Vigtigheden af prøveforbehandling
Prøveforbehandling er et tidskrævende og fejlbehæftet trin i instrumentel analyse (især kromatografisk analyse). Kvaliteten af prøvebehandlingen påvirker direkte det endelige resultat af kromatografisk analyse. For at forbedre effektiviteten af analyse og bestemmelse er det derfor et vigtigt spørgsmål at forbedre og optimere prøveforberedelsesmetoderne og teknikkerne til kromatografisk analyse. Da nogle prøver tilhører komplekse matrixsystemer, der indeholder komponenter såsom proteiner, olier, kulhydrater, pigmenter osv., vil den komplekse matrixbaggrund give store problemer med ekstraktion, adskillelse, oprensning og bestemmelse af målforbindelserne, der skal analyseres. Derfor er prøveforbehandling ikke kun kompleks og vanskelig, men har også en afgørende rolle for nøjagtigheden, pålideligheden og følsomheden af analyseresultaterne.
Procentdel af prøveforbehandlingstidsforbrug
For LC/MS/MS meget følsomme instrumenter er korrekt prøveforbehandling afgørende for at reducere matrixinterferens og berige komponenter.
Principper for prøveforbehandling
Undgå kemiske ændringer i komponenter under tilberedning; forebygge og undgå forurening af forudbestemte komponenter; minimere introduktionen af irrelevante forbindelser i fremstillingsprocessen; og gør det så enkelt og nemt som muligt.
Formål med prøveforbehandling
Fjern partikler; reducere forstyrrende urenheder; koncentrere sporkomponenter; forbedre detektionsfølsomhed og selektivitet; forbedre separationseffekten; beskytte kromatografiske søjler og instrumenter; udskiftning af opløsningsmiddel.
Udviklingstendens for prøveforbehandling
▶Almindelig prøveforbehandling omfatter: Fordøjelsesmetode: en metode til at placere prøven med syre, oxidant, katalysator osv. i en tilbagesvalingsanordning eller en lukket anordning, opvarmning og nedbrydning og ødelæggelse af organisk materiale. Våd fordøjelsesmetode
1. Salpetersyrenedbrydningsmetode (til prøver med klarere vandig opløsning) 2. Salpetersyre-perchlorsyrefordøjelsesmetode (nedbrydning af prøver, der indeholder svært oxiderende organisk materiale) 3. Salpetersyre-svovlsyrefordøjelsesmetode (salpetersyre: svovlsyre)=5:2, ofte tilsætning af en lille mængde hydrogenperoxid) 4. Svovlsyre-phosphorsyre fordøjelsesmetode (hjælper med at eliminere interferensen af Fe3+-ioner under bestemmelsen) 5. Svovlsyre-kaliumpermanganat-fordøjelsesmetode (almindeligvis brugt til at bestemme prøver af kviksølv i vandig opløsning) 6. Salpetersyre-hydrogenperoxid-fordøjelsesmetode: Nogle folk bruger denne metode til at fordøje biologiske produkter for at bestemme nitrogen, fosfor, kalium, bor, arsen, fluor og andre grundstoffer 7. Multikomponent-fordøjelsesmetode: Et fordøjelsessystem med tre eller flere syrer eller oxidanter er påkrævet. Tøraskemetode (højtemperatur-nedbrydningsmetode)
1. Askemetoden bruger eller bruger ikke en lille mængde kemiske reagenser til at nedbryde prøver og kan håndtere større vejeprøver, så det er en fordel at forbedre nøjagtigheden af sporelementbestemmelsen. 2. Asketemperaturen er generelt 450-550 grad, hvilket ikke er egnet til behandling af prøver med flygtige komponenter, og asketiden er også relativt lang. 3. Afhængigt af prøvetypen og egenskaberne af de komponenter, der skal måles, vælges forskellige digler og asketemperaturer. Almindeligt anvendte digler er kvarts, platin, sølv, nikkel, jern, porcelæn, polytetrafluorethylen og andre egenskaber. Princippet er, at diglen ikke reagerer med prøven og er stabil ved forarbejdningstemperaturen. 4. Normalt tilsættes der ikke andre reagenser til de biologiske askeprøver, men for at fremme nedbrydning og hæmme fordampningstabet af visse grundstoffer tilsættes ofte en passende mængde hjælpeaskemiddel. Efter at prøven er fuldstændig forasket, opløses den i fortyndet salpetersyre eller saltsyre til analyse og bestemmelse.
Conventional pretreatment methods Extraction and enrichment 1. Extraction method 1. Oscillation extraction method (vegetables, fruits, grains) 2. Tissue crushing extraction (extracting organic pollutants from animal and plant tissues) 3. Soxhlet extraction (commonly used to extract organic pollutants such as pesticides, petroleum, phenylhydrazine and pyrene from biological and soil samples) 2. Volatilization and evaporation concentration The volatile separation method uses the high volatility of certain components or converts the components to be measured into volatile substances, and then uses inert gas to take them out to achieve the purpose of separation. Evaporation concentration refers to heating the water sample on a hot plate or in a water bath to slowly evaporate the water, so as to reduce the volume of the water sample and concentrate the components to be measured. 3. Distillation method uses the different boiling points of the components of the water sample to separate them from each other; when determining volatile phenols, cyanides, and fluorides in water samples, they must first be pre-distilled and separated in an acidic medium; distillation has three functions: digestion, enrichment, and separation. 4. Ion exchange method uses ion exchangers to exchange reactions with ions in the solution for separation. Ion exchangers can be divided into inorganic ion exchangers and organic ion exchangers (ion exchange resins). ㈤ Coprecipitation method: The phenomenon that a poorly soluble compound in a solution carries out certain coexisting trace components in the process of forming a precipitate. The principle of coprecipitation is based on surface adsorption, the formation of mixed crystals, the interaction and inclusion of heteroelectron nuclei colloidal substances, etc. 1. Coprecipitation separation using adsorption: Common carriers include Fe (OH) 3, Al (OH) 3, Mn (OH) 2 and sulfides, etc. 2. Coprecipitation separation using the formation of mixed crystals 3. Coprecipitation separation using organic coprecipitants ㈥ Adsorption method: Use porous solid adsorbents to adsorb one or several components in the water sample on the surface to achieve the purpose of separation. Commonly used adsorbents include activated carbon, alumina, molecular sieves, large mesh resins, etc. The polluted components adsorbed and enriched on the surface of the adsorbent can be desorbed by organic solvents or heated for determination. ㈦ Chromatography Chromatography is divided into column chromatography, thin layer chromatography, paper chromatography, etc., and adsorbents are divided into inorganic adsorbents and organic adsorbents. ㈧ Sulfonation and saponification Sulfonation: The interfering substances such as fats and waxes in the extract can undergo sulfonation reaction with concentrated sulfuric acid to generate highly polar sulfonic acid compounds, which are separated from the pesticides in the extract as the sulfuric acid layer separates. The sulfonation method uses the saponification reaction of oils and fats with strong alkali to generate fatty acid salts and separate them. ㈨ Low-temperature freezing method is based on the principle that the solubility of different substances in the same solvent varies with temperature to separate them from each other. ㈩ Principle of extraction: The distribution coefficient of substances in different solvent phases is different, so as to achieve the separation and enrichment of components. Types of conventional liquid-liquid extraction Extraction of organic substances: Organic substances separated in the aqueous phase are easily extracted by organic solvents Extraction of inorganic substances: First, a reagent is added to combine with the ionic components in the aqueous phase to generate a substance that is uncharged and easily soluble in organic solvents. The reagent, organic phase, and aqueous phase together form an extraction system. According to the different types of extractables generated, it can be divided into chelate extraction system, ion-association complex extraction system, ternary complex extraction system, and synergistic extraction system. Overview of solid phase extraction (SPE) It is developed by combining liquid-solid extraction and column liquid chromatography technology. SPE is a column chromatography separation process, which has many similarities with high performance liquid chromatography (HLPC) in terms of separation mechanism, stationary phase and solvent selection. The particle size of SPE filler (>40μm) er større end for HLPC (3-10μm). Derfor kan SPE kun bruges til at adskille forbindelser med meget forskellige retentionsegenskaber. SPE-teknologi med lav separationseffektivitet bruges hovedsageligt til at behandle prøver. Formålet med SPE er at fjerne stoffer, der interfererer med efterfølgende analyse, fra prøven; berige sporkomponenter og forbedre analytisk følsomhed; ændre prøveopløsningsmidlet, så det passer til analysemetoden; in-situ derivatisering; prøve afsaltning; og lette opbevaring og transport af prøver. Installation SPE-søjle: Fyldstofpartikelstørrelsen er forskellig fra HLPC-søjlefylderen, og resten er den samme. Den mest anvendte er C18-fasen. Denne type fyldstof er meget hydrofob og viser tilbageholdelse for det meste organisk stof i den vandige fase; andre materialer med forskellig selektivitet og retentionsegenskaber anvendes også. SPE-faser med aktive grupper eller belagt med aktive forbindelser kan bruges til at analysere derivatiseringsreaktioner. SPE disk: ligner meget membranfiltre. Skiveudtrækkeren er en PTFE-skive indeholdende fyldstof eller en glasfiberplade fyldt med fyldstof; fyldstoffet udgør omkring 60 % til 90 % af den samlede SPE-skive, og tykkelsen af skiven er omkring 1 mm. Forskellen fra førstnævnte er forholdet mellem lejetykkelse/diameter (L/d). Velegnet til at berige sporforurenende stoffer fra vand. Solid Phase Microextraction (SPME) Offline og Online SPE Offline SPE 1. SPE og analyse udføres uafhængigt, og SPE leverer kun passende prøver til efterfølgende analyse. 2. For at sikre tilstrækkelig kontakt mellem prøveopløsningen og fyldstoffet må opløsningsmiddelstrømmen ikke være for høj. 3. Det kan fuldføres med automatiserede instrumenter. Det automatiske SPE-instrument består af et kolonnestativ, en stempelpumpe, et væskereservoir, en rørledning og en prøveprocessor. Online SPE er også kendt som online oprensnings- og berigelsesteknologi, som hovedsageligt bruges til etablering af HLPC-analyse SPE-metode. Søjleforbehandlingsformål: 1. Fjern urenheder, der kan forekomme i fyldstoffet; 2. Solventiser fyldstoffet og forbedre reproducerbarheden af fastfaseekstraktion. Prøvetilsætning 1. For at forhindre tab af analytter bør prøveopløsningsmiddelkoncentrationen ikke være for høj; 2. Ved ekstraktion med omvendt fasemekanik anvendes vand eller buffer som opløsningsmiddel, og mængden af organisk opløsningsmiddel overstiger ikke 10 % (V/V); 3. For at overvinde tabet af analytter under prøvetilsætning kan svage opløsningsmidler bruges til at fortynde prøven, reducere prøvevolumenet, øge mængden af fyldstof i SPE-kolonnen og vælge adsorbenter, der har stærk tilbageholdelse af analytten. Eluering og opsamling af analytter (et andet tilfælde er, at urenheder tilbageholdes, mens analytter passerer gennem søjlen) (Fastfaseekstraktion med faste dispersionsmedier) 1. For omvendt faseekstraktionskolonner er renseopløsningsmidlet vand eller buffer indeholdende en passende koncentration af organisk materiale opløsningsmiddel; 2. For at bestemme den optimale koncentration og volumen af renseopløsningsmidlet, tilsæt prøven til SPE-søjlen, rengør den med 5 til 10 gange volumen af SPE-kolonnelejet, opsaml og analyser efter tur spildevandet og opnå elueringsprofilen af renseopløsningsmidlet til analytten. Øg styrken af renseopløsningsmidlet igen, og bestem den passende styrke og volumen af renseopløsningsmidlet i henhold til analyttens elueringsprofil ved forskellige styrker; 3. Formål med eluering og opsamling: at fuldstændigt eluere analytten og opsamle den i den mindste volumenfraktion, mens der bibeholdes så mange urenheder som muligt, der tilbageholdes stærkere end analytten på SPE-søjlen; 4. For at øge koncentrationen af analytten eller justere opløsningsmidlets egenskaber til efterfølgende analyse, kan den opsamlede analytfraktion blæses tør med nitrogen og derefter opløses i et lille volumen opløsningsmiddel. Anvendelse af SPE-miljøanalyse 1. Koncentrationen af analytter i miljøprøver såsom overfladevand er meget lav, og analytten skal beriges før analyse. 2. Sammensætningen af biologiske væsker er kompleks og indeholder en stor mængde protein. Før analyse skal prøven forbehandles for at fjerne proteinet. Lægemiddelanalyse Klinisk analyse Mad- og drikkevareanalyse Fastfasemikroekstraktion (SPME) Fastfasemikroekstraktion integrerer "prøveudtagning, ekstraktion, koncentration og injektion" og kan bruges i forbindelse med gaskromatografi eller højtydende væskekromatografi til prøveforbehandlingsteknologi. Fastfase mikroekstraktionsteori Ligevægtsteori: Under adsorptionsprocessen etableres en adsorptionsligevægt mellem den faste og flydende eller gasfase. Inden for et vist tidsrum, på grund af den langsomme masseoverførselsproces, er ligevægten ikke helt nået. Selektiviteten af ekstraktion af belægningsmateriale afhænger hovedsageligt af belægningsmaterialets ydeevne. Ifølge princippet om, at analytten let ekstraheres af en fast fase med lignende polaritet, vælges en passende SPE-coating. De mest almindeligt anvendte stoffer til fastfasebelægninger er polymethylsiloxan (PDMS) og polyacrylat (PA), som begge kan anvendes til gaskromatografi og væskekromatografi. Førstnævnte bruges mest til ikke-polære forbindelser såsom flygtige forbindelser, polycykliske aromatiske carbonhydrider og aromatiske carbonhydrider, og sidstnævnte bruges mest til polære forbindelser såsom triaziner og phenolforbindelser. Fastfaselaget kan coates på kvartsfiberen i en ikke-bundet, bundet eller delvist tværbundet form. Tilføjelse af nogle polymerer til belægningen kan øge overfladearealet af belægningen og forbedre effektiviteten af SPME. 1. Polydimethylsiloxan-divinylbenzen (PDMS-DVB), brugt til aromatiske kulbrinter og flygtige forbindelser. 2. Polyethylenglycol-divinylbenzen (CW-DVB), brugt til polære forbindelser såsom alkoholer. 3. Polyethylenglycol-skabelonharpiks (CW-TPR), brugt til ioniserede overfladeaktive stoffer 4. Kvartsfiber belagt med grafit carbon black, brugt til at analysere spor forurenende stoffer i vand og luft. 5. Etablering af kulstofnanorør- og titandioxid-nanorørmetoder 1. Oprethold konsistensen af prøveudtagningsbetingelserne. 2. Faktorer, der påvirker prøveudtagningen, omfatter prøveudtagningstid, temperatur, fiberdybde osv. 3. Oprethold et lineært forhold mellem responsværdien og den initiale koncentration af analytten. Prøvekoncentrationen må ikke være for høj, og prøvevolumenet må ikke være for lille, således at ekstraktionen er inden for det lineære område af adsorptionsisotermen. 4. Tilsætning af elektrolytter til prøven kan øge opløsningens ionstyrke og derved reducere opløseligheden af analytten og forbedre ekstraktionseffektiviteten; ændring af prøvens pH har en større effekt på ekstraktionshastigheden af sure og basiske stoffer. Bemærk: Effekten af at tilsætte salt i mikroekstraktion er nogle gange anderledes end ved konventionel væske-væske ekstraktion, og de eksperimentelle betingelser skal optimeres. 5. Omrøring kan forkorte ekstraktionstiden. Mikrobølgeekstraktion (MAE) Mikrobølgeekstraktion har kort ekstraktionstid, god selektivitet, høj genvindingshastighed, lavt reagensforbrug, lav forurening, kan bruge vand som ekstraktionsmiddel og kan automatisk kontrollere prøveforberedelsesbetingelserne; det har færre anvendelser og bruges i øjeblikket til udvinding af polycykliske aromatiske kulbrinter, pesticidrester, organometalliske forbindelser, aktive ingredienser i planter, skadelige stoffer, metaller i mineraler, lægemidler i blod og pesticidrester i biologiske prøver. Principper og karakteristika for mikrobølgeekstraktionsmetoder Absorber mikrobølger (vand, ethanol, syre, alkali og salte) Høj effektivitet af mikrobølgeekstraktion: 1. Direkte virkning af mikrobølger på de adskilte stoffer; 2. Det er mere fordelagtigt at anvende polære opløsningsmidler end ikke-polære opløsningsmidler til mikrobølgeekstraktion; 3. Brugen af lukkede beholdere gør det muligt at udføre mikrobølgeekstraktion ved en temperatur, der er meget højere end opløsningsmidlets kogepunkt, hvilket væsentligt forbedrer effektiviteten af mikrobølgeekstraktion. udstyr og metoder (hovedkomponenterne er specielt fremstillede mikrobølgeopvarmningsanordninger, ekstraktionsbeholdere og tryk- og temperaturstyringsanordninger udstyret i henhold til forskellige krav) Multi-cavity 2450MHz: Flere prøver kan fremstilles på én gang, det er nemt at kontrollere ekstraktionsforholdene, og ekstraktionen er hurtig. Konventionel mikrobølgeekstraktionsmetode: Bland polære opløsningsmidler eller en blanding af polære opløsningsmidler og ikke-polære opløsningsmidler med de ekstraherede prøver, anbring dem i mikrobølgeprøveforberedelsesbeholdere og opvarm dem i et mikrobølgeprøveforberedelsessystem i lukket tilstand. Styr ekstraktionstrykket eller temperaturen og tiden i henhold til kravene til de ekstraherede komponenter; ved slutningen af opvarmningen filtreres prøven, og filtratet måles direkte eller måles efter tilsvarende behandling. Under normale omstændigheder er opvarmningstiden for mikrobølgeekstraktion omkring 5 til 10 minutter. Det samlede volumen af ekstraktionsopløsningsmidlet og prøven må ikke overstige 1/3 af prøveforberedelsesbægerets volumen. Single-mode fokusering 2450MHz: Der kræves ingen tryk- og temperaturkontrol, prøveforberedelsesvolumenet er stort, kun én prøve kan forberedes ad gangen, og ekstraktionstiden er lang. Superkritisk væskeudvinding (SCF)
Superkritisk væske (SCF) er en væske, hvis temperatur og tryk begge er højere end det kritiske punkt. Dens egne karakteristika er: 1. Dens diffusionskoefficient er mindre end gassens, men en størrelsesorden højere end væskens; 2. Dens viskositet er tæt på gassens; 3. Dens massefylde ligner væskens, og en lille ændring i tryk kan føre til en betydelig ændring i dens massefylde; 4. Ændringer i tryk eller temperatur kan føre til faseændringer. Grundprincip I superkritisk tilstand bringes den superkritiske væske i kontakt med stoffet, der skal separeres, så den selektivt kan udtrække komponenterne polaritet, kogepunkt og relativ molekylmasse på skift, og densiteten og dielektricitetskonstanten for den superkritiske væske stiger. med stigningen af trykket i det lukkede system, og polariteten stiger. Komponenterne med forskellige polariteter kan udtrækkes trin for trin ved at bruge programboost. Opløseligheden af superkritisk CO2: 1. Lipofile og lavtkogende komponenter kan ekstraheres ved lavt tryk (104kPa); 2. Jo flere polære grupper en forbindelse har, jo sværere er den at udvinde; 3. Jo højere den relative molekylmasse af forbindelsen er, jo sværere er den at udvinde. Modifikator CO2 er et ikke-polært opløsningsmiddel, og generelt tilsættes et polært opløsningsmiddel for at forbedre dets opløselighed i CO2, så det kaldes en modifikator. De mere almindeligt anvendte er methanol, acetone, ethanol, ethylacetat osv. Effekten af modificeringsmidlet er begrænset. Mens det ændrer opløseligheden af den superkritiske væske, vil det også svække ekstraktionssystemets indfangningseffekt, hvilket resulterer i en stigning i co-ekstrakter, som kan interferere med analytisk bestemmelse. Mængden af anvendt modificeringsmiddel bør være lille, generelt ikke overstige 5%. Anvendelsen af superkritisk væskeekstraktionsteknologi har store fordele ved ekstraktion af naturlige stoffer; den kan bruges sammen med GC, IR, MS, LC osv. for at blive en effektiv analysemetode.
