ME-101多功能微萃取仪的研究与开发

毕金虎, 尹哲, 朴相范

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室(延边大学),吉林延吉133002)

ME-101多功能微萃取仪的研究与开发

毕金虎, 尹哲, 朴相范＊

(长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室(延边大学),吉林延吉133002)

基于气体吹扫微注射器萃取技术(GP-MSE)、高温加热和半导体冷凝技术,研究和开发了集萃取、净化、浓缩、预分离为一体的气相色谱样品前处理仪器——ME-101多功能微萃取仪.通过对比水蒸气蒸馏法和多功能微萃取仪萃取得到的关苍术根茎中挥发油的气相色谱-质谱总离子流图发现,利用该仪器萃取到的挥发性成分的个数明显多于水蒸气蒸馏法,并且该仪器萃取的主要成分含量高于水蒸气蒸馏法.实验表明,该仪器具有试剂用量少、萃取时间短、富集率高、结构简单、使用方便、使用费用低等特点,适用于医药、农业、食品、质量控制等领域的固体、液体样品的气相色谱样品前处理.

液相微萃取;气相色谱;样品前处理

随着科学技术的迅速发展,分析仪器的自动化水平不断提高,特别是现代电子技术和计算机技术的引入极大地推动了分析化学的发展.作为分析化学的重要组成部分——样品前处理技术也得到了迅速发展[1].微富集技术集分离、纯化、浓缩为一体,它克服了传统样品前处理方法普遍存

在的操作繁琐、耗时、需要使用大量对环境有害的有机溶剂等缺点[2]而受到分析工作者的欢迎.近年来发展起来的微富集技术主要有固相微萃取(SPME)和液相微萃取(LPME)两种,这两种富集方法所需萃取溶剂量都非常少,环境友好,均可用于对不同样品中的挥发性和半挥发性目标物进行有效地富集.然而,SPME萃取头比较昂贵、易碎、寿命较短,基体对目标化合物的干扰作用明显,分析过程中有携带的可能性,这些缺点不但提高了它的使用成本,而且限制了其应用范围;而LPME技术所需要的装置非常简单,只需一支普通的微量进样器或多孔性的中空纤维,而且可用于LPME的溶剂种类非常多[3].正是由于LPME技术在萃取时有很大的优势,因此特别适合于环境或生物样品中痕量、超痕量污染物的测定,但对于半挥发性高沸点目标物的富集,LPME存在回收率较低,定量精度差,操作不方便等问题.气体吹扫微注射器萃取技术[4](GP-MSE)通过在传统HS-LPME装置中不断循环通入惰性气体,使富集系统成为开放的系统,并利用高温加热和制冷装置实现了比传统 HS-LPME装置更高的富集效率.

本文基于 GP-MSE技术、高温加热、半导体冷凝技术,研究和开发了一种集萃取、净化、浓缩于一体的气相色谱样品前处理仪器,该仪器具有萃取速度快、效率高、操作简单、自动化程度高等特点.

1 ME-101多功能微萃取仪的结构

ME-101多功能微萃取仪(简称微萃取仪)主要由半导体冷凝器、微型加热器、流量控制器和自动控制电路等构成.微萃取仪的结构示意图及实物图如图1所示.

图1(a)上面部分为半导体冷凝器.半导体制冷片的冷端贴近铝盒,铝盒用以加快冷凝器工作过程中制冷片两端的热传递;制冷片的热端与散热片及风扇相连,散发由制冷片冷端传递至其热端的热量.铝盒内部加工了一个直径为8mm的C形槽,用以放置微量注射器,冷凝器工作时,制冷片冷端通过吸收热量起到对微量注射器中的萃取溶剂进行制冷的效果.冷凝温度调节范围为室温～-10℃.

图1 (a)微萃取仪结构示意图;(b)微萃取仪实物图1.DS18B20温度传感器;2.铝盒;3.有机玻璃隔热盖;4.制冷片;5.微量注射器;6.散热片;7.风扇;8.PTFE垫;9.样品池;10.基座;11.加热片;12.不锈钢进气管;13.密封盖;14.样品管;15.样品;16.石棉;17.铂电阻

图1(a)下面部分为微型加热器.其加热部件 为氧化铝陶瓷加热片,加热器内部圆柱形样品池用以摆放石英样品管.进行萃取实验时,样品置入样品管中石棉层的上方,由加热片放出热量对其加热.加热器由 PTFE垫密封,不锈钢进气管由加热器底部接入微型加热器内部,通过进气管可向微型加热器中通入惰性气体.样品加热温度范围为50～350℃,气体流量调节范围为0～5 SCCM.

2 控制系统的组成与工作原理

2.1 系统组成

微萃取仪控制系统主要由 A T89C52单片机[5]、冷凝温度采集与控制电路、加热温度采集与控制电路、S49-32B/MT流量控制器[6]、开关电源、A T24C02存储器、键盘及LCM141液晶显示器等组成.开关电源提供+5 V、±15 V、+40 V直流电压.控制系统的电原理框图如图2所示.

图2 ME-101多功能微萃取仪控制系统的电原理框图

2.2 工作原理

利用键盘设定制冷温度、加热温度、惰性气体流量及定时时间.启动ME-101多功能微萃取仪后,DS18B20温度传感器[7]首先采集半导体冷凝器的当前制冷温度,并将温度信号转化成11位的数字信号;A T89C52单片机通过发出读暂存器命令,由DS18B20的单总线接口读取转化后的数字温度信号.然后,单片机将DS18B20测量出的温度值与键盘设定温度值进行比较,计算出误差值,并采用 PID算法算出控制量.与此同时,铂电阻非平衡电桥测量微型加热器的当前加热温度,得到与当前温度相对应的电桥电压输出,该输出接入AD620仪表放大器[8]进行放大,以满足A/D转换需要的输入电压范围.系统采用12位分辨率的A/D转换芯片ADS1286[9]对采集到的模拟加热温度信号进行A/D转换;单片机采集到该数字,根据其与键盘设定加热温度值的误差值进行控制.上述的两路控制量被转化成脉冲宽度调制(PWM)信号后,分别接入制冷片和加热片的驱动电路来驱动制冷片及加热片工作.

系统中的流量控制器用于测量和控制引入加热器样品管中的惰性气体的流量模数转换.流量控制器检测的流量模拟信号通过 PCF8591芯片[10]转换为8位数字信号,该数字信号通过 I2C接口送入单片机进行处理,单片机通过驱动电路控制电磁调节阀,使惰性气体流量达到设定值.

综上,在单片机控制下,整个系统能快速、自动地达到所需要的制冷和加热温度及惰性气体流量.

3 实验部分

3.1 微萃取仪和水蒸气蒸馏样品处理方法

准确称取粉碎的关苍术(根茎)植物样品5 mg,放入样品管中,塞上 PTFE垫.将250μL气密性注射器通过微萃取仪冷凝器刺透PTFE垫,针尖刚好穿过 PTFE垫底端即可.拔出针杆后,加入20μL萃取溶剂正己烷,通入氮气,设定加热和冷凝温度后进行萃取.萃取结束后,用正己烷定容至100μL,取2μL进行 GC-MS分析.萃取条件:氮气流速为2 m L/min,萃取温度为250℃,萃取时间为2 min,冷凝温度为-4℃,萃取溶剂体积为20μL.

称取5 g植物样品粉末,放入1 000 mL的水蒸气发生装置中,分别向蒸馏装置和水蒸气发生装置中加入1/2和1/3体积的蒸馏水,打开冷凝水,开始加热.当第一滴蒸馏液滴入接收管内萃取溶剂中开始计时,萃取时间为6 h.萃取结束后,用无水Na2SO4干燥后定容至1 m L,进样前定容至与 GP-MSE萃取液相同的浓度,取2μL进 GCMS分析.

3.2 实验结果分析

图3为利用水蒸气蒸馏法和微萃取仪萃取得到的关苍术(根茎)中挥发油的气相色谱-质谱总离子流图.由图可知,利用微萃取仪萃取到的挥发性成分的个数明显多于水蒸气蒸馏法.例如糠醛(2-Furaldehyde),糠醇 (2-Furanmethanol),5-甲基呋喃醛(2-Methyl-5-formylfuran),5-羟甲基糠醛(5-Hydroxymethyl-2-furaldehyde)等化合物只有在微萃取仪萃取溶剂中检出.经过成分及其含量对比分析得出,两种方法萃取到的挥发油主要成分种类相同(石竹烯 (Caryophyllene),Elixene,β-瑟林烯(.beta.-Eudesmene)),但微萃取仪萃取的主要成分含量高于水蒸气蒸馏法.

图3 关苍术根茎中挥发油的气相色谱-质谱图

4 结论

实验表明,本文研究开发的ME-101多功能微萃取仪是一种快速、简便、自动化的样品前处理技术,使用它进行样品前处理不仅省时、省力,而且可以减少由于不同人员操作及样品多次转移所带来的误差.该萃取仪已通过吉林省工业和信息化厅组织的新产品鉴定,可以广泛应用于医药、食品、烟草、石油、环境等行业,特别是在植物原材料和产品的真伪鉴别、痕量测定等质量控制领域中将发挥重要作用.

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[5]王幸之,钟爱琴,王雷.A T89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:56-57.

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Research and Development of ME-101 Multifunctional Microextraction Apparatus

B IJin-hu, YIN Zhe, PIAO Xiang-fan＊
(KeyLaboratoryofNaturalResourcesoftheChangbaiMountain&FunctionalMolecules(YanbianUniversity),MinistryofEducation,Yanji133002,China)

ME-101 multifunctionalmicroextraction apparatus,a gas chromatography(GC)samp le p retreatment apparatus that integrates extraction,cleanup,concentration and p redissociation was researched and developed based on gas purgemicrosyringe extraction(GP-MSE)technique,high-temperature heating and semiconducto r ref rigeration techniques.By comparing the GC-MS total ion chromatograms(TICs)of the volatile oil that extracted from the rhizome of atractylodes japonica by steam distillation method and multifunctionalmicroextraction apparatus respectively,we find that the volatile components extracted by the apparatus outnumber the ones extracted by steam distillation method clearly.Furthermore,the content of majo r constituents extracted by the apparatus is higher.Through experiments,the apparatus p roved to have characteristics such as lo wconsump tion of reagent,sho rt extraction time,high enrichment efficiency,simple structure,convenience in use and lo woperating cost,it can be app lied to the GC samp le p retreatmentof solid o r liquid samp le in the areas of medicine,agriculture,food,quality control and so on.

liquid phasemicroextraction;gas chromatography;samp le p retreatment

TH89

A

1004-4353(2011)02-0115-04

2011-03-28

国家自然科学基金资助项目(21065014)

＊通信作者:朴相范(1962—),男,教授,研究方向为智能控制与智能仪器.