仪器分析中的样品处理

仪器分析中的样品处理中国分析测试协会汪正范Tel:(010)68512283Email:zfwang@2021/6/271仪器分析的四个基本程序样品的采集样品的处理－分析试样的制备上机分析数据处理

2021/6/272样品处理的目的将微量或痕量的欲测组分富集将干扰欲测组分的物质去除将无法被仪器分析的欲测组分转化成可被仪器分析的物质2021/6/273样品处理在仪器分析中的

必要性和重要性分析样品必须满足所用分析仪器的要求样品处理将直接影响分析结果的可靠性和准确性整个分析过程中样品处理花费的时间和精力最多

2021/6/274样品处理应遵守的原则采集的样品要能满足分析测试的目的，采集的样品要有代表性，故在采样的时间和地点，采样的方法，采样的量等方面作充分考虑。2021/6/275采样装置应保证采样时样品组成不发生变化。样品处理前应首先了解分析测试的目的和欲测组分的物理、化学性能，对样品的基本情况(如：物理性能、化学组成等等)也应有所了解，以便选择适当的、合理的处理方法。2021/6/276样品处理过程中要防止和避免欲测组分发生化学变化，如必须将欲测组分进行转换时，所使用的化学反应必须是已知的和能定量完成的。样品处理过程中要防止和避免欲测组分的沾污或丢失，在处理过程中应尽可能减少无关物质的引入。

2021/6/277样品处理所使用的方法应尽可能简单易行，所使用的装置尺寸应与处理的样品量相适应。样品处理时应同时处理2个或2个以上平行样品，并带一个空白，用以检查样品处理过程中是否存在问题。2021/6/278样品的采集方法气体样品的采集直接采集：刚性容器采用预抽真空法采样，柔性容器采用泵采样。富集采集－固体吸附法、溶液吸收法、冷阱收集法。液体样品的采集直接采集：可直接用棕色玻璃瓶采集，样品灌满并溢出后封好，瓶中不应有气泡，需要时应加适当的保存剂。富集采集：吸附剂吸附。2021/6/279固体样品的采集

直接采集：考虑样品的均匀性和代表性，采样量要大些，然后进行缩分。大气中悬浮颗粒物样品的采集根据所需采集颗粒物大小选择适当的滤膜或滤筒采集。2021/6/2710样品处理的常用技术（方法）灰化和消解

主要用于有机物中金属元素的分析，通过高温氧化或强氧化剂（如浓硫酸、硝酸、高氯酸、王水等等）氧化的方法将有机物中的大量碳除去。酸溶、碱溶和熔融

利用酸溶、碱溶或熔融的方法，将固体样品或灰化和消解后的产物转化为溶液，以便仪器分析或进行下一步的处理。2021/6/2711萃取

将样品中欲测组分抽提到另一相中，使其与干扰组分分离，并可同时进行富集。可分为液相萃取—将固体、液体或气体样品中欲测组分抽提到溶剂中；固相萃取—将液体或气体样品中欲测组分吸附在固体上；气相萃取（顶空技术）—将固体或液体样品中欲测组分抽提到气体中；超临界流体萃取—将固体样品中欲测组分抽提到超临界流体中。2021/6/2712蒸馏

利用欲测组分与干扰组分的沸点不同而进行分离，亦可同时进行富集。可分为简单蒸馏、分馏（精馏）、减压蒸馏和水汽蒸馏等。2021/6/2713沉淀、结晶和重结晶

利用欲测组分与干扰组分在不同溶剂中的溶解度不同而进行分离，亦可同时进行富集。可将欲测组分沉淀，干扰组分留在溶液中；亦可将干扰组分沉淀，欲测组分留在溶液中。可利用改变溶液的温度、浓度、pH值、溶剂的组成来改变欲测组分和干扰组分的溶解度，使其分离；亦可加入某些物质，使欲测组分或干扰组分沉淀或共沉淀（结晶或共结晶）而得到分离。可利用重结晶的方法得到很纯的化合物，以便利用某些仪器进行准确的结构分析。2021/6/2714膜分离

利用欲测组分与干扰组分对不同膜的透过性不同而分离。其分离过程可分为渗析、超滤和电渗析。膜分离也被称为膜萃取。衍生化

利用已知的、能定量完成的化学反应，将不能被仪器分析或检测的欲测组分转化成可被仪器分析或检测的物质，或将不能与干扰组分分离的欲测组分转化成能分离的物质使两者分离。2021/6/2715热解吸利用控制加热速度和温度的方法使欲测组分从固体样品或固相萃取所用的固体吸附剂中解吸出来，从而与干扰组分分离。热裂解主要用于高分子化合物分析，通过控制加热速度和温度使高分子化合物发生分解，生成小分子碎片，分析这些分解产物，推断原高分子化合物的组成和结构。2021/6/2716电解

利用欲测组分与干扰物质的电解电位不同，通过电解的方法将欲测组分与干扰物质分离，并可以进行富集。如在作极谱分析或库仑分析时，可通过电解进行预分离和预富集。色谱

不同运行模式的色谱本身就是一种分析仪器，可以用来对欲测组分进行分析测试。不同运行模式的色谱又是一种分离技术，可将欲测组分与干扰物质分离，然后用其他分析仪器进行脱机或联机分析。在样品处理中最常用的是柱色谱和薄层色谱。2021/6/2717膜分离技术在样品处理中的应用工作原理

利用不同高分子膜对不同化合物的渗透性有所不同，将欲测组分与样品基体和干扰组分分离。在样品处理中常用的膜分离技术有：渗析、超滤和电渗析。下表给出这三种膜分离的分离机理和应用。2021/6/2718分离过程驱动力分离机理应用膜结构渗析浓度梯度扩散速度不同分离高或低分子量物质，分离极性或非极性物质对称、多孔/无孔超滤压力梯度筛分分离高或低分子量物质不对称、多孔（1-100nm）电渗析电位差离子选择性通过去除水中的盐对称、离子选择性2021/6/2719装置

目前样品处理中常用的膜分离装置有两种类型：1.平面膜：下图给出平面膜与质谱或色谱分析联用结构图

排出样品(气体/液体)流动相泵泵质谱或色谱分离膜六通阀2021/6/27202.中空纤维膜：下图给出中空纤维膜分离装置结构图中空纤维膜吹扫气体样品出口样品入口捕集装置或分析仪器2021/6/2721应用

由于膜分离技术具有装置结构简单、操作程序方便、无需有机溶剂处理、可与各种分析仪器直接连接，易于实现自动化和在线操作等，所以膜分离技术的可应用于各类仪器分析的样品处理。下面介绍一个应用实例：利用膜分离和气相色谱联用测定血浆中的乙醇。2021/6/2722吹扫气体入口吹扫气体出口气相色谱样品瓶中空纤维膜血样品和水

膜-气相色谱连接结构图0.3m-0.5m长的空心毛细管2021/6/2723乙醇，6.4mg/ml血液样品中乙醇的膜萃取-气相色谱测定结果2021/6/2724测定血中乙醇三种方法的比较处理方法取样量/ml处理条件和时间进样方式测定范围/%相对误差/%顶空技术5~1560℃，60min离线0.1~0.52.73(单点)固相微萃取5~1560℃，60min离线未做未做膜萃取0.2~250℃，1~2min在线0.1~0.8-9.4~112021/6/2725膜分离技术可以与各种捕集技术相结合，使欲测组分得到富集。样品瓶中空纤维膜微捕集管样品和水吹扫气体出口气相色谱或质谱仪器冷却板

膜萃取-微捕集串联与气相色谱或质谱联机结构图2021/6/2726吹扫/捕集技术

在样品处理中的应用工作原理

吹扫—捕集技术实质上是一种连续气体萃取技术（属于动态顶空技术），吹扫气（一般使用氮气）通过液体或固体样品，将样品中的可挥发组分（其中包括欲测组分）带出，然后用冷冻或固体吸附剂吸附的方法，将欲测组分捕集下来，再通过热解吸的方法，将欲测组分解吸下来，进入分析仪器分析。2021/6/2727装置

目前已有多种商品化的吹扫—捕集装置，各装置在结构上虽有不同，但其流程和工作原理基本一致，下图给出吹扫—捕集方法的流程图：2021/6/2728吹扫和捕集方法流程图示A吹扫(萃取)；B解吸(进样)；C烘烤清洗1—温除水系统2—冷阱3—冷除水系统4—热阱5—检测器6—除热水器吹扫气放空烘烤气样品排放GC载气排气123456ABC2021/6/2729

国外的吹扫—捕集装置中捕集部分一般有低温装置（冷阱），解吸时的升温速度也是很快的，瞬间即可达到解吸温度，装置的价格也是很高昂的。国内太极公司研制的TJ-618样品处理装置也是一种吹扫—捕集装置，它的解吸升温速度不是很快，但是它采用一种特殊技术来减少由于升温过程而引起的进样带展宽，从而使装置的成本大大降低，该装置的价格仅为国外同类产品的1/3—1/2。下面给出几种产品性能的对比。2021/6/2730性能指标

PerkinElmer公司TEKMAR公司太极公司样品管材料不锈钢、玻璃、预先填充吸附剂不锈钢、玻璃、预先填充吸附剂石英、玻璃、预先填充吸附剂通讯控制可控制启动、停止、GC可控制启动、停止、GC可控制启动、停止、载气流速、GC通讯接口RS-232RS-232RS-232/RS-422/RS-485控制软件包有有有软件包功能//产品质量评价功能系统评价测试功能最小检测限PPbPPbPPb样品类型气体、液体、半固体、固体气体、液体、半固体、固体气体、液体、半固体、固体温度控制50℃—400℃控制精度：1℃50℃—200℃控制精度：1℃40℃—400℃控制精度：1℃连接方式通用可与任意品牌的GC或GC/MS相联HP专用通用可与任意品牌的GC或GC/MS相联。2021/6/2731应用

吹扫—捕集技术主要用于气相色谱和气相色谱—质谱分析可挥发性化合物，特别是分析水中有机挥发性化合物。该技术已列入美国EPA方法中水中有机挥发性化合物分析的标准方法。下面给出使用太极公司TJ-618样品前处理装置，结合气相色谱来鉴定真假红塔山烟和对茶叶中农药残留所作的分析。2021/6/2732烟草数据（固体样品）真红塔山假红塔山2021/6/2733茶叶农药残留检测数据（固体样品）检测器：电子捕获检测器2021/6/2734固相微萃取技术

在样品处理中的应用工作原理

在一根很细的熔融石英纤维上，涂上吸附剂，用来吸附欲测组分，使其与干扰组分和基体分离，并得到富集。被吸附剂吸附的欲测组分，可通过加热或洗脱液洗脱的方法解吸下来，进入分析仪器（主要是气相色谱和液相色谱）。2021/6/2735装置

涂敷吸附剂的熔融石英纤维（称为萃取头）接在一根细的不锈钢钢丝上，外套一根细的不锈钢管（在取样和进样时保护萃取头），萃取头在细的不锈钢管中可自由伸缩进出。在取样和色谱进样时，由细的不锈钢管穿透密封垫，然后再将萃取头伸出。在拔出细的不锈钢管前，将萃取头缩进。下图给出了固相微萃取装置和色谱进样的示意图。2021/6/2736隔垫穿孔针头手柄外套活塞固定螺杆Z-沟槽连接器观察窗口可调节针头导轨/深度标记纤维固定管敷涂层的石英纤维弹簧密封垫固相微萃取装置示意图2021/6/2737固相微萃取的采样和进样操作方法穿透样品瓶密封垫暴露/提取撤回萃取头插入GC注入口暴露/解吸撤回萃取头插入进样装置到HPLC柱撤回萃取头2021/6/2738应用

主要应用于气相色谱和液相色谱分析时的样品处理，具有操作时间短，样品量小，无需萃取溶剂，易实现自动化，适于分析挥发性与非挥发性物质，重现性好等优点。很多研究结果表明，在样品中加入适当的内标进行定量分析时，其重现性和精密度都非常好，是近年发展很快的一种样品处理新技术。2021/6/2739根据欲测组分性质和样品情况选用不同萃取方式熔融石英纤维膜样品涂层样品涂层(a)直接萃取(b)顶空萃取(c)膜保护萃取2021/6/2740根据欲测组分的挥发性和极性选择涂层种类和涂层厚度Poly(dimethylsiloxane)Poly(acrylate)PDMS/DVBCarbowax/DVBCarbowaxTR/DVB2021/6/2741吸烟妇女乳汁的固相微萃取—气相色谱/质谱分析1.苯胺2.甲基苯胺3.二甲基苯胺4.三甲基苯胺5.尼古丁时间（分）2021/6/2742毛细管固相微萃取器

在水样预处理中的应用

毛细管固相微萃取器是中科院大化所关亚风研究员等人研制开发的、用于水中半挥发和不挥发有机污染物分析的一种水样预处理装置。被分析样品从管壁交联固定相的中空毛细管通过，欲测组分被固定相吸附，然后再通过热解析将欲测组分解析下来，进入GC或GC－MS，进行分析。由于通过增加固定相的涂渍厚度和毛细管的长度和内径，可以获得比SPME固定相体积大十倍以上的固定相体积，使萃取富集倍数大大提高。2021/6/2743装置流程图1.稳压阀2.压力表3.水瓶4.水罐5.四通阀6.废水容器7.六通阀8.微型两通接头9.微型三通接头10.萃取毛细管柱11.过滤器12./13.稳流阀14.GC进样器15.毛细管预柱16.毛细管分离柱17.FID检测器2021/6/2744应用2021/6/27452021/6/2746微波技术在样品处理中的应用微波灰化

用微波高温马弗炉进行灰化，可不经炭化而一次完成灰化，所需灰化时间极短。与传统马弗炉相比，升温速度极快，能在几分钟内迅速程序升温至1000℃—1500℃，灰化时间也可减少数倍至数十倍。2021/6/2747微波消解

密闭式微波消解（微波高压消解）：将放有样品和消解液的消解罐放入微波炉内，用微波加热，在高温、高压和微波的作用下，难消解的化合物很快消解，由于消解罐是密闭的，故不会有任何元素损失。使用试剂少，消解速度快，所有时间比电热板消解可减少数倍至数十倍，污染也大大减少。2021/6/2748微波萃取

在密闭的容器里，利用微波瞬间将萃取液加热到常压沸点以上，在微波的作用下，加快被萃取物从样品中溶出。微波萃取所有的溶剂仅为常规萃取的数十分之一，而萃取速度为常规萃取的数十倍，萃取效率也要高。下表给出了微波萃取（MAE）与超声波萃取和索氏提取用于某些有机氯农药残留分析时结果的比较。

2021/6/2749

微波萃取（MAE）与超声波萃取和索氏提取法用于某些有机氯农药残留分析的比较有机氯农药超声波萃取法索氏提取法MAE法平均回收率(%)RSD（%）平均回收率(%)RSD（%）平均回收率(%)RSD（%）艾氏剂66.25.277.93.7872.1

-六六六70.26.269.24.794.4461

-六六六--68.22.796.42.84,4’-DDT1085.71283.6116566狄氏剂79.34.496.42.785.93.8硫丹-168.43.969.13.386.83.1硫丹-263.35.358.28.371.96.3异狄氏剂62.16.462.92.797.41.9七氯68.65.285.06.71101.4环氯七氯60.94.969.72.995.32.7六氯苯65.75.673.67.280.81.6六氯环戊二烯44.81121.996107122021/6/2750ASE快速溶剂萃取工作原理

ASE快速溶剂萃取是使用常规溶剂，利用提高萃取压力和萃取温度来提高萃取效率，缩短萃取时间，节省萃取溶剂。2021/6/2751工作原理图2021/6/27522021/6/2753生物样品的处理技术（方法）

生物样品通常是指植物的花、叶、茎、根、种子等，动物(包括人)的体液(如：尿、血、唾液及生物体的分泌液)、毛发、肌肉和一些组织器官。欲分析的组分常有植物体内的微量元素、营养成分、农药残留等等；动物体内的微量元素、药物及代谢产物、糖类及有关化合物、脂类及长链脂肪酸化合物、维生素及辅酶类化合物、核苷、核苷酸及其衍生物、磷酸酯类化合物、固醇类化合物、胺、酰胺、氨基酸、多肽、蛋白及其衍生物和某些生物大分子（分子量在数千到数百万的生物大分子）。由于生物样品及某些欲测组分的特殊性，生物样品的处理，除可使用上述的样品处理常用技术外，在采样、欲测组分的分离提取方面需采用一些特殊技术，现对这些特殊技术作些简要介绍。2021/6/2754采样

生物样品一般采自动、植物活体，采样方法与其他样品有所不同，一般采用注射器吸取，手术刀、剪切割等方法采集。采样时要注意采样时机，因为生物活体总在新陈代谢；采样后对采集的样品要立即加以处理，因为生物样品一般都有生物活性，如不立即加以处理，欲测组分就可能发生变化。如采集血样后要立即加抗血凝剂；采集好某些器官组织后要立即加一些防腐剂，或立即进行速冻或脱水处理。生物样品的采集最好在无菌条件下进行。2021/6/2755细胞的破碎

当生物样品中的欲测组分（主要是各种多肽激素、各种酶以及各种基因工程的产物如干扰素、胰岛素、生长激素等等）存在于生物体细胞内及多细胞生物组织中时，需在分析测定它们之前将细胞和组织破碎，使这些欲测组分充分释放到溶液中去。不同的生物体，或同一生物体的不同组织，其细胞破碎的难易程度不一样，使用的方法也不完全相同。如动物胰脏、肝脏、脑组织一般比较柔软，用普通的匀浆器研磨即可，肌肉及心脏组织较韧，需预先铰碎再作成匀浆。植物肉组织可用一般研磨方法，含纤维较多组织则必须在捣碎器内破碎或加砂研磨。许多微生物均具有坚韧的细胞壁，常用自溶、冷热交替、加砂研磨、超声波和加压处理等方法。总之，破碎细胞的目的就是为了破坏细胞的外壳，使细胞内含物有效地释放出来，获得有效的提取。2021/6/2756常用细胞破碎方法细胞的破碎方法机械的

非机械的液体剪切固体剪切脱水溶胞作用超声波机械搅拌压力研磨压力空气干燥物理的化学的酶的溶菌杆和臼Hughes压榨机真空干燥渗透冲击阳离子和阴离子洗涤剂酶和有关的酶噬菌体溶胞球磨机“X”压榨机冷冻干燥压力释放溶剂干燥冻结和融化抗生素抗菌素甘氨酸2021/6/2757生物大分子的提取

生物大分子是指分子量在数千到数百万的大分子。主要包括多肽、蛋白质、酶、核酸、多糖等生物大分子。它们在细胞破碎时被充分释放出来。为了将它们制备成仪器分析的样品就要用一定的溶剂将它们抽提出来，与细胞残渣分离。这些生物大分子大部分可溶于水或含有少量酸、碱、盐的水溶液。有时也加入一些有机溶剂改善欲测组分的提取效率，并使欲测组分与其他组分分离。影响提取的因素较多，要根据经验，结合具体实验条件，特别是溶剂性质、pH值、离子强度、介电常数、提取温度等主要因素灵活加以运用，选择最佳条件和方法，达到提取的最佳效果。2021/6/2758蛋白的沉淀

在用仪器分析生物样品中的一些小分子化合物及一些多肽类化合物时，蛋白质的存在，常常严重干扰分析，需要在制备仪器分析样品时将这些蛋白质除去，常用的除蛋白质方法有以下一些：

1.加热

当欲测组分热稳定性好时，可采用加热的方法将一些热变性蛋白沉淀。加热温度视欲测组分的热稳定性而定，通常可加热到90℃。蛋白沉淀后可用离心或过滤除去，这种方法最简单，但只能除去热变性蛋白。2021/6/2759

利用不同蛋白质在高浓度的盐溶液中，溶解度不同程度的降低来沉淀除去蛋白质。在低盐浓度下蛋白质溶解度随着盐浓度升高而增加，称为盐溶作用。当盐浓度不断升高时，不同蛋白质的溶解度不同程度下降，并先后析出沉淀，称为盐析作用。盐析法的优点是对设备和条件要求低，安全，应用范围广泛，一般可在室温下操作。常用的中性盐有硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、磷酸钠等。硫酸铵的盐析能力强，饱和液浓度大，溶解度受温度影响小，一般不会使蛋白质变性。缺点是缓冲能力差，pH值常在4.5～5.5间。2.盐析2021/6/27603.有机溶剂沉淀

蛋白质的沉淀与溶解，与溶剂的介电常数有关。降低溶液的介电常数，能增加蛋白质分子上不同电荷的引力，使其溶解度变小，同时还破坏蛋白质的水化膜而使蛋白质沉淀析出。乙醇和丙酮是最常用的有机溶剂，丙酮的介电常数小于乙醇，故沉淀的能力较强

4.等电点沉淀

利用蛋白质在等电点时溶解度最低，用酸、碱调pH，可使蛋白沉淀析出，但这时沉淀不完全，可与有机溶剂沉淀法、盐析法联合使用。2021/6/27615.膜分离

膜分离技术包括超滤、反渗透析、电渗析、微孔过滤、气体渗析和超精密过滤等。利用膜分离技术可将欲测小分子化合物和大分子的蛋白质很好分离。

6.凝胶层析

利用分子大小不同的物质在流过凝胶固定相时的保留时间不同，大分子首先流出，小分子最后流出，可将欲测小分子化合物与大分子蛋白质分离。这时欲测小分子化合物的浓度被流动相所稀释，必要时还要进行浓缩。

2021/6/27627.柱层析

用能吸附蛋白质的材料装填成小柱，使欲除蛋白质的样品流过小柱，样品中的蛋白质被柱填料吸附，欲测组份不被吸附，从小柱中流出。8.高速离心

高速离心是根据物质沉降系数、质量、浮力因子等不同，应用强大