液相微萃取法(液滴微萃取和液膜微萃取)
液相微萃取(liquid-phase microextraction,LPME)或溶剂微萃取(solvent microextraction,SME)是1996年发展起来的一种新型的样品预处理技术。与液-液萃取(liquid-liquid extraction,LLE)相比,LPME 可以提供与之相媲美的灵敏度,甚至集更佳的富萃取和浓缩于一体,灵敏度高,操作简单,而且还具有快捷、廉价等特点。另外,它所需要的有机溶剂也是非常少的(几微升至几十微升),是一项环境友好的样品预处理新技术,特别适合超痕量污染物的测定。
LPME 主要应用于环境监测、饮料分析及生物分析等几大方面。
目前使用 LPME 方法处理的有机污染物主要包括氯苯、多环芳烃、酞酸酯、芳香胺、酚类化合物、苯及其同系物、硝基芳族类炸药、有机氯农药、杀虫剂硫丹、三嗪类除草剂、三卤甲烷以及烷基酚等。
与 SPME(固相微萃取)相比,LPME 的缺点是有溶剂峰,有时容易掩盖分析物的色谱峰。LPME 的最大优点是它除了具有直接和顶空两种萃取方式外,还具有 LPME/BE 方式。这种萃取方式可以将一些酸性或碱性化合物的富集倍数进一步提高,而多孔性的中空纤维的价格也比较低廉。另外,中空纤维上的小孔也起到微过滤作用,可以对分析物进一步净化。液相微萃取的分析物用气相色谱进行分析时克服了解吸速度慢、涂层降解的缺点,液相微萃取与液相色谱联用时不需专门的解吸装置。这种技术所需要的装置非常简单,一支普通的微量进样器或多孔性的中空纤维即可。尽管商品化的 SPME 萃取头的种类不断增加,但是可用于 LPME 的溶剂种类更多,这为优化 LPME 的萃取条件提供了更大的选择空间。
1、工作方式
(1)直接液相微萃取(directliquid-phase microextraction,direct-LPME):直接利用悬挂在色谱微量进样器针头或 Teflon 棒端的有机溶剂对溶液中的分析物进行萃取的方法,叫作直接液相微萃取法。这种方法一般比较适合萃取较为洁净的液体样品。
(2)液相微萃取/后萃取(liquid-phase microextraction with back extraction,LPME/BE):液相微萃取/后萃取又称为液-液-液微萃取(liquid-liquid-liquid microextraction,LLLME),整个萃取过程为:给体(样品)中的分析物首先被萃取到有机溶剂中,接着又被后萃取到受体里。这种方式一般适用于在有机溶剂中富集效率不是很高的分析物,需要通过后萃取来进一步提高富集倍数。如在对酚类化合物进行萃取时,通过调节给体的 pH 值来使酚类以中性形式存在,那么它们在给体中的溶解度减少,在搅拌时酚类化合物很容易地被萃取到有机溶剂中,再通过调节受体pH值到强碱性,可以把酚类从有机溶剂中进一步浓缩到富集能力更强的受体(强碱性溶液)里。
(3)顶空液相微萃取(headspace liquid-phase microextraction,HS-LPME):把有机溶剂悬于样品的上部空间而进行萃取的方法,叫作顶空液相微萃取法。这种方法适用于分析物容易进入样品上方空间的挥发性或半挥发性有机化合物。在顶空液相微萃取中包含3相(有机溶剂、液上空间、样品),分析物在3相中的化学势是推动分析物从样品进入有机液滴的驱动力,可以通过不断搅拌样品产生连续的新表面来增强这种驱动力。挥发性化合物在液上空间的传质速度非常快,这是因为在气相中,分析物具有较大的扩散系数,且挥发性化合物从水中到液上空间再到有机溶剂比从水中直接进入有机溶剂的传质速率快得多,所以对于水中的挥发性有机物,顶空液相微萃取法比直接液相微萃取法更快捷。
2、萃取效率的影响因素
LPME 对分析物的萃取受若干因素的影响,如有机溶剂种类、液滴大小、搅拌速率、盐效应、pH 值以及温度等。
(1)有机溶剂与液滴大小选择。合适的有机溶剂是提高分析物灵敏度的关键,其选择的基本原则是“相似相溶原理”,即溶剂的性质必须与分析物的性质相匹配,才能保证溶剂对分析物有较强的萃取富集能力。另外还需要符合以下几点:①对直接 LPME 和 LPME/BE,溶剂与样品一定不能混溶或在样品中的溶解度非常小;②在进行后续仪器的分析时,溶剂必须易于与分析物分离;③如果使用多孔性的中空纤维,溶剂必须易于充满纤维壁上的孔穴;④在使用多孔性的中空纤维时,溶剂必须在较短的时间内(几秒)固定在纤维上;⑤对于顶空LPME,有机溶剂还需要有较高的沸点和较低的蒸气压,以减少在萃取过程中的挥发。液滴大小对分析的灵敏度的影响也很大。一般来说,液滴体积越大,分析物的萃取量越大,有利于提高方法的灵敏度。但由于分析物进入液滴是扩散过程,液滴体积越大,萃取速率越小,达到平衡所需的时间也就越长。
(2)搅拌速率是影响分析速度的重要因素。由于搅拌破坏了样品本体溶液与有机液滴之间的扩散层厚度,增加了分析物在液相中的扩散系数,提高了分析物向溶剂的扩散速率,缩短了达到平衡的时间,从而提高了萃取效率,但如果搅拌速率过快,有可能破坏萃取液滴。
(3)盐效应与 pH 值。由于分析物在有机溶剂和样品之间的分配系数受样品基体的影响,当样品基体发生变化时,分配系数也会随之发生变化。通过向样品中加入一些无机盐类(如NaCl、Na2SO4等),可以增加溶液的离子强度,增大分配系数,从而提高它们在有机相中的分配,这也是提高分析灵敏度的有效途径。控制溶液的 pH 值能够改变一些分析物在溶液中的存在形式,减少它们在水中的溶解度,增加它们在有机相中的分配。如在对酚类化合物进行 LPME/BE 时,控制较小的 pH 值,使溶液中的酚类化合物以分子形式存在,减少了其在水中的溶解度,从而提高了萃取率。
(4)温度的影响。一般来说,温度对液相微萃取有两方面的影响:升高温度,分析物向有机相的扩散系数增大,扩散速率随之增大,同时加强了对流过程,有利于缩短达到平衡的时间;但是,升温会使分析物的分配系数减小,导致其在溶剂中的萃取量减少。所以,实验时应兼顾萃取时间和萃取效果,寻找最佳的工作温度。
(5)萃取时间的影响。由于液相微萃取过程是一个基于分析物在样品与有机溶剂(或受体)之间分配平衡的过程,所以分析物在平衡时的萃取量将达到最大。对于分配系数较小的分析物,一般需要较长的时间才能达到平衡,所以,选择的萃取时间一般在平衡之前(非平衡)。在这种情况下,为保证得到较好的重现性,萃取时间必须严格控制。另外,萃取时间也会对有机液滴大小产生影响。虽然有机相在水中有较小的溶解度,但随着萃取时间的增加,体积本来就不大的有机液滴就会出现较为明显的损失。为了矫正这种变化,常在萃取溶剂中加入内标。
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