激光诱导击穿光谱技术

1南华大学公共卫生学院卫生检验系吕昌银Email:[e-mail]2015.05.23湖南湘潭CDC激光诱导击穿光谱技术和激光剥蚀等离子体质谱联用技术原理及其食品检验应用讲授主要内容一、食品样品的传统前处理技术(ThetraditionalPretreatmenttechnologyoffoodsample)(文字内容多，回顾、复习用）二、激光诱导击穿光谱技术（Laser-InducedBreakdownSpectroscopy,LIBS）重点！三、激光剥蚀电感耦合等离子质谱技术（LaserAblationInductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry,LA-ICP-MS）2卫生理化检验工作流程采样→样品处理（样品制备）→样品检测→数据处理→结果报告3最费时！最麻烦！限制了快速检测技术发展光、电、色检测技术自动化程度越来越高仪器昂贵，难普及｝样品处理技术发展传统处理技术4激光诱导击穿光谱技术和激光剥蚀等离子体质谱联用技术，等发展一、样品的传统前处理技术5（一）无机化处理/有机物破坏法(inorganictreatment)1．湿消化法(wetdigestion)特点：分解有机物的速度快，时间短；加热温度低，待测成分挥发少；待测成分以离子状态保存于消化液中，便于进一步分析测定。缺点：产生大量的有害气体，消化试剂用量大，有时空白值较高，等根据操作条件，分为三大类:湿消化法、干灰化法、微波消化法一、样品的传统前处理技术6（一）无机化处理/有机物破坏法(inorganictreatment)1．湿消化法(wetdigestion)（1）常用的试剂氧化性强酸：硝酸、高氯酸、硫酸氧化剂：高锰酸钾、过氧化氢等催化剂：硫酸铜、硫酸汞、五氧化二钒，等浓硝酸(65%-68%，14mol/L)氧化能力较强能将样品中有机物氧化生成CO2和H2O，而本身分解成O2和NO2，过量的硝酸容易通过加热除去。硝酸可以任何比例与水相混合，沸点较低:121.8℃，易挥发，因而，硝酸的氧化能力不持久。在消化液中通常会残存较多的氮氧化物，如对待测成分的测定有干扰时，可以加入一定量的纯水加热，驱赶氮氧化物。一般情况下，单独使用硝酸不能完全分解有机物，常常与其他酸配合使用。几乎所有的硝酸盐都易溶于水，但硝酸与锡和锑易形成难溶的偏锡酸(H2Sn03)和偏锑酸(H2Sb03)或其盐。7高氯酸(65%70%，11mol/L)冷：没有氧化能力；热：强氧化剂，其氧化能力较硝酸和硫酸强，几乎所有的有机物都能被它分解，在加热条件下，高氯酸产生氧和氯。沸点：203℃；氧化能力较为持久，消化速度快，过量的高氯酸可加热除去。高温下，高氯酸直接接触某些还原性较强的物质，如酒精、甘油、脂肪、糖类等，反应剧烈，有发生爆炸的危险！一般不单独使用高氯酸消化食品样品，而是用硝酸和高氯酸的混合酸分解有机物质。除K+和NH4+的高氯酸盐外，一般的高氯酸盐都易溶于水。8浓硫酸(98%，18mol/L)硫酸的氧化能力不如高氯酸和硝酸强，一般不单独使用。稀硫酸没有氧化性，热的浓硫酸具有较强的氧化性，对有机物有强烈的脱水作用，并使其炭化，进一步氧化生成二氧化碳。沸点高：338℃，不易挥发损失，在与其他酸混合使用，加热蒸发至出现二氧化硫白烟时，可以除去其他低沸点的硝酸、高氯酸、水及氮氧化物。硫酸与碱土金属(如钙、镁、钡、铅)所形成的盐类在水中的溶解度较小。9（2）常用的传统消化方法硫酸消化法硝酸-高氯酸消化法硝酸-硫酸消化法硝酸消化法10（3）消化操作技术11敞口消化法DigestioninOpenContainer/OpenDigestion凯氏烧瓶和敞口消化1.电炉；2.凯氏烧瓶通常在凯氏烧瓶（Kjeldahlflask）中或硬质锥形瓶中进行，是最常用的消化方法。回流消化法circumfluencedigestion12测定样品中具有挥发性的成分时，可以在回流消化装置中进行石墨消解法GraphiteDigestion13冷消化法/低温消化法(digestionatlowtemperature)将食品样品和消化液混合后，置于室温或37～40℃烘箱内，放置过夜。在低温下消化，可避免易挥发元素（如汞）的挥发损失。冷消化法较为方便，不需要特殊设备，但仅适用于含有机物较少的样品。14密封罐消化法(digestioninclosedcontainer)将样品和消化试剂放在密封罐内，置于150℃烘箱中保温2h，在一定的压力下，对样品中的有机物进行湿法破坏。因密闭容器，蒸气不会逸散损失，消化试剂利用率高，消化时间短。消化完成后，消化液可直接用于测定。消化时，样品用量一般小于lg，加入30％过氧化氢和l滴硝酸作为消化试剂，经加热分解，过氧化氢和硝酸均生成气体逸出，故空白值较低。但该法要求密封程度高，压力密封罐的使用寿命有限。15（4）湿法消化操作的注意事项消化所用的试剂(酸及氧化剂)应采用优级纯试剂，同时作消化试剂的空白试验，以扣除消化试剂对测定的影响。要防止暴沸，在消化瓶内加入玻璃珠或瓷片。在消化过程中需要补加酸或加入氧化剂时，要先停止加热，待消化液冷却后，再沿消化瓶壁缓缓加入。162.干灰化法(dryashing)17采用高温灼烧的方法来破坏样品中的有机物，因此又叫灼烧法t=500-600℃!它也是破坏样品中有机物的常规方法，但与湿消化法有很大不同：它将样品放在坩埚中，先在电炉上使样品脱水、炭化，再置于马弗炉中灼烧灰化，使有机物彻底氧化分解为CO2、水和气体而挥发，留下的无机物用稀酸溶解后供测定用。干灰化法的特点优点①操作简便，试剂用量少，有机物破坏彻底；②由于基本上不加或加入很少的试剂，因而空白值较低；③能同时处理多个样品，适合批量样品的前处理；④可加大称样量，在检验方法灵敏度相同的情况下，能够提高检出率。⑤灰化过程中不需要一直看守，省时省事。缺点①灰化时间长，温度高，故容易造成待测成分的挥发损失。②高温灼烧时，可能使坩埚材料的结构改变形成微小空穴，对待测组分有吸留作用而难以溶出，致使回收率降低。18提高干灰化法回收率的措施1)采用适宜的灰化温度①合适的温度：通常选用550℃士25℃灰化4h，一般不超过600℃。②采用低温灰化技术：将样品放在低温灰化炉中，先将炉内抽至近真空，并通入氧气，用射频照射使氧气活化，在低于150℃的温度下便可将有机物全部灰化。2)加入助灰化剂：为了加速有机物的氧化，防止某些组分的挥发损失和坩埚吸留，在干灰化时可以加入适量的助灰化剂。3)其他措施：在规定的灰化温度和时间内，如样品仍不能完全灰化，可以待坩埚冷却后，加入适量酸或水，改变盐的组成或帮助灰分溶解，解除对碳粒的包裹。193.微波消化法microwaveashing20将样品与消化试剂密封于聚四氟乙烯消解罐中，置于微波炉内进行消解。2450MHz的微波穿透消解容器,直接辐射样品和试剂的混合液，使消化介质的分子相互摩擦，产生高热。同时，交变的电磁场使介质分子极化，高频辐射使极化分子的快速转动，产生猛烈摩擦、碰撞和震动，使样品与试剂接触界面不断更新。样品在高温下与溶剂发生剧烈作用，产生大量气体，在密闭的消解罐中形成高压，样品在高温、高压状态下迅速消解。微波加热是由内及外，因而加快了消化速度。3.微波消化法microwaveashing21传统的湿消化法和干灰化法都可以在微波装置中进行，因此微波消化法可以分为微波湿消解法和微波干灰化法两类。微波消化法不需要试剂或仅需少量试剂，且样品处理时间大大缩短，从数小时减少为数分钟。这些优点使得微波消化法，尤其是微波湿消解法，在无机物测定中应用日益广泛。3.微波消化法microwaveashing22微波湿消解法（microwavewetashing）：分为密闭微波消解：消解样品的能力强，多用！敞口微波消解1.溶剂提取法(solventextraction)依据相似相溶的原则，选用适当的溶剂，将待测成分从固体样品或样品浸提液中提取出来，从而与其他基体成分分离。(二)干扰成分的去除（separationandeliminationforinterference）23(1)浸提法利用样品中各组分在某一溶剂中溶解度的差异，选用适当的溶剂，将样品中的待测组分浸提出来，与样品基体分离。1)振荡浸渍法2)捣碎法3)索氏提取法4)超声波提取24(2)液-液萃取法(liquid-liquidextraction)利用溶质在两种互不相溶的溶剂中分配系数的不同，将待测物从一种溶剂转移到另一种溶剂中，从而与其他组分分离。252.挥发法和蒸馏法(volatilizationanddistillationprocess)利用待测成分的挥发性或通过化学反应将其转变成为具有挥发性的气体，而与样品基体分离，经吸收液或吸附剂收集后用于测定，也可直接导入检测仪测定。26微量扩散皿(1)扩散法(diffusion)内室内室外室27加入某种试剂使待测物生成气体而被测定，通常在扩散皿中进行。(2)顶空法(headspaceanalysis)1）静态顶空分析法：将样品置于密闭系统中，恒温加热一段时间达平衡后，取出蒸气相,用气相色谱法分析样品中待测成分的含量。2）动态顶空分析法：在样品顶空分离装置中,不断通入氮气，使其中挥发性成分随氮气流逸出，并收集于吸附柱中，经热解吸或溶剂解析后分析。28(3)蒸馏法(distillation)通过加热蒸馏或水蒸气蒸馏使样品中挥发性物质被蒸出，收集馏出液用于分析。可分为常压蒸馏法、减压蒸馏法、水蒸气蒸馏法，等29常压蒸馏装置301-电炉；2-克莱森瓶；3-毛细管；4-螺旋止水夹；5-温度计；6-细铜丝；7-冷凝器；8-接受瓶；9-接收管；10-转动把；11-压力计；12-安全瓶；13-三通管阀门；14-接抽气机减压蒸馏装置31水蒸汽蒸馏32(4)吹蒸法(sweepco-distillation)美国公职分析家协会(AOAC)农药分析手册中用于挥发性有机磷农药的分离、净化的方法。气流吹蒸法33(5)氢化物发生法(hydridegeneration)在一定条件下，用还原剂将待测成分还原成挥发性共价氢化物，从基体中分离出来，经吸收液吸收显色后用分光光度法测定，或直接导入原子吸收光谱仪进行测定。343.色谱分离法(chromatographicseparation)利用物质在流动相与固定相两相间的分配系数差异，当两相作相对运动时，在两相间进行多次分配，分配系数大的组分迁移速度慢，反之则迁移速度快，从而实现各组分的分离。35(1)柱色谱法(columnchromatography)将固定相填装于柱管内,制成色谱分离柱，在柱内进行分离。36常用的固定相:硅胶、氧化铝、硅镁吸附剂,以及离子交换树脂，等(2)纸色谱法(paperchromatography)纸上吸附以层析滤纸作为载体，滤的水作为固定相，展开剂为流动相。37(3)薄层色谱法(thinlayerchromatography，TLC)将固定相均匀地涂铺于玻璃、塑料或金属板上，形成薄层，在薄层板上进行色谱分离的方法。384.固相萃取(solidphaseextraction，SPE)萃取原理：液相色谱分离原理！就是柱色谱分离法！在小柱中填充适当的固定相，制成固相萃取柱，先将样液通过SPE小柱，待测成分被吸留，再用溶剂洗涤除去样品基体或杂质，然后用一种选择性的溶剂洗脱待测组分，达到分离、净化和浓缩的目的。该方法简便快速，使用有机溶剂少，在痕量分离中应用广泛。395.固相微萃取法(solidphasemicro-extraction，SPME)根据有机物与溶剂之间“相似者相溶”的原理，利用石英纤维表面的色谱固定液吸附待测组分，使试样中的待测组分被萃取和浓缩，然后利用气相色谱仪进样器的高温、高效液相色谱的流动相或毛细管电泳的流动相将萃取的组分从固相涂层上解吸下来进行分析的一种样品前处理方法。405.固相微萃取法(solidphasem