Bedeutung der Probenvorbehandlung
Die Probenvorbehandlung ist ein zeitaufwändiger und fehleranfälliger Schritt in der instrumentellen Analyse (insbesondere der chromatographischen Analyse). Die Qualität der Probenbehandlung hat direkten Einfluss auf das Endergebnis der chromatographischen Analyse. Um die Effizienz der Analyse und Bestimmung zu verbessern, ist daher die Verbesserung und Optimierung der Probenvorbereitungsmethoden und -techniken für die chromatographische Analyse ein wichtiges Thema. Da einige Proben zu komplexen Matrixsystemen gehören, die Komponenten wie Proteine, Öle, Kohlenhydrate, Pigmente usw. enthalten, verursacht der komplexe Matrixhintergrund große Probleme bei der Extraktion, Trennung, Reinigung und Bestimmung der zu analysierenden Zielverbindungen. Daher ist die Probenvorbehandlung nicht nur komplex und schwierig, sondern spielt auch eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Sensitivität der Analyseergebnisse.
Prozentsatz des Zeitaufwands für die Probenvorbehandlung
Bei hochempfindlichen LC/MS/MS-Instrumenten ist eine ordnungsgemäße Probenvorbehandlung von entscheidender Bedeutung, um Matrixinterferenzen zu reduzieren und Komponenten anzureichern.
Prinzipien der Probenvorbehandlung
Vermeiden Sie chemische Veränderungen der Komponenten während der Zubereitung; Verhindern und vermeiden Sie die Kontamination vorgegebener Komponenten; die Einführung irrelevanter Verbindungen in den Herstellungsprozess minimieren; und machen Sie es so einfach und unkompliziert wie möglich.
Zweck der Probenvorbehandlung
Partikel entfernen; störende Verunreinigungen reduzieren; Spurenbestandteile konzentrieren; Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit und Selektivität; Verbesserung der Trennwirkung; chromatographische Säulen und Instrumente schützen; Lösungsmittelersatz.
Entwicklungstrend der Probenvorbehandlung
▶Übliche Probenvorbehandlung umfasst: Aufschlussmethode: eine Methode, bei der die Probe mit Säure, Oxidationsmittel, Katalysator usw. in ein Rückflussgerät oder ein geschlossenes Gerät gegeben wird, um organisches Material zu erhitzen und zu zersetzen und zu zerstören. Nassaufschlussmethode
1. Salpetersäure-Aufschlussmethode (für klarere wässrige Lösungsproben) 2. Salpetersäure-Perchlorsäure-Aufschlussmethode (Aufschluss von Proben, die schwer zu oxidierende organische Stoffe enthalten) 3. Salpetersäure-Schwefelsäure-Aufschlussmethode (Salpetersäure: Schwefelsäure).=5:2, oft unter Zugabe einer kleinen Menge Wasserstoffperoxid) 4. Schwefelsäure-Phosphorsäure-Aufschlussmethode (hilft, die Störung von Fe3+ zu beseitigen Ionen während der Bestimmung) 5. Schwefelsäure-Kaliumpermanganat-Aufschlussmethode (wird üblicherweise zur Bestimmung wässriger Quecksilberlösungsproben verwendet) 6. Salpetersäure-Wasserstoffperoxid-Aufschlussmethode: Einige Leute verwenden diese Methode, um biologische Produkte aufzuschließen, um Stickstoff, Phosphor und Kalium zu bestimmen , Bor, Arsen, Fluor und andere Elemente 7. Mehrkomponenten-Aufschlussmethode: Ein Aufschlusssystem mit drei oder mehr Säuren oder Oxidationsmitteln ist erforderlich. Trockenasche-Methode (Hochtemperatur-Zersetzungsmethode)
1. Die Aschemethode verwendet keine oder nur eine geringe Menge chemischer Reagenzien zum Zersetzen von Proben und kann größere Wägeproben verarbeiten. Daher ist es vorteilhaft, die Genauigkeit der Spurenelementbestimmung zu verbessern. 2. Die Veraschungstemperatur beträgt im Allgemeinen 450-550 Grad, was für die Verarbeitung von Proben mit flüchtigen Bestandteilen nicht geeignet ist, und die Veraschungszeit ist auch relativ lang. 3. Je nach Art der Probe und den Eigenschaften der zu messenden Komponenten werden unterschiedliche Tiegel und Veraschungstemperaturen ausgewählt. Häufig verwendete Tiegel sind Quarz, Platin, Silber, Nickel, Eisen, Porzellan, Polytetrafluorethylen und andere Eigenschaften. Das Prinzip besteht darin, dass der Tiegel nicht mit der Probe reagiert und bei der Verarbeitungstemperatur stabil ist. 4. Normalerweise werden den veraschtenden biologischen Proben keine anderen Reagenzien zugesetzt. Um jedoch die Zersetzung zu fördern und den Verflüchtigungsverlust bestimmter Elemente zu hemmen, wird häufig eine angemessene Menge eines zusätzlichen Veraschungsmittels zugesetzt. Nachdem die Probe vollständig verascht ist, wird sie zur Analyse und Bestimmung in verdünnter Salpetersäure oder Salzsäure gelöst.
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 (>40 μm) ist größer als die von HLPC (3-10 μm). Daher können mit der SPE nur Verbindungen mit sehr unterschiedlichen Retentionseigenschaften getrennt werden. Die SPE-Technologie mit geringer Trennleistung wird hauptsächlich zur Probenverarbeitung eingesetzt. Der Zweck der SPE besteht darin, Substanzen aus der Probe zu entfernen, die die nachfolgende Analyse stören. Anreicherung von Spurenbestandteilen und Verbesserung der analytischen Empfindlichkeit; Ändern Sie das Probenlösungsmittel, um es an die Analysemethode anzupassen. In-situ-Derivatisierung; Probenentsalzung; und erleichtern die Lagerung und den Transport von Proben. Installation der SPE-Säule: Die Füllstoffpartikelgröße unterscheidet sich vom HLPC-Säulenfüller, der Rest ist gleich. Am häufigsten wird die C18-Phase verwendet. Diese Art von Füllstoff ist stark hydrophob und hält die meisten organischen Stoffe in der wässrigen Phase zurück; Es werden auch andere Materialien mit unterschiedlichen Selektivitäts- und Retentionseigenschaften verwendet. SPE-Phasen mit aktiven Gruppen oder beschichtet mit Wirkstoffen können zur Analyse von Derivatisierungsreaktionen verwendet werden. SPE-Scheibe: Membranfiltern sehr ähnlich. Der Scheibenextraktor ist eine mit Füllstoff gefüllte PTFE-Scheibe oder eine mit Füllstoff beladene Glasfaserplatte; Der Füllstoff macht etwa 60 bis 90 % der gesamten SPE-Scheibe aus und die Dicke der Scheibe beträgt etwa 1 mm. Der Unterschied zum ersteren ist das Verhältnis von Bettdicke zu Durchmesser (L/d). Geeignet zur Anreicherung von Spurenschadstoffen aus Wasser. Festphasen-Mikroextraktion (SPME) Offline- und Online-SPE Offline-SPE 1. SPE und Analyse werden unabhängig voneinander durchgeführt und SPE stellt nur geeignete Proben für die anschließende Analyse bereit. 2. Um einen ausreichenden Kontakt zwischen Probenlösung und Füllstoff zu gewährleisten, darf der Lösungsmittelfluss nicht zu hoch sein. 3. Es kann durch automatisierte Instrumente vervollständigt werden. Das automatische SPE-Gerät besteht aus einem Säulengestell, einer Kolbenpumpe, einem Flüssigkeitsreservoir, einer Rohrleitung und einem Probenprozessor. Online-SPE ist auch als Online-Reinigungs- und Anreicherungstechnologie bekannt und wird hauptsächlich zur Etablierung der HLPC-Analyse-SPE-Methode verwendet. Zweck der Säulenvorbehandlung: 1. Entfernen Sie möglicherweise im Füllstoff vorhandene Verunreinigungen. 2. Lösen Sie den Füllstoff und verbessern Sie die Reproduzierbarkeit der Festphasenextraktion. Probenzugabe 1. Um den Verlust von Analyten zu verhindern, sollte die Lösungsmittelkonzentration der Probe nicht zu hoch sein. 2. Bei der Extraktion mit Umkehrphasenmechanik wird Wasser oder Puffer als Lösungsmittel verwendet und die Menge des organischen Lösungsmittels überschreitet nicht 10 % (V/V); 3. Um den Verlust von Analyten während der Probenzugabe auszugleichen, können schwache Lösungsmittel verwendet werden, um die Probe zu verdünnen, das Probenvolumen zu reduzieren, die Füllmenge in der SPE-Säule zu erhöhen und Adsorbentien auszuwählen, die den Analyten stark zurückhalten. Elution und Sammlung von Analyten (ein anderer Fall ist, dass Verunreinigungen zurückgehalten werden, während Analyten die Säule passieren) (Festphasenextraktion mit festen Dispersionsmedien) 1. Bei Umkehrphasenextraktionssäulen ist das Reinigungslösungsmittel Wasser oder Puffer mit einer geeigneten Konzentration an organischen Stoffen Lösungsmittel; 2. Um die optimale Konzentration und das optimale Volumen des Reinigungslösungsmittels zu bestimmen, geben Sie die Probe in die SPE-Säule, reinigen Sie sie mit dem 5- bis 10-fachen Volumen des SPE-Säulenbetts, sammeln und analysieren Sie nacheinander den Ausfluss und erhalten Sie das Elutionsprofil des Reinigungslösungsmittels für den Analyten. Erhöhen Sie nacheinander die Stärke des Reinigungslösungsmittels und bestimmen Sie die geeignete Stärke und das entsprechende Volumen des Reinigungslösungsmittels entsprechend dem Elutionsprofil des Analyten bei unterschiedlichen Stärken. 3. Zweck der Elution und Sammlung: den Analyten vollständig zu eluieren und in der kleinsten Volumenfraktion zu sammeln und dabei möglichst viele Verunreinigungen zurückzuhalten, die stärker zurückgehalten werden als der Analyt auf der SPE-Säule; 4. Um die Konzentration des Analyten zu erhöhen oder die Lösungsmitteleigenschaften für die nachfolgende Analyse anzupassen, kann die gesammelte Analytfraktion mit Stickstoff trockengeblasen und dann in einer kleinen Menge Lösungsmittel gelöst werden. Anwendung der SPE-Umweltanalyse 1. Die Konzentration von Analyten in Umweltproben wie Oberflächenwasser ist sehr gering und der Analyt muss vor der Analyse angereichert werden. 2. Die Zusammensetzung biologischer Flüssigkeiten ist komplex und enthält eine große Menge an Proteinen. Vor der Analyse muss die Probe vorbehandelt werden, um das Protein zu entfernen. Arzneimittelanalyse Klinische Analyse Lebensmittel- und Getränkeanalyse Festphasen-Mikroextraktion (SPME) Die Festphasen-Mikroextraktion integriert „Probenahme, Extraktion, Konzentration und Injektion“ und kann in Verbindung mit Gaschromatographie oder Hochleistungsflüssigkeitschromatographie für die Probenvorbehandlungstechnologie verwendet werden. Theorie der Festphasen-Mikroextraktion Gleichgewichtstheorie: Während des Adsorptionsprozesses stellt sich ein Adsorptionsgleichgewicht zwischen der festen und der flüssigen oder gasförmigen Phase ein. Innerhalb einer gewissen Zeitspanne wird aufgrund des langsamen Stoffübergangsprozesses das Gleichgewicht nicht vollständig erreicht. Die Selektivität der Beschichtungsmaterialextraktion hängt hauptsächlich von der Leistung des Beschichtungsmaterials ab. Nach dem Prinzip, dass der Analyt leicht durch eine feste Phase mit ähnlicher Polarität extrahiert werden kann, wird eine geeignete SPE-Beschichtung ausgewählt. Die am häufigsten verwendeten Substanzen für Festphasenbeschichtungen sind Polymethylsiloxan (PDMS) und Polyacrylat (PA), die beide für die Gaschromatographie und Flüssigkeitschromatographie verwendet werden können. Ersteres wird hauptsächlich für unpolare Verbindungen wie flüchtige Verbindungen, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und aromatische Kohlenwasserstoffe verwendet, und letzteres wird hauptsächlich für polare Verbindungen wie Triazine und Phenolverbindungen verwendet. Die Festphasenschicht kann in ungebundener, gebundener oder teilweise vernetzter Form auf die Quarzfaser aufgetragen werden. Das Hinzufügen einiger Polymere zur Beschichtung kann die Oberfläche der Beschichtung vergrößern und die Effizienz von SPME verbessern. 1. Polydimethylsiloxan-Divinylbenzol (PDMS-DVB), verwendet für aromatische Kohlenwasserstoffe und flüchtige Verbindungen. 2. Polyethylenglykol-Divinylbenzol (CW-DVB), verwendet für polare Verbindungen wie Alkohole. 3. Polyethylenglykol-Templatharz (CW-TPR), das für ionisierte Tenside verwendet wird. 4. Mit Graphitruß beschichtete Quarzfaser, die zur Analyse von Spurenschadstoffen in Wasser und Luft verwendet wird. 5. Etablierung von Kohlenstoff-Nanoröhren- und Titandioxid-Nanoröhren-Methoden 1. Aufrechterhaltung der Konsistenz der Probenahmebedingungen. 2. Zu den Faktoren, die die Probenahme beeinflussen, gehören Probenahmezeit, Temperatur, Fasertiefe usw. 3. Behalten Sie eine lineare Beziehung zwischen dem Antwortwert und der Anfangskonzentration des Analyten bei. Die Probenkonzentration darf nicht zu hoch und das Probenvolumen nicht zu klein sein, damit die Extraktion im linearen Bereich der Adsorptionsisotherme liegt. 4. Die Zugabe von Elektrolyten zur Probe kann die Ionenstärke der Lösung erhöhen, wodurch die Löslichkeit des Analyten verringert und die Extraktionseffizienz verbessert wird. Eine Änderung des pH-Werts der Probe hat einen größeren Einfluss auf die Extraktionsrate saurer und alkalischer Substanzen. Hinweis: Der Effekt der Salzzugabe bei der Mikroextraktion unterscheidet sich manchmal von dem der herkömmlichen Flüssig-Flüssig-Extraktion und die Versuchsbedingungen müssen optimiert werden. 5. Durch Rühren kann sich die Extraktionszeit verkürzen. Mikrowellenextraktion (MAE) Die Mikrowellenextraktion hat eine kurze Extraktionszeit, eine gute Selektivität, eine hohe Rückgewinnungsrate, einen geringen Reagenzienverbrauch, eine geringe Umweltverschmutzung, kann Wasser als Extraktionsmittel verwenden und kann die Probenvorbereitungsbedingungen automatisch steuern; Es hat weniger Anwendungen und wird derzeit bei der Extraktion von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Pestizidrückständen, metallorganischen Verbindungen, Wirkstoffen in Pflanzen, Schadstoffen, Metallen in Mineralien, Arzneimitteln im Blut und Pestizidrückständen in biologischen Proben verwendet. Prinzipien und Eigenschaften von Mikrowellenextraktionsverfahren Absorbieren Mikrowellen (Wasser, Ethanol, Säuren, Laugen und Salze) Hohe Effizienz der Mikrowellenextraktion: 1. Direkte Einwirkung von Mikrowellen auf die getrennten Substanzen; 2. Es ist vorteilhafter, für die Mikrowellenextraktion polare Lösungsmittel zu verwenden als unpolare Lösungsmittel. 3. Durch die Verwendung geschlossener Behälter kann die Mikrowellenextraktion bei einer Temperatur durchgeführt werden, die weit über dem Siedepunkt des Lösungsmittels liegt, wodurch die Effizienz der Mikrowellenextraktion erheblich verbessert wird. Mikrowellen (metallische Substanzen) reflektieren. Mikrowellen (unpolare Substanzen) übertragen. Mikrowellenextraktion Ausrüstung und Methoden (die Hauptkomponenten sind speziell hergestellte Mikrowellenheizgeräte, Extraktionsbehälter sowie Druck- und Temperaturkontrollgeräte, die entsprechend unterschiedlicher Anforderungen ausgestattet sind) Multi-Cavity 2450 MHz: Mehrere Proben können gleichzeitig vorbereitet werden, die Extraktionsbedingungen lassen sich leicht steuern und die Extraktion ist schnell. Herkömmliche Mikrowellen-Extraktionsmethode: Polare Lösungsmittel oder eine Mischung aus polaren und unpolaren Lösungsmitteln mit den extrahierten Proben mischen, in Mikrowellen-Probenvorbereitungsbehälter geben und in einem Mikrowellen-Probenvorbereitungssystem im geschlossenen Zustand erhitzen. Steuern Sie den Extraktionsdruck bzw. die Extraktionstemperatur und -zeit entsprechend den Anforderungen der extrahierten Komponenten. Am Ende des Erhitzens wird die Probe filtriert und das Filtrat direkt oder nach entsprechender Behandlung gemessen. Unter normalen Umständen beträgt die Erhitzungszeit der Mikrowellenextraktion etwa 5 bis 10 Minuten. Das Gesamtvolumen des Extraktionslösungsmittels und der Probe darf 1/3 des Volumens des Probenvorbereitungsbechers nicht überschreiten. Single-Mode-Fokussierung 2450 MHz: Es ist keine Druck- und Temperaturkontrolle erforderlich, das Probenvorbereitungsvolumen ist groß, es kann jeweils nur eine Probe vorbereitet werden und die Extraktionszeit ist lang. Extraktion überkritischer Flüssigkeiten (SCF)
Überkritische Flüssigkeiten (SCF) sind Flüssigkeiten, deren Temperatur und Druck über dem kritischen Punkt liegen. Seine eigenen Eigenschaften sind: 1. Sein Diffusionskoeffizient ist kleiner als der von Gas, aber eine Größenordnung höher als der von Flüssigkeit; 2. Seine Viskosität kommt der von Gas nahe; 3. Seine Dichte ähnelt der einer Flüssigkeit und eine geringfügige Druckänderung kann zu einer erheblichen Änderung der Dichte führen. 4. Druck- oder Temperaturänderungen können zu Phasenänderungen führen. Grundprinzip: Im überkritischen Zustand wird die überkritische Flüssigkeit mit der zu trennenden Substanz in Kontakt gebracht, so dass diese nacheinander die Komponenten Polarität, Siedepunkt und relative Molekülmasse selektiv extrahieren kann und die Dichte und Dielektrizitätskonstante der überkritischen Flüssigkeit zunehmen Mit zunehmendem Druck des geschlossenen Systems nimmt auch die Polarität zu. Die Komponenten unterschiedlicher Polarität können mit der Programmverstärkung Schritt für Schritt extrahiert werden. Die Löslichkeit von überkritischem CO2: 1. Lipophile und niedrigsiedende Komponenten können bei niedrigem Druck (104 kPa) extrahiert werden; 2. Je mehr polare Gruppen eine Verbindung hat, desto schwieriger ist sie zu extrahieren; 3. Je höher die relative Molekülmasse der Verbindung ist, desto schwieriger ist sie zu extrahieren. Modifikator CO2 ist ein unpolares Lösungsmittel, und im Allgemeinen wird ein polares Lösungsmittel hinzugefügt, um seine Löslichkeit in CO2 zu verbessern, weshalb es als Modifikator bezeichnet wird. Die am häufigsten verwendeten sind Methanol, Aceton, Ethanol, Ethylacetat usw. Die Wirkung des Modifikators ist begrenzt. Während sich die Löslichkeit der überkritischen Flüssigkeit ändert, wird dadurch auch der Einfangeffekt des Extraktionssystems geschwächt, was zu einem Anstieg der Koextrakte führt, was die analytische Bestimmung beeinträchtigen kann. Die Menge des verwendeten Modifikators sollte gering sein und im Allgemeinen 5 % nicht überschreiten. Der Einsatz der Extraktionstechnologie überkritischer Flüssigkeiten bietet große Vorteile bei der Extraktion natürlicher Substanzen; Es kann in Verbindung mit GC, IR, MS, LC usw. verwendet werden, um eine effiziente Analysemethode zu werden.
