待测样品的前处理电子教案

1、国家职业教育水环境监测与治理专业教学资源库仪器分析教案技能点待测样品的前处理学时2学时教学内容溶剂萃取、固相萃取、气体萃取、衍生化技术、超临界流体萃取、微波萃取技术教学重点溶剂萃取、固相萃取教学难点超临界流体萃取、微波萃取技术气体萃取、衍生化技术参考资料色谱分析样品处理 化学工业出版社仪器分析测试技术 化学工业出版社仪器分析实用技术 化学工业出版社仪器分析 化学工业出版社百度文库 色谱分析的全过程主要包括四个步骤:样品的采集、样品的制备、色谱分析和数据处理与结果的表达。其中，样品的采集包括取样点的选择和样品的收集、样品的运输和贮存；样品的制备包括将样品中欲测组分与样品基体和干扰组分分离、富集和

2、转化成色谱仪器可分析的形态。色谱分析样品的采集和制备是一个非常重要的和复杂的过程。由于色谱分析技术涉及的样品种类繁多、样品组成及其浓度复杂多变、样品物理形态范围广泛，对色谱分析方法的直接分析测定构成的干扰因素特别多，所以需要选择科学和有效的处理方法及其技术。样品的收集和处理方法及其技术必须遵循下面的原则:采集的样品必须具有代表性； 采样方法必须与分析目的保持一致，并且采集到你想要的样品； 分析样品制备过程中尽可能防止和避免欲测定组分发生化学变化或者丢失； 在样品处理过程中，如果将欲测定组分进行化学反应时，这一变化必须是已知的和定量地完成；在分析样品制备过程中，要防止和避免欲测定组分的沾污，尽可

3、能减少无关化合物引入制备过程；样品的处理过程应当尽可能简单易行，所用样品处理装置尺寸应当与处理的样品量相适应。气相色谱通常采用的样品处理技术有气体萃取、溶剂萃取、固相萃取、超临界萃取、衍生化、膜分离、蒸馏、吸附等技术。一、溶剂萃取色谱分析样品制备中使用的溶剂萃取方法主要有液一液萃取、液一固萃取和液一气萃取(溶液吸收)等，它们都是属于两相间的传质过程、即物质从一相转入另一相的过程。（一）液液萃取液一液萃取常用于样品中被测物质与基质的分离，在两种不相溶液体或相之间通过分配对样品进行分离而达到被测物质纯化和消除干扰物质的目的。在大部分情况下，一种液相是水溶剂，另一种液相是有机溶剂。如使用石油醚萃取水

4、样品中的氯苯类化合物。1. 常规液液萃取色谱分析中使用较多的是从水相中用与水不相溶的有机溶剂萃取有机物。通常使用的萃取器皿是分液漏斗。操作时应当选择容积较液体样品体积大1倍以上的分液漏斗。为了增加两相之间的接触和提高萃取效率，应取下分掖漏斗进行振荡。开始时摇晃要慢，每摇晃几次之后就要将漏斗下口向上倾斜(朝向无人处)，打开活塞，使过量的蒸气逸出(也叫放气)。然后将分液漏斗放回漏斗架上静置。待漏斗中两层液相完全分开后，打开上面的瓶塞，再将活塞慢慢地旋开，将下层液体自活塞放出。图1 分液漏斗2. 连续液液萃取如果需要的样品量大，采用常规的液液萃取是不实际的，这时候可以使用连续液一液萃取技术。在连续液

5、一液萃取中，新鲜的有机溶剂可以循环地连续使用，通过含有被萃取的水相。图2是一个连续液一液萃取器的结构，使用比水重的有机溶剂进行萃取。这种萃取溶剂从烧瓶中被加热蒸馏，上升到冷凝器被冷凝，并淋漓出两种不混合的水和带有萃取物的溶剂。最后，溶剂和萃取物返回到烧瓶中。此过程连续地进行直到足够量的被测物质被萃取出来。比水轻的有机溶剂也可以使用这个装置进行连续萃取。与常规液一液萃取相比，连续液一液萃取具有如下优点：无需人操作，操作可使用较少的溶剂而得到较高的萃取效率。其缺点是易挥发组分要有损失，热不稳定化合物将会降解。图2 连续液一液萃取装置3. 逆流萃取逆流萃取装置可以提供1000或者更多的塔板数用于更有

6、效的液一液萃取，但是它需要很长时间。从原理上讲，可以在一系列的分液漏斗中进行逆流萃取，每一个漏斗含有一个指定的较低的相。样品被引进到分液漏斗中上层液相并且在含有被测物质的上层液相平衡以后转换到第二漏斗中。然后，引入新的上层溶剂相到第一漏斗中。重复这个平衡过程多次即可。对于难度大的样品，逆流萃取过程是最有用的大范围分离制备技术。图3 逆流萃取示意图此外还有微萃取、萃取小柱技术、在线萃取、自动液一液萃取等液一液萃取方法。（二）液固萃取使用二硫化碳萃取活性炭中吸附的有机溶剂就是从固相到液相传质的液一固萃取。液一固萃取包括两个过程：固体样品中某些欲测定组分分子在溶剂中溶解过程和欲测定组分分子与溶剂分子

7、相互扩散的过程。这两个过程实际上是同时进行的。最简单的液一固萃取就是将欲萃取的固体放入萃取溶剂中，加以振荡，必要时也可加热，然后利用离心或过滤的方法使液、固分离，欲萃取组分进入溶剂。最常用的液一固萃取是索氏萃取，如图4（a）所示。索氏萃取装置形状规格可各异，但基本功能相同。样品经索氏萃取之后，通常需要对萃取液进行浓缩和定容。浓缩和定容的程序通过K-D浓缩器（结构如图4（b）所示）完成。最后可将样品萃取液浓缩定容到15mL。但是，这种最简单的液一固萃取只能用于十分容易萃取的组分，它的萃取效率很低，加热时溶剂也容易损失。（a）索氏萃取装置（b）KD浓缩器图4 索氏萃取装置图5 溶液吸收装置（三）液

8、一气萃取(溶液吸收)使用重蒸馏水吸收(采集)空气中的甲醇就是从气相到液相传质的液一气萃取，通常叫做溶液吸收。使用溶液吸收方法可以收集气态、蒸汽和气溶胶等样品，被抽取的气体样品通过吸收液时，在气泡和吸收液的界面上，欲测组分的分子由于溶解作用或者化学反应很快地进入吸收液中，同时气泡中间的气体分子因存在浓度梯度和运动速度极快，能够迅速地扩散到气一液界面上。因此，整个气泡中欲测组分的分子很快地被溶解吸收。溶液吸收装置由装有吸收液的气体吸收管、抽取气体样品的动力装置（或空气采样泵）和控制抽取气体流量的装置等基本部分组成，如图5所示。（四）萃取(溶液吸收)溶剂的选择标准主要是与样品的不混溶性和极性。详见下

9、表。表1 液液萃取中使用的主要溶剂水溶液非水有机溶剂水溶液非水有机溶剂纯水脂肪烃高盐脂肪酮、脂肪醇酸性溶液醇、醚上述两种或两种以上混合液甲苯、二甲苯或组合碱性溶液二氯甲烷、氯仿、乙酸乙酯等酯类二、固相萃取固相萃取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。与液液萃取相比固相萃取有很多优点:固相萃取不需要大量互不相溶的溶剂，处理过程中不会产生乳化现象，它采用高效、高选择性的吸附剂(固定相)，能显著减少溶剂的用量，简化样品于处理过程。其缺点是:目标化合物的回收率和精密度要低于液一液萃取。（一）固相萃取

10、的模式及原理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(吸附剂极性大于洗脱液极性)，反相(吸附刘极性小于洗脱液极性)，离子交换和吸附。正相固相萃取所用的吸附剂都是极性的，用来萃取(保留)极性物质。在正相萃取时目标化合物如何保留在吸附剂上，取决于目标化合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，一键相互作用，偶极一偶极相互作用和偶极一诱导偶极相互作用以及其他的极性一极性作用。正相固相萃取可以从非极性溶剂样品中吸附极性化合物。反相固相萃取所用的吸附剂通常是非极性的或极性较弱的，所萃取的目标化合物通常是中等极性到非极性化合物。目标化合物与

11、吸附剂间的作用是疏水性相互作用，主要是非极性一非极性相互作用，是范德华力或色散力。离子交换固相萃取所用的吸附剂是带有电荷的离子交换树脂，所萃取的目标化合物是带有电荷的化合物，目标化合物与吸附剂之间的相互作用是静电吸引力。固相萃取中吸附剂(固定相)的选择主要是根据目标化合物的性质和样品基体(即样品的溶剂)性质。目标化合物的极性与吸附剂的极性非常相似时，可以得到目标化合物的最佳保留(最佳吸附)。两者极性越相似，保留越好(即吸附越好)，所以要尽量选择与目标化合物极性相似的吸附剂。例如萃取碳氢化合物(非极性)时，要采用反相固相萃取(此时是非极性吸附剂)。（二）固相萃取的常用吸附剂固相萃取的吸附剂选择见

12、下图。图6 固相萃取吸附剂选择（三）固相萃取的装置及操作程序1. 固相萃取的装置最简单的固相萃取装置就是一根直径为数毫米的小柱(图7)，小柱可以是玻璃的，也可以是聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等塑料的，还可以是不锈钢制成的。小柱下端有一孔径为20m的烧结筛板，用以支撑吸附剂。图7 固相萃取小柱为了方便固相萃取的使用，很多厂家除了生产各种规格和型号的固相萃取小柱之外，还研制开发了很多固相萃取的专用装置，使固相萃取使用起来更加方便简单。图8 固相萃取装置2. 固相萃取的操作程序活化吸附剂在萃取样品之前要用适当的溶剂淋洗固相萃取小柱，以使吸附剂保持湿润，可以吸附目标化合物或干扰化合物。不同模式固相萃取小

13、柱活化用溶剂不同。上样将液态或溶解后的固态样品倒入活化后的固相萃取小柱，然后利用抽真空，加压或离心的方法使样品进入吸附剂。洗涤和洗脱在样品进入吸附剂，目标化合物被吸附后，可先用较弱的溶剂将弱保留干扰化合物洗掉，然后再用较强的溶剂将目标化合物洗脱下来，加以收集。淋洗和洗脱同前所述一样，可采用抽真空，加压或离心的方法使淋洗液或洗脱液流过吸附剂。（a）活化（b）上样（c）淋洗（d）洗脱图9 固相萃取的操作程序（四）固相微萃取固相微萃取是在固相萃取基础上发展起来的一种新的萃取分离技术，与液一液萃取和固相萃取相比，具有操作时间短，样品量小，无需萃取溶剂，适于分析挥发性与非挥发性物质，重现性好等优点。固相

14、微萃取关键在于选择石英纤维上的涂层(吸附剂)，要使目标化合物能吸附在涂层上，而干扰化合物和溶剂不吸附，一般是目标化合物是非极性时选择非极性涂层；目标化合物是极性时选择极性涂层。固相微萃取装置外形如一只微量进样器，由手柄和萃取头或纤维头两部分构成，萃取头是一根lcm长，涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套细不锈钢管(保护石英纤维不被折断)，纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头，可永远使用。(a)固相微萃取装置；( b)局部放大图1一手柄；2一活塞；3一外套；4一活塞固定螺杆；5一Z-沟槽；6一连接器观察窗口；7一可调解针头导

15、轨/深度标记；8一隔垫穿孔针头(不锈钢管)；9一纤维固定管(不锈钢丝)；10-弹性硅纤维涂层图10 固相微萃取装置三、气体萃取气体萃取就是顶空技术，对于样品中痕量高、挥发性物质的分析测定，可使用气体萃取的方法，因为气体是挥发性物质最理想的溶剂。与大部分的有机溶剂相比，气体既容易处理又容易纯化。它们具有简单、方便、花费少和易于自动化等特点。现代的许多色谱仪器都配备有计算机控制的自动进样器可以实现这种技术。顶空技术有静态顶空和动态顶空。静态顶空和动态顶空的分类是由气体萃取的方式确定的。A 平衡 B 进样1一恒温水浴；2一样品瓶；3一气相色谱柱；4一检测器图11 静态顶空原理示意图（一）静态顶空在一

16、个密闭的容器中，当样品与样品上方气体达到平衡时，直接抽取样品上方气体进行分析测定的技术即为静态顶空。静态顶空分析由两步组成:一是将液体样品或者是固体样品放在一个密闭的玻璃样品瓶中并保持样品瓶中的样品上方留有一半以上的气体空间，在恒定的温度下，使两相(样品与样品上方的空间气体)达到平衡。二是样品瓶中的两相达到平衡之后，使用气密性注射器等份抽取样品瓶中顶空气体，直接注入到色谱柱入口中，进行色谱分离和测定。静态顶空常常被认为是“一步气体萃取”。（二）动态顶空动态顶空是使用吹扫气体连续地萃取样品，将一些组分吹出，然后通过冷冻浓缩技术或者使用吸附浓缩技术将这些组分浓缩，最后用加热的方法释放出这些组分，进

17、行气相色谱分析。动态顶空是一种“连续气体萃取”方法。动态顶空是使用惰性气体连续地吹扫样品并将顶空气体输送出去，由于样品上方的气体不断地被除去，所以样品瓶中的两相不会达到平衡，这样，样品中挥发性物质就会完全地被吹扫出去。连续气体萃取通常与吸附捕集技术联用，组成吹扫/捕集系统，常用于水样品中挥发性物质的分离和浓缩。在吹扫/捕集系统中，使用的惰性气体叫“吹扫气体”，吹扫气体将样品中挥发性物质带出并输送到吸附捕集阱中，这时的挥发性物质被吸附阱捕集而浓缩，吹扫气体则流过捕集阱。气体萃取完成后，通过加热吸附阱将挥发性物质热解吸出来并反吹到色谱中以进行测定，此方式也叫“吹扫/捕集”方法。 （a)样品吹扫，将

18、挥发性化合物捕集在阱里（b）从阱里解吸附，使挥发性组分进入气相色谱 1一样品瓶；2阱；3气相色谱柱；4检测器图12 动态顶空(吹扫/捕集)原理示意图四、衍生化技术衍生化技术就是通过化学反应将样品中难于分析检测的目标化合物定量的转化成另一种易于分析检测的化合物，通过后者的分析检测可以对目标化合物进行定性和定量分析。按衍生化反应发生在色谱分离之前还是之后进行，可将衍生化分为柱前衍生化和柱后衍生化。柱后衍生化主要是为了提高检测的灵敏度(降低检出限)，而柱前衍生化属于样品处理范畴。（一）衍生化的目的与条件1. 柱前衍生化的目的柱前衍生化就是在色谱分离之前将样品与一定的化学试剂发生化学反应，将样品中的目

19、标化合物制备成适当的衍生物，然后再用色谱进行分离检测。气相色谱中柱前衍生化主要是改善目标化合物的挥发性。2. 柱前衍生化的条件色谱中柱前衍生化使用的衍生化反应需要满足以下几个条件:反应能迅速、定量的进行，反应重复性好，反应条件不苛刻，容易操作。反应的选择性高，最好只与目标化合物反应，即反应要有专一性。衍生化反应产物只有一种，反应的副产物和过量的衍生化试剂应不干扰目标化合物的分离与检测。衍生化试剂应方便易得，通用性好。（二）气相色谱中常用的柱前衍生化方法 1. 硅烷化衍生化方法硅烷化衍生化方法是气相色谱样品处理中应用最多的方法，它是利用质子性化合物(如醇，酚，酸，胺，硫醇等)与硅烷化试剂反应，形

20、成挥发性的硅烷衍生物，一般反应式为：R3SiX+HRR3SiR+HX 2. 酯化衍生化方法 有机酸由于极性较强，易产生严重的拖尾现象，而且大多数有机酸挥发性差，热稳定性也较低。因此，许多有机酸(特别是长碳链的有机酸)在进行气相色谱分析之前都要衍生为相应的酯。甲醇法有机酸与甲醇在催化剂的存在下加热，可以发生酯化反应，生成有机酸的甲酯。当催化剂使用硫酸、盐酸时，需要回流，反应时间较长。若用三氟化硼作催化剂，反应可在室温下完成，通常是将三氟化硼通入甲醇中配制酯化剂，然后再进行酯化反应。重氮甲烷法重氮甲烷可与有机酸反应，生成有机酸的甲酯，放出氮气。此方法简便有效，反应速度快，转化率高，很少有副反应，不

21、引入杂质，但反应要在非水介质中进行。三氟乙酸酐法在三氟乙酸酐的存在下有机酸和醇可以反应生成酯。此法适用于空间位阻较大的有机酸和醇或酚的酯化。 3. 酰化衍生化方法酰化能降低羟基、氨基、疏基的极性，改善这些化合物的色谱性能(减少峰的拖尾)，并提高这些化合物的挥发性，也能增加某些易氧化化合物(如儿茶酚胺)的稳定性。当酰化时引入含有卤离子的酰基时，还可提高使用电子捕获检测器的灵敏度。常用的酰化试剂有酰卤、酸酐和反应活性的酰化物(如乙酸咪唑)，其反应为：+乙酰化法标准的乙酰化法是将样品溶于氯仿中，与乙酸酐和乙酸在50反应26h，真空除去剩余试剂。乙酰化反应通常在非水介质中进行，但胺类和酚类化合物乙酰化

22、时可在水溶液中进行。多氟酰化法常用的多氟酰化试剂是三氟乙酰（TFA),五氟丙酰(PFP)和七氟丁酰(HFB)，其反应活性是TFA>PFP>HFB。TFA和PFP的衍生物挥发性较强，而HFB的衍生物ECD灵敏度高。多氟酰化反应的时间除取决于多氟酰化试剂的活性外，还取决于目标化合物的活性。4. 卤化衍生化方法在目标化合物中引入卤原子后可使用ECD检测器，提高检测的灵敏度(降低检测限)，同时也可改善挥发性和稳定性。卤素法用卤素直接作为衍生化试剂处理样品，卤素的作用是加成或取代。卤化氢法常用HCl和HBr为衍生化试剂与不饱和链发生加成反应或与羟基发生置换反应。N一溴代丁二酰亚胺（NBS）法

23、NBS是选择性很强的卤化衍生试剂，可使烯丙位的氢原子发生溴代反应。（三）固相化学衍生化法前面所述的衍生化反应都是液一液反应的方式，由于反应后过量衍生化试剂的存在，对下一步的色谱分析形成干扰。为了改进衍生化方法，有人以硅胶或高分子小球为基体，在其表面结合一种反应剂，然后填装在短管内，当样品液通过反应管时就可以发生各种化学反应，包括还原、氧化、基团转移和催化等。这类固相化学衍生反应可以将衍生化小柱直接与色谱仪器的进样器联接，经过小柱的样品可直接进入色谱仪器进行分析。另一类固相化学衍生剂是固定化酶反应器。酶能够催化某一底物进行特异性化学反应，生成特定的反应产物。酶的固定化可分为化学和物理两种方法，化

24、学法是指在酶和载体之间生成共价键，并保留其生物活性，而物理方法仅是吸附在固体表面。利用酶反应的专一性完成的衍生化反应，可以改变底物的化学特性，提高色谱分析的灵敏度和选择性。1一固定化酶；2垫片；3过滤片图13 固定化酶反应器的结构示意图五、超临界流体萃取超临界流体萃取是用超临界流体作为萃取剂，从各种组分复杂的样品中，把所需要的组分分离提取出来的一种分离提取技术。1. 基本原理超临界流体是介于气体和液体之间的一种非气态，又非液态的物质。这种物态只能存在于温度和压力都超过其临界点的情况下。图14 物质随温度和压力变化时的状态变化在稍高于临界温度的情况下，改变超临界流体的压力，就可以把样品中的不同组

25、分按它们在超临界流体中的溶解度大小不同而先后萃取出来。在低压下溶解度大的组分先萃取，随着压力增加，难溶组分逐渐与基体分离而被萃取。2. 超临界流体的选择用于超临界流体萃取的超临界流体必须稳定、安全、易于操作，对欲萃取溶质有足够大的溶解能力，同时又有良好的选择性。通常以临界条件较低的物质优先考虑。在实际使用中用的最多的是二氧化碳，可以用于萃取低极性和非极性化合物，也可以萃取对热敏感的化合物。氨或氧化亚氮可以用于萃取极性较大的化合物。3. 萃取过程及装置 超临界流体萃取大致可分为以下三步：欲测组分从样品基体中释放出来，并扩散、溶解到超临界流体中；欲测组分从萃取器转移至收集系统；降低超临界流体压力，有效地收集被萃取的欲测组分。图15 超临界流体萃取装置超临界流体萃取的操作方式可分为动态、静态、循环萃取三种。动态法是超临界流体萃取剂一次直接通过样品萃取管，使被萃取组分直接从样品中分离出来，进入吸收管。适用于萃取那些在超临界流体萃取剂中溶解度很大且样品的基体又很容易被超临界流体萃取剂渗透的样品。静态法是将被萃取的样品浸泡在超临界流体萃取剂中，经过一定的时间后再把含有被萃取溶质的萃取剂流体输入吸收管。适用于萃取那些与样品基体较难分离或在萃取剂