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1、第六章 痕量分析的富集与分离1.概 述1）痕量分析富集分离模式物质的分离方法是利用混合物中的个别组分在两相 中分配系数的差异而使物质被分配进入不同的相。痕量分 析所涉及的是样品中痕量组分的测定，有三种可能的分离 方式： 常量-微量分离 微量-常量分离 微量-微量分离2) 富集分离的评价指标 回收率（RT) 定义RT= QT/ QT0 100%QT和QT0分别表示富集后和富集前待测痕量组分的量 痕量分析对RT的要求一般情况，要求RT在90-110%之间 富集倍数（F) 定义：痕量组分的回收率与基体的回收率之比 F的大小依赖于试样中待测痕量组分的浓度和所用的 测定方法 其它需考虑的因素 待测痕量组
2、分的沾污和损失要小 方法简单、快速，富集后的样品适于进一步的处理 样品量的大小3） 痕量分析中常用的富集分离方法表5-1 痕量分析中的分离富集技术样品形态被分离物质富集分离方法固体或熔融体颗粒在显微镜下手选、筛分、磁选、重液选、浮选各组分选择溶解、电解溶解、升华、在高温或真空下提 取金属中气体、有机物干法灰化、区域熔融、火 试金法、活性气流提取液体颗粒过滤、离心、浮选溶解物沉淀、共沉淀与共结晶、挥发液-液萃取、色谱 、吸附、分配、分子筛、凝胶渗透色谱、渗析与 反渗析、冷冻干燥和冷冻浓缩、真空蒸馏和蒸汽 蒸馏气体颗粒过滤、冲击、沉淀、离心、静电沉降、热沉降各组分吸收、吸附、冷凝、渗透、气体扩散、
3、衍生化作 用2. 痕量分析中几种常用的分离富集技术1) 固相萃取(solid phase extraction )a. 概述 基本原理：利用固定相将液体样品中的待测组分吸附，与样品 中基体和干扰组分分离，然后用洗脱液洗脱，达到分离 或富集待测组分目的。有时候，可以让感兴趣的组分（ 分析物）直接通过固定相而不被保留，同时大部分干扰 物被保留在固定相上，从而得到分离。 固相萃取的分离机理、固定相和溶剂的选择和HPLC相 似，只是在填料的形状和粒径上有所区别b. 固相萃取装置 固相萃取柱 结构：固相萃取柱由柱管、筛板和固定相 三部分组成 图6-1 固相萃取柱 存在问题：v 流速受到限制v 对于比较脏
4、的样品，很容易将柱堵塞，增 加样品处理时间v 填料粒径较大，容易造成填充不均匀 固相萃取盘 结构图v 由粒径很细的键合硅胶或其它填 料同聚四氟乙烯或玻璃纤维丝压制 而成。填料约占SPE盘总量的60-90% ，盘的厚度仅0.5-1mm。 v 固相萃取盘的截面积大，允许 液体试样以较高的流量通过 图6-2 固相萃取盘c.固相萃取固定相 键合硅胶固定相 通过化学反应的方法把各种有机官能团共价键合到硅胶表 面的游离羟基上。 正相：键合基团为CN(腈基)、DIOL（二醇基）、NH2 （氨基）可作为正相的固定相。正相固定相是极性的 ，用来保留极性物质 反相：C18（十八烷基）、C8（辛烷基）、C2（乙基
5、）、CH（环己烷基）、PH（苯基）都是反相固定相。 反相固定相用来保留非极性或弱极性的分析物离子交换：键合基团为丙磺酸基（PRS）、SCX(苯磺 酸基)、二乙基丙基胺（DEA）、三甲基丙基胺（SAX） 可作为离子交换固定相。 表6-1 溶剂强度正相固定相 溶剂强度反相固定相己烷水异辛烷甲醇甲苯异丙醇氯仿乙腈二氯甲烷丙酮四氢呋喃乙酸乙酸四氢呋喃丙酮二氯甲烷乙腈氯仿异丙醇甲苯甲醇异辛烷水己烷弱强表 6-1 溶剂强度 高分子聚合物吸附剂 有机聚合物吸附剂多为苯乙烯-二乙烯基苯共聚物， 聚甲基丙烯酸甲酯等。根据极性大小和所选用的单体分 子结构不同，可分为强极性、极性、中等极性、非极性 四种类型 碳基吸
6、附剂：常见的有活性炭、分子筛、多孔石墨碳 等 混合型吸附剂 ：混合型吸附剂能综合运用氢键、极 性、非极性以及离子间相互作用等多种作用力，使各种 吸附剂在性能上相互补充，可用于各种化合物的固相萃 取。已开发成产品的有Varian的Bond-Elut Certify 等。图 6-3 固相萃取过程d. 固相萃取过程固相萃取操作一般有四个基本步骤：固定相活化、样品 上柱、淋洗和分析物洗脱 固定相活化活化的目的是除去柱内所有杂质并创造一个与样品 溶剂相容的环境 。通常需要两种溶剂来完成上述任务， 第一个溶剂（初溶剂）用于净化固定相，另一种溶剂（ 终溶剂）用于建立一个合适的固定相环境使样品分析物 得到适当
7、的保留。每一种活化溶剂用量约1-2ml/100mg固 定相。以反相C18固相萃取柱为例。先使数毫升的甲醇通过 萃取柱，再用水或缓冲溶液顶替滞留在柱中的甲醇。 上样试样倒入活化过的固相萃取柱，然后利用抽真空、 加压或离心的方式使样品进入固定相，这时分析物和一 些样品干扰物保留在固定相上注意事项：为了保留分析物，溶解样品的溶剂必须 较弱图6-4 样品进入固定相的方法 淋洗分析物得到保留后，通常需要淋洗固定相以洗 掉不需要的组分；淋洗溶剂必须洗掉尽量多的干扰组 分，但不能强到可以洗脱任何一个分析物的程度。溶 剂用量一般0.5-0.8ml/100mg固定相 洗脱淋洗过后，将分析物从固定相上洗脱。洗脱溶
8、剂 用量一般0.5-0.8ml/100mg固定相 反相C18固相萃取柱萃取水样中多环芳烃活化：先甲醇，后水；上样：3ml分析物水溶液 淋洗/洗脱：3ml水、10%甲醇、20%甲醇、30%甲醇直到 100%甲醇 、丙酮图6-4 洗脱图分布实例结论：淋洗溶剂应为20%甲醇；80%甲醇为洗脱剂e. 固相萃取优点 可选择分离模式很多，可以提供多种实验途径 不会出现乳化现象，提高分离效率 减少溶剂大量使用和暴露，保证实验室安全、低毒 减少劳动强度 重现性好便于不同实验室进行质控比较分析结果 易于与其他仪器联用，实现自动化在线分析1.痕量分析的富集与分离1）痕量分析中存在的三种分离模式 ： 常量-微量分离
9、； 微量-常量分离； 微量-微量分离2)富集分离的评价指标主要评价指标：待测组分回收率、富集倍数其它考虑因素：待测痕量组分的沾污和损失 小；方法简单、快速，富集后的样品适于作进一 步处理；费用是否昂贵等 2.固相萃取1）基本原理： 利用固定相将液体样品中的待测组分 吸附，与样品中基体和干扰组分分离，然后用洗脱液洗 脱，达到分离或富集待测组分目的。2）固相萃取的固定相种类和HPLC相似，但在在填料的 形状和粒径上有所区别3） 固相萃取柱和固相萃取盘的区别：填料粒径和床厚 度/直径比4）固相萃取过程固相萃取操作一般有四个基本步骤：固定相活 化、上样、淋洗和分析物洗脱5）固相萃取优点：可选择分离模式
10、很多，可以提供多种实 验途径；不会出现乳化现象，提高分离效率；减少溶剂大 量使用和暴露；减少劳动强度；重现性好；易于与其他仪 器联用，实现自动化在线分析2)液液萃取（在无机痕量分析的应用）a. 概述萃取体系 : 螯合萃取利用金属离子与螯合剂形成疏 水性的螯合物由水相萃取到有机相 离子缔合萃取通过离子缔合作用以离子 缔合物的形式进入有机相b. 痕量元素的萃取 痕量元素的螯合萃取 天然水、废水以及其它水样中的各种痕量重 金属，在适当条件下，可以以螯合物的形式萃取 到小体积的有机相中 高纯材料和其它固体样品中痕量元素的富集 也常用螯合萃取法 生物样品如血、尿和组织中金属离子可直接 萃取，其它形态的金
11、属化合物需要先消解 痕量元素的离子缔合萃取c.基体元素的萃取 基体元素的螯合萃取基体元素的螯合萃取 应用较少，存在两个问题：金属螯合物在有机相中的溶解度有限共萃取效应可能使痕量待测元素损失；大量螯合剂 引起溶液沾污 基体元素的离子缔合萃取 离子缔合体系中有机相的萃取容量大，适合基体元 素萃取 广泛应用于高纯金属和化合物中ug/g级或ng/g级的 杂质分离3）沉淀和共沉淀a. 基体元素的沉淀：在适当条件下，可用沉淀法除去基 体元素，而把痕量待测元素定量地留在溶液中 沉淀剂分类无机沉淀剂氨水、氢氧化钠、硫化氢等有机沉淀剂常用的有机沉淀剂有二肟类(如丁二酮肟)、羟 基肟类(如水杨醛肟)、亚硝基化合物
12、(如铜铁灵) 、8-羟基喹啉及其衍生物等 基体沉淀法的弊端： 大量使用沉淀剂容易造成溶液沾污 共沉淀作用可能引起待测痕量元素 的损失 溶液的稀释倍数比较大，给后面测 定带来困难b. 痕量元素的共沉淀 共沉淀的定义：在沉淀分离中，待分离化合物未达到溶 度积，而由于体系中存在的其他难溶化合物（捕集剂或载 体）在形成沉淀过程中引起的待分离化合物同时沉淀的一 类现象 共沉淀剂的分类 无机共沉淀剂氢氧化物、硫化物、硫酸盐等 有机共沉淀剂甲基紫、孔雀绿、品红等4） 挥发a.概述 挥发法是将气体和挥发性组分从液体或固体样 品中转变为气相的过程，它包括蒸发、蒸馏、 升华、气体发生和驱气。 一般来说，在一定的温
13、度和压力下，当待测痕 量组分的挥发性和蒸汽压足够大，而基体的挥 发性和蒸汽压小到可以忽略时，可选择性地挥 发痕量组分。反之，如果基体的挥发性和蒸汽 压远大于痕量组分，则可选择性地挥发基体元 素(或化合物)。 a. 痕量组分的挥发 溶液中痕量组分的挥发在液体样品(或者通常把固体溶解成溶液)中， 使痕量组分定量挥发，挥发出来的元素或化合物， 用适当的溶液吸收，冷凝或用其他捕集方法进行富 集，然后进行测定。可直接与各种检测仪器相联接 ，实现试样的分解、富集分离和测定同时进行。挥发方法：气流载带法、热挥发法、化学反应 法氢化物发生法：v 原理：一些金属性质比较弱的元素如锗、 锡、砷、锑、铋、硒、碲等，
14、在酸性介质和还 原剂存在的条件下，可生成易挥发的共价分子 氢化物。 v 氢化物的形成和测定条件HCl被广泛用作反应介质，NaBH4或KBH4用 作还原剂；v 氢化物发生法单独作为一种富集分离手段 ，也可以和原子吸收光谱、原子发射光谱联用 固体和熔融体痕量组分的挥发 挥发方法v 热提取法v 真空熔融法v 活性气流提取法通过化学反应将待测痕量组分直接转化为挥 发性化合物；提取效率高，沾污小b. 基体成分的挥发 溶液中基体成分的挥发： 最简单的应用从大体积水和非水溶液中除 去水、挥发性酸（碱）、有机和无机液体， 把痕量元素留在残渣中 有机化合物和生物材料的湿法分解也属于 这一类 固体中基体成分的挥发 少数可以直接挥发,大多数通过化学反应挥 发：卤化反应、氧化反应等 有机和生物材料的干法灰化也属于这一类 ，
