制实验操作。 考察了改进后的 bdes 单元的流路系统以及在堆积过程中各种因素对堆积倍数的影响。最优化条件为：电渗泵载 流为 0.5 mmol/l 的六亚甲基四胺，电极液为 0.5 mol/l h3bo3（ph= 8.5） ，富集和电泳缓冲 液均为 0.1 mol/l h3bo3（ph= 8.5） 。夹子之间的宽度为 4.3 cm，300 ml 样品溶液在 600 v 电压下堆积 30 min。咖啡酸和没食子酸的富集倍数分别为 24 和 20，检出限达到 0.2 0.4 g/ml。 2, 一体化顶空液相微萃取-毛细管电泳法测量食品与饮料中的山梨酸和苯甲酸 建立了一种在同一根毛细管上实施萃取溶剂定容、微液滴悬挂、萃取富集、样液注入和 毛细管区带电泳分析的一体化顶空液相微萃取毛细管电泳联用技术， 并将其用于食品与饮 料中山梨酸和苯甲酸的分析。直接从毛细管末端用压力将电泳缓冲溶液推出并形成液滴悬 挂在毛细管的进样端；在加入 6 ml 样品溶液（含 0.25 g/ml nacl）的 15 ml 样品瓶中，以 90 oc 顶空萃取 30 min；高差 10 cm 进样 20 s 后，进行毛细管区带电泳分析。山梨酸和苯 甲酸的富集倍数分别为 404 和 266 被， 检出限为 0.010.03 mg/l， 回收率为 88.7104.6%。 该联用技术可有效富集分析物，消除样品基体干扰，适用于复杂基体样品内山梨酸和苯甲 酸的毛细管电泳分析。 3，一体化顶空液相微萃取-毛细管电泳联用发展简介 在一体化顶空液相微萃取-毛细管电泳联用技术上取得最新进展。 使用碱性溶液作为萃取 相已成功运用于自来水中的酚类的分离富集检测。 在一体化顶空液相微萃取-胶束电动毛细 管色谱在中性物质的分离检测上，我们采用与水相缓冲溶液互溶的有机溶剂作为萃取相， 成功地富集测定了多种药品中的对羟基苯甲酸酯类防腐剂。 关键词：电动流动分析系统 双向电堆积 顶空液相微萃取 防腐剂 abstract abstract a novel mult-function flow analysis system-electrokinetic flow analysis system (ekfa) was developed for simultaneous separation and pre-concentration of heterogeneous ion analytes with extremely low concentrations. the experimental technique and analytical application of ekfa system was discussed and the analytical conditions were optimized. moreover, an integrative coupling technique of headspace liquid-phase microextraction (hs-lpme) and capillary zone chromatography (cze) was proposed and applied to the analysis of preservatives in food sample and soft drinks. (1) determination of caffeic acid and gallic acid in tea samples by capillary electrophoresis with bi-directional electrostacking an analytical method combining bi-directional electrostacking with capillary electrophoresis was proposed to analyze organic acid ions in tea samples. salt bridges were replaced by porous cores to separate running buffer and electrode solution, which made the bi-directional electrostacking setup integratively. the analytical procedure was controlled by a computer. the parameters were investigated, including electrostacking time, applied voltage, sample volume, etc. under the optimal conditions, the enrichment factors of caffeic acid and gallic acid were 24 and 20, respectively. the limits of detection ranged from 0.2 to 0.4 g/ml. (2) determination of benzoic acid and sorbic acid in food sample and soft drink by integrative headspace liquid-phase microextraction and capillary zone chromatography an integrative coupling technique of headspace liquid-phase microextraction (hs-lpme) and capillary zone chromatography (cze) was proposed and applied to the analysis of benzoic acid and sorbic acid in food and soft drink samples. the analytical technique was performed with one separation capillary to fix the acceptor volume, hold the microextraction droplet, inject the concentrated analytes and separate the analytes by cze. a running buffer solution droplet was formed at the inlet of the capillary by pressure. the hs-lpme was carried out with 6 ml sample solution containing 0.25 g/ml nacl in a 14-ml sample viel at 90 for 30 min. at last, the concentrated analytes were injected at 10 cm height difference for 20 s and separated by cze. the enrichment factors of benzoic acid and sorbic acid is 404 and 266, respectively. the limits of detection were from 0.01 to 0.03 mg/l, and the recoveries were in the range of 88.7104.6%. the integrative coupling technique was able to concentrate analytes and eliminate the matrix interference effectively, and be used to determine analytes in complex samples by ce (3) development of integrative headspace liquid-phase microextraction and capillary chromatography for the latest development in the integrative headspace liquid-phase microextraction and capillary electrophoresis in our group. using an alkaline solution as the extraction phase has been successfully applied to separate and determine the phenol analytes in tap water. there also a significant progress in the detection of the ester preservatives in medicine samples by the integrative headspace liquid-phase microextraction and capillary electrophoresis. key word: electrokinetic flow analysis system, bi-directional electrostacking, integrative headspace liquid-phase microextraction, preservatives 缩写 缩缩 写写 bdes bi-directional electrostacking (双向电堆积) bia bead injection analysis（粒珠注射分析） ce capillary electrophoresis（毛细管电泳） ce-uv capillary electrophoresis ultraviolet（毛细管电泳紫外） cfme continuous-flow microextraction (流动液相微萃取技术) ekfas electrokinetic flow analysis system(电动流动全分析系统) emi electro membrane isolation (电膜萃取技术) eof electroosmosis flow（电渗流） es electrostacking（电堆积富集） fasi field-amplified sample injection（场放大进样） fia flow injection analysis（流动注射分析） gc gas chromatography（气相色谱） gc-ecd gas chromatography electron capture detector（气相色谱电子俘获检测） hplc high performance liquid chromatography（高效液相色谱） hplc-fld high performance liquid chromatography flame ionization（高效液相色谱火 焰离子化检测） hs-sdme headspace single drop microextraction（顶空液相微萃取） hs-sme head space solvent microextraction（顶空溶剂微萃取） hf-lpme hollow fiber liquid phase microextraction (中空纤维液相微萃取) lpme liquid phase microextraction（液相微萃取） lle liquid liquid extraction（液液微萃取） lpme-ce liquid phase microextraction capillary electrophoresis（液相微萃取毛细管 电泳） lllpme liquid-liquid-liquid phase miccrextraction (液-液-液三相微萃取) maldi-ft-ms matrix-assisted laser ionization fourier transform mass spectroscope (基 质辅助激光离子化傅立叶变换质谱) ptfe polytetrafluoroethene (聚四氟乙烯) sdme single drop microextraction (悬滴液相微萃取) sfe supercritical fluid extraction （超临界流体萃取） sia sequential injection analysis （顺序注射分析法） spe solid phase extraction （固相萃取） spme solid phase microextraction （固相微萃取） slm supported liquid membranes (支撑液膜) spr surface plasmon resonance（表面等离子共振） scfa segmented continuous flow analysis（间隔式连续流动分析） 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。 除已特 别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一 同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论 文的部分使用权， 即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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。 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 综述 1 第一章 综 述 1.1 电动流动全分析系统 1.1.1 引言 自从 1975 年 ruzicka 与 hansen 提出流动注射分析 （flow injection analysis， fia） 的概念1以来，它引发了化学实验室操作技术的一次根本变革。开拓了分析化学的一个全 新领域。该技术大大提高了分析速度，使每小时测定上百个试样成为可能，同时也促进了系 统的微型化，降低了对试剂的消耗量。分析操作也从简单的自动进样-检测发展到包括溶剂 萃取、固相萃取、吸附沉淀、气-液分离、渗析等在内的试样多种前处理技术自动化2。流 动分析技术已经成为溶液分析的重要手段之一。 课题组通过几年对电动流动分析的理论和实验的研究， 结合电磁阀多通道切换分析、 多 孔砂芯电渗泵， 将电动分析系统的分析功能模块化。 我们用电渗泵取代传统的蠕动泵和注射 泵，使得整个系统大为简化，功能也得到进一步的完善，成为一种适合现场和实时环境样品 分析的便携式全分析系统，即电动流动全分析系统（electrokinetic flow total analysis system,eftas） 。 1.1.2 电动流动全分析系统的原理 电动流动全分析系统是基于电动作用的模块化分析系统。它将电动作用与 fia 相结合， 采用常规 fia 尺寸的输运管道，该分析系统的重现性和准确性好、适用范围宽、检测灵敏度 高、自动化程度高、与分析仪器联用方便，且工作电压低、操作安全、使用寿命长。电动流 动全分析系统采用多孔砂芯电渗泵作为流动分析系统的输液泵， 能在较低电压下获得稳定的 流量和较大的输出压强，可以满足常规分析实验的要求。 1.1.3 电动流动全分析系统的技术基础 1.1.3.1 流动注射分析技术 上个世纪70年代， 为了克服间隔式连续流动分析 （segmented continuous flow analysis, scfa）的局限性，ruzicka 与 hansen 提出来流动注射分析技术。他们在继承连续流动观念 的同时，彻底摒弃了 scfa 要求在流动中必须实现物理平衡（完全混合）与化学平衡（完全 反应）的观念，去除了管道中起间隔作用的气泡，提出了在非平衡（不完全混合，不完全反 应）条件下实现高重现性的定量分析技术。 1.流动注射分析的基本原理和特点 fia 是下述 3 条原理的组合：样品定量注入，样品带受控分散，分析物可重现性检测。 因此，不同于其它的仪器分析方法，fia 的各种反应是样品在试剂分散中发生的，样品带的 浓度梯度在分散过程中形成。3 第一章 综述 2 fia 的主要特点如下： (1)适用广泛： fia 可以与多种分析仪器联用， 如紫外可见分光光度计、 毛细管电泳分析仪、 离子选择电极等。它既可以完成简单的进样操作，又可进行一些复杂的溶液操作，并且 是一种比较理想的自动监测与过程分析手段。 (2)高效率：一般分析速度可达到每小时 100-300 样品。 (3)低消耗和高精度：和传统的操作对比，它是一种微量分析技术；一般测定精度可达 0.5%-1%rsd。 (4)设备低廉且简单：简单 fia 设备的体积较小，价格也相当低廉。 2. 流动注射分析系统的组成 基本的的 fia 系统一般由载流驱动器、进样阀、反应器、检测器组成。 载流驱动器是 fia 的核心部分， 相当于整个系统的心脏， 其作用是将试剂和样品等溶液 输送到分析系统中。 fia 对载流驱动器要求很高， 要求流速具有短期和长期重现性、 无脉动、 且易控制，要求驱动器多通道、生产成本低和运行消耗小等特点。目前较为常见的是蠕动泵 （peristaltic pump） 、柱塞泵（piston pump）和注射泵（syringe pump） 。 （1）柱塞泵 在流速的控制上，柱塞泵比蠕动泵有着很大的优势。柱塞泵的长期和短期流速都很稳定。这 使得在流速精度要求较高的场合（如在线分离富集和梯度技术等） ，使用柱塞泵更适合。不 仅如此， 柱塞泵能克服液体流动过程中产生的阻力而不影响流速的稳定性、 抗有机溶剂的能 力也比较强。唯一不足的是柱塞泵的可利用通道较少，一般柱塞泵为单通道。柱塞泵在与装 有气动雾化器的检测器（如原子光谱）联用时，不能与吸取溶液的入口直接配合。 （2）蠕动泵 蠕动泵是 fia 系统 20 年来最常用的载流输运装置，也是在 fia 系统中应用最广泛的。 它有若干通道提供确定流量的液流， 其流量由泵管内径和泵转速进行调节。 但是该泵流动的 长期稳定性较差，泵管的耐磨性、抗有机溶剂和强酸强碱的能力有限。而脉动则是蠕动泵最 主要的缺点。 （3）注射泵 上世纪末，ruzicka 等提出并设计了正旋流注射泵4，5，在一些应用中替代蠕动泵， 取得较好的效果。近来，微机化步进电机驱动注射泵6，7已有商品。但是注射泵设计制造 精细繁杂且成本高。 注射泵和柱塞泵一样有着很好的流速稳定性， 能输送高度重现无脉动的 液流；抗酸碱和有机溶剂的能力强；流动系统的阻力对其流速影响非常小。但是可利用的通 道也很少，受注射管数的制约，机动灵活性很差；另外需要有吸入载流的步骤，会降低分析 频率。可与带有气动雾化器的检测器联用，但是流速的重现性也可能降低。 3. 流动分析技术的模式 目前流动分析技术有以下四种模式： 第一章 综述 3 （1）流动注射分析（flow injection analysis，fia） 其组成部分如上述的 4 部分构成，包括单道流路、多道流路和多泵流路等。已广泛应用 于水质中亚硝酸根的分析测试分析以及一些固体样品分析和医药分析等。 （2）顺序注射分析（sequential injection analysis，sia） 它由注射泵和多位顺序阀组成，采用单道流路，更适合流动分析的推广普及，而且容易 实现分析流路的集成化和微型化。sia 与 fia 相比，试样和试剂的消耗量更少，适于试剂较 贵和样品来源受到限制的分析场合，同时也减少了试剂的排放污染。另外，sia 系统可用单 标准或者多标准自动校正，实现自动分析。已广泛应用于质谱分析（ms） ，如 icp-ms，电喷 射 ms；荧光显微镜分析法；流动血细胞记数；荧光分析；电化学分析等。 （3）粒珠注射分析（bead injection analysis，bia） 作为另一种自动化操作的流动分析系统，bia 是基于微珠选择性捕获生物分子时的紫外 -可见-红外光谱的测定。与表面等离子共振（surface plasmon resonance，spr）相比，bia 具有快速、低耗、不需要固体表面再生等优点，常用于生物交感研究。由于它能够在较宽的 光谱范围内同时实时监测标记物和非标记物， 并具有较高的灵敏度， 在生物传感器领域也具 有很大的应用潜力。 （4）阀注射分析，又称阀上实验室（lab-on-valve）流动分析 应用于微流动分析和顺序注射分析等。lab-on-valve 是集成化于一个顺序阀上的多功 能溶液处理系统， 高精密度的注射泵用于溶液的传输。 可以在该系统内自动操作多种溶液处 理技术，与多种检测仪器联用，如紫外-可见分光光度计、荧光法、化学和生物发光等，是 流动分析系统缩微化的代表。样品稀释、溶剂加入、反应速度测定、数据采集和处理等由 fialab 软件完成。 4流动注射联用技术 （1）流动注射-毛细管电泳联用 本质上，基本的 fia-ce 联用体系由三部分组成：fia 部分，ce 部分和专门设计的联用 接口。fia 部分提供准确的进样、有效的前处理；而 ce 部分可以提供高效、快速的多组分 离。fi 部分根据样品预处理的需求不同可以采用不同的设计，ce 部分则有不同的分离模式 和不同的检测器可供选择，所以当 fia 与 ce 联用时，可以有更多的分析模式和更广泛的应 用范围8-14。 （2）流动注射-原子光谱法 流动注射技术在原子光谱分析中的应用是从火焰原子吸收光谱（atomic absorption spectrometry,aas）开始的。fia-aas 的优越性表现在：通过在线稀释和预浓集可使测定范 围宽达六个数量级；通过在线基体分离、基体改进或动力学分辨可极大的提高测定选择性； fia 雾化技术可使抗粘度变化及抗高盐分干扰的能力增强；试样和试剂消耗大幅度降低，一 般节省试剂和试样 90%以上；由于在惰性材料制成的封闭体系中进行试样在线处理，污染的 第一章 综述 4 可能性显著减少，提高了超痕量分析的可靠性。 （3）流动注射-化学发光分析 由于化学发光（chemiluminescence ,cl）一般比较短暂且随时间变化大，使用间歇式 手工操作时很难取得良好的分析精度。fia 系统却非常适用这类反应，克服了化学发光反应 由于速度快且发光强度随时间改变的问题。 并且化学发光反应难以控制的问题， 在流动注射 条件下也得到很好的改善。 （4）流动注射-电化学分析 fia 电化学方法15与传统电化学分析的本质区别在于被检测介质的流动性和检测时 的非平衡态。fia 中的电化学检测按原理基本分为两大类：一是基于电极反应中的电荷转移 来检测；另一类是测量液体的电化学性质。 1.1.3.2 多通道切换分析系统 1. 多通道切换的定义 通道切换（commutation）的定义是：一种状态向另一种状态的过渡,交换、互换和代替 的行为。这个概念体现在实物装置上面就是通道切换器件，就是通常使用的切换阀。多通道 切换(multicommutation)分析系统就是由一系列独立的的切换阀组成的、 具有若干个可独立 控制进口和出口的流动分析系统。 2. 电磁阀多通道切换分析系统 电磁阀多通道切换系统是目前应用最广泛的多通道切换分析系统。 电磁阀是一种时间依 赖装置，具有双稳态的通道切换器，其状态的改变可由计算机控制。我们可根据系统的分析 功能选择电磁阀的设置和数目,通过通道切换器件的组合和控制软件的编写，实现不同的流 动分析功能。此流动分析系统在应用中具有简便、灵活、宽适应面、易控制等优点。 1.1.3.3 电渗泵输液系统 1. 电渗现象 1974 年 pretorius 等把高压直流电场施加在填充柱两端替代压力泵驱动色谱流动相 16。jorgenson 和 lukacs 将此原理应用于毛细管，即毛细管电色谱（capillary electrochromatography，cec）17。pretorius 等的电驱动色谱思想开辟了填充毛细管电 渗泵研究的先河， 电渗现象的研究越来越得到重视， 出现了一些具有实际应用价值的研究成 果。 2. 多孔砂芯电渗泵的工作原理 本课题组以电渗理论和实验数据为依据发明了一种多孔玻璃芯电渗泵18-25。这种泵 中的多孔砂芯是由硼玻璃粉高温烧结而成， 在碱性至微酸性的溶液中， 表面硅羟基 （si-oh） 电离成 sio -1， 使得表面带上负电荷， 溶液中形成表面双电层。 当工作电压加在电渗泵上时， 第一章 综述 5 芯柱表面溶液产生 eof， eof 的方向由溶剂化反离子的迁移方向决定。 该泵流量大、 流量稳、 无脉动、泵效高、易控制、结构简单、驱动电压和输出压强适中。 1.1.4 电动流动全分析系统的应用和特点 电动流动分析系统与 fia 相比有以下特点： （1）设备简单； （2）无机械驱动； （3）液流无脉动； （4）易于自动化； （5）分析功能多。 将电动流动全分析系统与酶抑制法结合， 用于池塘水和蔬菜当中有机磷类农药残留的在 线检测25。 课题组还建立了一种电动多通道切换离子对固相萃取系统， 用于地表水中痕量烷基苯磺 酸盐阴离子表面活性剂的富集和测定26。 采用电动流动分析系统的顺序注射分析法测定了自来水中亚硝酸根的含量。 利用电渗泵 和电磁三通阀代替了顺序注射分析中的注射泵和顺序阀23,27。 1.2 电动作用-电泳和电渗 1.2.1 电泳 早在十九世纪中叶电泳（electrophresis）现象就被报道 28, 之后 kohlrausch29导出 了离子移动的理论公式，描述了区带电泳、等速电泳和移动界面电泳在内的电泳基本理论。 电泳是电介质中带电粒子在外加电场作用下向电荷相反电极方向， 以不同淌度迁移的现 象。 电泳迁移速率 vep= epe （1.1） 球形离子淌度 ep= q 6r （1.2） 其中 q 是离子的电荷电量，是溶液粘度系数，r 是离子表观液态动力学半径。 由此看出， 电泳速度不仅与荷电粒子的外加电场以及介质特性有关， 还与粒子的有效电 荷、粒子的大小和形状有关。有效电荷、形状和大小的差异造成粒子迁移速度的不同，这也 是电泳分离的基础。 1.2.2 电渗 第一章 综述 6 电渗是指液体在外电场的作用下，相对于带电的管壁移动的现象。这是广义上的说法， 但是电渗的产生与表面双电层有关。 1.2.2.1 电渗流 若固体表面带一种电荷， 则因静电引力和极化力使其周围液体形成吸附层和扩散层， 在 固液表面形成双电层。当液体两端施加压力时，由于扩散层内含溶剂化反离子的定向运动， 就会发生液体相对于固体表面的移动，产生电渗流（electrosmotic flow，eof） 。 电渗流的方向取决于扩散层中反离子的迁移方向。 一般情况下， 石英毛细管内壁表面带 负电，电渗流方向为由阳极到阴极。 veo= eoe （1.3） 由公式看出 eof 的大小由电渗淌度 eo 和电场强度 e 决定。 电渗淌度 eo 与电泳介质和双电层的 zeta 电势有关： eo= ( o ) （1.4） = (4e) （1.5） 其中o：真空介电常数； ：电泳介质相对介电常数； ：双电层 zeta 电势；e：毛细管 内壁扩散层单位面积的表面电荷密度； ：扩散层厚度。 一般情况下，在 ce 中电渗流的速度是一般离子电泳速度的 5-7 倍。所以正负离子以及 中性分子可以在电渗流的作用下一起朝一个方向迁移。 由于电荷的不同以及粒子自身的原因， 每种粒子的迁移速度会有所差异，但这也为粒子的分离提供了有利条件。因此，有效的控制 电渗流，可以影响 ce 的分离效率、选择性以及分离度。 1.3 电堆积富集 电堆积富集（electrostacking，es）是一种提高 ce 浓度检测灵敏度的简单有效的在柱 样品浓缩技术，它可通过流体动力学进样或者电动进样来实现。30-51 1.3.1 富集原理 将样品溶解在水或者低浓度的背景电解质中，并注入分离毛细管。施加一定的电压后， 样品区带中电场强度将会高于充满缓冲溶液部分的电场强度。 因为电场强度的不一样， 根据 公式（1.1） ，样品离子在两种区带中的迁移速率将会不一样。样品离子迁移到样品溶液区和 缓冲溶液区的界面时， 分析物离子的电泳迁移速度就会突然降低， 在界面形成一个窄的区带， 也就是电堆积富集。 理论上，样品离子的富集率正比于样品溶液和缓冲溶液的电阻率之比。burgi 等36在 前面写过详细探讨了富集机理，根据迁移离子数守恒公式（1.6） ，将样品离子的富集描述 第一章 综述 7 为缓冲溶液和样品溶液的浓度之比。 c1vep1=c2 vep2（1.6） 但是， 这样的定律只适用于电堆积发生在均一的毛细管中。 在内径极细且相对较长的毛 细管内， 在高工作电压的作用下， 样品区和缓冲溶液区的电场分布可以简单的用线性欧姆定 律来描述。 本课题组推导出了更完整的电堆积理论公式52 c1v1=c2v2（1.7） c1vep1a1=c2vep2a2（1.8） c2 c1 = ep1e1a1 ep2e2a2（1.9） c：样品浓度；a：迁移截面积；v 迁移体积。 在 ce 中，根据 a1=a2所以： c2 c1 = ep1e1 ep2e2（1.10） 离子在样品区和缓冲溶液区迁移示意图如下: 样品区-缓冲溶液区 图 1.1 离子在样品区/缓冲溶液区迁移示意图。 1，2 分别代表样品区和缓冲溶液区 1.3.2 富集技术的发展 自从 ce 中 es 的现象被报道以后53， 分析工作也已经证明 es 可以提高 ce 的检测灵敏 度达 10-1000 倍， 这大大拓宽了 ce 的应用范围， 特别是在痕量分析中的应用32-51。 同时， es 在电动色谱、非水 ce 以及微芯片 ce 中也取得了一定的成果54-59。不仅如此，es 在生 物科学以及环境科学中的应用55，60也证明了 es 的广阔实际应用前景。 柱端 es 又称场放大进样（field-amplified sample injection，fasi） ，由 mikker45 提出。它采用电迁移进样，将低浓度的样品溶液注入充满高浓度缓冲溶液的毛细管。在电迁 移进样时，进样端的电场强度远远大于毛细管内的电场强度，由此产生样品离子的预富集 46-47。 1.4 液液液微萃取 第一章 综述 8 1.4.1 液相微萃取的发展 液液萃取作为分析过程中的常规样品前处理技术， 数十年来被广泛用于去除样品基体干 扰， 提取和富集样品中分析物等。 由于操作过程冗长， 富集倍数低， 且需消耗大量有机溶剂， 其并不符合绿色分析化学发展的要求。 20世纪90年代以来， 分析化学领域不断涌现新型微型 化的样品前处理技术。 1995年liu和dasgupta 在液液萃取和固相微萃取技术的基础上首次提 出了一种微型化的液相萃取技术-悬滴液相萃取分析系统(droplet-based analysis system)61。该分析系统中采用了体积为微升量级的有机溶剂作为萃取接受相。与传统的 液液萃取技术相比，液相微萃取技术具有以下特点： (1) 有机溶剂消耗小，污染排放少 (2) 微型化的样品前处理技术。萃取效率高，富集倍数大。 (3) 该样品前处理技术集采样、提取和富集过程于一体。 (4) 该样品前处理技术的操作模式多。 1.4.2 液相微萃取的模式 1.4.2.1 悬滴液相微萃取(sdme) 液相微萃取的最初模式是悬滴液相微萃取。1996年liu和dasgupta 28报道了一种液流内悬 滴的分析系统(a drop-in-drop system)来萃取十二烷基硫酸钠。 1.3 l的有机相浸入一个流动的 样品溶液内进行萃取富集。jeannot和cantwell 62 报道了另一种称之为溶剂微萃取(solvent microextraction)的方法: 8 l 的正辛醇在聚四氟乙烯（ptme）棒末端形成悬滴后浸入搅拌 的样品溶液中进行萃取富集，用微量注射器来收集悬滴注入gc进行分离检测。如下图所示。 图 1.2 drop-in-drop system 中萃取头的示意图61 第一章 综述 9 图 1.3 溶剂微萃取装置的侧面示意图62 这种萃取模式的缺点是萃取富集和进样需要各自的步骤完成。1997年，jeannot课题组 和lee课题组提出用微量注射器(microsyringe)代替teflon棒作为液相微萃取技术中有机相液 滴的悬挂支撑(holder)63,64。在萃取过程中，先用微量注射器吸入有机相，当注射器针端 浸入样品溶液后，将有机相推出，在针尖形成悬滴进行萃取富集，萃取完毕后再将有机相吸 入针管内直接注入gc或hplc等分析仪器。微量注射器在此过程既是萃取微液滴的形成和保 持器（solvent holder）又起到了分析仪器进样针的作用，这样萃取和进样就可以在同一个微 注射器上完成。这种技术上的改进大大简化了液相微萃取富集和分析仪器注入的操作衔接， 使得该萃取技术能广泛地运用在gc和hplc等高效分离方法的样品前处理步骤。 悬滴液相微萃取由于需要较高的搅拌速率来提高萃取效率， 在萃取过程中液滴不稳定而 滑落的风险始终存在。一般通过以下三种方式来改善:(1) 适当的搅拌速率，以避免过大搅拌 速率使悬滴从针尖滑落；(2) 适当的微液滴体积，采用1 l的微量注射器代替常见的10 l的 微量注射器，减小悬滴体积可使其在搅拌的样品溶液中保持稳定；(3)提高微液滴与针尖的 接触面积， 以提高它们的接触紧密性， 通常采用气相色谱使用的斜形截面针尖微量进样注射 器。 1.4.2.2 顶空悬滴液相微萃取 （headspace，hs-sdme） 2001年， theis和jeannot在顶空取样和液相微萃取技术的基础上提出顶空液相微萃取技术65。 将有机溶剂液滴悬挂在顶空萃取小瓶内样品溶液的上方， 或用含有一定量有机溶剂的微量注 射器反复抽取和排出样品溶液顶空气体中的挥发或半挥发性成分。 由于悬滴萃取接受相对样 品的顶空成分进行萃取， 并非直接接触样品溶液， 该微萃取技术能极大降低样品不挥发组分 的基体干扰， 非常适合复杂基质样品中挥发性或半挥发性成分的富集分析。 通过改变萃取溶 剂的种类和组分， 可实现对分析物的选择性萃取。 该萃取技术既能用于液态样品中挥发性组 分的提取，也可以用于固态样品中挥发性组分的顶空取样。 第一章 综述 10 图 1.4 悬滴微萃取装置示意图65 顶空液相微萃取的特点在于：(1)由于有机相和样品溶液并非直接接触，故可以在萃取 过程中采用较大的搅拌速率来提高萃取效率； (2) 可以减少样品溶液中不挥发性物质的基体 干扰； （3）和顶空固相微萃取相比，它有机溶剂的选择范围广，且消耗量小。由于有上述优 点，且又具有顶空固相微萃取的分析速度快精度高的特点，该技术在近年得到持续的关注。 顶空液相微萃取的缺陷在于： 为了避免有机相在萃取的时候挥发， 一般用低挥发性的有 机相来作为萃取相， 但是这样的溶剂并不适合用于气相色谱分析 （需要高挥发性的有机溶剂） 。 为了克服这一问题，shen 和 lee 提出动态顶空液相微萃取技术 (dynamic sdme for headspace extraction) 66。 图 1.5 动态顶空液相微萃取操作示意图66 与动态液相微萃取技术一样，该技术中的萃取过程也是在微注射器内壁上完成的。此外，该 技术是通过自动装置实现萃取过程中注射器塞的推拉过程， 以保证实验结果的重现性。 萃取 操作过程包括以下几步：(1) 将2 l的有机试剂吸入微注射器；(2) 将微注射器穿透顶空萃取 小瓶瓶盖，针尖位于样品液面的上方。(3) 以1.0 l/s的速度拉动微注射器塞，使得5 l的样 品气体进入微注射器。(4) 5 s以后将气体推出，然后重复上述4个步骤。一次萃取过程需要数 第一章 综述 11 次这样循环过程。由于萃取过程是在注射器内进行的，有机相受萃取温度的影响不大，故而 萃取溶剂的选择范围更宽。 另外这种方法还可以通过程序控制来实现自动化或者半自动化的 样品前处理过程， 从而使富集技术的重现性改善。 目前已有基于使用动态顶空液相微萃取的 样品前处理技术实际分析应用的报道，如从血浆中检测丙酮67，从中药中提取人参炔酮或 香精油68,69等。 1.4.2.3 流动液相微萃取技术 (continuous-flow microextraction, cfme) 2000年 liu和lee在液相微萃取技术的基础上首次提出流动液相微萃取技术70，其原 理如下图所示： 图1.6 连续流动液相微萃取示意图70 通过hplc的溶剂传输系统，样品溶液以固定的速率流过peek管进入玻璃萃取腔中。当萃取 腔中充满样品溶液后， 将注射器中的有机相推出针尖形成悬滴进行萃取。 萃取完毕再将有机 相吸入注射器后，进入分离仪器的分析环节。由于萃取过程中，有机相接触到的是不断流动 的新鲜样品溶液，故而能在很短的萃取时间内获得很高的富集倍数。例如，在硝基苯和氯代 苯的富集中， 在10分钟内能达到2601600倍。 该方法和gc-ecd的联用能达到fg/ml级别的检 出限71。liang和lee曾将该技术和hplc联用对有机氮类和有机磷类化合物等常用的农药进 行富集分离测定72, 73, 达到ng/ml量级的检出限。xia等对该萃取装置进行一些改进74， 使从玻璃萃取腔中流出的样品溶液再进入样品池中， 形成循环流动系统。 这种方法使得样品 溶液的需求量变小，并且不用担心样品池在没有补充溶液的情况下干涸。 1.4.2.4 膜萃取技术 (1) 渗析法(dialysis) 渗析法起初是用于从具有大分子干扰的生物基体中提取药物。 作为一种分离技术， 其原 理主要是由渗透膜相隔的两相(两相既可以是静态的， 也可以是流动的)之间有传质过程。 尺 第一章 综述 12 寸超过孔径的大分子是不能穿过渗透膜， 而小分子由于浓度差而会进入另一个相中。 根据渗 透膜孔径大小可对不同尺寸的一些生物大分子进行分离富集， 渗析法的缺点在于： 富集时间 长，选择性差，回收率低，以及富集倍数不高。 (2) 支撑液膜(supported liquid membranes，slm) slms的结构是两层水相间夹一层有机相液膜， 形成“三明治”式的三相萃取体系。 有机相 液膜是膜孔内充满疏水性有机溶剂后在支撑膜壁上形成一层有机相液膜。 通常扁平膜的材料 为疏水性的多孔聚四氟乙烯膜，而有机溶剂必须满足不溶于水、难挥发、粘度小等要求。常 用的有机溶剂有正十一烷、正己醚、三辛基磷酸酯等。聚合物支撑膜固定在两块惰性材料模 块之间，两模块上均有流体槽来形成流体通道，其体积范围在l01000 l之间。 与渗析法相比，slms具有很高的选择性和回收率。膜可以是液态的也可以是固态的。 具有离子交换基团的膜通常对分析物具有选择性。 液膜两边的两相一般均为液体， 也有少数 的是气相。 (3) 中空纤维膜液相微萃取 (hollow-fiber based liquid-phase microextraction, hf-lpme) 中空纤维膜辅助液相微萃取技术是 pedersen-bjergaard 在液相微萃取和膜萃取技术的基 础上提出的75。 该技术是采用一段中空的聚丙烯多孔纤维(图 1.11)作为液膜萃取的支撑管。 它既可以用于液液两相萃取，也可用于萃取-反萃的三相萃取，其机理如图 1.12 所示： 图 1.7 lpme 中多孔纤维膜的横截面照片76 图1.8 三相(a)和两相液相微萃取的原理77 在图(a)中，中空纤维膜壁的小孔内含有有机相，样品溶液和接收相均为水相。样品分析物 第一章 综述 13 从本体溶液中被萃取至有机相膜后再被反萃至接收相中。在图(b)中，中空纤维膜的管内和 多孔壁的小孔内均为同一有机相， 在萃取过程中， 样品分析物从水相进入有机相从而被富集。 与悬滴微萃取技术相比，中空纤维膜