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挥发性有机化合物的 fizz 萃取结合大气压化学电离四极杆质谱法

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DOI：

10.3791/56008

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2017年7月14日

 ,  , 
1Department of Applied Chemistry, National Chiao Tung University

本文内容

摘要

气泡萃取是一种用于分析挥发性和半挥发性化合物的新型实验技术。通过施加过压并搅拌液体样品，使载气溶解于其中。随后对样品室进行减压，分析物因起泡现象而释放至气相中。

摘要

对液体样品中溶解的挥发性和半挥发性化合物进行化学分析可能具有挑战性。需要将溶解的组分转移至气相，并高效地传输到检测系统中。冒泡萃取（fizzy extraction）利用了起泡现象。首先，通过施加过压并搅拌样品，使载气（此处为二氧化碳）溶解于样品中；其次，迅速降低样品室的压力。减压导致样品液体中产生大量载气气泡，这些气泡有助于将溶解的分析物从液相释放至气相。释放出的分析物立即被传输至三重四极杆质谱仪的大气压化学电离接口。可电离的分析物在时间域内产生质谱信号。由于分析物的释放过程持续时间短（数秒），所得的时间信号具有高幅值和高信噪比。通过对时间峰的幅值和峰面积进行分析，可与经冒泡萃取处理的液体样品中分析物的浓度建立关联，从而实现定量分析。冒泡萃取的优点包括：操作简便、分析速度快以及化学试剂（溶剂）使用量少。

引言

自然界和日常生活中观察到的各种现象均与气液相平衡有关。在较高压力下，二氧化碳被溶解于软饮料和含酒精饮料中。当打开此类碳酸饮料瓶时，压力下降，气体气泡迅速涌向液体表面。在这种情况下，起泡现象改善了饮料的感官特性。气体气泡的释放也是减压病（“ bends”）的主要原因1。由于突然减压，潜水员体内会形成气泡。减压病患者需在高压氧舱中接受治疗。

气体气泡在分析化学中有多种应用。例如，鼓泡法依赖于将气体气泡通入液体样品中，以提取挥发性化合物2。比如，一种称为“吹扫-闭路循环”的方法与气相色谱联用，可实现对溶解态挥发性物质的快速分析3。尽管鼓泡法能够随时间持续提取挥发性物质，但它无法在空间或时间上对这些物质进行限定。释放出的气相组分需要被捕获，且在某些情况下还需通过温度程序或使用吸附剂进行浓缩。因此，有必要引入新的在线样品前处理策略，以减少操作步骤，同时在空间或时间上对挥发性分析物进行富集。

为了解决从液体样品中提取挥发性化合物并实现在线分析的难题，我们近期提出了“起泡萃取”4这一新技术。该方法利用了液体中起泡（发泡）现象。简言之，首先通过加压并搅拌样品，将一种载气（此处为二氧化碳）溶解于样品中；随后迅速降低样品腔内的压力。压力的骤降导致在液体样品中形成大量载气气泡，这些气泡有助于将溶解的分析物从液相释放至气相。释放出的分析物随即被传输至质谱仪，从而在时间域上产生信号。由于分析物的释放被限制在极短的时间内（数秒），所获得的时间信号具有较高的信号强度和信噪比。

起泡萃取过程中涉及的压力非常低（~150 kPa）4，远低于超临界流体萃取5（例如，≥10 MPa）。该技术无需使用任何特殊耗材（如色谱柱、萃取小柱），仅需少量溶剂用于稀释和清洗。具有中等技术水平的化学工作者即可使用广泛可得的部件自行组装萃取装置4，例如开源电子模块6,7。起泡萃取可在线联用配备大气压化学电离（APCI）接口的现代质谱仪。由于气相萃取物被直接转移至离子源，起泡萃取的操作不会显著污染质谱仪的易损部件。

本可视化实验文章的目的是指导观众如何在简单的分析任务中实施发泡萃取。尽管发泡萃取系统的核心部分如我们先前报道所述4，但已引入多项改进以使操作更加简便。系统中集成了配备LCD屏幕保护罩的微控制器，用于实时显示关键萃取参数。所有功能均已编程至微控制器脚本中，不再需要使用外部计算机来控制萃取系统。

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方案

本方案假定所有步骤均按照相关实验室安全规定进行。某些步骤使用商用仪器，在这些情况下需遵循制造商的指导说明。操作有毒化学品时，需遵守材料安全数据表（MSDS）的指导。自制设备4必须谨慎操作，尤其是在处理加压气体和带电线路时。

1. 标准溶液的配制

  1. 通过将10 µL柠檬烯与990 µL乙醇混合，配制6.2 × 10-2 M的柠檬烯乙醇储备液。
  2. 取10 µL 6.2 × 10-2 M柠檬烯溶液与490 µL乙醇混合，再加纯水至总体积为10 mL，配制成10 mL的6.2 × 10-5 M柠檬烯溶液。充分振荡容量瓶。
  3. 将配制好的标准溶液转移至带隔垫盖的20 mL螺口顶空玻璃小瓶中。该稀释后的标准溶液可用于系统检测。

2. 实际样品的制备

  1. 通过将新鲜青柠（对半切开）在厨房榨汁器上挤压，获取青柠汁。
  2. 取 2 mL 青柠汁与 500 µL 乙醇混合，再加入纯水定容至 10 mL，配制稀释青柠汁溶液。将容量瓶充分振荡摇匀。
  3. 将制备好的样品转移至带有隔垫盖的 20 mL 螺口顶空玻璃小瓶中。

3. 使用标准溶液加标实际样品

  1. 第一次标准加入：取2 mL青柠汁，加入10 µL 6.2 × 10-2 M的柠檬烯溶液、490 µL乙醇，再加纯水定容至10 mL，混匀，制得加标样品。充分振荡容量瓶。
  2. 第二次标准加入：取2 mL青柠汁，加入20 µL 6.2 × 10-2 M的柠檬烯溶液、480 µL乙醇，再加纯水定容至10 mL，混匀，制得加标样品。充分振荡容量瓶。

4. 建立气泡萃取系统

  1. 将发泡萃取系统（图1）4 置于三重四极杆质谱仪的APCI离子源旁。
  2. 将二氧化碳气瓶连接至发泡萃取系统的气体入口。打开气体调压阀的阀门，将输出压力设定为1.5 bar（150 kPa）。
  3. 将萃取室出口连接至离子源入口。
  4. 将发泡萃取系统连接至12 V电源。
  5. 设置三重四极杆质谱仪的数据采集软件（图2）。使用APCI离子源，在正离子多反应监测（MRM）模式下运行仪器，碰撞气为氩气。
    1. 运行数据采集软件。
    2. 选择“LCMS8030 only”选项。
    3. 选择“MS On/Off”选项。
    4. 将去溶剂管温度设为250 °C，干燥气流速设为15 L min-1。等待各项仪器参数均达到预设值。
    5. 选择MS数据采集方法文件。
    6. 确认碰撞电压为-20 V，母离子 m/z 为137，子离子 m/z 为81和95。
    7. 点击“Start Single Run”按钮。
    8. 输入文件名。
    9. 选择文件路径。
    10. 转至第5节（“进行发泡萃取”）。
    11. 选择“MS On/Off”选项。
    12. 关闭软件窗口。
    13. 勾选“Nebulizing Gas Off”、“DL Heater Off”、“Heat Block Off”和“Dry Gas Off”项，点击“OK”。

5. 进行 Fizzy 提取

  1. 使用螺纹接口将样品瓶放入起泡萃取系统中。萃取系统在室温（约 25 °C）下运行。
  2. 按下起泡萃取系统 LCD 屏幕上的“开始”按钮。
  3. 在自动起泡萃取过程运行期间等待（图 3）。观察三重四极杆质谱仪屏幕上离子信号的变化。
    注意：以下步骤将自动执行：样品顶空以二氧化碳冲洗 60 秒；样品以二氧化碳加压 60 秒；搅拌电机启动；样品减压，形成多个气泡；在后期阶段，搅拌电机持续运行以增强起泡。
  4. 取出（拧下）样品瓶。
  5. 用纤维素纸擦拭样品搅拌轴。
  6. 用乙醇清洗搅拌轴，再用纤维素纸擦拭一次。
  7. 系统已准备好进行下一个样品的分析（重复步骤 5.1–5.6）。
  8. 关闭电源。
  9. 将起泡萃取系统的出口管从离子源上断开。
  10. 关闭气瓶阀门，并断开气体管路。

6. 数据分析

  1. 从三重四极杆质谱仪的数据采集软件中导出 m/z 81 的提取离子流至 ASCII 文件（图 4）。
    注意：m/z 95 处的离子流在本演示中未使用。
    1. 运行数据采集软件，选择“Postrun”选项。
    2. 选择“Select Project (Folder)”选项，并选择数据文件。
    3. 点击“File”菜单，选择“Export Data” / “Export Data as ASCII”。
    4. 选择“Output File”，并指定文件路径。选择“MS Chromatogram (MC)”。
  2. 将原始数据集导入峰面积积分软件，并测量峰面积（图 5）。设置参数：线性基线；HVL 函数。
    1. 运行峰面积积分软件。
    2. 从“File”菜单中选择“Import”选项，点击“Yes”按钮。
    3. 选择 X 和 Y 列中的数据，点击“OK”按钮。选择“AutoFit Peaks I Residuals”选项。
    4. 半自动拟合提取峰，确保拟合曲线与实验数据点吻合。选择“List Peak Estimates”选项，再选择“ASCII Editor”选项。
    5. 将拟合结果复制到“Clipboard”。
  3. 将测得的峰面积输入数据处理软件中的电子表格（图 6）。
    1. 运行数据处理软件。
    2. 在 X 列中输入浓度值，在 Y 列中输入峰面积值。从“Plot”菜单中选择“Symbol” / “Scatter”选项。从“Analysis”菜单中选择“Fitting” / “Fit Linear”选项。
  4. 根据以下公式计算稀释实际样品中柠檬烯的浓度：
    浓度计算公式，Cdiluted = I/S，化学公式。
    其中 I 为线性函数的截距，S 为斜率。
  5. 根据以下公式计算原始实际样品（稀释前）中柠檬烯的浓度：
    浓度计算公式，公式：C_original = DF * C_diluted，化学方法。
    其中 DF 为稀释倍数（此处为 5）。

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结果

首先，使用标准溶液测试起泡萃取系统。随后，分析实际样品以及添加了标准物质的实际样品。萃取事件的时间峰面积与经起泡萃取处理的液体样品中分析物的浓度相关联，从而实现定量分析。本研究采用双标准加入法以展示该技术的定量能力（图7）。线性回归得到如下函数（图8）：

峰面积 = (3.25 x 107 ± 0.36 x 107)C稀释 + (2,770 ± 276)

变量 Cdiluted 表示加入的柠檬烯标准品的浓度（单位为摩尔每升，M）。根据获得的斜率和截距值，稀释后的青柠汁样品中柠...

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讨论

在过去三十年的研究中，已开发出多种将样品递送至质谱仪的智能化方法（例如，参考文献8,9,10,11,12,13,14）。这些研究的目标之一是简化用于分析的样品制备过程。为实现这一目标，研究人员对离子源设计引入了多种改进。在某些情况下，新开发的离子源使化学家能够分析基质含量丰富的样品，而这类样品通常会产生光谱干扰。另一种方法则尽量减少对传统电离方式的修改，而将样品前处理（提取）过程在线化并实现自动化（例如，参考文献15,16

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢中国台湾科技部（项目编号：MOST 104-2628-M-009-003-MY4）对本研究工作的经费支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
水FisherW6212稀释剂
乙醇Sigma-Aldrich32221-2.5L稀释剂
(R)-(+)-柠檬烯Sigma-Aldrich183164-100ML标准品
二氧化碳ChiaLungn/a载气
纤维素擦拭纸，Kimwipes KimtechKimberly-Clark34120用于清洁
三重四极杆质谱仪ShimadzuLCMS-8030检测系统
大气压化学电离接口ShimadzuDuis离子源
20 mL 螺口顶空玻璃小瓶（带隔垫盖）Thermo Fisher ScientificD-52379样品瓶
LabSolutions 软件Shimadzun/a版本 5.82
PeakFit 软件Systat Softwaren/a版本 4.12
OriginPro 软件OriginLabn/a版本 8

参考文献

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