固相微萃取技术及其在微量烃类化合物碳同位素分析中的初步应用

固相微萃取技术(SPME)及其在单分子化合物同位素分析中的初步研究李中平——中国科学院地质与地球物理研j究所兰州油气资源研究中心汇报内容1.固相微萃取技术及其原理2.固相微萃取固定相的发展3.萃取效果的影响因素介绍4.在单分子化合物同位素分析中初步研究5.固相微萃取的未来发展方向引言分析化学中所使用试剂在化学试剂中占很大比例,其中用于样品前处理所用的试剂占有很大的比重。现代色谱仪器对一个样品的分析测定所用的时间越来越短,但是,样品制备过程所用的时间却仍然很长。据统计,在大部分的仪器分析实验室中,将一个原始样品处理成可用于仪器分析测定的样品状态,所消耗的时间约占整个分析时间60～70%。固相萃取技术固相萃取（SolidPhaseExtraction，SPE），就是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，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。固相萃取作为样品前处理技术，在实验室中得到了越来越广泛的应用。由于其具有高效、可靠、消耗试剂少等优点，在许多领域取代了传统的液－液萃取而成为样品前处理的有效手段。但固相萃取仍然需要柱填充物和使用溶剂进行解吸。固相微萃取固相微萃取(SolidphaseMicro-Extraction，SPME)是在固相萃取基础上发展起来的,吸收了固相萃取的优点,摒弃了其需要柱填充物和使用溶剂洗脱解吸附的弊病,只要一支类似进样器的固相微萃取装置即可完成全部前处理,通过色谱进样口提供能量完成解吸附和进样。•1990年加拿大Waterloo大学的学者Pawliszyn教授第一次在《AnalyticalChemistry》(IF5.0)提出并发展。固相微萃取原理•固相微萃取机制：利用待分析化合物在固定相中保留能力比原基质要高，使化合物从原基质转移到固定相中。固相微萃取是以涂渍在石英玻璃纤维上的固定相(高分子涂层或吸附剂)作为吸附介质,对目标分析物进行萃取和浓缩,并在气相色谱仪进样口中直接热解吸,进行分离检测,这一技术适合于挥发性和半挥发性有机物。固相微萃取装置固相微萃取装置SPME的发展及商品化•1992年：Pawliszyn等和Varian公司一起把Hamilton7005型注射器做了一些改进后安装到Varian公司的8100型自动进样器里,形成SPME的自动进样装置。•1993年：Supelco公司把SPME萃取装置进行了商品化的工作•1995年：Pawliszyn等把Supelco公司的商品萃取丝安装到气体取样罐中,进行空气中苯系物的分析,以FID、ECD和MS进行检测•1997年：Pawliszyn等为了测定病人呼吸气中的乙醇、丙酮和异戊二烯设计了一种新的SPME萃取装置在萃取介质上的化合物•2001年：Pawliszyn等设计了便携式SPME装置,测定气体中的化学物质•2007年：设计的96个SPME微阱盘自动化进样装置•国内研究情况：十.五科技攻关SPME三种基本的萃取模式：•直接萃取（DirectExtractionSPME）•顶空萃取(HeadspaceSPME)•膜保护萃取（membrane-protectedSPME）直接萃取顶空萃取膜保护萃取类似于色谱柱的固定相，但是比色谱柱涂层要厚很多•SPME对有机物的萃取符合“相似相溶”原则，不同的涂层萃取不同的待测物：二甲基硅氧烷（Polydimethysiloxane,PDMS)；聚丙烯酸酯（polyacrylatePA)极性化合物；碳分子筛：（Carboxen，CAR）二乙烯基苯（DivinylbenzeneDVB)聚乙二醇（PolyethyleneGlycol，PEG)•聚吡咯及衍生物（Polypyrrole）：1999年Pawliszyn等把导电聚合物用于SPME涂层,他们把聚吡咯(PPY)及其衍生物用电化学方法涂渍在金属丝上,于萃取极性多环芳烃。固相微萃取萃取固定相的演变PDMSPADVBPEG•限进介质吸附剂(RAM)针对大分子的体积排阻功能和对小分子分析物的保留功能,使生物或环境样品溶液中的大分子不能进入吸附剂的内孔中去.•分子印迹技术(MIT)：是一种高选择性分离技术•混合涂层的研发：同时,由于分析物在高温下易于解吸,因此针对不同的分析物可选择多种涂层,以适应各种需要,。首先开发的是混合型SPME萃取涂层,如PDMS-DVB(聚二甲基硅氧烷-二乙烯基苯)、PDMS-Carboxen(聚二甲基硅氧烷-碳吸附剂)。目前为止没有一种固定相可以适用于所有化合物的分析。固定相涂层首先要对有机分子有较强的萃取富集能力,并在热解析时能迅速脱离固定相涂层,而不会造成峰的扩宽。固相微萃取萃取固定相的演变MITPolypyrrole影响固相微萃取萃取率的因素•萃取头的种类及膜厚•温度在萃取过程中对样品进行搅拌和加热有助于样品均一化,缩短平衡时间。对顶空固相微萃取(HS-SPME)加热可提高液面上易挥发有机化合物的浓度,而提高萃取效率。•无机盐向样品中加入(NH4)2SO4,Na2SO4,NaCl和K2CO3等无机盐可降低有机化合物与基质的亲和力而提高萃取效率。•pH缓冲溶液萃取酸性或碱性物质时,通过调节样品的pH值可改善组分的亲脂性,从而大大提高萃取效率。影响固相微萃取萃取率的因素•萃取时间萃取时间即萃取达到平衡所需的时间，由待分析物的分配系数、物质的扩散速率、样品基质、样品体积、萃取头膜厚等因素决定。一般萃取过程均在刚开始时吸附量迅速增加,出现一转折点后上升就很缓慢。因此,可根据实际操作目的对灵敏度的需求不同,适当缩短萃取时间。衍生化：衍生化方法可以改善待测体系中样品极性固相微萃取的应用领域•1在有机化合物分析中的应用•2水中有机物分析中的应用•3空气和水中有机挥发物分析中的应用•4在气体中有机蒸汽分析中的应用•5环境分析中除草剂的分析•6环境分析中的样品处理方法•7在室内空气分析中的应•8在农药残留分析中的应用•9在农药残留分析中的应用•10液相微萃取在农药残留分析中的应用•11在食品分析中的应用•12在食品分析中的应用•13在食品痕量污染物分析中的应用•14在生物分析中的应用•15在活体生物样品化学分析中的应用•16在活体进样分析中的应用•17在生物样品分析中的应用•18在生物医学分析中的应用•19在药物分析中的应用•20在生物液体和材料分析中的应用•21在生物基体中药物分析中的应用•22在药物溶剂分析中的应用•23在药物分析中的应用•24在炸药分析中的应用•25在痕量元素分析中的应用•26在有毒金属离子分析中的应用•27在天然产物挥发性物质分析中的应用•28在原位分析中的应用•29在痕量分析中的应用•30顶空微萃取环境分析中的应用•31在环境样品预处理中的应用•32在环境样品中的应用•33在有机磷农药残留分析中的应用•34在农药残留分析中的应用•35在农业环境监测中的应用•36在农药残留分析中的应用•37在检验检疫中的应用•38在生物医药分析领域中的应用•39在药物分析中的应用•40在生物样品分析中的应用•41在生物材料检测中的应用•42在天然产物挥发性成分分析中的应用•43在分析化学中的应用固相微萃取的优点(1)简单、快速和简化了样品预处理操作步骤,缩短了预处理时间.(2)萃取、净化、浓缩、进样功能于一体,无需溶剂、用样量少、选择性强(3)易于与其他仪器联用,实现自动化在线分析单分子化合物同位素分析领域方面探索在国内外，目前利用SPME技术进行单分子同位素分析研究，基本还没有报道。•常规分析：目前单分子化合同位素分析基本局限于常规量样品的分析。•学科性质决定：单分子化合物同位素分析是属于地球科学与分析化学之间的交叉领域，往往注重了地球科学上传统的分析方法。这一定程度上反映了现的新技术引入到同位素分析中的必要性。油气同位素研究领域•1.天然气中微量组分（如：轻烃）的同位素分析.传统的富集方法的不足.对于天然气同位素测试本身的优势•2.石油及沉积物顶空样品的同位素分析•3.油田水中微量有机组分的同位素分析•4.原油或沉积物样品非常规化合物同位素分析（如：脂肪酸，甾萜类，芳烃等样品）研究意义SPME如能充分的应用于油气同位素测试领域，则能开辟一个新的油气同位素地球化学研究领域。需要解决的问题•关于吸附剂的类型的选择•吸附-脱附时间的研究•吸附-解吸过程作用机理•如何处理吸附-解吸过程中可能导致的同位素分馏利用SPME技术进行天然气中微量组分同位素分析初步研究•气体样品来源：胜利油田天然气•固相微萃取固定相的选择（复合型）：(DVB):二乙烯基苯（CAR):碳分子筛(PDMS)：聚二甲基硅氧烷同位素分析范围：C1-C8仪器条件的选择•气相色谱：的型号为Agilent6890，色谱柱为熔融弹性石英毛细管柱，型号为PLOTAl2O3（50m×0.32μm×20μm）。•升温程序：30℃保持5min，以15℃/min升温至180℃，保持10min.•分流比：0.1•吸附时间的选择：5分钟；10分钟；20分钟；35分钟;60分钟;360分钟•解析温度：200℃？不同吸附时间对应单体碳同位素值时间C1C2C3iC4nC4iC5nC5C6C7C85min-43.8-27.9-28.0-27.0-26.2-25.3-25.0-----10min-42.3-28.5-27.7-26.9-26.2-25.4-25.1-24.3-23.9-24.2--20min-41.3-28.5-27.3-27.3-26.3-25.4-25.4-24.3-23.9-24.3-23.9-21.735min-42.4-28.2-27.5-27.0-26.3-25.7-24.8-24.4-24.0-24.3-23.9-20.560min-40.6-28.2-27.5-27.3-26.5-25.5-24.6-24.1-23.8-24.2-24.3-21.4360min？-28.0-27.3-27.4-26.1-25.7-24.8-24.4-24.1-24.5-24.0-21.1单体烃碳同位素随碳数增加变化趋势-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.0C1C2C3iC4nC4iC5nC5C6C7C85min10min20min35min60min360min吐哈盆地柴达木盆地部分盆地的微量组分同位素分析塔里木盆地松辽盆地限制性因素•样品量：单分子化合物同位素分析需要样品量比传统的GC-MS分析要大的多，虽然利用此项新技术使同位素分析成为可能，但吸附样品量在有些情况下依然较少。根据需要如何改造？•同位素分馏：吸附-脱附对于可能造成的同位素分馏及影响机理及如何解决•使用次数：•材料价格：发展方向1.SPME涂层的开发在萃取纤维涂层方面，由于熔融石英具有很好的耐热性及化学稳定性，所以选择了以它为材质的光纤作为萃取器的萃取介质。目前使用较多的涂层是非极性的聚二甲基硅氧烷和极性的聚丙烯酸醋及聚乙二醇。但是目前对于纤维涂层的应用仍有一定局限性，如现有涂层不能被加热到300℃以上，而且对于某些特定化合物的专有特效涂层不易实现商品化，这就限制了方法的应用范围。鉴于这些原因，进一步开发出适用性好，价廉易得的新型萃取介质及涂层非常重要。开发高选择性、高稳定性和高效的涂层是SPME方法研究的重要内容。2）在萃取方式方面，为了更好地分析固体样品及复杂样品，发展了顶空法。对于强极性待测物还发展了现场衍生化的方法，通过衍生反应来降低待测物的极性，使得易于分析。为了提高高分子涂层对有机物的萃取能力，通过在水样中加入盐类(NaCI、Na2SO4)调节样品离子强度达到这一目的。3)在后序仪器分析的变化方面，随着对SPME-GC研究的日臻成熟，SPME-HPLC、SPME-CE的研究也逐渐增多，主要是研究SPME与HPLC的联合使用分析不挥发性有机物。。固相微萃取-气相色谱-同位素比率质谱（SPME-GC-IRMS）这也是我们未来工作的方向。发展前景随着人们所面对的分析体系越来越复杂，人们采用的分析手段越来越高。固相微萃取技术作为一种真正的无溶剂萃取技术，特别是随着性能更好