Viktigheten av prøveforbehandling
Prøveforbehandling er et tidkrevende og feilutsatt trinn i instrumentell analyse (spesielt kromatografisk analyse). Kvaliteten på prøvebehandlingen påvirker direkte det endelige resultatet av kromatografisk analyse. Derfor, for å forbedre effektiviteten av analyse og bestemmelse, er forbedring og optimalisering av prøveprepareringsmetodene og teknikkene for kromatografisk analyse et viktig tema. Siden noen prøver tilhører komplekse matrisesystemer, som inneholder komponenter som proteiner, oljer, karbohydrater, pigmenter, etc., vil den komplekse matrisebakgrunnen forårsake store problemer for ekstraksjon, separasjon, rensing og bestemmelse av målforbindelsene som skal analyseres. Derfor er prøveforbehandling ikke bare kompleks og vanskelig, men har også en avgjørende rolle for nøyaktigheten, påliteligheten og sensitiviteten til analyseresultatene.
Prosentandel av prøveforbehandlingstidsforbruk
For LC/MS/MS svært sensitive instrumenter er riktig prøveforbehandling avgjørende for å redusere matriseinterferens og berike komponenter.
Prinsipper for prøveforbehandling
Unngå kjemiske endringer i komponenter under tilberedning; forhindre og unngå forurensning av forhåndsbestemte komponenter; minimere introduksjonen av irrelevante forbindelser i forberedelsesprosessen; og gjør det så enkelt og enkelt som mulig.
Formål med prøveforbehandling
Fjern partikler; redusere forstyrrende urenheter; konsentrere sporkomponenter; forbedre deteksjonsfølsomhet og selektivitet; forbedre separasjonseffekten; beskytte kromatografiske kolonner og instrumenter; erstatning av løsemiddel.
Utviklingstrend av prøveforbehandling
▶Vanlig prøveforbehandling inkluderer: Fordøyelsesmetode: en metode for å plassere prøven med syre, oksidant, katalysator, etc. i en refluksenhet eller en lukket enhet, oppvarming og nedbrytning og ødeleggelse av organisk materiale. Våt fordøyelsesmetode
1. Nedbrytningsmetode for salpetersyre (for prøver med klarere vannløsninger) 2. Nedbrytningsmetode for salpetersyre-perklorsyre (nedbrytning av prøver som inneholder vanskelig å oksidere organisk materiale) 3. Nedbrytningsmetode for salpetersyre-svovelsyre (salpetersyre: svovelsyre)=5:2, ofte tilsetning av en liten mengde hydrogenperoksid) 4. Svovelsyre-fosforsyre fordøyelsesmetode (hjelper med å eliminere forstyrrelsen av Fe3+-ioner under bestemmelsen) 5. Svovelsyre-kaliumpermanganat-nedbrytningsmetode (vanligvis brukt til å bestemme kvikksølvprøver i vandig oppløsning) 6. Salpetersyre-hydrogenperoksid-nedbrytningsmetode: Noen folk bruker denne metoden til å fordøye biologiske produkter for å bestemme nitrogen, fosfor, kalium, bor, arsen, fluor og andre grunnstoffer 7. Multi-komponent fordøyelsesmetode: Et tre- eller flere syrer eller oksidant fordøyelsessystem er nødvendig. Tørr askemetode (høytemperaturspaltingsmetode)
1. Askemetoden bruker ikke eller bruker en liten mengde kjemiske reagenser for å dekomponere prøver, og kan håndtere større veieprøver, så det er fordelaktig å forbedre nøyaktigheten av sporelementbestemmelse. 2. Asketemperaturen er generelt 450-550 grader, noe som ikke egner seg for å behandle prøver med flyktige komponenter, og asketiden er også relativt lang. 3. I henhold til prøvetypen og egenskapene til komponentene som skal måles, velges forskjellige digler og asketemperaturer. Vanlig brukte digler er kvarts, platina, sølv, nikkel, jern, porselen, polytetrafluoretylen og andre egenskaper. Prinsippet er at digelen ikke reagerer med prøven og er stabil ved prosesstemperaturen. 4. Vanligvis tilsettes ingen andre reagenser til de foraskede biologiske prøvene, men for å fremme dekomponering og hemme fordampningstapet av visse elementer, tilsettes ofte en passende mengde ekstra askemiddel. Etter at prøven er fullstendig forasket, løses den i fortynnet salpetersyre eller saltsyre for 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 enn for HLPC (3-10μm). Derfor kan SPE bare brukes til å skille forbindelser med svært forskjellige retensjonsegenskaper. SPE-teknologi med lav separasjonseffektivitet brukes hovedsakelig til å behandle prøver. Formålet med SPE er å fjerne stoffer som forstyrrer etterfølgende analyse fra prøven; berike sporkomponenter og forbedre analytisk følsomhet; endre prøveløsningsmidlet for å matche analysemetoden; in-situ derivatisering; prøve avsalting; og lette lagring og transport av prøver. Installasjon SPE-kolonne: Fyllstoffpartikkelstørrelsen er forskjellig fra HLPC-kolonnefyllstoffet, og resten er den samme. Den mest brukte er C18-fasen. Denne typen fyllstoff er svært hydrofob og viser retensjon for det meste av organisk materiale i den vandige fasen; andre materialer med ulik selektivitet og retensjonsegenskaper brukes også. SPE-faser med aktive grupper eller belagt med aktive forbindelser kan brukes til å analysere derivatiseringsreaksjoner. SPE-disk: ligner veldig på membranfiltre. Skiveekstrakteren er en PTFE-skive som inneholder fyllstoff eller et glassfiberark lastet med fyllstoff; fyllstoffet utgjør ca. 60 % til 90 % av den totale SPE-skiven, og tykkelsen på skiven er ca. 1 mm. Forskjellen fra førstnevnte er forholdet mellom lagtykkelse/diameter (L/d). Egnet for å berike sporforurensninger fra vann. Solid Phase Microextraction (SPME) Offline og Online SPE Offline SPE 1. SPE og analyse utføres uavhengig, og SPE gir kun passende prøver for påfølgende analyse. 2. For å sikre tilstrekkelig kontakt mellom prøveløsningen og fyllstoffet, kan løsemiddelstrømmen ikke være for høy. 3. Det kan fullføres med automatiserte instrumenter. Det automatiske SPE-instrumentet består av et kolonnestativ, en stempelpumpe, et væskereservoar, en rørledning og en prøveprosessor. Online SPE er også kjent som online rense- og anrikningsteknologi, som hovedsakelig brukes til etablering av HLPC-analyse SPE-metoden Kolonneforbehandlingsformål: 1. Fjern urenheter som kan finnes i fyllstoffet; 2. Løsningsfør fyllstoffet og forbedre reproduserbarheten av fastfaseekstraksjon Prøvetilsetning 1. For å forhindre tap av analytter, bør prøveløsningsmiddelkonsentrasjonen ikke være for høy; 2. Ved ekstrahering med omvendt fasemekanikk brukes vann eller buffer som løsningsmiddel, og mengden organisk løsningsmiddel overstiger ikke 10 % (V/V); 3. For å overvinne tapet av analytter under prøvetilsetning, kan svake løsemidler brukes til å fortynne prøven, redusere prøvevolumet, øke mengden fyllstoff i SPE-kolonnen og velge adsorbenter som har sterk retensjon av analytten. Eluering og oppsamling av analytter (et annet tilfelle er at urenheter holdes tilbake mens analytter passerer gjennom kolonnen) (Fastfaseekstraksjon med faste dispersjonsmedier) 1. For reversfaseekstraksjonskolonner er renseløsningsmidlet vann eller buffer som inneholder en passende konsentrasjon av organisk løsemiddel; 2. For å bestemme den optimale konsentrasjonen og volumet av renseløsningsmidlet, tilsett prøven til SPE-kolonnen, rengjør den med 5 til 10 ganger volumet til SPE-kolonnesjiktet, samle opp og analyser avløpet etter tur, og oppnå elueringsprofilen av rensemiddelet for analytten. Øk styrken på renseløsningsmidlet etter tur, og bestem passende styrke og volum av renseløsningsmidlet i henhold til elueringsprofilen til analytten ved forskjellige styrker; 3. Formål med eluering og oppsamling: å fullstendig eluere analytten og samle den i den minste volumfraksjonen, mens man beholder så mange urenheter som mulig som er sterkere tilbakeholdt enn analytten på SPE-kolonnen; 4. For å øke konsentrasjonen av analytten eller justere løsningsmiddelegenskapene for påfølgende analyse, kan den oppsamlede analyttfraksjonen blåses tørr med nitrogen og deretter oppløses i et lite volum løsemiddel. Anvendelse av SPE-miljøanalyse 1. Konsentrasjonen av analytter i miljøprøver som overflatevann er svært lav, og analytten må anrikes før analyse. 2. Sammensetningen av biologiske væsker er kompleks og inneholder en stor mengde protein. Før analyse må prøven forbehandles for å fjerne proteinet. Legemiddelanalyse Klinisk analyse Mat- og drikkeanalyse Fastfasemikroekstraksjon (SPME) Fastfasemikroekstraksjon integrerer "prøvetaking, ekstraksjon, konsentrasjon og injeksjon" og kan brukes sammen med gasskromatografi eller høyytelses væskekromatografi for prøveforbehandlingsteknologi. Fastfase mikroekstraksjonsteori Likevektsteori: Under adsorpsjonsprosessen etableres en adsorpsjonslikevekt mellom fast og flytende eller gassfase. Innen en viss tidsperiode, på grunn av den langsomme masseoverføringsprosessen, er ikke likevekten helt nådd. Selektiviteten til utvinning av beleggsmateriale avhenger hovedsakelig av ytelsen til beleggmaterialet. I henhold til prinsippet om at analytten lett kan ekstraheres av en fast fase med lignende polaritet, velges et passende SPE-belegg. De mest brukte stoffene for fastfasebelegg er polymetylsiloksan (PDMS) og polyakrylat (PA), som begge kan brukes til gasskromatografi og væskekromatografi. Førstnevnte brukes mest for ikke-polare forbindelser som flyktige forbindelser, polysykliske aromatiske hydrokarboner og aromatiske hydrokarboner, og sistnevnte brukes mest for polare forbindelser som triaziner og fenolforbindelser. Fastfaselaget kan belegges på kvartsfiberen i en ikke-bundet, bundet eller delvis tverrbundet form. Tilsetning av noen polymerer til belegget kan øke overflaten til belegget og forbedre effektiviteten til SPME. 1. Polydimetylsiloksan-divinylbenzen (PDMS-DVB), brukt for aromatiske hydrokarboner og flyktige forbindelser. 2. Polyetylenglykol-divinylbenzen (CW-DVB), brukt for polare forbindelser som alkoholer. 3. Polyetylenglykol-malharpiks (CW-TPR), brukt for ioniserte overflateaktive stoffer. 5. Etablering av metoder for nanorør av karbon og titandioksid 1. Oppretthold konsistensen av prøvetakingsforholdene. 2. Faktorer som påvirker prøvetakingen inkluderer prøvetakingstid, temperatur, fiberdybde osv. 3. Oppretthold et lineært forhold mellom responsverdien og den initiale konsentrasjonen av analytten. Prøvekonsentrasjonen kan ikke være for høy og prøvevolumet kan ikke være for lite, slik at ekstraksjonen er innenfor det lineære området til adsorpsjonsisotermen. 4. Tilsetning av elektrolytter til prøven kan øke ionestyrken til løsningen, og dermed redusere løseligheten til analytten og forbedre ekstraksjonseffektiviteten; endring av pH i prøven har større effekt på ekstraksjonshastigheten til sure og alkaliske stoffer. Merk: Effekten av å tilsette salt i mikroekstraksjon er noen ganger forskjellig fra konvensjonell væske-væskeekstraksjon, og de eksperimentelle forholdene må optimaliseres. 5. Omrøring kan forkorte ekstraksjonstiden. Mikrobølgeekstraksjon (MAE) Mikrobølgeekstraksjon har kort ekstraksjonstid, god selektivitet, høy utvinningsgrad, lav reagensbruk, lav forurensning, kan bruke vann som ekstraksjonsmiddel, og kan automatisk kontrollere prøveprepareringsforholdene; den har færre bruksområder og brukes i dag i utvinning av polysykliske aromatiske hydrokarboner, plantevernmiddelrester, organometalliske forbindelser, aktive ingredienser i planter, skadelige stoffer, metaller i mineraler, legemidler i blod og sprøytemiddelrester i biologiske prøver. Prinsipper og egenskaper ved mikrobølgeekstraksjonsmetoder Absorber mikrobølger (vann, etanol, syre, alkali og salter) Høy effektivitet av mikrobølgeekstraksjon: 1. Direkte virkning av mikrobølger på de separerte stoffene; 2. Det er mer fordelaktig å bruke polare løsningsmidler enn ikke-polare løsningsmidler for mikrobølgeekstraksjon; 3. Bruken av lukkede beholdere gjør at mikrobølgeekstraksjon kan utføres ved en temperatur som er mye høyere enn kokepunktet til løsningsmidlet, noe som forbedrer effektiviteten til mikrobølgeekstraksjon betydelig. Reflektere mikrobølger (metalliske stoffer) Overføre mikrobølger (ikke-polare stoffer) Mikrobølgeekstraksjon utstyr og metoder (hovedkomponentene er spesialproduserte mikrobølgeoppvarmingsenheter, ekstraksjonsbeholdere og trykk- og temperaturkontrollenheter utstyrt i henhold til ulike krav) Multi-cavity 2450MHz: Flere prøver kan forberedes på en gang, det er enkelt å kontrollere ekstraksjonsforholdene, og ekstraksjonen er rask. Konvensjonell mikrobølgeekstraksjonsmetode: Bland polare løsningsmidler eller en blanding av polare løsningsmidler og ikke-polare løsningsmidler med de ekstraherte prøvene, legg dem i prøvebeholdere for mikrobølger og varm dem opp i et prøveklargjøringssystem for mikrobølger i lukket tilstand. Kontroller ekstraksjonstrykket eller temperaturen og tiden i henhold til kravene til de ekstraherte komponentene; ved slutten av oppvarmingen, filtrer prøven, og filtratet måles direkte, eller måles etter tilsvarende behandling. Under normale omstendigheter er oppvarmingstiden for mikrobølgeekstraksjon ca. 5 til 10 minutter. Det totale volumet av ekstraksjonsløsningsmiddelet og prøven skal ikke overstige 1/3 av volumet av prøveklargjøringskoppen. Enkeltmodusfokusering 2450MHz: Ingen trykk- og temperaturkontroll er nødvendig, prøveprepareringsvolumet er stort, kun én prøve kan tilberedes om gangen, og ekstraksjonstiden er lang. Superkritisk væskeekstraksjon (SCF)
Superkritisk væske (SCF) er en væske hvis temperatur og trykk begge er høyere enn det kritiske punktet. Dens egne egenskaper er: 1. Dens diffusjonskoeffisient er mindre enn gass, men én størrelsesorden høyere enn væske; 2. Dens viskositet er nær den for gass; 3. Dens tetthet er lik væskens, og en liten endring i trykk kan føre til en betydelig endring i tettheten; 4. Endringer i trykk eller temperatur kan føre til faseendringer. Grunnprinsipp I superkritisk tilstand bringes det superkritiske fluidet i kontakt med stoffet som skal separeres, slik at det selektivt kan trekke ut komponentene polaritet, kokepunkt og relativ molekylmasse etter tur, og tettheten og dielektrisitetskonstanten til det superkritiske fluidet øker med økningen av trykket i det lukkede systemet, og polariteten øker. Komponentene med forskjellige polariteter kan trekkes ut trinnvis ved å bruke programforsterkning. Løseligheten til superkritisk CO2: 1. Lipofile og lavtkokende komponenter kan ekstraheres ved lavt trykk (104kPa); 2. Jo flere polare grupper en forbindelse har, desto vanskeligere er den å trekke ut; 3. Jo høyere den relative molekylmassen til forbindelsen er, desto vanskeligere er det å trekke ut. Modifikator CO2 er et ikke-polart løsningsmiddel, og generelt tilsettes et polart løsningsmiddel for å forbedre løseligheten i CO2, så det kalles en modifikator. De mest brukte er metanol, aceton, etanol, etylacetat, etc. Effekten av modifiseringsmidlet er begrenset. Mens det endrer løseligheten til det superkritiske fluidet, vil det også svekke fangsteffekten til ekstraksjonssystemet, noe som resulterer i en økning i ko-ekstrakter, noe som kan forstyrre analytisk bestemmelse. Mengden av modifiseringsmiddel som brukes bør være liten, vanligvis ikke overstige 5 %. Anvendelsen av superkritisk væskeekstraksjonsteknologi har store fordeler ved utvinning av naturlige stoffer; den kan brukes sammen med GC, IR, MS, LC, etc. for å bli en effektiv analysemetode.
