化学分析样品前处理技术与进展 课件

化学分析样品前处理技术与进展

前言

近年来，环境和食品安全问题已成为我国经济发展中的一个重要矛盾。含脂肪、蛋白类复杂基体的食品样品以及环境样品中的痕量有机污染物的分析是我们面临的重要而艰巨的任务。特别是农产品、畜禽肉产品残留的农药、兽药、激素、抗生素的问题日益突出，在国际贸易方面，我国的食品出口屡屡受阻，造成巨大经济损失。检测技术发展滞后是制约我国食品安全的关键。2002年，欧盟先后对我国涉及出口检测机构的分析能力进行了评估，均以分析能力不足为由，禁止我国部分食品的出口。

虽然我国已经建立了部分标准，但在检测技术的灵敏度、准确性及适应性方面与国际上发达国家还有较大差距。尽管我们也拥有不少先进的分析仪器，如GC、HPLC、GC/MS、LC/MS等等，但样品的前处理不到位，影响了测试的灵敏度、分析结果的准确性、重复性以及仪器的使用寿命。因此，不断地学习、研究和掌握先进的样品前处理技术非常必要。一、样品前处理在分析化学中的地位

㈠、样品前处理是分析测试必须的准备工作。采集到的样品，无论是气体、液体和固体，绝大多数都要经过预处理。除了用注射针筒采集-气相色谱直接分析的空气样品外，一般情况下,其它样品均需制成溶液后才能进行测定。前处理的质量直接关系到检测结果的质量。选择一个合适的前处理方法等于完成了分析工作的一半。样品前处理方法和技术的研究已成为当今分析化学领域中最活跃的课题之一。㈡、样品前处理的占时比例为检测全过程的三分之二。一个完整的分析过程通常可分为如下5个阶段：1、样品采集；2、样品处理；3、分析测试；4、数据处理；5、报告结果据统计，各阶段所用时间占全部分析时间的比例大致为：样品集采-6%；样品处理-61%；分析测试-6%；数据处理和报告结果-27%。分析测试一般只需要几分钟到几十分钟，而测试前的样品处理则需要几个小时甚至几十小时，占整个过程的三分之二。因此要提高检测速度。必须采取先进的样品处理技术。二、样品前处理的作用

㈠、使待测组分成为可分析状态待测组分在样品中可能存在多种形态：分有元素态和化合态，化合态又包括无机态和有机态。无机态又存在不同的价态,有机态又包含各种异构体和同系物。样品中的待测组分存在形态必须符合化学反应或仪器检测器响应的要求。

例如用钼酸铵分光光度法测定水中的总磷，用紫外分光光度法测定水中的总氮，水样中的各种磷、氮化合物先要经过硫酸钾高压消解处理使完全氧化为磷酸盐、硝酸盐；又如：用气相色谱法、高效液相色谱法或紫外分光光度法测定食品中的甜蜜素（环己基氨基磺酸钠），则需要先将其转变为环己醇亚硝酸酯或N，N-二氯环己胺等衍生物。

㈡、纯化样品

1、除去悬浮物或颗粒如：用分光光度法测定时，含有悬浮物的样品溶液常需要预先离心或过滤处理。又如：HPLC测定前，样品溶液必须用0.45μm甚至0.20μm的滤膜过滤；2、除去共存干扰物质如测定啤酒的酒精度，通常采用蒸馏法将乙醇与其它高级醇和酯类等干扰物质分离开来；但在用异烟酸-吡唑酮比色法测定白酒中氰化物时，国标推荐的蒸馏方法并不能去除甲醇、杂醇油、糠醛等低沸点物质的影响，常发生试液混浊，影响比色。建议改用如下处理方法：在10mL酒样中加入0.5mol/L的氢氧化钠5.0mL，于沸水浴上蒸干，定容至50mL，可消除试液混浊。又如用原子吸收法测定高盐含量样品中的铅元素时，可用共沉淀法或萃取法将干扰成分氯化钠分离掉。㈢、浓缩待测组分，降低检出限

一般情况下样品中的有毒有害成分含量都不高，有些只有ppm级,甚至ppb、ppt级，直接测定，方法的灵敏度往往不够，因而必须进行浓缩、富集处理。常用的方法有液-液萃取、固相吸附-气相（或液相）解吸、沉淀-溶解等。

三、传统前处理方法及其缺点

㈠、传统方法样品中无机成分分析的前处理方法主要有：酸浸提、碱熔融、湿法消解（包括高压与微波消解）、干法灰化（包括电热、微波灰化）。这些方法相对比较成熟，当然其技术也有很多值得研究的问题,在此对这方面的内容不做详细的讨论。重点介绍有机成分分析中样品分离、净化与浓缩的处理技术。

方法

依据原理

适用范围离心透析蒸馏过滤液相萃取索氏抽提沉淀层析真空升华超声提取衍生反应不同物质的分子量或密度不同膜两侧的渗透压不同共存物质的沸点不同颗粒或分子直径不同物质在不同液体中分配系数不同物质在不同溶剂中溶解度度不同物质在不同溶液中溶度积不同不同物质与固定相的作用力不同蒸汽压不同物质在专门溶液中的可溶性改变待测组分结构，提高测定灵敏度或选择性分子量相差较大或相态不同物质较小分子或离子各种液体固-液分离在两种液相中溶解度差异大物质从固体样品中提取待测物不同溶液中不同溶解度的物质气体、液体及可溶解的物质从固体中分离可挥发性物质从固体中分离可溶性物质能与衍生化试剂反应的物质㈡、传统前处理方法的缺点1、劳动强度大；有时需要反复多次,十分枯燥。2、费时长；如处理蔬菜样品供测定农药殘留量，常需要两天以上的时间；3、手工操作步骤多，损失多，重复性差,引进的误差机会多；4、对于复杂样品的处理需要多种方法配合进行,各步骤之间转移时容易地造成样品损失；5、常需要大量溶剂，对分析人员身体健康有害，环境污染大。

四、样品前处理的评价标准

㈠、能否最大限度地去除干扰物质。㈡、是否最大限度地减少损失，具有满意的回收率。㈢、操作是否简便，节约用时。㈣、成本是否低廉。㈤、对人体和环境造成的损害和污染是否很小五、样品前处理的新方法新技术介绍

㈠、固相萃取（SPE）

1、原理

与液相色谱过程相仿，根据被萃取组分和样品基质及其它成份在填料（固定相）上的作用力强弱不同而彼此分离，同时也起到浓缩的目的。

2、结构

形状如同一支注射针筒，直径为2.1~15mm，长度为2.1~15cm，材质为聚丙烯塑料或玻璃或不锈钢。内装填料：粒径30~200μm的颗粒，一般在30~60μm，材料为硅胶或高分子聚合物。现在市售的SPE小管填料大多数表面经化学处理形成各种基团，分为C18、C8、腈基、氨基、苯基、二醇基等，可根据待测组分的性质选用。萃取气体样品的填料则为活性碳、分子筛、聚氨基甲酸酯泡沫塑料、氧化铝等。固相萃取小柱实物图

萃取工作流程图

萃取工作流程图

3、固样萃取小柱的分型

固样萃取小柱主要分为正相、反相、离子交换和凝胶几种类型。用得最多的是前两种。⑴、正相SPE柱：填料有硅胶，氧化铝，活性硅酸镁，极性键合吸附剂（如氰基、氨基、二醇基键合相）。它们可以对使用非极性溶剂的样品溶液进行分离。如溶于己烷/乙醚（3+1）的醛类、醇类、有机卤化物的溶液通过小柱时，极性化合质被吸附，再用洗脱强度＞0.6的溶剂-甲醇/乙腈（4+6）将它洗脱下来。当然这种极性是相对的，极性较弱的氰基键合相既可以做正相层析的固定相，也可以做反相层析的固定相。⑵、反向SPE柱：填料为用非极性的C18，C8，环己基，丁基，苯基等键合相。使用极性溶剂（溶剂洗脱强度E0＞0.6）溶解样品，该溶液通过小柱时，非极性和弱极性的物质被柱子保留，再用非极性的溶剂将其洗脱下来。⑶、离子交换SPE柱：填料为含有—SO3-和—N+（CH）3离子基团键合型固定相。含有前种基团的为强阳离子交换剂（SCX），含有后种基团的为强阴离子交换剂（SAX）。为获得较佳的分离效果，离子交换剂和待测物之间必须具有相反的电荷，以便实现静电吸附达到分离目的，而其抗衡离子的浓度要很低。影响分离效果的因素有五个方面，其中最主要的是pH值。a.溶液的pH

因为离子化的程度决定了离子的保留值。化合物的离子化程度决定于其pka（即当有1/2的离子化基团带电符而1/2的基团为电中性时的pH值）。如对于酸性待测物，调节其pH值使之超于pka值2个单位时，待测物被阴离子交换柱保留。在洗脱时，调节pH值使低于pka值2个单位，则离子化合物成为非离子型而从交换柱上被洗脱。对于碱性待测物，道理相同，只是过程相反。b.键合相对抗离子的选择性在强阳离子交换柱上，象Li+、H+、Na+、NH4+这些抗衡离子很容易被待测有机阳离子所取代，但对于Cu+、Ca+、Ba+等说，要取代它们就要难得多了。对于强阴离子交换柱，容易取代的抗衡离子有羟基、氟等，若样品溶液中存在柠檬酸根、碘离子或苯磺酸盐等抗衡离子时，对待测有机阴离子的萃取效果很差。因为它们对季胺具有很强的亲和力。遇到上述情况可选用较弱的阳离子交换剂柱（如羧酸类）或较弱的阴离子交换剂柱（如氨基丙基硅烷化硅胶）c.溶液的离子强度离子强度是本底溶液中所有离子浓度与化合价平方的乘积总和之值的一半，即l=0.5×sum(Ci×Zi2)。它影响待测离子化合物的保留值。如：若本底溶液中的离子强度高时，这些阳离子与待测阳离子在柱上发生竞争性的交换。因此离子强度低的本底溶液有利于待测离子在柱上的吸附保留，反之，离子强度高的本底溶液可用做洗脱剂。d.洗脱溶剂

(电）中性的酸或碱在水中的溶解度较低，当待测物在洗脱剂过程中转变为中性时，则变得较不易溶解，逐渐难以洗脱，为克服该缺点，应在洗脱剂中加入能与水混溶的有机溶剂。e、流速离子交换柱的保留/洗脱行为是固定相和流动相之间的离子交换过程，比极性吸附/洗脱或非极性吸附/洗脱的这程慢得多，因此流动相的流速应更加慢一此，一般为0.5ml/min为宜。⑷、凝胶（排斥）小柱：填料为葡聚糖C-25（即1，6葡萄糖聚合物与氯醇的交链物）。用来分离大分子物质。其孔径与待测物相近似，小分子渗进填料微孔中而被滞留，中等分子可进入部分孔中，而大分子不能进入孔中。因此大分子先流出柱处，各组分能够按分子大小得到分离。4、SPE小柱的规格处理样品时要考虑样品中待萃取组分的量与固定相的量之间的关系。一般来说，被萃取组分的质量不超过柱中填料质量的5%。SPE小柱的规格有两个指标：1是柱管的容积，2是填料的质量。最常用的有：30,50,100mg/1mL；60,100,150,200,300,500mg/3mL;100,150,200,500,1000mg/6mL。此外还有较大容积的：如12，20，60mL几种。5、优点使用溶剂量少，减小了对分析人员的伤害和对环境的污染，（液-液萃取需要几十毫升到几百毫升，固相萃取只需要几毫升到几十毫升）。在野外采样时，样品先经固相萃取处理，把待测组分吸附于固定相上，测定前再洗脱。运输方便，保存时间长。如烃类物质在固定相上可稳定100天，而在溶液里只能稳定几天。克服了液-液萃取中的乳化缺点。6、缺陷a、流速慢，一般在1~10mL/min，故处理样品的时间长。处理1L水常需要2h以上。尤其是在处理环境废水、含生物样品和悬浮粒的液体样品时，易造成堵塞，使流量更加减小。b、30~60μm颗粒的填料易产生裂隙，造成分离和富集效率下降。c、SPE小柱属于一次性使用品，再生效果不好，成本较高，市售价格在30~100元/支。

7、改进

目前，前两个缺陷随着新一代固定萃取剂的研制成功己得到解决。用多层盘状膜过滤片代替颗粒，增大表面积，流速快。膜材料有三种：a、聚四氟乙烯网络包含了化学键合的硅胶或高聚物；b、聚氯乙烯网络包含了带离子交换基团或其它亲合基团的硅胶；c、

生化膜，与前两种不同，固定相并不包合在膜内，而是膜本身经化学反应键合了各种基团，如二乙胺基、乙烯基、季胺基、磺酸丙基等。流速可加增大到20~80mL/min。前两种用于富集金属元素和有机物，第三种用于富集生物大分子。㈡、固相微萃取（SPME）

1、组成与原理SPME由手柄和萃取头两部分组成，形状如同改装后的色谱注射器。萃取头是一根涂布有一定厚度的色谱固定相膜的熔融石英纤维，接在不锈钢丝上，外面套上中空的不锈钢针管（用于保护纤维头，及采样或进样时穿刺隔垫），纤维头可在针管内伸缩。手柄分为自动进样式和手动进样式，可永久使用。

萃取头上涂布的固定相可以在样品溶液中或样品上方空间选择性地吸附目标分析物，分析物在固定相膜和样品之间达到平衡。然后将萃取头直接放入气相或液相色谱仪的进样口，通过加热或流动相的推动而被带入色谱柱进行分析。2、操作步骤

⑴、样品萃取将SPME针管穿透样品瓶/顶空瓶隔垫—推动手柄使纤维头伸出针管—将纤维头浸入样品溶液（浸入式）或置于样品上部空间（顶空式），依具体情况萃取时间可为数分钟至半小时或更长时间—缩回纤维头—将针管抽出样品瓶。⑵、GC分析

将SPME针管插入气相色谱进样口—推手柄使纤维头伸出针管—1~2分钟后缩回纤维头，抽出针管。⑶、HPLC分析进样阀处于“Load”位置，将SPME针管插入进样阀接口内—推动手柄伸出纤维头，关闭密封夹—将进样阀转至“Load”—缩回纤维头，抽出针管。固相微萃取操作示意图3、优点⑴、集采样、萃取、浓缩、进样于一体，便于携带，真正实现了现场采样。⑵、操作方便，可直接在GC、GC/MS、HPLC上分析，既可手动，又可自动进样，实现联机分析。⑶、无需溶剂，改善工作环境，减少污染。⑷、省时省钱，萃取头可反复使用50次。4、缺点与发展方向⑴、由于纤维头上的固定相膜吸附容量小，在用GC分析时，目前只适用于毛细管柱。⑵、将SPME-GC联用扩展到无机领域是今后发展的一个方向，如用于分析重金属化合物甲基汞、乙基汞、四乙基铅和二硫化碳等。㈢、快速溶剂萃取（ASE）

1、原理ASE使用常规的溶剂，利用增加温度和压力提高萃取的效率，缩短萃取时间并减少萃取溶剂的使用量，用于固体和半固体样品的处理。提高温度是为了降低或减弱样品基质与分析目标物质间的作用力，加快分析目标物质由基质中解析出来进入溶剂，同时降低了溶剂的粘度，有利其向样品基质中扩散。增加压力可提高溶剂的沸点，使溶剂始终保持液态。2、快速溶剂萃取的工作流程⑴、向萃取池中加入样品置于仪器上；⑵、向萃取池中加入溶剂；⑶、对萃取池加热加压；⑷、在设定的温度和压力下实施萃取；⑸、用泵将萃取池中萃取液送出；⑹、用氮气吹扫样品以收集全部萃取液；⑺、过滤萃取液等待分析。注：⑵~⑹为仪器自动进行。基本工作流程图

3、ASE的优点⑴、操作简单，省时，单个样品只需要15min，而索氏抽提需要8h以上；⑵、节省溶剂，10g样品只需要15mL溶剂，而索氏抽提一般需要300~500mL；⑶、全密封系统，对人体无伤害，不污染环境；⑷、自动化程度高，电脑控制12或24个萃取位自动连续工作。⑸、适用范围广，可用于各种固体、半固体样品的萃取处理，如土壤、动植物、血、尿等样品污染物，活性物质，脂肪的测定等。4、缺点仪器价格高，如一台12萃取位仪器价格为25万人民币。AES200型快速溶剂萃取仪

㈣、超临界液体萃取（SFE）

1、基本原理与液-液或液-固萃取一样，SFE也是在两相间的一种萃取方法，所不同的是萃取剂不是液体，而是超临界流体。超临界流体是介于气-液之间的一种既非气体又非液体的物态。这种物态只能在物质所处的温度和压力超过临界点时才能存在。

下表列出CO2在不同物态时的物理性质：

物态密度（g/ml）

粘度

(g/cm·s)扩散系数

(cm/s)气态临界态超临界态液态1×10-34.7×10-110.0×10-110.0×10-19~3.5×10-43×10-41×10-33~24×10-31~100×10-270×10-520×10-50.5~2×10-5从上表中可看出，超临界流体的密度较大，同液体相仿，与溶质分子的作用力强，很容易溶解样品。另一方面，其粘度很小接近气体，所以传质速率高。表面张力小，容易地透渗进固体之中，且能保持较大的流速。萃取效率高、速度快。常用萃取剂的临界温度和压力

流体临界温度,℃临界压力,bar乙烯9.350.4二氧化碳31.173.8乙烷32.348.8氧化亚氮36.572.7丙烯91.946.2丙烷96.742.5氨132.5112.8己烷234.230.3水374.2220.52、SFE的操作流程⑴、超临界流体发生源，由萃取剂、高压泵和附属设备组成。其作用是将萃取剂转变为超临界流体。⑵、超临界流体萃取部分，由样品萃取管和附属装置构成。其作用是超临界流体将被萃取的溶质从样品中溶解出来。⑶溶质减压吸附分离部分，由喷口和吸收管组成。携带溶质的超临界流体经减压降温转化为常温常压，流体挥发逸出，溶质被吸收管中多孔填料吸附。⑷、洗脱收集部分，由溶剂洗脱泵和收集器组成。用合适的溶剂将吸收剂上的溶质洗脱下来，送入收集器中。3、萃取剂的选择超临界流体萃取中用得最多的萃取剂是二氧化碳。其优点是：⑴、临界值较低，纯度高，对仪器设备要求不高；⑵、化学性质不活泼，不易与溶剂反应；⑶、沸点低，后处理中不需加热，很容易从萃取后的馏份中除去。特别适用于萃取热不稳定化合物。缺点是：只能适用于萃取低极性或非极性化合物。对于极性化合物通常用氨或者氧化亚氮作为做萃取剂，但氨易于其它物质起反应，且腐蚀设备，而氧化亚氮有毒。其它低烃类物质可燃易爆。故它们的使用均不如二氧化碳普遍。4、影响SFE萃取能力的因素⑴、压力压力改变会引起超临界流体对物质溶解能力的变化。利用这种特点就能够将样品中不同组分按它们在流体中的溶解度的大小先后萃取分离开来。在低压下溶解度大的组分先被除萃取，随着压力增大，难溶组分逐渐与样品分离。因此在程序升温下进行超临界萃取，不但可以萃取组分，还能起到分离组分的作用。⑵、温度温度的变化对萃取率的影响主要是改变超临界流体（萃取剂）的密度和溶质的蒸汽压两个因素。在低温区（当然仍在临界温度以上）升高温度，流体密度降低，而溶质的蒸汽压增加不大，流体的萃取能力降低，溶质会从萃取剂中析出。继续升高温度，虽然超临界流体的密度会进一步降低，但溶质的蒸汽压的迅速增高成为主导因素，因而挥发度提高，故而萃取率不但不降低，反而提高。⑶、混合溶剂的协同作用在单一使用的溶剂中加入小量其它溶剂可改变超临界流体对溶质的萃取能力。该机理目前还没有合适的解释。经验证明其它溶剂的加入量不可超于10%，一般加入甲醇、异丙醇等极性溶剂。这种措施可将超临界流体萃取技术扩大到极性较大的化合物的提取上。4、萃取流程分型⑴、动态法超临界流体一次性通过萃取管，直接流入吸收管，适用于萃取在超临界流体中溶解度大的物质。⑵、静态法将被萃取的样品“浸泡”在超临界流体中，经过一定时间后将含有被萃取溶质的流体输入吸收管。适用于那些与样品基体较难分离或在萃取流体中溶解度不大的物质。⑶、循环法为动态、静态的结合，先用萃取流体充满样品，再用循环泵将萃取流体反复多次经过管内样品，最后送入吸收管。适用于那些动态法较难萃取的物质。其萃取效率比静态高。5、应用

该法适用于处理烃类及非极性酯溶化合物，如醚、酯、酮及分子量在300~400道尔顿的化合物。对于醣类、氨基酸、卵磷酯等极性物质以及蛋白质、核酸、纤维素等天然大分子化合物不适宜用该法处理。6、优点与发展趋势⑴、速度快，能够缩短时间1~2个数量级。⑵、避免使用大量溶剂，改善工作环境。⑶、容易实现与各种分析仪器联用，（SFE/GC，LC，MS，FTIR，HPLC，ELISA，FIA等）避免样品转移的损失，减少人为误差，提高测试灵敏度和精确度。㈤、液膜萃取法

1、基本原理由浸湿了与水不相溶的有机溶剂的多孔聚四氟乙烯薄膜把水溶液隔成两相—萃取相和被萃取相，前者为静止不动，后者与流动的样品溶液系统相连。样品中的离子流入萃取相与加入其中的试剂形成中性分子，通过扩散溶入吸附在多孔聚四氟乙烯膜中，进一步扩散进萃取相中。接着中性分子受萃取相中化学条件的影响，又分解为离子，不能再返回液膜中去，完成了萃取任务。

酸根、胺基萃取原理示意图2、处理过程示意（以萃取阴离子A-为例）

3、液膜分离现场采样装置

4、特点：⑴、液膜萃取法与透析法在原理和装置上有相似之处，但前者有富集作用，而后者起稀释作用。透析法用来分离分子大小不同的物质，而液膜萃取法可用来选择性地分离特定物质，如酸类、胺类等。⑵、与传统的液-液萃取相比，液膜萃取使用的溶剂少得多，且萃取比大，很容易达到1比1000，而传统的液-液共取最多为1比50。⑶、与固相萃取比较，固相萃取管一般只能使用一次，而液膜萃取可反复使用。

⑷、可以长时间连续采样（如24h），有人连续采集了7天。富集倍数大，能检测水中ppt级的农药残留。⑸、该方法是一种具有发展前途的新技术，膜的改进是主要技术攻关要素。支持有机液膜的介质除了聚四氟乙烯外，已发明了纤维素纸类。国外学者还根据此原理发明了用乳液膜处理水中的金属离子及有机碱。5、目前的应用液膜萃取法首先在工业生产部门得到广泛应用，80年代末才逐渐扩展到化学分析的样品前处理。如用于野外水质的采样，水样以0.8ml/min的速度与0.2mol/L的硫酸混合后进入液膜分离器，萃取相为0.1mol/L的磷酸缓冲液，用于水中农药的分析。也用于水中Co和Cu的富集。还用于大气中脂肪胺（C1~C8)的采集，将5m3的空气浓缩到10ml稀硫酸中。该技术的各种应用实例，国外的报道很多。㈥、微波溶出法1975年有人首先提出用微波炉进行样品处理。开始是用专用或家用微波炉配以排气装置，溶样是在敞口情况下。直到1985年才提出密封容器微波溶样系统。目前正朝着更加易于控制，性能更优越，更加安全，更加自动化的方向发展。微波溶样不同于传统方法，是利用微波的高频振荡使水分子激烈运动而产生热量，加热是在样品内部进行，能耗极低，升温快。微波技术处理样品以前都是应用于无机成分的分析，自上世纪80年代末期才开始扩展应用于有机分析。适合于处