大體積進(jìn)樣技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用

湯鳳梅, 倪余文, 張海軍, 陳吉平

(中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,遼寧大連 116023)

有機(jī)污染物在環(huán)境介質(zhì)中普遍存在,可以通過大氣、水、生物體進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移,并且隨著食物鏈網(wǎng)不斷進(jìn)行富集,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成潛在的危害。為了能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)這些化合物的來源及其分布情況,建立一種復(fù)雜基質(zhì)中有機(jī)污染物的準(zhǔn)確、快速、簡便地測(cè)定方法具有重要的實(shí)際意義。在毛細(xì)管氣相色譜法 (CGC)中,采用大體積進(jìn)樣技術(shù)(LVI),即使用能夠容納大體積樣品的進(jìn)樣裝置以及增加可控時(shí)間的溶劑蒸汽放空裝置,可以在不影響色譜分離度的同時(shí),大幅度地提高分析方法的靈敏度,簡化和取消樣品濃縮的步驟,減少揮發(fā)性有機(jī)污染物的損失以及實(shí)現(xiàn)樣品提取和檢測(cè)的在線聯(lián)用,因此近年來LVI在環(huán)境樣品分析中取得了廣泛的應(yīng)用[1-5]。本文總結(jié)了幾種常見的和新型的 LVI技術(shù)及其與樣品提取、液相色譜(LC)純化在線聯(lián)用的方法在環(huán)境樣品分析中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 常見的LVI技術(shù)

1.1 柱頭進(jìn)樣

柱頭進(jìn)樣 (on colum n injection,OC I)在結(jié)構(gòu)上,與分流/無分流進(jìn)樣裝置有很大不同,它沒有注射墊、無分流過程、也無汽化加熱。如圖1所示,它是將樣品直接注入處于接近溶劑沸點(diǎn)溫度的保留間隙柱 (retention gap,RG)內(nèi),樣品溶液在冷的柱內(nèi)壁上形成液膜,溶劑從液膜的末端開始汽化,通過保留預(yù)柱 (retaining p recolum n,RP)末端的排放口(solvent vapor exit,SVE)放空,隨著保留預(yù)柱上溶劑的汽化,揮發(fā)性組分不斷地被前面的液膜捕獲,并在液膜上進(jìn)行富集。然后關(guān)閉溶劑排放口,開始程序升溫,不同沸點(diǎn)的組分依次汽化,通過色譜分析柱 (analytical colum n,AC)進(jìn)行分離。保留間隙柱是事先經(jīng)過脫活處理的、內(nèi)徑較粗 (如Φ =0.53 mm)的不涂漬的石英毛細(xì)管柱,具有限制溶劑汽化速度和保留一些難揮發(fā)性組分的作用,防止其對(duì)色譜柱造成污染,需要定期更換。保留預(yù)柱是一段比預(yù)柱細(xì)、涂有固定相的毛細(xì)管柱,具有限制溶劑汽化速度、防止溶劑全部放空時(shí)部分揮發(fā)性組分損失的作用,有時(shí)在樣品液中加入少量高沸點(diǎn)溶劑,或者安裝細(xì)內(nèi)徑的汽化出口管來達(dá)到相同的目的。通常所說的“預(yù)柱”包括保留間隙柱和保留預(yù)柱兩部分,例如 15m的預(yù)柱前 12m為保留間隙柱,后 3m為保留預(yù)柱。15m×0.32mmi.d.的預(yù)柱可以容納進(jìn)樣體積 80～100μL,15m×0.53mmi.d.預(yù)柱可以容納進(jìn)樣體積 50～250μL[7]。使用 0.53mm i. d.毛細(xì)管柱作預(yù)柱時(shí),可以使用標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)注射器;使用 0.25～0.32mm i.d.毛細(xì)管柱時(shí),必須采用專門的自動(dòng)進(jìn)樣器。

圖1 OC I-GC檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖[6]F ig.1 Se t up of the on-co lum n la rge volum e in jection-GC system (rep rin ted from refe rence[6]w ith p e rm ission)AC:analytical colum n;RP:retaining p recolum n;RG:retention gap;FM:flow m eter;He:helium;SVE:solvent vapour exit.

OCI的樣品要求處理干凈,避免對(duì)柱頭造成污染以及產(chǎn)生活性位點(diǎn),并且要精確控制進(jìn)樣速度,防止溶劑過載。與分流/無分流進(jìn)樣相比,OCI徹底消除了進(jìn)樣時(shí)的樣品歧視效應(yīng),同時(shí)消除了進(jìn)樣襯墊殘留的影響。因?yàn)闆]有汽化室,無襯管,低溫進(jìn)樣,所以樣品不會(huì)發(fā)生高溫降解和催化降解。有研究表明,OC I與程序升溫進(jìn)樣 (PTV)和脈沖無分流進(jìn)樣相比,提高了分析靈敏度,更適合于熱不穩(wěn)定化合物的分析[8]?；贠CI的諸多優(yōu)點(diǎn),本課題組目前正采用OC I-GC汽化分離與 LC純化在線聯(lián)用技術(shù),建立一種環(huán)境樣品中半揮發(fā)性組分純化的新方法。與傳統(tǒng)方法相比,該方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)純化樣品,并且溶劑用量 40～80mL,約為標(biāo)準(zhǔn)方法的 1/7;樣品濃縮倍數(shù)明顯減小,可降低對(duì)溶劑純度的要求,不再使用農(nóng)殘級(jí)試劑;減少了對(duì)操作人員的暴露危害。

B ailey等[8]利用氣相色譜-負(fù)化學(xué)電離源-質(zhì)譜(GC-NCI-MS)分析空氣中的多種殺蟲劑,采用OC I,15m×0.53mm i.d.的預(yù)柱 (12m為保留間隙柱,后 3m為液膜厚0.25μm的保留預(yù)柱),進(jìn)樣體積 100μL,進(jìn)樣速度 20μL/s,溶劑排放口關(guān)閉時(shí)間 60s,對(duì)多種殺蟲劑的方法檢出限范圍為 1.0～5.0μg/L。當(dāng)注入“臟”樣品時(shí),作者建議減少進(jìn)樣體積來延長柱子的使用壽命,也可以對(duì)提取液進(jìn)行適當(dāng)稀釋或者對(duì)其進(jìn)行純化處理,以防止污染保留間隙柱而降低方法靈敏度。Janssen等[9]采用柱頭進(jìn)樣-中間分辨率氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)器(OC I-m edium-resolution GC-FID)測(cè)定甘油三酯和礦物油,載氣流速 15mL/m in,因?yàn)榉治鑫锞侵亟M分,不會(huì)隨溶劑一起汽化,所以作者取消了保留間隙柱和溶劑蒸汽排放口。該檢測(cè)方法對(duì)溶劑組成變化不敏感,適合與梯度洗脫 LC聯(lián)用。O lejniczak等[10]采用柱頭進(jìn)樣-高分辨氣相色譜-火焰離子化檢測(cè)器(OCI-HRGC-FID),結(jié)合衍生化和管內(nèi)固相微萃取(SPM E)技術(shù),檢測(cè)水中的酚類化合物,方法檢出限范圍可達(dá) 0.014～0.04μg/L。痕量分析常采用 OCI和無分流進(jìn)樣方式[11],Concha-G rana等[12]采用柱頭進(jìn)樣-氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器(OC I-GC-ECD),測(cè)定水中 21種超痕量的有機(jī)氯農(nóng)藥,通過 Plackett-B urm an篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)和作帕累托圖,篩選出主要的影響因素,然后固定進(jìn)樣體積100μL,單變量考察各因素的影響,確定最佳實(shí)驗(yàn)條件:初始柱溫 75℃,進(jìn)樣速度 20μL/s,溶劑排放口關(guān)閉時(shí)間 60s,初始柱壓 100kPa,初始柱溫恒定時(shí)間 1m in。在上述條件下,該方法檢出限范圍為 0.3～25ng/L,滿足歐盟關(guān)于地表水中有機(jī)氯農(nóng)藥限制的新標(biāo)準(zhǔn) 2008/105/EC。該作者還將 OC I與無分流進(jìn)樣進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用 OC I時(shí)殺蟲劑的儀器檢出限更低,多數(shù)小于 0.01μg/L,同時(shí)避免了部分殺蟲劑的降解。Slobodnik等[13]在前人的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出固相萃取 (SPE)與 OC I-GC-MS在線聯(lián)用的流路系統(tǒng),首先將沉積物的提取液或水樣引入到 SPE柱上,多環(huán)芳烴等分析物在 SPE柱上進(jìn)行富集,然后用氮?dú)鈱?SPE柱吹干,再用乙酸乙酯進(jìn)行洗脫,洗脫液引入到定量環(huán)中,最后通過載氣將洗脫液引入 OC I-GC-MS進(jìn)行分析。該流路系統(tǒng)既可以檢測(cè)沉積物中的微量污染物,又可進(jìn)行水樣分析,操作簡單,并且方法靈敏度提高了 8～10倍,適合快速檢測(cè)極性和揮發(fā)性范圍寬的微量污染物。

1.2 程序升溫進(jìn)樣

當(dāng)需要分析高基質(zhì)樣品時(shí),就不適合采用 OC I系統(tǒng),而 PTV系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就是樣品不需要或者很少需要凈化。PTV進(jìn)樣器的結(jié)構(gòu)如圖2所示[14],其基本原理是進(jìn)樣器保持在較低溫度,進(jìn)樣后,分流閥打開,此時(shí)分流比較大,在載氣吹掃下,大部分溶劑汽化并由分流口排出,高沸點(diǎn)的待測(cè)物則被定量冷捕集,吸附在襯管或填充材料上,待溶劑揮發(fā)完全后,分流閥調(diào)小或關(guān)閉,進(jìn)樣器以急速升溫的方式,使被吸附的待測(cè)物瞬間脫附汽化,并被載氣轉(zhuǎn)移到色譜柱中進(jìn)行分離。PTV進(jìn)樣器的襯管不但可以作為汽化室,還可以作為預(yù)柱,保留一些難揮發(fā)的污染物,避免臟樣品對(duì)色譜柱造成污染。襯管中常加入石英棉、紅色硅藻土色譜載體、Tenax吸附劑、苯甲基聚硅氧烷等填充材料,來增加與樣品的接觸面積,增強(qiáng)保留能力。

圖2 PTV進(jìn)樣器的結(jié)構(gòu)示意圖[14]F ig.2 Schem a tic d iagram of the PTV in jector configu ra tion (rep rin ted from refe rence[14]w ith pe rm ission)

多次進(jìn)樣后,為了避免殘留的難揮發(fā)性組分形成活性位點(diǎn)引起分析物的降解,襯管和填充材料需要定期更換。PTV進(jìn)樣主要有直接進(jìn)樣、速度控制進(jìn)樣、多次重復(fù)進(jìn)樣 3種模式,其中直接進(jìn)樣時(shí)每次的進(jìn)樣量有限[15];多次重復(fù)進(jìn)樣時(shí),應(yīng)注意兩次進(jìn)樣時(shí)間間隔,間隔太短時(shí)襯管內(nèi)會(huì)充滿液體,液體樣品可能會(huì)隨載氣放空,如果間隔時(shí)間太長,揮發(fā)性組分會(huì)損失較多,因此間隔時(shí)間應(yīng)根據(jù)溶劑的性質(zhì)、進(jìn)樣器初始溫度和分流出口流量,通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

影響 PTV進(jìn)樣效率的參數(shù)主要有襯管類型、填充物材料、進(jìn)樣速度、吹掃時(shí)間、升溫程序和汽化時(shí)流速等。Stajnbaher等[16]考察了襯管類型、填充物材料、進(jìn)樣方式和升溫程序等對(duì) PTV-GC-MS檢測(cè)性能的影響,固定進(jìn)樣體 10μL,其中使用多層擋板的空襯管以 35μL/m in的速度進(jìn)樣時(shí),或使用填充CarboFrit的襯管快速進(jìn)樣時(shí),分析結(jié)果很好,對(duì)水果和蔬菜樣品中的 124種農(nóng)藥的檢出限可達(dá) 0.01 m g/kg。吹掃時(shí)間是指樣品轉(zhuǎn)移到色譜柱后分流閥開啟的時(shí)間,吹掃的目的是為了防止樣品轉(zhuǎn)移的時(shí)間太長引起色譜峰展寬,但如果吹掃時(shí)間太短,分流閥開啟得過早,會(huì)使得部分分析物直接從分流口排出,影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[17]。Villen等[18]利用PTV進(jìn)樣器,結(jié)合 GC-FID對(duì)乙腈溶液中的 10種殺蟲劑進(jìn)行測(cè)定,考察了進(jìn)樣體積、進(jìn)樣速度和進(jìn)樣時(shí)載氣流速等操作參數(shù)。其中直接進(jìn)入 PTV進(jìn)樣器的樣品體積可達(dá) 10mL;多數(shù)組分峰面積隨進(jìn)樣速度的增大而減小,個(gè)別組分可能由于特殊結(jié)構(gòu)與襯管中 Tenax TA吸附劑的親和力不同,受影響較小;進(jìn)樣時(shí)載氣流速對(duì)樣品峰面積影響不大。Hu等[19]在用 PTV-GC-MS檢測(cè)雌激素時(shí)發(fā)現(xiàn),襯管的種類對(duì)雌激素的響應(yīng)信號(hào)影響很大:采用燒結(jié)的玻璃襯管時(shí),雌激素和 17種β-雌二醇響應(yīng)信號(hào)明顯;而采用多層擋板的襯管時(shí),17種α-乙炔基雌二醇的響應(yīng)信號(hào)變大。由于多層擋板的襯管傳質(zhì)阻力小,交叉污染的可能性也較小,所以采用多層擋板的襯管。該作者進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn),雌激素的響應(yīng)強(qiáng)度隨初始溫度的增加而明顯下降,該現(xiàn)象很好地說明了痕量水平的雌激素不經(jīng)過衍生化處理,無法采用傳統(tǒng)分流/無分流進(jìn)樣進(jìn)行測(cè)定的原因。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,PTV-GC-MS對(duì) 17種β-雌二醇和 17種α-乙炔基雌二醇的檢出限分別為 0.046ng/L和 0.031 ng/L。Saito等[20]在前人的研究基礎(chǔ)上,對(duì) PTV進(jìn)樣器中的襯管進(jìn)行改進(jìn),采用獨(dú)特的胃袋式進(jìn)樣襯管 (stom ach-shaped inlet liner,SSIL),結(jié)合高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜 (HRGC-HRMS)對(duì)人類母乳和血漿中痕量的二惡英進(jìn)行測(cè)定,使用高沸點(diǎn)的含5%癸烷的甲苯作溶劑,進(jìn)樣體積 20μL,21個(gè)實(shí)際樣品的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)無分流進(jìn)樣的檢測(cè)結(jié)果相關(guān)性大于 0.97。采用 SSIL-PTV進(jìn)樣方式,與傳統(tǒng)無分流進(jìn)樣相比,可以省略操作費(fèi)時(shí)的氮吹濃縮過程,同時(shí)減少了對(duì)操作人員的暴露危害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SSIL-PTV可取代無分流進(jìn)樣方式用于對(duì)母乳和血漿中痕量二惡英的檢測(cè)。Xu等[21]采用 SSILPTV-GC-MS,結(jié)合迷你型 SPE技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物中 205種殘留農(nóng)藥的同時(shí)檢測(cè),方法檢出限范圍為0.000 15～0.2m g/kg。

為了克服 CGC中無法注入大量含水樣品的不足,Pocurull等[22]設(shè)計(jì)出“擺動(dòng)”進(jìn)樣系統(tǒng) (如圖3所示),在 PTV進(jìn)樣器與色譜柱之間連接一段保留預(yù)柱,保留預(yù)柱的另一端連接第二個(gè) PTV進(jìn)樣器。樣品注入到第一個(gè)進(jìn)樣器中,載氣載著樣品經(jīng)過保留預(yù)柱到達(dá)第二個(gè)進(jìn)樣器,溶劑蒸汽從第二個(gè)進(jìn)樣器的進(jìn)樣口溢出,揮發(fā)性組分被吸附在第二個(gè)進(jìn)樣器的填充材料上,高沸點(diǎn)組分則被保留在預(yù)柱上。樣品轉(zhuǎn)移完成后,增加預(yù)柱的溫度及第二個(gè)進(jìn)樣器的溫度、載氣流速,將目標(biāo)組分帶入色譜柱中進(jìn)行分析。采用“擺動(dòng)”進(jìn)樣系統(tǒng),可以注入大體積含水樣品,有望實(shí)現(xiàn)反相液相色譜 (RPLC)與 GC的在線聯(lián)用。

圖3 “擺動(dòng)”進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣和脫附模式的示意圖[22]F ig.3 Sw ing system in the in jection and the desorp tion m ode(rep rin ted from refe rence[22]w ith p e rm ission)

PTV進(jìn)樣實(shí)現(xiàn)了大體積樣品的在線濃縮和富集,縮短了樣品的預(yù)處理時(shí)間,提高了分析靈敏度,并且由于它可以引入高基質(zhì)樣品,所以在 GC的應(yīng)用比 OCI更廣泛。Tollback等[23]采用規(guī)格為 2m ×0.1mm×0.1μm的 DB-1細(xì)毛細(xì)管色譜柱,建立了 PTV-GC-MS快速測(cè)定 9種多溴聯(lián)苯醚(PBD E)的方法,其中最后一個(gè)流出組分 BD E209的保留時(shí)間為 6.4m in,整個(gè)樣品運(yùn)行時(shí)間只需 9 m in。該方法由于縮短了分析時(shí)間,降低了熱不穩(wěn)定化合物 BD E209在 GC中降解的可能性,因此與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,其顯著性優(yōu)點(diǎn)是可以用于BD E209的測(cè)定。W ang等[24]采用 PTV-GC-MS,進(jìn)樣體積 70μL,對(duì)鄰苯二甲酸酯類 (PAEs)的檢出限可達(dá)μg/L級(jí),靈敏度比 2μL無分流進(jìn)樣提高近 20倍,適合空氣樣品中超痕量 PAEs的檢測(cè)。

隨著現(xiàn)代提取技術(shù)的不斷發(fā)展,PTV進(jìn)樣技術(shù)在GC檢測(cè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。PTV-GC檢測(cè)技術(shù)可以結(jié)合 SPE[16]、膜輔助溶劑提取、加速溶劑提取和超聲提取等技術(shù),用于測(cè)定大氣顆粒物中的有機(jī)磷酸酯類化合物[25]、飲料中的多環(huán)芳烴[26]以及確定飛灰提取物中部分有機(jī)化合物[27]。Schellin等[28]采用聚硅氧烷的萃取管提取水中的有機(jī)污染物,考察了不同的洗脫溶劑、pH值、吸附和洗脫時(shí)間以及鹽析作用等影響因素,在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,將50μL提取液注入到 PTV-GC-MS中檢測(cè),對(duì)PCB28、PCB101、PCB138的檢出限可分別為 0.2、0.1和 0.1ng/L。近年來新發(fā)展的磁力攪拌棒吸附提取 (stir bar sorp tive extraction,SBSE),由于具有萃取效率高、重現(xiàn)性穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn),在水樣提取方面有很大的應(yīng)用前景。SBSE的基本原理是將涂覆聚合物的磁力攪拌棒放入水樣中,利用聚合物涂層提取和富集分析組分。提取結(jié)束后,可以通過熱脫附 (therm al desorp tion,TD)和溶劑洗脫兩種方式將分析組分轉(zhuǎn)移到高效液相色譜(HPLC)、毛細(xì)管電泳 (CE)或者 LVI-GC中進(jìn)行分析。Yu等[29]利用自制的涂覆聚甲基硅氧烷 /聚乙烯醇的 SBSE提取蜂蜜中的 5種有機(jī)磷農(nóng)藥,然后采用有機(jī)溶劑將分析物洗脫下來,轉(zhuǎn)移到 PTV-GCFPD進(jìn)行檢測(cè),對(duì)對(duì)硫磷的檢出限可達(dá) 0.013 μg/L。目前已經(jīng)建立了提取技術(shù)與 PTV-GC檢測(cè)的在線聯(lián)用方法,L i等[30]用 SPE技術(shù)提取水中的半揮發(fā)性有機(jī)化合物,通過流路切換,引入氮?dú)鈱⑤腿”P吹干,然后采用有機(jī)溶劑進(jìn)行洗脫,最后直接將50μL二氯甲烷與乙酸乙酯的洗脫液以 2μL/s的速度注入 PTV-GC-MS中進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了樣品提取與檢測(cè)的在線聯(lián)用。該方法對(duì)水中絕大多數(shù)半揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢出限均小于 0.1μg/L,并且回收率的范圍為 70%～120%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD)小于 15%,適合于現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)分析。

2 新型的LVI技術(shù)

2.1 在柱同時(shí)溶劑濃縮進(jìn)樣

在柱同時(shí)溶劑濃縮進(jìn)樣 (concentration at the inlet of the GC cap illary p re-colum n for large-volum e injection m ethod),又叫 AT柱進(jìn)樣 (AT-colum n),它采用大體積的襯管,能夠容納大量樣品。如圖4所示,進(jìn)樣時(shí),進(jìn)樣口維持在低于溶劑沸點(diǎn)的溫度,而柱溫箱維持在高于溶劑沸點(diǎn)的溫度,使得在襯管上形成溫度梯度。當(dāng)少部分液態(tài)樣品到達(dá)保留間隙柱的某一位置時(shí),溶劑被迅速汽化,瞬間產(chǎn)生的蒸汽壓把多余的液體又排回襯管中,直至與載氣壓力平衡。由于溶劑蒸汽從色譜柱排出時(shí)存在很大的流動(dòng)阻力,所以在襯管的一側(cè)有個(gè) 2mm直徑的孔洞,用來排放大量的溶劑蒸汽。當(dāng)溶劑產(chǎn)生的蒸汽壓小于載氣壓力時(shí),又會(huì)有少量液態(tài)樣品進(jìn)入到保留間隙柱內(nèi)被汽化,再次使溶劑的蒸汽壓與載氣壓力平衡。重復(fù)上述過程直至溶劑排空。此時(shí)高沸點(diǎn)的待測(cè)物會(huì)在保留間隙柱的某一位置進(jìn)行濃縮富集,程序升溫后,迅速汽化并被載氣轉(zhuǎn)移到色譜柱中進(jìn)行分析。有時(shí)在襯管內(nèi)加入 1個(gè)玻璃珠,當(dāng)溶劑的蒸汽壓與載氣壓力未達(dá)到平衡時(shí),可以限制液態(tài)樣品進(jìn)入保留間隙柱的速度,防止溶劑過載[31]。Kitam ura等[32]采用 AT柱進(jìn)樣方式,HRGC-HRMS法檢測(cè)血清中 pg/g級(jí)的二惡英,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)絕對(duì)進(jìn)樣量相同時(shí),采用AT柱進(jìn)樣 100μL與無分流進(jìn)樣2μL所得到的峰面積一致,并且噪聲信號(hào)沒有因進(jìn)樣體積的增大而增加;當(dāng)樣品濃縮倍數(shù)相同時(shí),采用AT柱進(jìn)樣方式,進(jìn)樣量比無分流進(jìn)樣明顯增多,大幅度降低了方法的檢出限,并且有效減少了揮發(fā)性二惡英的損失。該方法操作簡單,可以作為檢測(cè) pg/g級(jí)二惡英的常規(guī)方法。

圖4 A T柱進(jìn)樣器的結(jié)構(gòu)示意圖[31]F ig.4 Schem a tic d iagram of the A T-co lum n in jector configu ra tion(rep rin ted from refe rence[31] w ith p e rm ission)

AT柱進(jìn)樣與其他LVI方式相比,需要精確控制進(jìn)樣口到柱溫箱的溫度,并具有以下 4個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):首先,它有效地阻止了揮發(fā)性組分的損失,因此可以突破溶劑的限制,采用高沸點(diǎn)的甲苯做溶劑。其次,它克服了熱不穩(wěn)定組分的降解以及部分組分在填充物上的不可逆吸附造成的損失。再次,由于溶劑汽化是自動(dòng)調(diào)節(jié)過程,進(jìn)樣速度無需嚴(yán)格控制,結(jié)果重現(xiàn)性好。最后,AT柱進(jìn)樣條件優(yōu)化簡單:進(jìn)樣口溫度可由 Antoine經(jīng)驗(yàn)方程求得,一般進(jìn)樣口溫度低于溶劑沸點(diǎn) 2～3℃,初始柱溫高于溶劑沸點(diǎn) 5℃;最大進(jìn)樣體積由襯管體積決定;進(jìn)樣時(shí)吹掃氣的流速影響不大。

2.2 樣品直接引入進(jìn)樣

圖5 樣品直接引入進(jìn)樣器的結(jié)構(gòu)示意圖[33]F ig.5 Schem a tic d iagram of d irect samp le in troduction (DS I)device for ex tract-free d irty sam p le in troduction fo r GC ana lysis(rep rin ted from refe rence[33]w ith pe rm ission)

樣品直接引入進(jìn)樣 (direct sam p le introduction,DSI)是在 PTV進(jìn)樣系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn),如圖5所示,采用樣品管支座和其調(diào)節(jié)器取代了隔膜吹掃裝置。首先將液態(tài)樣品注入一次性微型樣品管,然后被支座帶入到進(jìn)樣口位置。當(dāng)采用自動(dòng)進(jìn)樣器將液態(tài)樣品注入到微型樣品管中時(shí),稱為復(fù)雜基質(zhì)進(jìn)樣 (difficult m atrix injection,DM I)。樣品直接引入進(jìn)樣/復(fù)雜基質(zhì)進(jìn)樣的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以省略樣品提取和純化步驟,直接將攪碎的固態(tài)樣品和有機(jī)溶劑的混合物放入微型管中,進(jìn)樣器保持在低溫時(shí),溶劑蒸汽從分流口放空,然后在無分流模式下,快速升溫使分析物從樣品中熱提取出來,轉(zhuǎn)移到色譜柱上進(jìn)行分析。而難揮發(fā)性組分被保留在微型管內(nèi)壁,避免對(duì)色譜柱的污染,同時(shí)減小了對(duì)儀器維護(hù)的需求。分析結(jié)束時(shí),更換微型管。進(jìn)樣體積受微型管的限制,一般最大進(jìn)樣量 30μL,同時(shí)由于微型管表面積小,汽化時(shí)間較長。當(dāng)樣品基質(zhì)中含有脂肪和熱不穩(wěn)定化合物時(shí)會(huì)影響分析物的熱提取效率,該進(jìn)樣方式適合蔬菜和水果的農(nóng)藥殘留分析[33]。

2.3 同時(shí)溶劑冷凝無分流進(jìn)樣

Cavagnino等[34]采用同時(shí)溶劑冷凝大體積無分流進(jìn)樣技術(shù) (concurrent solvent recondensation large volum e sp litless injection,CSR-LVSL)成功地將 50μL樣品以帶狀形式注入到汽化室(結(jié)構(gòu)如圖6所示)。進(jìn)樣口處于恒定的較高溫度,自動(dòng)進(jìn)樣器插入汽化室 5mm,保持針頭部分溫度較低,快速注入樣品。樣品以帶狀液體的狀態(tài)離開注射器,被收集在襯管底部的少量玻璃棉上,開始緩慢汽化。由于襯管是 1個(gè)密閉體系,蒸汽體積迅速膨脹,取代和壓縮載氣,使得襯管內(nèi)壓力迅速增大,而載氣阻止了溶劑蒸汽從汽化室溢出,從而產(chǎn)生了“壓力涌浪”效應(yīng),迫使溶劑蒸汽轉(zhuǎn)移到低溫的預(yù)柱上。溶劑蒸汽在柱頭上冷凝形成液膜,進(jìn)一步加速了蒸汽的轉(zhuǎn)移,此時(shí)溶劑汽化和冷凝同時(shí)發(fā)生,使得進(jìn)樣體積不再受汽化體積的限制。該作者為了避免使用較長的預(yù)柱和測(cè)定時(shí)出現(xiàn)較寬的溶劑峰,采用最大進(jìn)樣體積為 50μL。在溶劑汽化的過程中,承載樣品的玻璃棉處于溶劑沸點(diǎn)溫度,當(dāng)汽化室內(nèi)溶劑汽化完成后,進(jìn)樣口溫度逐漸恢復(fù),不同沸點(diǎn)的組分依次開始汽化,然后被預(yù)柱上的溶劑捕獲;隨著預(yù)柱上溶劑的汽化,揮發(fā)性組分被富集在液膜的后端;當(dāng)預(yù)柱上溶劑的汽化完成時(shí),組分富集在保留預(yù)柱上,然后開始色譜分離。該方法操作簡單,便于條件優(yōu)化,在分析多環(huán)芳烴時(shí)既不存在揮發(fā)性組分損失,又不存在進(jìn)樣歧視效應(yīng),是LVI的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖6 同時(shí)溶劑冷凝大體積無分流進(jìn)樣的示意圖[34]F ig.6 C oncu rren t so lven t recondensa tion(CSR) m echan ism for la rge sam p le volum e sp litless in jection (LVSL)(rep rin ted from refe rence[34]w ith pe rm ission)

3 LC與 GC在線聯(lián)用

目前,基于以上的幾種 LVI技術(shù),以及 LC-GC接口技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LC純化分離與GC檢測(cè)的在線聯(lián)用。Staniew ski等[35]將含有殺蟲劑的水樣在LC柱富集,然后將殺蟲劑的乙酸乙酯洗脫液在線引入到 PTV進(jìn)樣器,進(jìn)行 GC-FID分析,該方法對(duì)水樣中的殺蟲劑的檢出限低于 1ppb(相當(dāng)于 1μg/L)。M oret等[36]采用 LC-GC-FID在線聯(lián)用測(cè)定菜子油中的礦物油多環(huán)芳烴,采用兩根 LC柱串聯(lián)對(duì)樣品進(jìn)行純化分離,去除脂肪等干擾物,通過在線汽化接口將目標(biāo)餾分轉(zhuǎn)移到 GC中測(cè)定。

Perez等[37]在 PTV進(jìn)樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立了一種通過柱溫箱轉(zhuǎn)移吸附-脫附 (through oven transfer adsorp tion desorp tion,TO TAD)接口技術(shù),可以將大體積的含水樣品引入 GC,實(shí)現(xiàn) RPLC與 GC的在線聯(lián)用。TO TAD接口的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)移樣品的石英毛細(xì)管穿過柱溫箱與 TO TAD接口相連, TO TAD接口內(nèi)的襯管中兩端用玻璃棉封口,中間填充吸附材料 (例如 Tenax TA)。首先將 TO TAD接口和柱溫箱均保持在較低溫度,進(jìn)行樣品轉(zhuǎn)移:將樣品注入到石英毛細(xì)管中,穿過柱溫箱到達(dá) TO TAD接口內(nèi)的襯管中,正向載氣將樣品帶到填充材料上,目標(biāo)組分被吸附。當(dāng)樣品轉(zhuǎn)移完成后,開始樣品濃縮,溶劑汽化并從襯管的兩端放空,溶劑放空速度比PTV快。最后進(jìn)行熱脫附:將 TO TAD接口和柱溫箱快速升溫,使得目標(biāo)組分從填充物上熱脫附下來,通過一路反向載氣將目標(biāo)組分帶到色譜柱上進(jìn)行分析。Sanchez等[38]將橄欖油樣品過濾后,通過甲醇-水系統(tǒng)進(jìn)行 RPLC分離,通過 TO TAD接口直接將目標(biāo)餾分轉(zhuǎn)移到 GC進(jìn)行測(cè)定,實(shí)現(xiàn)了橄欖油中殺蟲劑的自動(dòng)測(cè)定,并且樣品預(yù)處理十分簡單。采用TO TAD接口技術(shù)時(shí),吸附材料和接口溫度是重要的影響參數(shù),不適當(dāng)?shù)慕涌跍囟炔粌H降低方法的靈敏度,甚至使得某些目標(biāo)組分未檢出。采用 95mm ×2mm i.d.×3mm o.d.的襯管,填充 1cm厚的聚甲基硅烷吸附材料,接口溫度 80℃,或填充 1cm厚的OV-17吸附材料,接口溫度 110℃,進(jìn)樣體積20μL,使用 ECD和氮磷檢測(cè)器 (N PD),對(duì)橄欖油中有機(jī)磷、有機(jī)氯農(nóng)藥的檢出限范圍為 0.6～81.9 μg/L[39]。通過 TO TAD接口技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的 RPLC與 GC在線聯(lián)用系統(tǒng),還可以用來測(cè)定草莓中手性揮發(fā)性化合物的含量和對(duì)映體的組成[40]。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,LVI技術(shù)與分流/無分流進(jìn)樣技術(shù)相比,簡化和取消了樣品濃縮步驟,減少了揮發(fā)性組分的損失,顯著性地提高了分析的靈敏度和降低了方法的檢出限。基于大體積襯管、保留間隙柱和自動(dòng)進(jìn)樣器等部件的使用,使 OCI、PTV、在柱同時(shí)溶劑濃縮進(jìn)樣、樣品直接引入進(jìn)樣和同時(shí)溶劑冷凝無分流進(jìn)樣在檢測(cè)環(huán)境樣品中的有機(jī)污染物中顯示出各自的優(yōu)勢(shì)。隨著人們對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注以及對(duì)分析要求的不斷提高,預(yù)期LVI將會(huì)在以下幾個(gè)方面引起越來越多研究者的關(guān)注:(1)在現(xiàn)有的 LVI方式上進(jìn)行不斷完善和突破,例如使用新型的襯管或填充材料,發(fā)展新的LVI或接口技術(shù)。(2)LVI技術(shù)與 GC-MS聯(lián)用,廣泛用于環(huán)境樣品的定性分析,例如發(fā)現(xiàn)潛在危害的新型有機(jī)污染物,或者確定部分干擾物的組成,為樣品純化提供依據(jù)。(3)LVI技術(shù)將會(huì)在環(huán)境樣品的定量分析中發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì),例如與現(xiàn)代提取技術(shù) (固相提取、微波輔助提取和SPM E等)相結(jié)合,取消樣品預(yù)處理步驟,將提取物直接通過LVI進(jìn)樣器注射到 GC中進(jìn)行分析,使有機(jī)污染物的常規(guī)檢測(cè)分析更加簡便快捷。在環(huán)境樣品的分離分析中,隨著提取、純化、檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,分析過程將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,建立簡單、快速、可靠的分析方法勢(shì)在必行。

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