基本信息
- 项目名称：
- 气流式吹扫微注射器萃取仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 为解决现代分析仪器不能直接分析复杂样品的问题，本研究团队开发了气流式吹扫微注射器萃取仪。主要研究内容①增加萃取体系相对体积的方法；②冷凝器的设计；③加热器的设计；④影响萃取率条件的优化；⑤应用研究等。气流式吹扫微注射器萃取仪解决了现代分析仪器和样品前处理方法不匹配的问题。此微萃取仪可用于生物、环境、食品、医药等复杂样品中的挥发性半挥发性物质的定性定量分析。
- 详细介绍：
- 一、研究背景 样品分析的整个过程，特别是复杂样品分析过程基本可分为两大类：样品前处理和仪器分析[1]。近十年仪器分析技术得到迅速发展，已经达到了一体化(如进样、分离、检测、数据处理等)、自动化、多技术的联用化、在线化、快速化等现代分析技术要求。然而对复杂样品分析而言，因为样品前处理技术中存在的种种问题，这些现代分析仪器不能发挥其自身的卓越功能。为了完成复杂样品的快速处理，多步骤的一体化、多技术的联用和集成化、自动化、在线化的样品前处理技术受到国内外研究者们的高度重视[2]。 因为复杂环境样品微量/痕量有机成分分析具有被测物质的浓度低、样品组分复杂、干扰物质多、同分异构体的存在、易受环境影响等特点，所以通常都需复杂的前处理。样品前处理过程主要包括萃取（或富集）、精制（或分离）、浓缩等，目前在样品萃取领域中开发了具有应用前景好且萃取效率高的多种技术，如固相/液相微萃取、固相萃取、微波萃取、超临界萃取、吹扫捕集和连续流动液膜萃取等[3-6]，常用的样品精制技术有液液分离、液固分离、层析吸附、凝胶色谱、离子交换色谱、电泳色谱等[7-10]，但目前从萃取、分离、浓缩为一体的时代分析技术要求而言，这些样品前处理技术仍存在许多问题，这些技术必须在样品前处理仪器制作、简便快速、仪器联用、自动化、一体化、在线化等方面进一步得到发展和完善。其中，样品前处理的仪器制作是整个复杂样品分析中最薄弱、最紧迫、急需解决的环节。 二、研究目的 1. 开发萃取、分离、浓缩为一体的复杂样品全富集技术； 2. 实现挥发性半挥发性物质同时、完全萃取； 3. 制作具有自主知识产权的样品前处理仪； 4. 建立复杂样品中挥发性半挥发性成分简便、快速、低费用的样品前处理技术平台。 三、研究意义 解决现代分析仪器和样品前处理方法不匹配的问题。 四、总体思路： 为实现不同蒸汽压物质（挥发性和半挥发性物质）的快速分离和完全富集设计并进行了该项工作。依据理想气体状态方程—PV=nRT和色谱理论，本发明将传统微萃取技术的封闭体系设计为开放体系，开发了气流式吹扫液相微萃取技术，并成功的将该技术转化为产品—ME-101多功能微萃取仪，该产品通过了吉林省工业和信息化厅的新产品鉴定。在应用过程中该仪器被升级为气体吹扫微注射器萃取仪。未来发展中，气体吹扫微注射器萃取仪在医学、代谢组学、环境科学等众多领域以及土壤、植物等不同基质分析中将获得广泛应用。 五、理论依据： 由理想气体理论—PV = nRT可知,气相中某一种物质的绝对量与气相中目标物的分压和体积密切相关，就是说可以通过增加气相中目标物的分压和体积的方式来增加气相中某种物质的绝对量。气流式吹扫微注射器萃取仪通过气流方式增加了萃取体系的整体体积，达到了增加固定体系内相对气相体积的目的，而提高了气相中待测物质的绝对量。色谱理论—K = Cs/Cm可知，分配系数越大目标物在固定相中的浓度也越大。气流式吹扫微注射器萃取仪利用气流方式和有机溶剂的自身重力作用实现了有机溶剂在微量注射针针筒内的自动化往返运动和微量注射针针筒内有机微液膜的形成，此微液膜类似于色谱技术中的固定相，含有待测物质的气流类似于色谱技术中的流动相。待测物通过液膜时被有机溶剂吸附而得到富集。 六、研究内容： 1. 增加萃取体系相对体积的方法 目前，为了提高微富集技术对目标物的富集率，所采用的方法主要是提高样品温度和降低萃取溶剂的温度以及增大萃取溶剂的表面积。但这些方法都有一定的局限性。为了克服现有技术萃取体系体积受限制而导致的富集率受限制，不利于富集低蒸气压目标物的问题，本项目将其萃取体系设计为开发体系。所以即使萃取体系被固定，萃取体系中气相的体积也可以被无限扩大。根据理想气体状态方程——PV=nRT可知，当P、T一定时，n与V成正比。所以，当样品基质中目标物足够时，气相中目标物的绝对量也可以被无限的增加，进而提高目标物的富集率。 传统微富集技术中，富集体系的体积被选定之后，富集体系内气相的体积基本上是不变的，这导致挥发到气相的目标物也是一定的。本项目研发的气流式微富集技术是开放的体系，在通入惰性气体的条件下，可以通过延长时间来增大萃取系统中气相的体积，进而增加目标物的富集效率； 2. 冷凝器的设计 在液相微萃取中常用的冷凝器：(1)循环水冷凝器；(2)电偶冷凝器；本项目中采用的冷凝器：半导体冷凝器。 冷凝装置的设计背景，应用微富集技术时，研究者比较关注目标物的富集率，而目标物在富集载体上的分配系数对目标物的富集率有很大的影响，可以通过改变富集载体的温度来改变分配系数的大小，进而改变富集率的大小。目前，微富集技术中冷凝装置应用最广泛的是循环水冷凝装置，但循环水冷凝装置存在一些缺点，如：体积大，成本高，循环水温度很难控制等，而且在较低温度时，对冷凝装置的制备材料要求高。由于这些缺点使得循环水冷凝装置很难实现再现富集。因此需要开发一种体积小、结构简单、高效的冷凝装置。 半导体冷凝装置的工作原理,通过键盘输入所设定的冷凝温度给定值rn，并通过AT89C51单片机读取数据，再通过DS18B20单总线数字温度传感器读取冷凝段的温度反馈值yn，并计算本次误差en=rn－yn。用PID（比例、微分、积分）调节规律离散算法的位置式，算出本次输出控制量Un。Un= Un－1 ＋KP[en－en－1＋T/Ti en＋ TD/T﹙en－2en－1＋en－2﹚]，式中KP为比例系数，TD为微分时间，T为采样周期。计算n次调节器输出Un时，只要用本次和前两次的误差en 、en－1 、en－2以及上次计算出的输出值就可以了。经过计算输出值转换成PWM（脉冲宽度调制）信号，再驱动脉冲调制信号控制半导体制冷片，利用半导体制冷片冷端的产冷量来冷却色谱进样针。而半导体制冷片的一个电偶在热端放出的热量等于输入电功率与冷端产冷量之和，因此，散热条件的好坏，直接影响致冷效果，所以，制冷片必须安装在一个良好的散热片上。 由于采用上述结构，根据富集载体所要求的温度，选择不同的半导体制冷片。利用隔热材料将半导体制冷片与外界隔离，进而保证色谱进样针针尖上富集载体的温度。色谱进样针位置通过色谱进样针固定片随时调整，色谱进样针针尖与传热片的距离通过固定架与固定片调整，保证可靠传热。本发明公开了在微富集仪中色谱进样针的一种新颖冷凝装置，该冷凝装置在户外在线分析中有广泛的应用前景。 选择的冷凝器为半导体冷凝器，该冷凝器的核心为半导体制冷片，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应。通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制。 3. 加热器的设计 传统加热方式有：电加热（可调型），热水加热，热气加热，微波加热等。本研究中选择加热方式为发热片加热,因为其方便控制，而且对于温度控制的偏差较小。 4. 影响萃取率条件的优化 影响富集率的条件主要有：惰性气体流速、萃取时间、萃取溶剂、样品基质和萃取溶剂温度等。 研究过程中，分别对这些参数进行了优化。优化的具体情况如下： 4.1 气体流速对萃取效率的影响 在气流式吹扫微注射器萃取仪中，如果分析物从样品基质中挥发出来，惰性气体带动气相中目标物进入萃取体系。所以惰性气体流速是增加萃取效率的必要参数之一。为了研究惰性气体流速对萃取效率的影响，流速控制在0.9，1.8，2.7，3.6，4.5 mL/min（0.9和4.5是流量控制器的最小和最大值），然后比较了结果。结果表明目标化合物的回收率本质上并没有随着气体流动速率的改变而改变。这可能是因为所有分析物在280°C时都从样品基质里挥发出来，并且目标化合物在提供的气体流速范围内被萃取溶剂定量捕获，大概是因为萃取溶剂在微量注射器内创造了大的表面积。实验数据表明大部分的化合物在气化后在惰性气体带动的条件下全部转移到了萃取部分。考虑操作的简单化和少的有机溶剂用量，在下面的实验中，惰性气体流速被设定为1.8 mL/min。 4.2 萃取时间对萃取效率的影响 在HS-LPME和GF-HS-LPME中萃取时间是一个重要的因素，因为富集率随着时间的增加而达到一个平衡状态。在以前的研究中萃取时间控制在20 min。然而， 气流式吹扫微注射器萃取仪需要非常短的萃取时间。结果表示，在2 min时，目标化合物的回收率大于85%，或者更长的萃取时间，在2分后萃取时间增加目标物的回收率没有变化。这表明有机溶剂捕获之后，目标物在气流式吹扫微注射器萃取仪系统中没有挥发。为了证实这个，标准溶液（分析物的绝对量是0.8 ng）放入微量调节注射器里，在气流式吹扫微注射器萃取仪系统里暴漏20 min。化合物例如萘和甲基萘有少量的挥发，但是大多数化合物没有变化（数据未显示）.依据目标物的性质、实验的目的等重新选择萃取时间。考虑操作的简单和结果的重现性，本研究在以下实验中使用2分的萃取时间。 4.3 萃取溶剂的影响 相似相容原理是已经建立的萃取技术的原则，它也能应用在气流式吹扫微注射器萃取仪上。选择了5种溶剂（二氯甲烷，甲醇，正己烷，丙酮，乙酸乙酯）并且比较了结果。在这些溶剂中PAHs均有很高的溶解度，所以在所有溶剂中都有相似的回收率。根据溶剂的毒性及GC-MS分析的合理性，在以下实验中选择正己烷为萃取溶剂。 4.4 样品温度和萃取溶剂温度的影响 即使在HS-LPME和GF-HS-LPME技术中高温时具有高的富集因子，但是高温导致液相的有机溶剂由于挥发而损失，因为液相的有机溶剂暴漏在样品瓶的顶空。为了解决这个问题，设计了气流式吹扫微注射器萃取系统，通过注射器针头分离液相有机溶剂和样品瓶，有机溶剂装在微量注射器里。即使样品瓶的温度很高萃取溶剂以液相的形式存在，因为有冷凝系统，热量被隔绝了。与色分析发的注射温度条件类似，样品的挥发温度设置为200，250，280°C并且比较了结果。结果表示，很明显高温有利于目标化合物的气化。对于高沸点的化合物例如benzo[ghi]perylene，在高的样品温度280°C时的回收率要比低温200°C时更高。 因为萃取物进入到萃取有机相是放热的过程，低的萃取溶剂温度更有利于分析物的富集。还有，低的冷凝温度防止萃取溶剂的挥发。因为从样品瓶中不断的提供高温气体，如果不冷凝有机溶剂快速的挥发并且从微量注射器中释放。幸运的是，萃取过程是快速的（2 min）,气体流速非常低(1.8 mL/min)并且微量注射器玻璃有高的热容量（Cp=0.84 J g-1 K-1 )，所以在设置的操作条件下一个简单的冰水冷凝系统足够使有机溶剂保持液相的状态。基于以上的考虑及先前的经验，在本研究中选择0°C做为溶剂温度。在这些条件下，对于干燥样品，使用10 uL 的有机溶剂定量萃取目标化合物，并且大约1-3 uL的有机溶剂保留在微量注射器中，这个体积用GC-MS直接分析是合理的。 5. 应用研究 ① 应用气流式吹扫微注射器萃取仪萃取植物和土壤中有毒有机污染物。从结果可知，气流式吹扫微注射器萃取仪可获得与传统方法—索氏提取相似的结果。说明该仪器可用于有毒有机污染物的萃取中。 ② 利用吹扫微注射器萃取仪和水蒸气蒸馏两种方法分析独活中挥发油，结果显示，各个色谱峰通过NISI 08质谱库检索、定性，对于独活挥发油提取物，气体吹扫微注射器萃取法得到106种成分，已定性的有78种，占总组份的91.42%。水蒸气蒸馏法获得59种成分，已定性的有42种，占总组份相对含量的86.99%。总体来看，气体吹扫微注射器萃取法比水蒸气蒸馏法多萃取到36种挥发油成分。综上所述，气流式吹扫微注射器萃取仪获得更高的萃取效率。 ③ 气流式吹扫微注射器萃取仪在植物实时分析中的应用。植物释放的挥发性气体主要化学成分是萜类化合物和脂肪族化合物，其中单萜类化合物最多。 七、气流式吹扫微注射器萃取仪全富集仪器设备的的制作： 本仪器设备由①冷凝器、②加热器、③流量控制器、④显示器、⑤键盘、⑥微处理器、⑦样品池、⑧富集器、⑨警报器、⑩外盒等部件组成。 工作流程（实施方案）：①将含有微量有机溶剂的富集器（特制）固定在样品瓶上方的固定架里；②利用半导体冷凝器冷凝富集器；③将一定量的样品（固体或液体）放入干净的样品池（特制）里；④连接样品池和富集器；⑤开气体流量器开关，使惰性气体通入特制的样品池和特制的富集器；⑥利用加热器加热样品池；⑦被气化的目标物随着气流连续地抵达富集器后被富集到微量有机溶剂里；⑧目标物在已设定的时间内被富集；⑨富集结束后仪器自动关掉加热、冷凝、气体开关；⑩将富集的样品直接进行色谱分析。 自动化系统的建立：自动化系统主要由可编程控制器、单片机、半导体、电磁法、传感器、微量注射泵、溶剂或气体切换器、分步进样时间控制器、报警器、超声波发生器、显示器等组成。系统利用可编程控制器来控制电磁阀、微量注射泵、溶剂或气体切换器以及流量等的工作状态，从而实现样品前处理仪的自动化。流量积算控制仪对流量进行积算，计算已处理的样品和流动相的总量，并且利用流量传感器和热传感器来监测仪器的工作状态。各种传感器的信号和其他设定的仪器参数均向可编程控制器发送控制信号，控制仪器的自动化运转。 八、结论 气流式吹扫微注射器萃取仪将萃取体系设计为开放或半开放体系，引入的惰性气体既可以增加气相的相对体积、加速目标物的运动速度，又可以保护不稳定目标物（易氧化、易水解、热不稳定）。在较短时间内（小于2分钟），气流式吹扫微注射器萃取仪从不同样品基质中同时萃取挥发性、半挥发性物质，而且可达到目标物的完全萃取。气流式吹扫微注射器萃取仪在医学、代谢组学、食品化学、生物化学、环境科学等众多领域以及土壤、植物、水、大气等不同样品基质分析中将获得广泛应用。由于气流式吹扫微注射器萃取仪技术具有简便、快速、准确等特点，所以在现场分析和实时分析方面将拥有广泛的应用前景。 九、研究成果 1. Cui Yang, Xiangfan Piao, Jinxue Qiu, Xiaoping Wang, Chunyan Ren, Donghao Li*, Gas purge microsyringe extraction for quantitative direct gas chromatographic-mass spectrometric analysis of volatile and semivolatile chemicals. (2011) Journal of Chromatography A 1218: 1549-1555. 2. Cui Yang, Jinxue Qiu, Chunyan Ren, Xiangfan Piao, Xifeng Li, Xue Wu, Donghao Li*, Gas flow headspace liquid phase microextraction. (2009) Journal of Chromatography A 1216, 7694-7699. 3. Xue Yan，Cui Yang, Chunyan Ren, Donghao Li*, Importance of extracting solvent vapor pressure in headspace liquid-phase microextraction. (2008), Journal of Chromatography A 1205: 182-185. 专利： 实用新型专利： 1. “气流或环流式固/液相微萃取新装置”， 李东浩，杨翠，任春燕，200820072292.X（获得证书） 2. “一种用于微富集仪中的半导体冷凝装置”，朴相范，李东浩，杨翠， 200920093186.4（获得证书） 3. “气流式微注射器液相微萃取新装置” (2010)，李东浩，杨翠，朴相范，201020165509.9 （获得证书） 4. “一种用于微富集仪中的加热装置” (2010)，朴相范，李东浩，杨翠，毕金虎，201020165631.6 （获得证书） 发明专利： 5. “气流式顶空液相微萃取方法”， 李东浩，杨翠，200910067400.3（已公开） 6. “气流式动态液相微萃取方法” (2010)，李东浩，杨翠，朴相范, 201010170882.8（已公开）十、参考文献 [1] J. Pawliszyn. Anal. Chem. 75, 2003, 2543. [2] A.V. H. Herrera, M. A. Ramos, J. H. Borges, M.Á. R. Delgado. Trends in Anal. Chem., 29, 2010,728. [3] J. L. Zhou, R. Liu, A. Wilding. Hibberd. Environ. Sci. Technol., 41, 2007, 206. [4] Y. He, A. Vargas, Y.J. Kang. Analytica Chimica Acta, 589, 2007, 225. [5] G. Ouyang, W. Zhao, et al. Journal of Chromatography A, 1138, 2007, 47. [6] K. Ridgway, R. Smith, et al. J. Chromatogr. A, 1153, 2007, 36. [7] L.H.H. Silvertand, et al. J. Chromatogr. A, 1204, 2008, 157. [8] N.K. Hartley, M.A. Hayes, Anal. Chem., 74, 2002, 1249. [9] J.L. Zhou; H. Hong; Z. Zhang; et al. Water Research, 34(7), 2000, 2132. [10] D. Li, J. M. Park, J. R. Oh. Anal. Chem., 73, 2001, 3089.
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设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：(1)开发萃取、分离、浓缩为一体的复杂样品全富集技术；(2)实现挥发性半挥发性物质同时、完全萃取；(3)制作具有自主知识产权的样品前处理仪；(4)建立复杂样品中挥发性半挥发性成分简便、快速、低费用的样品前处理技术平台。 基本思路：为实现不同蒸汽压物质的快速分离和完全富集设计并进行了该项工作。依据理想气体状态方程—PV=nRT和色谱理论，本发明将传统微萃取技术的封闭体系设计为开放体系，开发了气流式吹扫液相微萃取技术，并成功的将该技术转化为产品——ME-101多功能微萃取仪，该产品通过了吉林省工业和信息化厅的新产品鉴定。在应用过程中该仪器被升级为气体吹扫微注射器萃取仪。未来发展中，气体吹扫微注射器萃取仪在医学、代谢组学、环境科学等众多领域以及土壤、植物等不同基质分析中将获得广泛应用。 创新点：（1）将液相微萃取体系设计为开放体系；（2)瞬间加热的方法实现复杂样品中挥发性半挥发性物质与非挥发性物质的快速分离；(3)半导体冷凝器应用到微萃取技术。 技术关键：(1)萃取体系被设计为开放体系；(2)利用转接管隔离高温气化系统和低温富集系统，实现微萃取技术的高温萃取；(3)通过引入惰性气体增加目标物的运动速度，保护不稳定物质发生化学变化。 主要技术指标：(1)样品加热温度 50°C～300°C;(2)气体流量 0～5.0 SCCM; (3)冷凝温度 －5°C～0°C; (4)定时时间 0～99 min; (5)仪器可自动保存五个设定模式; (6)自诊断、报警。
科学性、先进性
- 科学性：由理想气体状态方程—PV=nRT可知，当P、T一定时，n与V成正比。本项目是在该理论指导下，将顶空液相微萃取体系设计为开放体系，通过延长萃取时间，增加萃取体系的相对体积，增加气相中目标物的绝对含量，进而提高目标物的萃取率。色谱理论—K = Cs/Cm，分配系数越大目标物在固定相中的浓度也越大。气流吹扫微注射器萃取仪利用气流方式和有机溶剂的自身重力作用实现了有机溶剂在微量注射针针筒内的自动化往返运动和微量注射针针筒内有机微液膜的形成，此微液膜类似于色谱技术中的固定相，含有待测物质的气流类似于色谱技术中的流动相。 先进性：首次提出、设计并制作了开放体系的气体吹扫微注射器萃取仪；该项目利用转接管将高温气化体系与低温萃取体系隔离；惰性气体的引入保证了化学不稳定物质的原始信息；该项目将半导体冷凝技术和MCH氧化铝陶瓷发热片和数字PID控制器应用到该萃取仪中，使气流吹扫微注射器萃取仪具有便携式、操作方便等特征。
获奖情况及鉴定结果
- （1）作品获得2011“挑战杯”吉林省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖 （2）2009年通过了吉林省工业和信息化厅的新产品鉴定； （3）申报者以第一作者发表相关学术论文数篇； （4）2010年在“863计划海洋技术成果转化推广暨产品推介对接洽谈会”展示上受到一致好评。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术转让、技术入股
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 特点和优势： (1)同时、完全萃取挥发性半挥发性物质；(2)使用气相分析的物质均可利用气流式吹扫微注射器萃取仪进行样品前处理；(3)经气流式吹扫微注射器萃取仪萃取之后的萃取液不需要再次的精制，可直接进行仪器分析；(4)气流式吹扫微注射器萃取仪解决了现分析仪器和样品前处理方法不匹配的问题。 适用范围： 不同样品基质（土壤、大气、植物等等）中挥发性半挥发性物质（有毒有机污染物、挥发油、代谢物等）的萃取。 推广前景： 在医学、代谢组学、食品化学、生物化学、环境科学等众多领域以及土壤、植物、水、大气等不同样品基质分析中将获得广泛应用；同时在现场分析和实时分析方面也将拥有广泛的应用前景。 市场分析： 拥有气相色谱或者气质联用的企业和研究机构均可用本仪器。可以用于医药、食品、烟厂、香料、植物产品等等众多领域中。 经济效益预测： 按100台仪器的制作量，每台仪器参考单价为5万元计算 ，税后利润：312.8万元
同类课题研究水平概述
- 样品分析的整个过程，特别是复杂样品分析过程基本可分为两大类：样品前处理和仪器分析。近十年仪器分析技术得到迅速发展，已经达到了一体化(如进样、分离、检测、数据处理等)、自动化、多技术的联用化、在线化、快速化等现代分析技术要求。然而对复杂样品分析而言，因为样品前处理技术中存在的种种问题，这些现代分析仪器不能发挥其自身的卓越功能。为了完成复杂样品的快速处理，多步骤的一体化、多技术的联用和集成化、自动化、在线化的样品前处理技术受到国内外研究者们的高度重视。 因为复杂环境样品微量/痕量有机成分分析具有被测物质的浓度低、样品组分复杂、干扰物质多、同分异构体的存在、易受环境影响等特点，所以通常都需复杂的前处理。样品前处理过程主要包括萃取（或富集）、精制（或分离）、浓缩等，目前在样品萃取领域中开发了具有应用前景好且萃取效率高的多种技术，如固相/液相微萃取、固相萃取、微波萃取、超临界萃取、吹扫捕集和连续流动液膜萃取等，常用的样品精制技术有液液分离、液固分离、层析吸附、凝胶色谱、离子交换色谱、电泳色谱等，但目前从萃取、分离、浓缩为一体的时代分析技术要求而言，这些样品前处理技术仍存在许多问题，这些技术必须在样品前处理仪器制作、简便快速、仪器联用、自动化、一体化、在线化等方面进一步得到发展和完善。其中，样品前处理的仪器制作是整个复杂样品分析中最薄弱、最紧迫、急需解决的环节。
