气动固相微萃取色谱在线序列分析设备及萃取方法

技术领域

本发明涉及萃取色谱分析技术领域，尤其涉及分析测试中样品前处理与测试一体的全自动序列固相萃取色谱在线分析设备以及萃取的方法。

背景技术

气动固相微萃取色谱在线分析：是一种联用于色谱仪器上、以气体做动力进行固相微萃取、并将所有萃取物洗脱(吹扫)至色谱仪器中进行分离测试的方法；由于分析测试用取了所有的萃取物、供试品没有损失，使分析的灵敏度(提高约1000倍)、代表性、准确性大大提高，环境污染几近于零。萃取、测试一体后分析时间大大缩短(约5倍)，效率大大提高；气动固相微萃取色谱在线序列分析设备，则是在具备气动固相微萃取色谱在线分析仪所有功能的基础上，实现批量样品的连续自动化萃取、净化和色谱测试的仪器。

传统的低浓度样品测试时将大量的样品(1000ml)通过固相萃取到萃取柱中，再用有机溶剂洗脱下来，将此有机溶液浓缩定容至1ml左右(浓缩有机溶剂会造成环境污染)，量取此萃取液0.001——0.02ml(1——20ul)进行色谱分析，样品利用率低，处理过程冗长，不易自动连续测定，如果使用的萃取剂不适宜后续的色谱测定，还需将萃取剂反复置换挥发转变为易于色谱进样的溶剂，此过程不仅浪费时间、造成很大的环境污染而且由于反复蒸发浓缩造成样品的不确定损失，加大了测定误差。已有学者将一根色谱柱作为萃取柱，用一台液相色谱仪部件高压泵将一定量的样品溶液泵入萃取柱中达到浓缩富集样品的目的，再切换至分析体系中。但此色谱柱不是专门设计的萃取柱，和后续测定使用的分析色谱柱流动相的比例及流速都不适配(萃取柱中的待测物希望瞬时被洗脱而分析色谱柱中的待测物需各具其保留值)；用一台液相色谱仪高压泵为样品的萃取提供动力，样品必然流经泵体，测试下一样品时必须清洗整个泵体；液相色谱高压泵做动力难于自动连续萃取不同样品；液相色谱高压泵泵入样品与气动驱动样品相比，高压泵泵入法非常昂贵。本专利采用自制萃取柱利用适当的装置和方法实现气体驱动样品进行萃取，当双通路针插入样品罐上的插口，气体压力驱使样品全部通过萃取柱，萃取结束，当双通路针移开原来的样品罐插入到下一个样品罐间隙中无需切断气源(因为气流流速较小又无污染)无需复杂的控制装置，一下使问题简单，而使在线、自动、大批样品序列分析易于实施。

发明内容

本发明的目的是：1、实现液体样品的前处理和色谱测试在线、连续、自动化。2、解决传统萃取中的环境污染问题。3、解放劳动力提高效率。4、提出一个全新的萃取动力思路，不需附加萃取柱再生过程。5、降低设备成本，使过程已于实施。为此而研制并建立了气动固相微萃取色谱在线序列分析设备及相关萃取方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：气动固相微萃取色谱在线序列分析设备，包括样品罐、气体动力源、萃取柱、废液罐、六通阀、色谱仪部件高压泵、色谱仪部件分析色谱柱和移动加热器，所述样品罐的内底部开设有凹槽，所述样品罐的顶部设置有堵头，所述样品罐的外表面设置有螺旋帽，所述螺旋帽的内顶部与堵头相贴合，所述堵头的内部设置有中空螺钉，所述中空螺钉内部活动连接有双通路针，所述双通路针的内部设置有导样管，所述导样管远离双通路针的一端延伸至凹槽内底部，所述双通路针的内部且位于导样管的外侧设置有气路通道，所述气路通道的内侧壁设置有连通管，所述连通管远离气路通道的一端延伸至双通路针的外侧，所述双通路针气路通道的下端延伸至样品罐的内部并开设有出气孔，所述气体动力源通过第一连接管与连通管连接，所述六通阀的外表面设置有接口一、接口六、接口五、接口四、接口三、接口二，所述接口六通过第七连接管与导样管连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述萃取柱通过第二连接管与接口一固定连接，所述萃取柱通过第三连接管与接口四固定连接，所述萃取柱与移动加热器配合使用。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述废液罐通过第四连接管与接口五活动连接，所述色谱仪部件高压泵通过第五连接管与接口二固定连接，所述色谱仪部件分析色谱柱通过第六连接管与接口三固定连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述样品罐的主体为聚四氟乙烯，所述堵头的上表面与螺旋帽的内顶部均为锥斜面，并且所述堵头与螺旋帽均采用不锈钢材料制成。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述中空螺钉采用peek材料制成，所述中空螺钉的下端为锥形。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述双通路针与中空螺钉密封连接，所述双通路针的下方为锥形。

作为上述技术方案的进一步描述：

气动固相微萃取色谱在线序列分析设备的萃取方法包括以下步骤：

(1)萃取富集过程；

(2)洗脱及分离测试过程。

萃取时垂直移动导气导样双通路针抓手，使双通路针插入上部有喇叭口的peek插口中并施加一定力量，使针、孔能紧密塞合，此时通气体给样品罐内上部加压，压力驱动样品沿样品导管、六通阀、经萃取柱萃取后流出，在分析对象和吸附剂组成的体系未达到穿透点以前、均可变化条件实现最佳测试。

作为上述技术方案的进一步描述：

为保证萃取富集柱的脱附淋洗和分析柱的分离洗脱协同进行，此过程的梯度洗脱程序宜于如此选择：梯度前段1—2分钟强洗脱剂100％、流速约0.2ml/min，梯度中后段同常规流速和梯度比例，此过程中六通阀一直置于injection位置——确保萃取柱中待测物质全部进入分析柱后可将六通阀置于load位置，可进行下一个样品的萃取富集或运行1min空白后进行下一个样品的萃取富集。

本发明具有如下有益效果：

1、与现有技术相比，该气动固相微萃取色谱在线序列分析设备，使固相萃取小型化、与分析仪器一体化、分析测试连续序列自动化、没有挥发出有机溶剂环境污染趋零化，并且分析得灵敏度、代表性、准确性大大提高，而且萃取、测试一体后分析时间大大缩短，实现样品的批量测定，大大提高了样品分析测试的效率。

2、与现有技术相比，本设备设计的气动萃取时，在气压小于10大气压，流速最大可达2.5ml/min，此流量能力即使分离测试时一直让流动相通过萃取柱(萃取柱中待测物超干净洗脱)也不会出现压力过大现象。

3、与现有技术相比，本设备是以气体做动力进行固相微萃取、并将所有萃取物洗脱(吹扫)至色谱仪器中进行分离测试的方法；由于分析测试用取了所有的萃取物、供试品没有损失，使分析的灵敏度(提高过约1000倍)、代表性、准确性大大提高，环境污染几近于零。

4、与现有技术相比，本设备萃取测试一体后分析时间大大缩短(约5倍)，效率大大提高。且气动固相微萃取色谱在线序列分析测试仪，则是在具备气动固相微萃取色谱在线分析所有功能的基础上，实现批量样品的连续自动化萃取、净化和色谱测试的仪器。

附图说明

图1为本发明提出的气动固相微萃取色谱在线序列分析设备的萃取过程结构示意图；

图2为本发明提出的图1中A结构示意图；

图3为本发明提出的图2中B结构示意图；

图4为本发明提出的气动固相微萃取色谱在线序列分析设备的洗脱分离测试结构示意图。

图例说明：

1、样品罐；2、气体动力源；3、萃取柱；4、废液罐；5、六通阀；6、色谱仪部件高压泵；7、色谱仪部件分析色谱柱；8、凹槽；9、堵头；10、导样管；11、双通路针；12、气路通道；13、第一连接管；14、出气孔；15、第二连接管；16、第三连接管；17、接口一；18、接口六；19、接口五；20、接口四；21、接口三；22、接口二；23、第四连接管；24、第五连接管；25、第六连接管；26、第七连接管；27、连通管；28、螺旋帽；29、移动加热器；30、中空螺钉。

具体实施方式

下面将结合本发明施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是活动连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1-4，本发明提供的气动固相微萃取色谱在线序列分析设备：包括样品罐1、气体动力源2、萃取柱3、废液罐4、六通阀5、色谱仪部件高压泵6、色谱仪部件分析色谱柱7和移动加热器29，样品罐1的内底部开设有凹槽8，便于将样品罐1内部的样品全部萃取，样品罐1的主体为聚四氟乙烯，样品罐1的顶部设置有堵头9，堵头9可紧密堵住样品罐1开口、此开口处的外螺纹可以加装包围式的螺旋帽28加固堵头9与样品罐1的连接及密封，堵头9上设置有一个具锥螺孔为变径孔、大径孔具丝，大小径相接处锥度过渡，样品罐1的外表面设置有螺旋帽28，堵头9的上表面与螺旋帽28的内顶部均为锥斜面，便于螺旋帽28拧紧时将堵头9压紧，并且堵头9与螺旋帽28均采用不锈钢材料制成，螺旋帽28的内顶部与堵头9相贴合，堵头9的内部设置有中空螺钉30，中空螺钉30采用peek材料制成，中空螺钉30的下端为锥形，能与堵头9上的具锥螺孔配合密封。中空螺钉30内部活动连接有双通路针11，双通路针11与中空螺钉30密封连接，双通路针11的下方为锥形，便于将双通路针11插入堵头9上的中空螺钉30内，双通路针11的内部设置有导样管10，导样管10是双通路针11的一部分，当抓手向上移动针拔出时与针一起拔出，插入时，与针一起插入。导样管10远离双通路针11的一端延伸至凹槽8内底部，双通路针11的内部且位于导样管10的外侧开设有气路通道12，气路通道12的内侧壁设置有连通管27，连通管27远离气路通道12的一端延伸至双通路针11的外侧，双通路针11气路通道12的下端延伸至样品罐1的内部并开设有出气孔14，气体动力源2通过第一连接管13与连通管27连接，六通阀5的外表面设置有接口一17、接口六18、接口五19、接口四20、接口三21、接口二22，接口六18通过第七连接管26与导样管10连接。

萃取柱3通过第二连接管15与接口一17固定连接，萃取柱3通过第三连接管16与接口四20固定连接，萃取柱3与移动加热器29配合使用，当萃取柱3需要加热时，使移动加热器29与萃取柱3贴合，当萃取柱3不需要加热时，使移动加热器29与萃取柱3分离，萃取柱3越小，萃取物越集中和分析串联时，色谱分离越好，再小的萃取柱3的萃取量也能满足测试之用，然而传统方法很难将萃取柱3做的很小，因为做小后很难和系统连接，作者一改以前萃取柱3的形貌和连接法，用两头具丝中段可用小扳手固定且具有一定中孔的螺钉做萃取柱3，使其长度降到10mm左右，容积降至100ul一下(常规色谱仪的标配中有100ul进样环，说明此体积不会使分析柱效明显降低)，即使分离测试时一直让流动相通过萃取柱3(萃取柱3中待测物超干净洗脱)也不会出现压力过大现象，废液罐4通过第四连接管23与接口五19活动连接，色谱仪部件高压泵6通过第五连接管24与接口二22固定连接，色谱仪部件分析色谱柱7通过第六连接管25与接口三21固定连接。

工作原理：如图1，这种方法分析测定过程大致可分为两大部分：1萃取富集过程，2洗脱及分离测试过程。萃取过程在气体动力的作用下，将常规体积的含痕量物质样品，通过特殊设计的样品储存容器萃取富集于和色谱六通阀(loop)相连的特殊设计的微型萃取柱中，使样品达到数千倍以上的富集。萃取富集结束，切换六通阀实现洗脱及分离测试过程，此过程和常规色谱分析测试类似，仅在从微柱中解吸目标物时加大了强洗脱剂的比例(可以由色谱梯度洗脱程序实现)以达到测试物被快速集中洗脱于分析柱，必要时富集柱可被加热以利于样品解析而不加大强洗脱剂的比例而满足分析柱的最佳洗脱条件。设计样品罐和进样模块的单体为一定体积(25ml、12ml)、高度的聚四氟乙烯样品罐，罐底有坡度中央最低，导样管可以置入样品罐最底部，样品罐上端部分为不锈钢堵头，堵头上有锥度螺孔直通罐内，锥度螺孔上有空心peek螺钉，空心螺钉中孔为变径，上半部分内径0.8—1.4mm，下半部分内径严格的英制1/16，样品罐装好样品后置于仪器固定卡件上，将气源压力和流速调至预定值，六通阀旋至(load)上样位置，垂直移动双通路针抓手，使双通路针插入中孔peek螺钉中并施加一定力量，使针和孔能紧密塞合，此时通气体给样品罐内上部加压，压力驱动样品沿样品导管、六通阀、经萃取柱萃取后流出，在分析对象和吸附剂组成的体系未达到穿透点以前、均可变化条件实现最佳测试。

萃取结束后，将六通阀切换至injection位置如图1的后端显示，流动相经过六通阀及萃取柱、将测试对象洗脱至分析柱。一般萃取富集柱柱径较细、长度更短、所用填料粒径较粗，强洗脱剂较低的流速亦会将待测物有效洗脱至分析柱前端，不会造成测试物在分析柱前端明显扩散，对分析柱分离效果不产生明显影响。为了使萃取富集柱的脱附洗脱和分析柱的分离洗脱协同进行，此过程的梯度洗脱程序宜于如此选择：梯度前段1—2分钟强洗脱剂100％、流速约0.2ml/min。梯度中后段同常规流速和梯度比例，此过程中六通阀一直置于injection位置。确保萃取柱中待测物质全部进入分析柱后可将六通阀置于load位置，进行下一个样品的萃取富集，仪器分离测定部分继续。如果测试中样品本底较高，可以在分析柱前加一只与分析柱适配的净化柱。

以上为单个样品萃取富集测试的全过程，实际工作中常常要进行批量样品的测试。本设备已为序列分析测试打下基础，序列分析时将若干个装好样品的样品罐，定位放置在可控制转动的样品盘中，样品罐的上位同双通路针抓手协同进行达到批量萃取富集的目的，萃取富集同色谱分离分析协同，即达到由样品的处理及测试的全部自动化。

单个样品测试仪在实验室的工作性能优良，10到20ml的样品萃取时间10min左右，而多组分样品常规色谱分析大多超过10min以上，可见这种方法处理样品后测试时间是相互匹配的，前个样品的分离测试和后一个样品的萃取富集互不影响，过程可以相互交叉。下面拆解各主要部件的原理。

4.1中压样品罐部件

样品罐主体为聚四氟乙烯，底部中间最低，导液管正好插在此处，能保证最后一滴样品得到萃取，样品罐容积25ml为最大上样量，预示比常规液相色谱进样量大1000倍，样品罐上部堵头为不锈钢制作，堵头上的中空螺钉是peek材料上有喇叭口，孔为变径看，和堵头之间为锥密封，堵头外有不锈钢螺旋帽如图3中样品罐上端部件，如此设计保证了罐体不漏。

Peek螺钉的上部内径0.8—1.4mm，空芯不锈钢双通路针的外部为圆锥形，顶点最细处0.6mm后端最粗处1.5mm，萃取富集时双通路针插入Peek螺钉孔中，抓手向下施加一公斤力时，双通路针在插孔处会产生(插孔半径0.05厘米截面积0.00785平方厘米)约127公斤/平方厘米(127大气压)的压强，理论上讲如果样品罐内压强小于此值就不会从此处漏液，而样品的气动驱动最大压强约为10大气压，所以此导液导气方法不会在此产生泄露。

液相色谱分析所用的光学检测器最怕气泡进入，如有气体进入检测器则无法稳定地工作。气动微萃取时，气体推动液体样品进行萃取，当样品全部流入萃取柱，气体也随之而入，若排液管道插入水中就会有气体冒泡指示萃取结束，此时气体已经进入萃取柱，若直接切换六通阀使萃取柱和分析柱串联，气体也会进入分析柱，为解决此问题，当一个样品萃取结束，可运行一次空白(水)吹扫气泡(预运行)。由于萃取柱及连接管路小，其死体积约50ul(由直接测试此柱的死体积和常规分析色谱柱死体积的推算都可获得)，因此预运行(流速1.5ml/min)可在1min内结束。现代液相色谱大多具有在线脱气机，经过脱气的流动相对气体有充分的再溶解能力，微柱脱附和分析柱分离时都处在同一封闭体系，具有较高压强，若有残留微量气体足以让高压、脱气流动相吸收而不影响分离检测。萃取柱被淋洗时若有难于洗脱的物质不能快速洗脱，萃取柱旁设计了加热附件帮助脱附而不影响分析柱分离(高端仪器连接管路很细，散热充分，流动相进入分析色谱柱前已经经过柱温箱温度平衡)。如果这种萃取方法和气相色谱联用，则不需要考虑萃取柱中进入气体的问题，而是考虑怎样尽量将液体(水分)赶净后进行热解吸。

本设备和气相色谱联用时，可从载气中分出一路作驱动气，由于样品罐小，气体消耗很少，载气纯净不会对样品产生污染。装置和液相色谱联用时，氮气、空气都可作为驱动气，必要时将空气净化一下效果更好。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，实施尺寸仅是一个特例，并不限制本发明尺寸，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。