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农药残留检测与样品前处理技术的发展趋势
2003年11月10日 来源:中国色谱网 责编:剡

 

一、概述

    农药是当前农业生产用于防治病、虫、杂草对农作物危害不可缺少的物质,对促进农业增产有极重要的作用。随着农业科学技术的发展,化学农药的品种和数量不断增加,已成为防治病虫害的主要手段。农药施用到农作物上以后,绝大部分因多种原因而转化,但作物内会残留有极少量的农药。长时间摄食残留农药会影响人体的健康,这就是农药残留量问题的由来。近年来,在茶叶、粮谷、蔬菜及水果种植中由于不少农户忽视农药的正确、合理使用,农药污染问题经常发生,农药残留量超标相当严重,并逐年加剧。而欧盟、美国、日本、加拿大等西方发达国家或地区,出于维护本国经济利益和保护人们健康的需要,相继对进口食品中农药残留量等卫生指标提出了愈来愈严格的要求。鉴于此,为保障我国人民的身体健康、有效控制农药在茶叶、粮谷、蔬菜和水果等生产中的合理使用和对其残留量进行监控,满足进出口贸易的需要,大力开展农药残留量检测技术以及相关的前处理技术的研究是非常必要的。

化学农药是一类复杂的有机化合物,根据其用途可以分为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂、杀螨剂、杀鼠剂、杀线虫剂。根据化学结构又可分为有机氯、有机磷、拟除虫菊酯杀虫剂,取代氯苯氧基酸或酯除草剂,氨基甲酸酯杀虫剂、除草剂和杀菌剂和有机杂环类杀菌剂、除草剂等。农药残留量分析需要测定各种样品中ug/g、ng/g、甚至pg/g量级的农药和/或代谢产物及降解产物。其分析过程一般包括取样、样品处理(提取、净化和衍生化)和测量,根据农药种类和样品基质的不同,上述各个步骤的复杂性有所不同。色谱方法常用于样品的净化和测量,以前较多采用填充柱气相色谱法(GC),现在则越来越多地使用毛细管气相色谱法(GC)和高效液相色谱法(HPLC),尤其在定性分析的气相色谱/质谱法(GC/MS)中,毛细管柱技术占绝对优势。电子捕获检测器(ECD)、火焰光度检测器(FPD)、氮磷检测器(NPD)是最常用的农药残留量分析的气相色谱检测器,质谱检测器(MSD)则是最通用和灵敏的检测器。各种进样方式,如分流、不分流、冷柱上进样技术和程序升温汽化进样技术都已应用于农药残留物分析。近年来,随着农药残留研究的不断深入,农药残留检测方法日趋完善,并向简单、快速、灵敏、多残留、低成本、易推广的方向发展。

     在检测技术方面,目前国际上已较多采用多残留检测技术和快速筛选检测技术  

传统的农残分析大多用来分析某一类农药的单一成分,多残留分析方法(Multi-Residue Analysis Method)不仅可以用于分析同一类农药中的不同成分,而且可以分析不同种类农药中的不同成分。前者称为选择性多残留分析方法(Selective Multi-Residue Analysis Method),后者称为多类多残留分析方法(Multi-class,Multi-Residue Analysis Method)。这方面,如英国中央科学实验室(CSL)开发了104种农药残留量同时检测的方法;德国科学研究协会开发了320种农药残留的多残留检测方法;美国FDA农药分析手册(PAM)的多残留方法可检测300多种农药;美国CDFA和荷兰卫生部都有较好的多残留同时检测方法和系统分析方法。这些方法,既可用于定量,又可进行确证。我国从上世纪90年代初开始研究和利用多残留分析方法,并相继推出了一系列国家标准。如国家标准GB/T17331-1998食品中有机磷和氨基甲酸酯类农药多种残留的测定和GB/T17332-1998食品中有机氯和拟除虫菊酯类农药残留的测定等,均可同时测定不同类型中的20多种农药残留。在我们的行业标准中SN/T0334-95多残留检测方法能同时检测22种农药残留量,秦皇岛局制定的《农产品中多种拟除虫菊酯残留量检验方法》已成为国际AOAC方法。在我局技术中心目前开发或采用的检测茶叶、蔬菜等样品中有机氯、有机磷、菊酯类农药以及一些杂环类农药的方法和本次研讨会将要学习和讨论的方法也大都是多残留检测方法。当然,我们现在的方法,在一次性检测农药的数量上和确证技术上与国际先进方法还存在不小的距离。

快速筛选检测技术方面,上个世纪六十年代就有人利用薄层色谱酶抑制法测定有机磷农药等残留量,检测限量为毫克级;八十年代开始,农药的酶抑制和免疫检测技术作为快速筛选检测方法受到许多发达国家的高度重视,并因此得到了快速发展。酶抑制、酶联免疫(ELISA)、放射免疫(RIA)、单克降抗体等技术由于可以避免假阴性,适宜于阳性率较低的大量样品检测,在农兽药残留检测中应用日益增多。我国在近十多年来也相继开展了农药残留酶抑制法和免疫法快速筛选检测方法研究,取得了一定的研究成果,系统内有广东检验检疫局研制了农药残留速测卡,但总体上应用不多,方法的灵敏度不高,试剂不够稳定。

     在样品前处理方面,现代色谱分析样品制备技术的发展趋势就是使处理样品的过程要简单、处理速度快、使用装置要小、引进的误差要小、对欲测定组分的选择性和回收率要高

目前,国际上较多使用固相萃取(SPE)、微波提取技术、凝胶层析(GPC)、加速溶剂提取(ASE)、基体分散固相萃取(MSPD)、超临界萃取(SFE)、固相微萃取技术。而我国目前主要采用传统的溶剂萃取,液液分配,柱层析净化,前处理方法自动化程度低、提取净化的效率不高,速度慢,环境污染严重。新开发的前处理技术其目的和结果就是要实现快速、有效、简单和自动化地完成分析样品制备过程。

  下面就农药残留检测中采用的气相色谱检测技术和前处理技术的新发展向各位做一些简单的介绍。

二、检测技术

1GC/MS GC/MS/MS技术  

质谱技术问世于1910年。传统的有四极质谱仪和飞行质谱仪。近年来又出现了串联质谱仪(MS/MS)傅里叶变换离子回旋共振质谱仪等。目前,GC/MS的发展方向是小型化(即台式GC/MS)、自动化(仪器调试、控制、数据处理)、高灵敏度和高稳定性。目前几种常见的离子源有电子轰击型离子源(EI)、化学电离源(CI源)、快原子轰击电离源(FAB源)、解析化学电离源(DCI)、大气压电离源(API源)等。电子轰击型离子源(EI)是有机质谱应用最广的常规型离子源;化学电离源(CI源)又称软电离技术,可获得准分子离子峰,是EI源的一个补充;大气压电离源(API源)主要用作液相色谱-质谱联用。

1GC/MS技术

气相色谱测定农药残留的基本原理是根据保留时间来判定待测组分。往往因为样品提取和净化等原因,可能会出现许多杂质峰。如果待测组分在保留时间内有一种或多种杂质峰出现,就可能被认为是待测组分,造成误判。GC/MS法不仅根据样品中待测组分在图谱上的保留时间,更主要是根据在此保留时间内残留农药裂解的特征离子碎片,由质谱仪按其分子量和分子结构对农药准确定性,并以此作为定量的依据,从而克服了由于未净化掉的杂质峰与农药保留时间重叠而造成将杂质峰误判为农药的缺点。GC/MS技术在农药残留检测中已有许多成功的应用实例,在此不多作介绍。但随着农药残留限量要求的进一步提高,以及样品基质的影响,这种技术的应用也受到了一定的限制。大家切记,GC/MS方法的灵敏度不是由标准溶液的信噪比提供的,而是由样品基质条件下的信噪比决定的。

2GC/MS/MS技术

比一级质谱具有优势的是以离子阱为质量分析器的离子阱串联质谱仪具有与大质谱相当的功能,可提高灵敏度,可对复杂基体中微量待测物进行测定,对一级质谱无法区分的化合物可进行进一步的确认,以及同分异构体的区分。在分析领域,离子阱串联质谱已成为今后台式小型GC/MS的发展方向之一。有机磷农药在各种农作物和环境样品中含量很低,目前利用GC/MS技术分析农作物和环境样品中的农药残留量越来越普遍,因为它能给出化合物的结构信息,有利于化合物的定性。但因一般样品中(如蔬菜、水果、茶叶等)的背景干扰较大,导致样品预处理的周期较长,而且回收率较难保证。而MS/MS技术的应用,为复杂样品中微量农药的定性、定量分析提供了新的途径。在分析韭菜中倍硫磷农药时,分别采用EI全扫描和MS/MS分析,在MS/MS 分析条件下,倍硫磷的信噪比相对于EI全扫描时提高了100多倍。此外,利用MS/MS分析的另一大特点是可以将在色谱上不能完全分开的共流出物利用时间编程和多通道检测将其分开。

目前,GC/MS/MS已在环境分析、食品分析等方面得到广泛的应用。该技术不仅适用于复杂基体混合物的定性分析,而且可以利用得到二级质谱结果进行定量。这是因为在两个前后串联的质谱/质谱仪中,前级质谱主要用于担任分离工作,在样品被电离后,它只允许被分析的目标化合物的母离子或特征离子碎片通过,经过碰撞裂解后,再由第二级质谱分析裂解后产生的离子碎片,利用MS/MS可以同时得到较低的检测限和良好的结构鉴定信息(1个母离子和2个或更多的的子离子)。与气相色谱检测器相比,传统的台式质谱仪(GC/MS)因灵敏度较低,其使用受到限制。而据文献报道,GC/MS/MS可在与传统气相色谱检测器相似的灵敏度下进行定性定量分析。原因是MS/MS在对离子检测前就排除了干扰,所以即使对复杂样本也可达到很高的灵敏度。它不需要重复进样就能定性,比选择性检测器有更高的可信性。在用传统的质谱仪分析较“脏”的样品时,因大量干扰的存在而不选择低于100amu的离子。因为许多样本的共存杂质含质量数低于100amu的离子;对检测器造成严重干扰,使被测物的碎片离子无法检出。在MS/MS中,子离子图谱中只有来自母离子的碎片离子,因此,低质量离子不受干扰,对结构鉴定更加有用。例如,建立乙酰甲胺磷分析方法时,即使质量数低至M/Z42,该离子由于不受干扰仍可作为定量分析离子。检测技术的发展已对残留量分析提出了更高的要求,即虽然传统中GC检测器可进行痕量分析并达到较低的检测限,但仍要求用MS作结构确证。因此任何实验室测定残留量的能力都会受到MS方法灵敏度的限制。选择离子检测(SIM)已被用于降低检测限。但是,SIM所收集的离子信息并不如全扫描丰富,不能认为是一个等同的结构分析。在大多数情况下,MS/MS的灵敏度相当于或低于GC选择性检测器的下限,并可在此水平上进行定量分析和真实的分子结构确证。美国纽约州农业署食品实验室已建立了一种用GC/MS/MS技术对水果、蔬菜和牛奶中100多种农药残留量进行检测、定量和结构确证的方法。这一方法可对浓度范围低至PPB水平的100多种农药进行准确的检测和鉴定。美国农业部的Beltsville农业研究中心利用GC/MS/MS技术分析了水果和蔬菜萃取物中22种农药残留物,得到良好的回收率和重现性,检出限小于2ng/g。当然,当前GC/MS/MS方法的局限性在于仅能检测目标分析物,很难一次进样分析大量化合物。王焕龙等报道了茶叶中有机氯农药残留量的气相色谱/串联质谱分析的研究报告,采用气相色谱串联质谱仪(GC/MS/MS)同时检测茶叶中51种有机氯农药。茶叶样品经二氯甲烷/水匀浆提取,用饱和氯化钠溶液分离水溶性色素杂质,再以弗罗里硅土(硅酸镁)固相萃取柱(SPE)净化,最后以GC/MS/MS检测分析,得到清晰的MS/MS质谱图,可去除茶叶背景值干扰,增加信噪比(S/N),适用于鉴定、确认分析极低浓度的定量分析。茶叶中色素相当多,样品经弗罗里硅土固相萃取柱(SPE)净化后,仍有色素杂质存在,会影响传统的GC/ECD分析,测定结果经常需要进一步用GC/MSGC/MS/MS做确证分析,如待测物浓度极低时,茶叶色素的背景值会干扰MS全扫描质谱图做对比分析。而以GC/MS/MS进行分析时,分析物经第一级MS电子轰击后,选择主要母离子或特征离子,以适当碰撞诱导解离(CID)能量做第二次MS电子轰击,产生清晰的MS/MS质谱图,大幅增加信噪比,可做低浓度确证分析。在该方法中,51种分析物可同时进入GC,通过非极性毛细管柱(如HP5-MS柱)分离,再进入MS做定性定量分析,其定量分析结果得到校正线性范围为0.05~5.0ug/ml,检测极限范围为0.001~0.2ug/ml(依据不同分析物而定)。在0.250.752.5ug/g添加量回收率中,得到平均回收率为70~120%之间。在实际茶叶样品试验中,经GC/ECD检测为阳性的样品,以GC/MS/MS进行确证和定量分析,大部分样品的GC/ECD分析值与GC/MS/MS分析结果一致。但有少部分样品,GC/ECD检测为假阳性。

 2GC/AED技术

虽然GC/MS在农药多残留分析中很受欢迎,但它仍有局限性。当采用选择离子检测(SIM)或串联质谱(MS/MS)时,方法开发较为耗时,且GC中任何保留时间的漂移都要求各个分析物的保留时间窗口相应移动。这些方法只能检测目标化合物表中所列的农药,还有几百种农药及代谢物可能检测不到。原子发射检测器(AED)是近年飞速发展起来的多元素检测器,它是利用等离子体做激发光源,使进入检测器的被测组分原子化,然后原子被激发至激发态,在跃迁至基态时发射出原子光谱。根据这些光谱的波长和强度即可进行定性和定量分析。所以,AED属光度学检测器。由于它是原子(或原子离子)而不是分子激发后发射光,故称为原子发射检测器。AED具有许多独特的性能和应用,如:

1AED可以以选择性和通用性两种方式工作:若用杂原子通道,AED可作为选择性检测器,且其选择性较其他气相色谱检测器(如ECDFPD等)更高,若用碳、氢通道,AED即为通用性检测器,且灵敏度高于FID

2AED对元素周期表中除氦以外的任何一种元素均可检测,属多元素检测器,可用于测定未知化合物的经验式和分子式;对未知物鉴定,AEDMSDFTIR的有力补充工具;

3、由于AED选择性强,可降低对复杂混合物高分辨分离的要求,对未完全分离峰也可分别检测;

4、由于AED的相对响应因子几乎是恒定的,不用标样也可准确定量。

 GC/AED的主要应用之一就是测定各种样品中的残留农药、杀虫剂和除草剂等。GC/AED的各元素选择性通道检测不仅能够解决化合物分离问题,而且可以立即判断出各种化学物质中的元素组成,大大简化了分析程序。有文献报道了一种用于筛选567种农药和可疑内分泌破坏物的方法。该筛选方法建立在保留时间锁定(RTL)的气相色谱新技术基础上,采用基于保留时间和元素含量或检测器响应的数据库检索。这一技术能将被分析物的鉴定缩小到仅有几种可能性的范围之内。进一步的确证则采用GC/MS或采用GC/AED计算化合物元素来完成。由于GC/AED的元素响应几乎与分子结构无关,不依赖于化合物的校准可用来定量所发现的所有农药。选择一种已知浓度的农药标准溶液加入到样品溶液中,获得有关元素的特征校正曲线,利用这些曲线来校正任何含一种或多种这些元素的化合物。因为GC/AED相当稳定,外标法可以取得满意的结果。利用这一方法已分析了许多种水果和蔬菜样品,具有多方面的适应性和潜在用途。农药几乎总是含有杂原子,并且一个分子中往往含有几个,最常见的杂原子有OPSNClBrFGCAED结合已证明是一种非常有用的农药筛选工具,因为它对农药化合物中发现的所有元素都有选择性。遗憾的是,由于种种原因,仪器制造商目前已经停止了这种检测器的生产。但我个人认为,应用这一技术检测农药残留量的方法,给我们带来很多启迪,值得借鉴,其中的一些技术还将做重点介绍。

3酶抑制和免疫检测技术

从二十世纪八十年代开始,农药的酶抑制和免疫检测技术作为快速筛选检测方法受到许多发达国家的高度重视, 成为农业生物技术领域一个重要分支,得到了快速发展。酶抑制、酶联免疫(ELISA)、放射免疫(RIA)、单克降抗体等技术由于可以避免假阴性,适宜于阳性率较低的大量样品检测,在农药残留检测中应用增多。如依据有机磷和氨基甲酸酯类农药抑制生物体内乙酰胆碱酯酶的活性来检测上述两类农药的残留。

酶抑制和免疫检测技术对所测样品的前处理要求简单,多数样品可直接用于测试。目前,研制成功了多达100多种农用药物检测试剂盒,其中常见的农药残留监测试剂盒有近30种。欧、美、日、巴西、印度等10多个国家,运用这一技术开展了对农产品中有毒物质残留的生物技术监测研究,粗筛检测水产品、肉类产品、果蔬产品中农药残留量。最近,英国研制的通用型有机磷杀虫剂免疫检测药盒可对一些样品中8种以上的有机磷农药进行同时检测。近来我国市场上也广泛推荐和大规模地应用这一快速检测技术

4、其他色谱分析新技术

1)保留时间锁定(RTL

 所谓保留时间锁定,就是使特定化合物的保留时间在不同仪器、不同色谱柱(但标称固定相和相比相同)之间保持不变。决定保留时间的因素主要是化合物的性质、固定液的性质和操作条件。如果前两个因素不变(对于特定的化合物和GC仪器系统,这当然是成立的),那就只有操作条件了,即载气流速、柱温、毛细管柱规格和检测器类型。只要仪器的载气和温度控制精度足够高,只要色谱柱的标称规格一致,就可以通过调节柱前压的方法来补偿操作参数的微小变化,从而实现保留时间的重现,这就是RTL的基础。

现在,随着仪器制造水平和色谱柱制造工艺的进步、仪器自动化程度的提高,各种操作参数的控制更为严密,同一台仪器的保留时间重复性可达到0.01min。但不同仪器、不同色谱柱之间的重现性仍不能令人满意。最近,保留时间锁定(RTL)技术的出现,给这一问题的解决提供了较为理想的途径。保留时间锁定(RTL)技术的应用,使方法中增加更多化合物的检测变得更为简单,只需在相同的锁定条件下确定它们的保留时间即可。带有数据库检索功能的保留时间锁定很容易使该方法应用到相似的分析类型中去。在GC/AED筛选567种农药和可疑内分泌破坏物的方法中,就谈到该方法的一个关键是气相色谱中保留时间锁定技术的研究,采用RTL技术,可以用一个给定的GC方法测定农药的保留时间,然后,在此后的运行中在同一台仪器或不同仪器上重现这些保留时间。由于保留时间的精密度和预测性提高了,使保留时间成为一个极为有用的化合物定性的参数。可以弥补由于不同时间、不同色谱柱和不同仪器差异造成的保留时间的不可预见性。农药多残留检测,要求有一个能使几十种,乃至几百种农药在适当时间流出、同时得到充分分离的GC方法。利用该技术建立一个锁定保留时间表,在不同条件下重现这些保留时间。目前,某些仪器公司已开发出很多的技术软件包括保留时间锁定软件、方法转换软件和农药保留时间表。现在市场上可以买到现成的保留时间锁定软件(RTL),它就是根据上述原理设计和工作的,当一个分析方法确定以后,首先进行一次锁定。用户只要将5个压力下目标化合物的保留时间数据输入计算机,软件就会自动给出p-tR曲线,并同方法一起储存起来。当在另一台仪器上重复该方法时,只要将原方法拷贝到新仪器上,就可以重新进行锁定。计算机可依据试运行的结果自动计算并调节柱前压,从而使新仪器上的保留时间与方法开发时保留时间很好吻合。虽然目前这种软件只能在HP(现已改为安捷伦)化学工作站中运行,但估计很快会有较为通用的RTL软件出现。

2)大体积进样技术

目前的进样技术主要有:大口径毛细管柱接口、分流/不分流进样、冷柱上进样和程序升温进样口(PTV),以及基于冷柱上进样和程序升温进样口(PTV)技术的大体积进样和直接进样杆进样。直接进样杆进样适合于高沸点化合物的分析测定,同时直接进样杆结合PTV进样口进行测定,大大减少了样品的前处理工作,适合于对果蔬中农药残留等复杂样品体系的测定,扩大了GC/MS的应用范围,是目前各仪器公司争相开发的一个重点。此外,固相微萃取技术(SPME)也是目前各种GC/MS生产厂家研究的一个重点。由于固相微萃取技术可部分或全部替代顶空进样器、吹扫捕集进样器、液液萃取、液固萃取等技术,且使用更方便,无需溶剂,节省大量的时间和日常操作费用,特别在复杂样品体系的分析中表现出强大的生命力和广阔发展前景,已成为GC/MS的重要配件之一。今天主要为大家介绍基于PTV进样技术的大体积进样。

样品浓缩是提高灵敏度的成熟方法,对许多农药残留分析来说,样品浓缩包括在提取之后的溶剂蒸发,这会产生大量的废溶剂,且大大增加了样品的制备时间。近来科学的发展,比如固相萃取(SPE)、超临界萃取(SFE)、固相微萃取技术等,可避免使用液/液萃取,但是这些方法仍然要增加样品的处理时间。通过降低系统的本底和干扰可以降低检测限,使用高选择性高灵敏度检测器也可以降低检测限。近年发展起来的大体积进样(LVI)技术更是一种有效提高灵敏度的方法。采用比常规GC大几十到几百倍的进样量(5~500 ul)就可提高灵敏度一到两个数量级。实现大体积进样的方式,一是基于冷柱上进样,二是基于PTV技术。文献报道的LVI应用多数是采用程序升温汽化(PTV)进样技术的。这主要是因为PTV进样时样品是在衬管中汽化的,不挥发物滞留在衬管中可以保护色谱柱不被污染,故很适合于分析农药残留量。对于大体积进样,PTV用于“溶剂放空”或“溶剂排除”模式。样品注入进样口,其温度接近溶剂的沸点,且具有相对高的分流比。溶剂(以及低沸点溶质)被放空,而高沸点溶质(约比溶剂沸点高100)则保留在进样口中并被浓缩。在到达预先设定的时间后,关闭分流出口,并升高进样口温度以将溶质和残留的溶剂转移到色谱柱进行分离。因为样品是在进样口中汽化,不挥发物和降解产物留在进样口中,这样就最大限度地减少了对色谱柱的污染。研究证明用PTV进样造成的进样口污染对下一次进样的影响要比汽化室加热所造成的影响小。如果进样口被污染,进样口中的衬管很容易更换。所以,对于不干净样品的分析,PTV是比冷柱上进样和分流/不分流进样更好的选择。当然,目标化合物中含有高挥发性组分时,通过PTVLVI并不是一种好的选择,因为低沸点组分会随同溶剂一起放空而流失。要使分析获得成功,最低沸点目标化合物的沸点应高于溶剂沸点100℃。

三、前处理技术

1、固相萃取(Solid Phase Extraction SPE

固相萃取(SPE)就是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附,与样品的基体和干扰化合物分离,然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附,达到分离和富集目标化合物的目的。

与液/液萃取相比固相萃取有很多优点:固相萃取不需要大量互不相溶的溶剂,处理过程中不会产生乳化现象,它采用高效、高选择性的吸附剂(固定相),能显著减少溶剂的用量,简化样品的予处理过程,同时所需费用也有所减少。一般说来固相萃取所需时间为液/液萃取的1/2,而费用为液/液萃取的1/5。但其缺点是目标化合物的回收率和精密度要略低于液/液萃取。

固相萃取实质上是一种液相色谱分离,其主要分离模式也与液相色谱相同,可分为正相(吸附剂极性大于洗脱液极性),反相(吸附剂极性小于洗脱液极性),离子交换和吸附。固相萃取所用的吸附剂也与液相色谱常用的固定相相同,只是在粒度上有所区别。

固相萃取选择分离模式和吸附剂时还要考虑以下几点:

    1、目标化合物有极性或非极性溶剂中的溶解度,这主要涉及淋洗液的选择。

    2、目标化合物有无可能离子化(可用调节PH值实现离子化),从而决定是否采用离子交换固相萃取。

    3、目标化合物有无可能与吸附剂形成共价键,如形成共价键,在洗脱时可能会遇到麻烦。

    4、非目标化合物与目标化合物在吸附剂上吸附点的竞争程度,这关系到目标化合物与干扰化合物能否很好分离。

最简单的固相萃取装置就是一根直径为数毫米的小柱,小柱可以是玻璃的,也可以是聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等塑料,还可以是不锈钢制成的。为了方便固相萃取的使用,很多厂家还研制开发了很多固相萃取的专用装置,固相萃取仪。固相萃取的一般操作程序分为如下几步:活化吸附剂:在萃取样品之前要用适当的溶剂淋洗固相萃取小柱,以使吸附剂保持湿润,可以吸附目标化合物或干扰化合物。不同模式固相萃取小柱活化所用溶剂不同:

    ----反相固相萃取所用的弱极性或非极性吸附剂,通常用水溶性有机溶剂,如甲醇淋洗,然后用水或缓冲溶液淋洗。也可以在用甲醇淋洗之前先用强溶剂(如己烷)淋洗,以消除吸附剂上吸附的杂质及其对目标化合物的干扰。

    ----正相固相萃取所用的极性吸附剂,通常用目标化合物所在的有机溶剂(样品基体)进行淋洗。

    ----离子交换固相萃取所用的吸附剂,在用于非极性有机溶剂中的样品时,可用样品溶剂来淋洗;在用于极性溶剂中的样品时,可用水溶性有机溶剂淋洗后,再用适当pH值,并含有一定有机溶剂和盐的水溶液进行淋洗。

为了使固相萃取小柱中的吸附剂在活化后到样品加入前能保持湿润,应在活化处理后在吸附剂上面保持大约1mL活化处理用的溶剂。

固相萃取技术的应用:固相萃取主要用于复杂样品中微量或痕量目标化合物的分离和富集。例如,生物体(如血液、尿等)中药物及其代谢产物的分析,食品中有效成分或有害成分的分析,环保水样中各种污染物(可挥发性有机物和半挥发性有机物)的分析都可使用固相萃取将目标化合物分离出来,并加以富集。

2、固相微萃取(SPME

固相微萃取(SPME)是在固相萃取上发展起来的一种新型、高效的样品预处理技术,它集采集、浓缩于一体,简单、方便、无溶剂,不会造成二次污染,是一种有利于环保的很有应用前景的预处理方法。与液/液萃取和固相萃取相比,具有操作时间短,样品量小,无需萃取溶剂,适用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。固相微萃取装置外形如一只微量进样器,由手柄(holder)和萃取头或纤维头(fiber)两部分构成,萃取头是一根1cm长,涂有不同吸附剂的熔融纤维,接在不锈钢丝上,外套细不锈钢管(保护石英纤维不被折断),纤维头在钢管内可伸缩或进出,细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头,可永远使用。固相微萃取的萃取过程是一个平衡过程,萃取的平衡时间与搅拌速度、固定相的膜厚以及被分析样品的分配常数、扩散系数、萃取温度有关。大分子质量的物质比小分子质量的物质需更长的分析时间。搅拌有利于减少达到平衡所需时间,当达到平衡时,固相微萃取方法的灵敏度最高。

固相微萃取技术包括两个过程:(1)样品中待分析物在石英纤维上的涂层与样品间扩散、吸附、浓缩过程以及浓缩的待分析物脱附进入分析仪器完成分析过程。在前一个过程中,涂有吸附剂的石英纤维浸入样品中,使样品中目标化合物从样品基质可中扩散、萃取、浓缩于涂层上。(2)将石英丝收回针头中,进样时直接插入分析仪器的进样室中,如气相色谱仪的汽化室,使萃取的化合物脱附,被载气导入色谱柱完成分离分析。在实施固相微萃取时可以采用直接固相微萃取法、液上空间固相微萃取法和衍生化固相微萃取法3种模式。影响固相微萃取灵敏度的因素很多,但萃取头涂层种类和厚度对灵敏度的影响最为关键。一般来说,不同种类待测物要用不同类型的吸附质涂层进行萃取,其选择基本原则是“相似相溶原理”。用极性涂层萃取极性化合物,用非极性涂层萃取非极性化合物。

3、微波萃取技术(MAE

微波萃取就是利用极性分子可迅速吸收微波能量来加热一些具有极性的溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮和水等。因非极性溶剂不能吸收微波能量,所以在微波萃取中不能使用100%的非极性溶剂作为萃取溶剂。一般可在非极性溶剂中加入一定比例的极性溶剂来使用。如丙酮-环己烷(体积比=1:1)就可用来作微波萃取溶剂。微波萃取是将样品放在聚四氟乙烯材料制成的样品杯中,加入萃取溶剂后将样品杯放入密封好、耐高压又不吸收微波能量的萃取罐中。由于萃取罐是密封的,当萃取溶剂加热时,由于萃取溶剂的挥发使罐内压力增加。压力的增加使得萃取溶剂的沸点也大大增加,这样就提高了萃取温度。同时,由于密封,萃取溶剂也不会损失,也就减少了萃取溶剂的用量。

微波萃取装置一般是一台带有控温和控时的微波加热装置,根据需要选用体积为50~100ml的聚四氟乙烯材料制成的样品杯和放样品杯的密封罐。影响微波萃取效果的主要因素有萃取温度、萃取溶剂、样品杯材料吸附及记忆效应等。

4、加速溶剂萃取(ASE

加速溶剂萃取(ASE)是一种全新的处理固体和半固体样品的方法,该法是在较高温度(50~200℃)和压力条件(10.3~20.6MPa)下,用有机溶剂萃取。它的突出优点是有机溶剂用量少(1g样品仅需1.5mL溶剂)、快速(一般为15min)和回收率高,已成为样品前处理最佳方式之一,并被美国EPA(环保局)选定为推荐的标准方法(标准方法编号EPA3545),已广泛用于环境、药物、食品和高聚物等样品的前处理,特别是农药残留量的分析。

 在提高的温度下能加速溶质分子的解析动力学过程,减小解析过程所需的活化能,降低溶剂的粘度,因而减小溶剂进入样品基体的阻力,增加溶剂进入样品基体的扩散。已报道温度从25℃增至150℃,其扩散系数大约增加2~10倍,降低溶剂和样品基体之间的表面张力,溶剂能更好地“浸润”样品基体,有利于被测物与溶剂的接触。液体的沸点一般随压力的升高而提高。例如,丙酮在常压下的沸点为56.3℃,而在0.5MPa时,其沸点高于100℃。液体对溶质的溶解能力远大于气体对溶质的溶解能力。由于加速溶剂萃取是在高温下进行,因此,热降解是一个令人关注的问题。加速溶剂萃取的运行程序是先加入溶剂,即样品在溶剂包围之下,再加温,而且在加温的同时加压,即是在高压下加热,高温的时间一般少于10min,因此,热降解不甚明显。

 加速溶剂萃取仪由溶剂瓶、泵、气路、加温炉、不锈钢萃取池和收集瓶等构成,其工作程序的第一步是手工将样品装入萃取池,放在圆盘式传送装置上,以下步骤按先后全自动进行,即圆盘传送装置将萃取池送入加热炉腔并与对应编号的收集瓶联接,输液泵将溶剂输送到萃取池(20~60s),萃取池在加热炉中被加温和加压(5~8min),在设定的温度和压力下静态萃取5min,分别少量向萃取池加入清洗溶剂(2~60s),萃取液自动经过滤膜进入收集瓶,用N2吹洗萃取池和管道(60~100s),萃取液全部进入收集瓶,待分析。全过程仅需13~17min。溶剂瓶由4个组成,每个瓶可分别装入不同的溶剂,可选用不同溶剂先后萃取相同的样品,也可用同一溶剂萃取不同的样品。可同时装入24个萃取池和26个收集瓶。ASE200型萃取仪,其萃取池的体积可从11mL~33mL。ASE300型萃取仪的萃取池体积可选用33mL、66mL和100mL。

5、凝胶渗透色谱(GPC

 凝胶渗透色谱技术被用来去除脂肪和其它分子量相对较高的化合物,适用的样品范围极广,回收的农药品种多,回收率也较高,不仅对油脂净化效果好,而且分析的重现性好,柱子可以重复使用,已成为农药多残留分析中的通用净化方法。其作用类似一组分子筛,将样品溶液加到柱子上后,用溶剂淋洗,分子量大于农药的类脂肪、色素、蜡质等先被淋洗出来,然后农药按分子量大小相继被淋洗出来。常用的淋洗剂有环己烷/二氯甲烷、甲苯/乙酸乙酯、二氯甲烷/丙酮等。凝胶渗透色谱技术在欧美国家应用非常普遍。

采用多残留检测技术和快速筛选检测技术,结合各种先进的、各具特色的前处理技术检测食品中农药残留量已成为当今的发展趋势。迄今为止,许多传统的样品前处理方法和技术得到了进一步改进,新的处理方法和技术也相继出现,快速、有效、简单、绿色的色谱分析样品处理方法和技术成为色谱工作者的追求。

 

 


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