樣品預處理
樣品預處理技術(sample pretreatment technology)是指樣品的制備和對樣品采用合適的分解和溶解方法以及對待測組分進行提取、凈化和濃縮的過程,使被測組分轉變成可以測定的形式,從而進行定量和定性分析。由于待測組分受其共存組分的干擾或者由于測定方法本身靈敏度的限制以及對待測組分狀態的要求,絕大多數化學檢測和分析方法要求事先對試樣進行有效的、合理的處理。
現代分析方法中樣品預處理技術的發展趨勢是樣品預處理速度快、批量大、自動化程度高、成本低、勞動強度低、試劑消耗少、環境污染小、方法準確、可靠等,這也是評價一個樣品預處理方法的準則。下面對幾種樣品預處理方法的原理和應用進行介紹。
1、固相萃取(SPE)和固相微萃取(SPME)
固相萃取(solid phase extraction,SPE)是20世紀70年代后期發展起來的樣品預處理技術,它主要是利用固體吸附劑吸附目標化合物,使之與樣品的基體及干擾物質分離,然后用洗脫液洗脫或通過加熱解脫,從而達到分離和富集目標化合物的目的。該方法具有回收率高、富集倍數高、有機溶劑消耗量低、操作簡便快速和費用低等優點,易于實現自動化并可與其他分析儀器聯用。因此,在很多情況下,固相萃取作為制備液體樣品優先考慮的方法取代了傳統的液-液萃取法,如環境水中農藥含量的測定、蔬菜和水果中農藥殘留的測定以及食品中獸藥殘留的檢測。
固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)的原理是將各類交聯鍵合固定相融溶在具有外套管的注射器內芯棒上,使用時將芯棒推出,浸于粗制樣品溶液中,于是待測組分便被吸附在芯棒上,然后將含有樣品的針芯棒直接插入氣相或液相色譜儀的進樣口,被測組分在進樣口中被解析下來進入色譜分析儀。該項技術具有操作簡單、快速、樣品用量小、重現性好和環境友好等特點,并通過利用氣相色譜和高效液相色譜等儀器進行后續分析,可實現對多組分樣品的快速分離檢測。在萃取過程中,還可以通過控制各種萃取參數,實現對痕量被測組分的高重復性、高準確度的測定。
2、基質固相分散萃取(MSPD)
基質固相分散(matrix solid phase dispersion,MSPD)技術是1989年由 Barker 等首次提出并給予理論解釋的一種樣品預處理技術。基質固相分散技術是將常規的固相分散技術與反相鍵合填料相結合,組織勻漿、提取和凈化在同一操作中完成,使得分析環節大幅減少,操作簡化。該技術已在動物獸藥殘留檢測和蔬菜、水果的農藥殘留分析中得到應用,具有很大的發展潛力。
3、分子印跡技術(MIP)
分子印跡(molecularly imprinted polymer,MIP)技術源于免疫學的發展,20世紀40年代,著名的諾貝爾獎獲得者 Paining 提出了以抗原為模板來合成抗體的理論。1949年,Dickey 首先提出了“分子印跡”這一概念,但是直到1972年德國的 Wuff 研究小組首次報道了人工合成分子印跡聚合物之后,這項技術才逐漸為人們所認識。
分子印跡技術的原理是仿照抗體的形成機理,在模板分子(印跡分子和目標分子)周圍形成一個高度交聯的剛性高分子,除去模板分子后在聚合物的網絡結構中留下了與模板分子在空間結構、尺寸大小和結合位點互補的立體孔穴,從而對模板分子表現出高度的選擇性能和識別性能。該技術具有抗惡劣環境、選擇性高、穩定性好、機械強度高和制備簡單等特點,可選擇性識別和富集復雜樣品中的目標化合物。因此,分子印跡技術已被廣泛應用于固相萃取、固相微萃取和膜萃取等樣品預處理技術。
4、免疫親和色譜(IAC)
免疫親和色譜(immunoaffinity chromatography,IAC)也叫免疫親和層析,是一種將免疫反應與色譜分析方法相結合的分析方法,是色譜技術中的一種。這項技術的主要原理是根據抗原抗體的高選擇性,利用抗體與其相應抗原的作用具有高度的特異性和高度的結合力等特點,采用適當的方法將抗原或抗體結合到色譜載體上,使其達到從復雜的待測樣品中提取目標化合物的目的。具體過程是將抗體與惰性微珠共價結合,然后裝柱,將抗原溶液過免疫親和柱,目標化合物(即抗原)被吸附在柱子上,而其他物質則沿柱流下,最后用洗脫緩沖液洗脫抗原,從而得到純化的抗原,采用適當的緩沖液和合適的保存方法,免疫親和柱可以再生備用。
該方法具有操作簡單、快速、凈化效果好、可再生等優點,被廣泛應用于抗體、受體、激素、多肽、酶、重組蛋白、病毒及亞細胞化合物的分析等領域,特別是常用于β-興奮劑的殘留檢測。
5、凝膠滲透色譜(GPC)
凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography,GPC)是一種表征高聚物分子量和分子量分布等特征的物理化學方法,是近年來發展迅速的一種樣品預處理方法和凈化手段,其操作簡便,使用材料較少。GPC 的分離機理至今還處于百家爭鳴之中,尚無定論,主要有“空間排斥”或“排阻”理論、“限制擴散”理論、“流動分離”理論和熱力學理論。作為一般觀察到的現象,認為其原理是根據溶液中溶質分子的體積大小不同,按照物質分子的分子量大小將物質進行分離。該方法常用來去除樣品中的大分子物質的干擾,近年來被廣泛應用于生物、環境和醫藥等復雜樣品的分離和凈化,特別適合凈化含脂肪、蛋白質等物質的樣品。
6、濁點萃取(CPE)
濁點萃取法(cloud point extraction,CPE)是指達到臨界膠束濃度以上的表面活性劑水溶液在一定溫度下加熱或者加鹽會產生相的分離,形成透明的兩相(表面活性劑膠束相和水相),其中膠束相可以富集樣品中的待測組分。
濁點萃取是基于表面活性劑水溶液中相分離現象的萃取濃縮技術,已經成功實現了與 HPLC、CE 和 FI 等分析儀器的聯用,具有能夠減少揮發性有機溶劑的使用、操作簡單、快速、試劑便宜易得、不需專門的裝置等優點,在環境樣品中金屬離子的測定、蛋白質的分離與純化、生物分子和不同極性有機化合物濃縮分離處理等領域得到了非常廣泛的應用。
7、離子液體分散液相微萃取(IL-DLME)
分散液相微萃取法是利用萃取劑和分散劑的溶解性差異,使含分析物的水樣先形成均勻的渾濁液,經過萃取離心后,被分析物富集到萃取劑中,然后取此有機相進行分析測定。此法具有操作簡便、設備簡單、溶劑用量少、經濟、不污染環境等優點。
離子液體分散液相微萃取(IL-DLME)是基于離子液體(ionic liquids,IL)作萃取劑的分散液相微萃取法。離子液體是一種由有機陽離子和不同的陰離子結合形成的有機鹽,具有蒸氣壓低、黏度高、有天然的雙極性、熱穩定性好以及與水和有機溶劑的互溶性好等特點。在化學過程中,離子液體易于回收,并且對大多數有機化合物都有良好的萃取能力。除此之外,它們還被稱作是環境友好溶劑,易于合成,且很容易買到。因此,離子液體分散液相微萃取常被用于對一些易溶于水難溶于有機溶劑的有機化合物進行提取和富集。
8、加速溶劑萃取(ASE)
加速溶劑萃取(accelerated solvent extractor,ASE)技術,是在較高的溫度(50～200℃)和壓力(1000～3000psi,1psi=6894.76Pa)條件下,對固體或半固體的樣品進行用溶劑萃取的預處理方法。該方法具有萃取速率快、提取效率高、溶劑用量少、選擇性高等特點,同時還具有安全、萃取時不破壞待測組分的形態、受基體影響小、相同的萃取條件對不同基體同時萃取等優點,已經被廣泛用于環境、藥物、食品和聚合物工業等領域。
9、超臨界流體萃取(SFE)
超臨界流體是流體介于臨界溫度和壓力時的一種狀態。此時,流體介于氣體和液體之間,密度、擴散系數、溶劑化能力等性質隨溫度和壓力的變化十分敏感,兼有氣體和液體的性質和優點,如黏度小、擴散性能好、溶解性強和易于控制等。
超臨界流體萃取(supercritical fluid extraction,SFE)技術的分離原理是利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系,即利用壓力和溫度對超臨界流體溶解能力的影響而進行萃取的。它克服了傳統的索式提取技術費時、費力、回收率低、重現性差、污染嚴重等弊端,使樣品的提取過程更加快速、簡便,同時還大幅降低了有機溶劑對人體和環境的危害,并可與多種分析檢測儀器聯用。在醫藥、食品、化學、環境等領域的應用非常廣泛。
10、微波輔助萃取(MAE)
微波輔助萃取(microwave-assisted extraction,MAE)又叫微波萃取,是一種非常具有發展潛力的新樣品預處理技術。它主要是運用微波的能量對與樣品相接觸的溶劑進行加熱,使目標化合物從樣品基體中分離出來并進入溶劑,實際上是一個在傳統的萃取工藝基礎上強化傳熱、傳質的過程。通過微波的強化,其萃取速率、萃取效率和萃取質量跟常規工藝相比,能得到很大幅度的提高。該方法具有快速、高效、省溶劑、選擇性強、環境友好等特點,近年來在分光光度法測定、環境分析、農藥殘留分析、中藥有效成分提取和食品工業研究中應用得相當廣泛。
11、QuEChERS 方法
QuEChERS 方法是2003年由 Anastassiades 和 Lehotay 等研究建立的分散固相萃取(dispersive SPE)樣品預處理技術,因分散固相萃取法具有快速、簡單、便宜、有效、可靠和安全等特點而得名,其實質是固相萃取技術和基質固相分散技術的衍生和進一步的發展。
該方法是尋找一些高效的提取試劑和凈化處理試劑,通過簡單的離心或者過柱,將農藥與樣品基質(如脂肪酸和色素)分離。同時對一些含脂肪介質的樣品通過此方法來提取和凈化并分析農藥,取得了不錯的成績。該方法解決了歷年來分析上樣量少、分析時間長、有毒溶劑使用量大等問題。因其獨特的優勢和快速、簡易、價廉的特點,在農藥殘留分析中廣泛應用。
12、聯用技術
樣品預處理方法與技術一直是現代化學領域的重要課題和發展方向之一。在眾多分析技術之中,色譜分離技術因其儀器商品化、自動化程度高、定性定量準確、各種配套技術與零部件生產趨于完善等優點,已經成為目前應用最廣泛的分析技術,也成為許多分析項目的標準分析方法。
在實際的色譜分析工作中,相對滯后的預處理技術以及粗糙的離線手工操作影響了色譜分析結果的準確性和精密度。因此,預處理技術與色譜分離分析的在線聯用是分析化學發展的必然趨勢,這不僅可以彌補預處理技術的不足,而且可以減輕技術人員的勞動強度,實現分析的自動化,降低分析成本,節省人力和時間,更主要的是可以減少甚至消除由于手工操作中個體差異所產生的誤差,提高分析測試的靈敏度、準確度與重現性。另外,通過在線聯用更容易做到環境友好的無毒操作,實現樣品的無溶劑或少溶劑處理,減少對人體和生態環境的危害,從而促進綠色化學的早日到來。