环境分析仪器-有机物样品预处理技术

环境样品中有机物提取技术1固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱法测定人指甲中的三氯生和三氯卡班2环境分析的特点环境样品如何达到分析仪器的要求？3由于环境样品中有机物具有浓度低、组分复杂、干扰物质多、易受环境影响等特点，通常需要采用复杂的提取、净化、浓缩等有机物处理技术才能进行分析测定。环境预处理技术研究热点批量化、自动化、环保化快速、高效、易操作生物监测技术：酶免疫检测（EIA）4样品中有机物萃取技术固-液萃取法索式萃取法摇床振荡萃取法超声萃取法微波萃取法针对固体样品液-液萃取法一滴溶剂萃取固相萃取法固相微萃取法针对水样品56预处理方法预处理吹扫捕集顶空液液萃取固相萃取固相微萃取VOCsSVOCs卤代烷烃、卤代烯烃苯系物多氯联苯、多环芳烃有机氯农药、POPs7样品分离与富集为了选择与评价分离、富集技术，常涉及下面两个概念：回收因数（RT）指样品中目标组分在分离、富集过程中回收的完全程度。即：痕量回收：RT100%;浓度越低则损失对分析结果的影响越大。无机痕量分析:RT90%。0TTTQQR8富集倍数（F）或与浓缩系数定义为欲分离或富集组分的回收率与基体的回收率之比，即：式中，和分别为富集前、后基体的量；为基体的回收率。MTMTMTRRQQQQF///000MQMQMRMR9一、液-液萃取法1、溶剂萃取：基于物质在不同的溶剂相中分配系数不同，而达到组分的富集与分离。在水相--有机相中的分配系数（K）可用分配定律表示：有水][][MM水有][][MMKD10分配比定义：溶质在有机相中各种存在形态的总浓度与水相中各种形态的总浓度之比，用D表示。D值越大，表示被萃取物质转入有机相的数量越多(当两相体积相等时)，萃取就越完全。在萃取分离中，一般要求分配比在10以上。分配比反映萃取体系达到平衡时的实际分配情况，具有较大的实用价值。水有ccD11被萃取物质在两相中的分配也可以用萃取百分率（E）表示，即E与分配比的关系为：当用等体积萃取时(V水=V有)：若要求E大于90%，则D必须大于9。增加萃取的次数，可提高萃取效率，但将增大萃取操作的工作量。%100(%)被萃取物质总量的总量被萃取物质在有机相中E%100%水水有有有有VcVcVcE%100有水VVDD%1001%DDE12分配比D萃取率E/%C水——水相中浓度；V水——水相体积；D——分配比；V有机——有机相体积；C有——有机相中浓度；E——萃取率2、液液微萃取方法（20世纪90年代）一滴溶剂微萃取方法（Single-DropMicro-Extraction，SDME）取一支10μL微量注射器，准确吸入一定量的萃取剂，垂直插入盛有水样的样品瓶中，使针尖完全浸入水样，将微量注射器内的萃取剂推出,使其悬挂在注射器的针尖头，打开磁力搅拌器并调至一定的搅拌速度，萃取一定时间后，再将萃取剂全部吸入注射器内，然后将其注入气相色谱分析。13应用举例——七种硝基苯类化合物AnalyteTapwaterWastewaterSpikedlevel(μg/L)Meanrecovery(%)RSD(%)Spikedlevel(μg/L)Meanrecovery(%)RSD(%)Nitrobenzene4.0102.85.48.097.05.8o-MNT4.0101.47.98.095.73.3m-MNT4.0101.74.78.093.97.9p-MNT4.0101.24.98.092.57.1m-NCB0.40104.14.60.8095.55.8p-NCB0.40104.74.30.8096.34.4o-NCB0.40102.93.10.8093.65.814SDME萃取条件的优化萃取剂的种类和用量：甲苯等非极性溶剂，(0.2~10.0μl)搅拌速度：50、100、200、300、500、800r/min萃取时间：5~60min酸度：pH2~8离子强度：考察不同浓度的NaCl对萃取效率的影响萃取温度：温度能加速扩散作用，影响目标物在水相和萃取剂之间的分配系数以及萃取剂在水相中的溶解性。（0～30℃）15二、固相萃取（SPE&SMPE）1、固相萃取法利用疏水性的固体来分离和富集水溶液中的有机物的方法，实质上是一种液相色谱分离，所用的吸附剂也与液相色谱常用的固定相相同，只是在粒度上有所区别。自70年代问世以来，其全球需求量迅速增长。功能用于样品分析前的净化或浓缩富集，能用于气相色谱、液相色谱、红外光谱、质谱、核磁、紫外和原子吸收等各种分析方法的样品预处理。特点与传统的液-液萃取相比，由于其采用了高效、高选择性的固定相，能显著减少溶剂用量，简化样品预处理过程，同时所需费用也有所减少（固相萃取所需时间为液－液萃取的1/12，费用为液液分配的1/5）。16痕量有机物萃取技术——固相萃取技术分析物杂质172020/11/22针对水样固相萃取小柱硅胶填料：40μm颗粒，60μm孔径Florisil填料：硅酸镁，80/120目（净化）树脂填料：80-160μm球型颗粒石墨碳填料：无键合相，网眼颗粒18固相萃取装置（SPE）SPE不同类型吸附剂及相关应用吸附剂分离机理洗脱溶剂分析物的性质环境分析中应用键合硅胶C18、C8反相有机溶剂非极性～弱极性氨基偶氮苯，多氯苯酚类，多氯联苯类，芳烃类，多环芳烃类，有机磷和有机氯农药类，烷基苯类，邻苯二甲酸脂类，多氯苯胺类，非极性除草剂，脂肪酸类，胺基蒽醌多孔苯乙烯—二乙烯基苯共聚物反相有机溶剂非极性～中等极性苯酚，氯代苯酚，苯胺，氯代苯胺，中等极性的除草剂（三嗪类，苯磺酰脲类，苯氧酸类）多孔石墨碳丙胺键合硅胶硅酸镁反相正相正相有机溶剂有机溶剂有机溶剂非极性～相当极性极性化合物极性化合物醇类，硝基苯酚类，相当大极性的除草剂，碳水化合物，有机酸醇，醛，胺，除草剂，杀虫剂，有机酸，苯酚类，类固醇类离子交换树脂离子交换一定pH的水溶液阴阳离子型有机物苯酚，次氮基三乙酸，苯胺和极性衍生物，邻笨二甲酸类抗体键合吸附剂免疫亲和反应甲醇/水溶液特定污染物多环芳烃，多氯联苯，有机磷、有机氯农药类及染料等19固相萃取法研究对象：水介质中有机物核心技术：固相吸附剂（极性、非极性、离子型、生物型等）洗脱溶剂特点：选择性、高倍富集、易于实现自动化20SPE吸附剂种类反相C2,C8,C18,C18AR,PH正相和离子交换NH2,CN,Si,PSA,SAX,SCX混合模式MP1,MP3(SCX和非极性)3mLand10mL柱(15or30mg)15和30mg96-位盘(~1mL)47mm盘用于环境萃取膜萃取（大体积样品）EmporeSPE膜技术，是将SPE填料颗粒，紧紧地压在PTFE纤维网中。其更少的填料量、更短的扩散通道使得萃取更加有效，溶剂使用量更少，无沟渠和孔穴产生。22洗脱溶剂选择反相正相甲醇异丙醇乙腈丙酮二氯甲烷乙酸乙酯四氢呋喃水甲醇异丙醇乙腈丙酮二氯甲烷乙酸乙酯四氢呋喃水弱强23洗脱溶剂选择洗脱强度检测器因素24溶剂名称紫外截止波长/nm正己烷190二硫化碳380四氯化碳265苯210氯仿245二氯甲烷233四氢呋喃212丙酮330乙腈190甲醇205水187固相萃取操作程序确定吸附剂类型及用量：目标物性质和浓度估计萃取柱条件化：用适量溶剂进行吸附剂的活化，再用去离子水进行柱条件化；通过水样：流速控制在2-5ml/min萃取柱纯化：洗脱某些非目标物萃取物洗脱：1~5ml的洗脱液，待后续分析25不同吸附剂吸附容量比较a.C18吸附剂b.石墨碳吸附剂26抗体键合吸附剂27免疫抗体吸附剂制备技术28SPE-HPLC在线联用体系目标物吸附阶段目标物解吸、分析阶段29SPE-HPLC分析比较3031真空固相萃取装置---自动操作96-wellPlate真空装置正压力装置2、固相微萃取(SolidPhaseMicroExtraction)1994年获美国匹兹堡分析仪器会议革新大奖，是一种应现代仪器的要求而产生的样品前处理新技术。集采样、萃取、浓缩、进样于一体，便于携带，真正实现样品的现场采集和富集，能够与气相、气相-质谱、液相、液相-质谱仪联用。广泛应用于环保及水质处理、临床药理、公安案件分析、制药、化工、国防等领域。3233状似一只色谱注射器，由手柄和萃取头或纤维头两部分构成。萃取头是一根外套不锈钢细管的1cm长、涂有不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维头，纤维头在不锈钢管内可自由伸缩，用于萃取、吸附样品。固相微萃取/荧光分析34三、样品预处理-仪器分析在线系统吹扫捕集-气相色谱-质谱联用仪顶空进样-气相色谱-质谱联用仪微波热解析-气相色谱-质谱联用系统超临界流体萃取-液相色谱-质谱联用系统固相萃取-液相色谱-质谱联用系统消解-吹扫捕集-气相色谱-质谱联用系统351、吹扫捕集-GC联用技术—挥发性有机物36CharcoalTenaxSilicaGelSemi-volatilevolatileFreon-12Samplegasvent吹扫捕集解吸和放空37Tenax：poly(2,6-diphenyl-p-phenyleneoxide，聚2,6-二苯基对苯醚2、顶空萃取技术原理—挥发性有机物38393、SPE-HPLC在线分析系统四、土壤样品中有机物提取土样的风干风干后的土壤含水率一般5%。磨碎和过筛1927年国际土壤学会规定通过2mm孔径的土壤用作物理分析，通过1mm或0.5mm孔径的土壤用作化学分析。筛网规格有两种表达方法以筛网孔径尺寸表示，如孔径为2mm、1mm的筛网；另一种是以每英寸长度上的孔数来表示，如每英寸长度上有80个孔即称为80目，100目的筛网则说明在每英寸长度上有100个孔。40样品真空冷冻干燥设备真空冷冻干燥技术，简称冻干，又称升华干燥。在环境领域广泛应用于土壤、沉积物等样品处理。冷凝温度：-50℃真空度：20Pa捕水能力：nkg/24h样品盘：Φ200mm×多层41粉碎、研磨设备用于样品的粉碎研磨制样。42前处理—生物（湿样）土壤样品分析方法重量法：土壤水分测定容量法：浸出物中含量较高的成分测定，如Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42－等。分光光度法、原子吸收分光光度法、原子荧光分光光度法、等离子体发射光谱法：重金属如Cu、Cd、Cr、Pb、Hg和Zn等组分的测定。气/液相色谱法：有机氯、有机磷及有机汞等农药的测定。高速离心机44固体样品提取方法索氏萃取法(Soxhlet)振荡器法超声萃取法微波萃取法45加速溶剂提取样品抽提萃取浓缩硅胶柱净化46旋蒸浓缩仪47样品净化（膜或硅胶净化）48氮吹浓缩49加快蒸发原理：加强周围的空气流动；温度氮气是一种不活泼的气体，能起到隔绝氧气的作用，防止样品氧化。将氮气快速、连续、可控地吹到加热样品表面，实现大量样品的快速浓缩。CaptivaTMNDLipids除脂过滤板特点:Captiva微粒过滤去除蛋白干扰专利的脂肪去除填料去除脂肪Non-Drip膜方便使用样品的预处理与分析—PPCPs水样：82.7%-94.5%；颗粒物：65.7%-77.5%水样溶解相颗粒物0.7μm滤膜方法空白空白加标基质加标基质加标平行样质量控制固相萃取HPLC/MS/MS调节pH4超声萃取冷冻干燥举例:举例：沉积物样品预处理（PAHs）ExtractConcentratesampleextractto1-2mlExchangesolventascyclohexane(10:1),concentrateto~1mlCleanupCollectandconcentratefractions(25ml)to1~2mlExchangesolventasmethanol(20:1)Concentrateandreconstituteto1mlIIIIIIIVV方法举例：城市污泥中HBCD提取在-50oC下真空冷冻干燥24h，研磨后过60目筛，称取0.5g左右，用150mL二氯甲烷进行索氏提取2