有机地球化学的前处理系统

有机地球化学的主要分析方法摘要在对有机地球化学研究中，地质体中有机质比如生物标志物，其研究方法尚离不开经典的有机分离分析技术。在仪器分析中,试样预处理是整个分析过程的关键环节,它几乎占去试样分析工作量的60-70%。本文主要介绍以下几种样品前处理方法：固相萃取技术、超临界流体萃取技术以及微波萃取技术。关键词：有机地球化学生物标志物萃取1生物标志化合物生物标志物（biomarker)也称分子化石（molecularfossil),指由C、H以及其他元素组成的复杂有机化合物，存在于岩石和沉积物等地质体中，来源于生物有机体，其与生物体中有机分子结构差别不大，基本一致[1]。生物标志物主要包括四种主要的生物化学组分：蛋白质、碳水化合物、类脂、木质素。这些有机分子虽然经历了成岩、成土作用（氧化、还原、芳构化、异构化、裂解、缩合等）的变化，其生化组分中非稳定的成分被氧化分解掉，稳定组分则形成具有一定结构的有机分子化合物，因它们具有一定的稳定性，保存了原始生化组分的碳骨架，可以反映有机质的生物面貌，提供有关生物输入，沉积环境及成岩变化等信息，可以用于推断沉积环境和生态环境变迁[2]。目前研究做多的是类脂物分子，包括烷烃、酸类、醇类、甾类化合物和长链烯酮[3]。作为物源示踪物,分子标志物本身具有一些明显的优点:(1)各类分子标志物可提供许多很精细的物质来源信息;(2)分子标志物往往是以一系列化合物的形式存在,从而将所贮藏的信息更丰富完整地反应出来,例如:长链不饱和烯酮系的不饱和度的变化是与水温有一定关系,从而可推今论古,可以用来指示古温度的变化;(3)分子标志物所能提供的物质示源的信息度和灵敏度往往比化合物分析本身能高出几个数量级,它更灵敏也更直接可观。分子标志物的应用是十分广泛的,例如:在早期成岩演化和有机质降解的过程研究中,分子标志物是占有一席之地的[4];在古海洋学和古气候学中,分子标志物是人们认识自然的重要手段[5];甚至在环境保护和防止污染等方面也开展了一系列的分子标志物的研究。生物标志物自身也是存在不可避免的缺陷，例如分析技术手段的限制,对生物标志物的分析仍不能满足需要。同时生物标志物在埋藏中不可避免的受到降解演化的破坏以及生物多样性[6]。2固相萃取技术固相萃取(solidphaseextraction，SPE)是近年来发展迅速的样品前处理方法，固相萃取技术就是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的，大大增强对分析物特别是痕量分析物的检出能力，提高被测样品的回收率[7-8]。固相萃取实质上是一种液相色谱分离，其主要分离模式也与液相色谱相同，可分为正相固相萃取、反相固相萃取及离子交换固相萃取。SPE所用的吸附剂也与色谱常用的固定相相同，只是在粒度上有所区别。正相固相萃取所用的吸附剂都是极性的，吸附剂极性大于洗脱液极性，用来萃取极性物质．在正相萃取时目标物如何保留在吸附剂上，取决于目标物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用，其中包括了氢键、π-π键相互作用、偶极—偶极相互作用、偶极—诱导偶极相互作用以及其他的极性—极性作用。反相固相萃取所用的吸附剂极性小于洗脱液极性，所萃取的目标物通常是中等极性到非极性化合物，目标物与吸附剂间的作用是疏水性相互作用，主要是非极性—非极性相互的色散力。离子交换固相萃取用的吸附剂是带有电荷的离子交换树脂，所萃取的目标物是带有电荷的化合物，目标物与吸附剂之间的相互作用是静电吸力[9-12]。传统的液—液萃取和固相萃取相比，SPE具有操作时间短、样品量小、不需萃取溶剂、适于分析挥发性与非挥发性物质、重现性好等优点[13]．SPE法可用于环境化学、食品、医药卫生、临床化学、生物化学、法医学等领域中复杂目标物样品微量或痕量的分离、富集和分析，SPE的最大技术优势是处理浓度很低的试样[14-15]。固相萃取作为一种新型的样品处理技术已广泛用于水中有机污染物的痕量富集。分析水中以苯并芘为代表的多环芳烃的关键在于富集水中苯并芘和与其他有机物进行分离。采用传统荧光分光光度法测定苯并芘不仅安全性差，且操作繁琐，耗时较长[16]。叶振福[17]采用SPE和HPLC，建立了一种较为完善的分析水中苯并芘的方法。3超临界流体萃取技术超临界流体(supercriticalfluid,以下简称SCF),是指处于临界温度(TC)和临界压力(Po)之上的流体。它具有类似于气体的穿透能力和类似于液体的较大密度和溶解度,是介于气态和液态之间的超临界状态物质。通过调节温度和压力,可以改变超临界流体的溶解度[18-19]。超临界流体萃取技术正是利用这种特性来替代有机溶剂进行萃取的一门分离技术。超临界流体萃取技术是近20年来发展起来的一项新型分离技术。它是利用在临界点附近,体系温度和压力的微小变化可导致溶解度发生几个数量级突变的特性实现物质的分离。它能同时完成萃取和蒸馏两步操作,分离效率高,操作周期短,传质速度快,溶解力强,选择性高;并且可以根据被萃取对象本身的性质加入改性剂,如甲醇,乙醇等来改变流体本身的极性[20-22]。现今最普遍的流体是CO2，同时超临界CO2流体萃取技术在提取天然产物有效成分方面发展相当迅速。在环境科学研究领域,萃取多环芳烃(PAHS)、多氯联苯、有机磷、有机氯农药等有机污染物方面取得了新进展。在萃取沉积岩和污染土壤中的总石油烃、多环芳烃；地质样品中的多氯苯、生物标志物、沉积岩样品中的有机金属化合物方面也有了一定的发展[23-25]。超临界流体萃取技术之所以越来越受到普遍重视,是因为它具有多项优点:效率高；主要萃取剂(CO2)无毒、便宜；有利于萃取热不稳定的物质；萃取过程易控制；萃取物易和CO2分离,易从复杂体系中分离目标物；可进行选择性萃取；便于和其他仪器离线或在线联机分析[26]。到目前为止,SFE-GC是最常用的联用技术。其特点是:萃取可在低温下进行；在萃取与GC分析之间,无需要样品的浓缩与处理,从而减少了分析物的损失和降解；萃取分析物可以定量收集,这意味着可获得最大的灵敏性[27]。例如利用SFE与GC联用分析油性土壤基质中的聚氯二苯以及SFE与GC联用测定补骨脂中的主要成分[27]。由于SFE的以上优点,它已被广泛应用于医药,环保,石油化工,香精香料,食品工业等许多领域。4微波萃取技术微波萃取技术又称微波辅助提取(MicrowaveassistedExtraction,MAE),是指使用适合的溶剂在微波反应器中从天然药用植物、矿物、动物组织中提取各种化学成分的技术和方法。与传统的水蒸汽蒸馏、索氏抽提等技术相比较,微波萃取技术可以缩短实验和生产时间、降低能耗、减少溶剂用量以及废物的产生,同时可以提高收率和提取物纯度;其优越性不仅在于降低了实验操作费用和生产成本,更重要的是这种技术更加符合“绿色”环保的要求[28-30]。微波萃取的原理就是在微波场中,利用不同结构的物质吸收微波能力的差异,使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热,从而使被萃取物质从基体或体系中分离,进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中[31]。微波萃取时,萃取参数通常包括萃取溶剂量、微波输出功率、萃取时间、萃取温度以及萃取压力等。选择不同的参数条件,往往得到不同提取效果。萃取溶剂的选择对萃取结果的影响至关重要。微波萃取的选择性主要取决于目标物质和溶剂性质的相似性,所选溶剂对被提取物具有较强的溶解能力,所以必须根据被提取物的性质选择极性或非极性溶剂。微波萃取要求溶剂必须有一定的极性才能吸收微波进行内部加热,通常的做法是在非极性溶剂中加入极性溶剂。介质吸收微波的能力主要取决于其介电常数、介质损失因子、比热和形状等。利用不同物质介电性质的差异也可以达到选择性萃取的目的。水是吸收微波的最好的介质,任何含水的非金属物质或各种生物体都能吸收微波。因此,样品的含水量对提取率影响显著[32-33]。Ganzler[34]等用微波萃取法对酵母、大豆及土壤等样品材料进行提取并与传统的索氏提取法、摇瓶提取法比较,用HPLC检测。结果发现:与传统方法比较,微波萃取法可使萃取时间降低100倍;在含水溶剂中,极性分子的产率明显高于传统方法;在不含水的溶剂中,非极性分子的产率略低于传统方法;溶剂的介电常数和电导率对电磁能的吸收和分布有很大的影响,并且溶质和溶剂的极性越大,提取效率越高。微波萃取的缺点是不易自动化,缺乏与其他仪器在线联机的可能性,如果能在仪器设计方面取得突破,实现与检测仪器在线联机,微波萃取法将具有更光明的发展前途[35]。参考文献[1]MeyersPA.Organicgeochemicalproxiesofpaleoceanographic,palolimnologic,andpaleclimaticprocesses.OrganicGeochemistry,1997,27(5-6),213-250.[2]MeyersPA.Applicationoforganicgeochemistrytopaleolimnologicalreconstruction:asummaryofexamplesfromtheLaurentianGreatLakes.OrganicGeochemistry,2003,34(2),261-289.[3]林壬子,蒋基平.甾萜类生物标志化合物研究动态浅析.江汉石油学院学报1983,5(1),30-36.[4]McCafferyMA,FarringtonJW,RepetaDJ.TheorganiccompositionofPerumarinesediments:historicalELNINOrecords.GeochimCosmochimActa,1990,54(1),671-1682.[5]GetliffJ,TeeceM,ParkesRJ..Microbialprocessesandthegenesisoffossilbiomarkers:AnexperimentalstudyofthealgaEmilianiahuxleyi.TerraNova,1993,5,706.[6]吴莹,张经.类脂分子标志物在海洋有机地球化学中的研究应用.海洋环境科学,2001,20(1)，71-77.[7]李仲谨,李铭杰,王海峰.腐植酸类物质应用研究进展．化学研究,2009,20(4),103-107.[8]孙海红,钱叶苗,宋相丽,兰小军,尹继凯.固相萃取技术的应用与研究新展.2011,31(2),21-26.[9]刘俊亭.新一代萃取分离技术－固相微萃取.色谱,1997,15(2):118-119.[10]姚磊明,陆光汉,吴晓刚.固相微萃取及其在环境分析中的应用.环境科学与技术,1999,85(2):23-25.[11]张海霞,朱彭龄.固相萃取.分析化学,2000,28(9):1172-1180.[12]孙静.固相萃取法提取净化生物检材中三类农药的实验研究.环境科学,1995,14(3),221-225.[13]SeeMM,ThumpsonR,GrinbergN,Chromatographicanalysisofresidualacetateinbulkdrugs.LiquidChromatography,1995,18(1),137.[14]Hernandez-BorgesJ,CifuentesA,GarciaMontelongoFJ.Combiningsolid-phasemicroextractionandon-linepreconcentration-capillaryelectrophoresisforsensitiveandmultipleanalysisofpesticidesinfoods.Electrophoresis,2005,26(2),980-989.[15]KatsumataH,MatsumotoT,KanecoS.Preconcentrationofdiazinonusingmu