Importance du prétraitement des échantillons
Le prétraitement des échantillons est une étape longue et sujette aux erreurs dans l’analyse instrumentale (en particulier l’analyse chromatographique). La qualité du traitement des échantillons affecte directement le résultat final de l'analyse chromatographique. Par conséquent, afin d’améliorer l’efficacité de l’analyse et de la détermination, l’amélioration et l’optimisation des méthodes et techniques de préparation des échantillons pour l’analyse chromatographique constituent une question importante. Étant donné que certains échantillons appartiennent à des systèmes matriciels complexes, contenant des composants tels que des protéines, des huiles, des glucides, des pigments, etc., le fond matriciel complexe causera de grandes difficultés à l'extraction, à la séparation, à la purification et à la détermination des composés cibles à analyser. Par conséquent, le prétraitement des échantillons est non seulement complexe et difficile, mais il joue également un rôle décisif dans l’exactitude, la fiabilité et la sensibilité des résultats d’analyse.
Pourcentage de consommation de temps de prétraitement des échantillons
Pour les instruments LC/MS/MS très sensibles, un prétraitement approprié des échantillons est crucial pour réduire les interférences de la matrice et enrichir les composants.
Principes de prétraitement des échantillons
Évitez les changements chimiques dans les composants pendant la préparation ; prévenir et éviter la contamination de composants prédéterminés ; minimiser l'introduction de composés non pertinents dans le processus de préparation ; et rendez-le aussi simple et facile que possible.
Objectif du prétraitement des échantillons
Supprimer les particules ; réduire les impuretés interférentes ; concentrer les oligo-éléments ; améliorer la sensibilité et la sélectivité de la détection ; améliorer l'effet de séparation ; protéger les colonnes et les instruments chromatographiques ; remplacement du solvant.
Tendance de développement du prétraitement des échantillons
▶Le prétraitement courant des échantillons comprend : Méthode de digestion : une méthode consistant à placer l'échantillon avec un acide, un oxydant, un catalyseur, etc. dans un appareil à reflux ou un appareil fermé, à chauffer, à décomposer et à détruire la matière organique. Méthode de digestion humide
1. Méthode de digestion à l'acide nitrique (pour des échantillons de solution aqueuse plus clairs) 2. Méthode de digestion à l'acide nitrique-acide perchlorique (digestion d'échantillons contenant des matières organiques difficiles à oxyder) 3. Méthode de digestion à l'acide nitrique-acide sulfurique (acide nitrique : acide sulfurique=5 : 2, en ajoutant souvent une petite quantité de peroxyde d'hydrogène) 4. Méthode de digestion acide sulfurique-acide phosphorique (aide à éliminer l'interférence des ions Fe3+ pendant la détermination) 5. Méthode de digestion acide sulfurique-permanganate de potassium (couramment utilisée pour déterminer des échantillons de solutions aqueuses de mercure) 6. Méthode de digestion acide nitrique-peroxyde d'hydrogène : certaines personnes utilisent cette méthode pour digérer des produits biologiques afin de déterminer l'azote, le phosphore, le potassium, le bore, l'arsenic. , fluor et autres éléments 7. Méthode de digestion à plusieurs composants : un système de digestion à trois acides ou plus ou plus est requis. Méthode des cendres sèches (méthode de décomposition à haute température)
1. La méthode des cendres n'utilise pas ou utilise une petite quantité de réactifs chimiques pour décomposer les échantillons et peut traiter des échantillons de pesée plus importants, il est donc avantageux d'améliorer la précision de la détermination des éléments traces. 2. La température de cendre est généralement de 450-550 degrés, ce qui ne convient pas au traitement d'échantillons contenant des composants volatils, et le temps de cendre est également relativement long. 3. Selon le type d'échantillon et les propriétés des composants à mesurer, différents creusets et températures de incinération sont sélectionnés. Les creusets couramment utilisés sont le quartz, le platine, l'argent, le nickel, le fer, la porcelaine, le polytétrafluoroéthylène et d'autres propriétés. Le principe est que le creuset ne réagit pas avec l'échantillon et est stable à la température de traitement. 4. Habituellement, aucun autre réactif n'est ajouté aux échantillons biologiques de cendre, mais afin de favoriser la décomposition et d'inhiber la perte par volatilisation de certains éléments, une quantité appropriée d'agent de cendre auxiliaire est souvent ajoutée. Une fois que l'échantillon est complètement cendré, il est dissous dans de l'acide nitrique dilué ou de l'acide chlorhydrique pour analyse et détermination.
Conventional pretreatment methods Extraction and enrichment 1. Extraction method 1. Oscillation extraction method (vegetables, fruits, grains) 2. Tissue crushing extraction (extracting organic pollutants from animal and plant tissues) 3. Soxhlet extraction (commonly used to extract organic pollutants such as pesticides, petroleum, phenylhydrazine and pyrene from biological and soil samples) 2. Volatilization and evaporation concentration The volatile separation method uses the high volatility of certain components or converts the components to be measured into volatile substances, and then uses inert gas to take them out to achieve the purpose of separation. Evaporation concentration refers to heating the water sample on a hot plate or in a water bath to slowly evaporate the water, so as to reduce the volume of the water sample and concentrate the components to be measured. 3. Distillation method uses the different boiling points of the components of the water sample to separate them from each other; when determining volatile phenols, cyanides, and fluorides in water samples, they must first be pre-distilled and separated in an acidic medium; distillation has three functions: digestion, enrichment, and separation. 4. Ion exchange method uses ion exchangers to exchange reactions with ions in the solution for separation. Ion exchangers can be divided into inorganic ion exchangers and organic ion exchangers (ion exchange resins). ㈤ Coprecipitation method: The phenomenon that a poorly soluble compound in a solution carries out certain coexisting trace components in the process of forming a precipitate. The principle of coprecipitation is based on surface adsorption, the formation of mixed crystals, the interaction and inclusion of heteroelectron nuclei colloidal substances, etc. 1. Coprecipitation separation using adsorption: Common carriers include Fe (OH) 3, Al (OH) 3, Mn (OH) 2 and sulfides, etc. 2. Coprecipitation separation using the formation of mixed crystals 3. Coprecipitation separation using organic coprecipitants ㈥ Adsorption method: Use porous solid adsorbents to adsorb one or several components in the water sample on the surface to achieve the purpose of separation. Commonly used adsorbents include activated carbon, alumina, molecular sieves, large mesh resins, etc. The polluted components adsorbed and enriched on the surface of the adsorbent can be desorbed by organic solvents or heated for determination. ㈦ Chromatography Chromatography is divided into column chromatography, thin layer chromatography, paper chromatography, etc., and adsorbents are divided into inorganic adsorbents and organic adsorbents. ㈧ Sulfonation and saponification Sulfonation: The interfering substances such as fats and waxes in the extract can undergo sulfonation reaction with concentrated sulfuric acid to generate highly polar sulfonic acid compounds, which are separated from the pesticides in the extract as the sulfuric acid layer separates. The sulfonation method uses the saponification reaction of oils and fats with strong alkali to generate fatty acid salts and separate them. ㈨ Low-temperature freezing method is based on the principle that the solubility of different substances in the same solvent varies with temperature to separate them from each other. ㈩ Principle of extraction: The distribution coefficient of substances in different solvent phases is different, so as to achieve the separation and enrichment of components. Types of conventional liquid-liquid extraction Extraction of organic substances: Organic substances separated in the aqueous phase are easily extracted by organic solvents Extraction of inorganic substances: First, a reagent is added to combine with the ionic components in the aqueous phase to generate a substance that is uncharged and easily soluble in organic solvents. The reagent, organic phase, and aqueous phase together form an extraction system. According to the different types of extractables generated, it can be divided into chelate extraction system, ion-association complex extraction system, ternary complex extraction system, and synergistic extraction system. Overview of solid phase extraction (SPE) It is developed by combining liquid-solid extraction and column liquid chromatography technology. SPE is a column chromatography separation process, which has many similarities with high performance liquid chromatography (HLPC) in terms of separation mechanism, stationary phase and solvent selection. The particle size of SPE filler (>40 μm) est plus grand que celui du HLPC (3-10 μm). Par conséquent, le SPE ne peut être utilisé que pour séparer des composés ayant des propriétés de rétention très différentes. La technologie SPE à faible efficacité de séparation est principalement utilisée pour traiter les échantillons. Le but du SPE est d’éliminer de l’échantillon les substances qui interfèrent avec l’analyse ultérieure ; enrichir les composants traces et améliorer la sensibilité analytique ; changer le solvant de l'échantillon pour qu'il corresponde à la méthode analytique ; dérivatisation in situ ; dessalage d'échantillons ; et faciliter le stockage et le transport des échantillons. Colonne d'installation SPE : La taille des particules de charge est différente de celle de la charge de la colonne HLPC, et le reste est le même. La plus utilisée est la phase C18. Ce type de charge est hautement hydrophobe et présente une rétention de la plupart des matières organiques dans la phase aqueuse ; d'autres matériaux ayant des propriétés de sélectivité et de rétention différentes sont également utilisés. Les phases SPE avec des groupes actifs ou recouvertes de composés actifs peuvent être utilisées pour analyser les réactions de dérivatisation. Disque SPE : très similaire aux filtres à membrane. Le disque extracteur est un disque en PTFE contenant une charge ou une feuille de fibre de verre chargée en charge ; la charge représente environ 60 % à 90 % du disque SPE total et l'épaisseur du disque est d'environ 1 mm. La différence avec le premier réside dans le rapport épaisseur du lit/diamètre (L/d). Convient pour enrichir les traces de polluants de l'eau. Microextraction en phase solide (SPME) SPE hors ligne et en ligne SPE hors ligne 1. La SPE et l'analyse sont effectuées indépendamment et la SPE ne fournit que des échantillons appropriés pour une analyse ultérieure. 2. Afin de garantir un contact suffisant entre la solution échantillon et la charge, le débit de solvant ne peut pas être trop élevé. 3. Il peut être complété par des instruments automatisés. L'instrument SPE automatique se compose d'un portoir à colonnes, d'une pompe à piston, d'un réservoir de liquide, d'un pipeline et d'un processeur d'échantillons. Le SPE en ligne est également connu sous le nom de technologie de purification et d'enrichissement en ligne, qui est principalement utilisée pour l'établissement de l'analyse HLPC. Méthode SPE Objectif de prétraitement des colonnes : 1. Éliminer les impuretés qui peuvent exister dans la charge ; 2. Solventiser la charge et améliorer la reproductibilité de l'extraction en phase solide Ajout d'échantillon 1. Pour éviter la perte d'analytes, la concentration de solvant de l'échantillon ne doit pas être trop élevée ; 2. Lors de l'extraction avec une mécanique en phase inverse, de l'eau ou un tampon est utilisé comme solvant, et la quantité de solvant organique ne dépasse pas 10 % (V/V) ; 3. Pour surmonter la perte d'analytes lors de l'ajout de l'échantillon, des solvants faibles peuvent être utilisés pour diluer l'échantillon, réduire le volume de l'échantillon, augmenter la quantité de charge dans la colonne SPE et sélectionner des adsorbants qui ont une forte rétention de l'analyte. Élution et collecte des analytes (un autre cas est que les impuretés sont retenues pendant que les analytes traversent la colonne) (Extraction en phase solide avec un milieu de dispersion solide) 1. Pour les colonnes d'extraction en phase inverse, le solvant de nettoyage est de l'eau ou un tampon contenant une concentration appropriée de matières organiques. solvant; 2. Pour déterminer la concentration et le volume optimaux du solvant de nettoyage, ajoutez l'échantillon à la colonne SPE, nettoyez-le avec 5 à 10 fois le volume du lit de la colonne SPE, collectez et analysez l'effluent tour à tour et obtenez le profil d'élution. du solvant de nettoyage pour l'analyte. Augmentez à son tour la force du solvant de nettoyage et déterminez la force et le volume appropriés du solvant de nettoyage en fonction du profil d'élution de l'analyte à différentes forces ; 3. Objectif de l'élution et de la collecte : éluer complètement l'analyte et le collecter dans la plus petite fraction volumique, tout en retenant autant d'impuretés que possible qui sont plus fortement retenues que l'analyte sur la colonne SPE ; 4. Pour augmenter la concentration de l'analyte ou ajuster les propriétés du solvant en vue d'une analyse ultérieure, la fraction d'analyte collectée peut être séchée par soufflage avec de l'azote, puis dissoute dans un petit volume de solvant. Application de l'analyse environnementale SPE 1. La concentration d'analytes dans les échantillons environnementaux tels que les eaux de surface est très faible et l'analyte doit être enrichi avant l'analyse. 2. La composition des fluides biologiques est complexe et contient une grande quantité de protéines. Avant l'analyse, l'échantillon doit être prétraité pour éliminer la protéine. Analyse des médicaments Analyse clinique Analyse des aliments et des boissons Microextraction en phase solide (SPME) La microextraction en phase solide intègre « l'échantillonnage, l'extraction, la concentration et l'injection » et peut être utilisée conjointement avec la chromatographie en phase gazeuse ou la chromatographie liquide haute performance pour la technologie de prétraitement des échantillons. Théorie de la microextraction en phase solide Théorie de l'équilibre : Au cours du processus d'adsorption, un équilibre d'adsorption s'établit entre la phase solide et la phase liquide ou gazeuse. Au bout d'un certain temps, en raison du processus de transfert de masse lent, l'équilibre n'est pas complètement atteint. La sélectivité de l’extraction du matériau de revêtement dépend principalement des performances du matériau de revêtement. Selon le principe selon lequel l'analyte est facilement extrait par une phase solide de polarité similaire, un revêtement SPE approprié est sélectionné. Les substances les plus couramment utilisées pour les revêtements en phase solide sont le polyméthylsiloxane (PDMS) et le polyacrylate (PA), qui peuvent tous deux être utilisés pour la chromatographie en phase gazeuse et la chromatographie liquide. Le premier est principalement utilisé pour les composés non polaires tels que les composés volatils, les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les hydrocarbures aromatiques, et le second est principalement utilisé pour les composés polaires tels que les triazines et les composés phénoliques. La couche en phase solide peut être appliquée sur la fibre de quartz sous une forme non liée, liée ou partiellement réticulée. L'ajout de certains polymères au revêtement peut augmenter la surface du revêtement et améliorer l'efficacité du SPME. 1. Polydiméthylsiloxane-divinylbenzène (PDMS-DVB), utilisé pour les hydrocarbures aromatiques et les composés volatils. 2. Polyéthylène glycol-divinylbenzène (CW-DVB), utilisé pour les composés polaires tels que les alcools. 3. Résine modèle de polyéthylène glycol (CW-TPR), utilisée pour les tensioactifs ionisés. 4. Fibre de quartz recouverte de noir de carbone graphite, utilisée pour analyser les traces de polluants dans l'eau et l'air. 5. Établissement de méthodes aux nanotubes de carbone et aux nanotubes de dioxyde de titane 1. Maintenir la cohérence des conditions d'échantillonnage. 2. Les facteurs affectant l'échantillonnage incluent le temps d'échantillonnage, la température, la profondeur des fibres, etc. 3. Maintenir une relation linéaire entre la valeur de réponse et la concentration initiale de l'analyte. La concentration de l'échantillon ne peut pas être trop élevée et le volume de l'échantillon ne peut pas être trop petit, de sorte que l'extraction se situe dans la plage linéaire de l'isotherme d'adsorption. 4. L'ajout d'électrolytes à l'échantillon peut augmenter la force ionique de la solution, réduisant ainsi la solubilité de l'analyte et améliorant l'efficacité de l'extraction ; la modification du pH de l'échantillon a un effet plus important sur le taux d'extraction des substances acides et alcalines. Remarque : L’effet de l’ajout de sel dans la microextraction est parfois différent de celui de l’extraction liquide-liquide conventionnelle, et les conditions expérimentales doivent être optimisées. 5. L'agitation peut raccourcir le temps d'extraction. Extraction par micro-ondes (MAE) L'extraction par micro-ondes a un temps d'extraction court, une bonne sélectivité, un taux de récupération élevé, une faible utilisation de réactifs, une faible pollution, peut utiliser de l'eau comme agent d'extraction et peut contrôler automatiquement les conditions de préparation des échantillons ; il a moins d'applications et est actuellement utilisé dans l'extraction d'hydrocarbures aromatiques polycycliques, de résidus de pesticides, de composés organométalliques, d'ingrédients actifs dans les plantes, de substances nocives, de métaux dans les minéraux, de médicaments dans le sang et de résidus de pesticides dans des échantillons biologiques. Principes et caractéristiques des méthodes d'extraction par micro-ondes Absorber les micro-ondes (eau, éthanol, acide, alcali et sels) Haute efficacité de l'extraction par micro-ondes : 1. Action directe des micro-ondes sur les substances séparées ; 2. Il est plus avantageux d’utiliser des solvants polaires que des solvants non polaires pour l’extraction par micro-ondes ; 3. L'utilisation de récipients fermés permet d'effectuer l'extraction par micro-ondes à une température bien supérieure au point d'ébullition du solvant, améliorant considérablement l'efficacité de l'extraction par micro-ondes Réfléchir les micro-ondes (substances métalliques) Transmettre les micro-ondes (substances non polaires) Extraction par micro-ondes équipement et méthodes (les composants principaux sont des dispositifs de chauffage à micro-ondes spécialement fabriqués, des conteneurs d'extraction et des dispositifs de contrôle de pression et de température équipés selon différentes exigences) Multi-cavité 2450 MHz : plusieurs échantillons peuvent être préparés en même temps, il est facile de contrôler les conditions d'extraction , et l'extraction est rapide. Méthode conventionnelle d'extraction par micro-ondes : mélangez des solvants polaires ou un mélange de solvants polaires et de solvants non polaires avec les échantillons extraits, placez-les dans des récipients de préparation d'échantillons par micro-ondes et chauffez-les dans un système de préparation d'échantillons par micro-ondes dans un état fermé. Contrôler la pression ou la température et le temps d'extraction en fonction des exigences des composants extraits ; en fin de chauffage, filtrer l'échantillon, et le filtrat est directement mesuré, ou mesuré après traitement correspondant. Dans des circonstances normales, le temps de chauffage par extraction par micro-ondes est d'environ 5 à 10 minutes. Le volume total du solvant d’extraction et de l’échantillon ne doit pas dépasser 1/3 du volume de la coupelle de préparation d’échantillon. Focalisation monomode 2450 MHz : aucun contrôle de pression et de température n'est requis, le volume de préparation des échantillons est important, un seul échantillon peut être préparé à la fois et le temps d'extraction est long. Extraction par fluide supercritique (SCF)
Le fluide supercritique (SCF) est un fluide dont la température et la pression sont toutes deux supérieures au point critique. Ses propres caractéristiques sont : 1. Son coefficient de diffusion est inférieur à celui du gaz, mais d'un ordre de grandeur supérieur à celui du liquide ; 2. Sa viscosité est proche de celle du gaz ; 3. Sa densité est similaire à celle du liquide, et un léger changement de pression peut entraîner un changement significatif de sa densité ; 4. Les changements de pression ou de température peuvent entraîner des changements de phase. Principe de base À l'état supercritique, le fluide supercritique est mis en contact avec la substance à séparer, de sorte qu'il puisse extraire sélectivement les composants de polarité, de point d'ébullition et de masse moléculaire relative, et que la densité et la constante diélectrique du fluide supercritique augmentent avec l'augmentation de la pression du système fermé, et la polarité augmente. Les composants de différentes polarités peuvent être extraits étape par étape en utilisant le programme boost. La solubilité du CO2 supercritique : 1. Les composants lipophiles et à faible point d’ébullition peuvent être extraits à basse pression (104 kPa) ; 2. Plus un composé possède de groupes polaires, plus il est difficile à extraire ; 3. Plus la masse moléculaire relative du composé est élevée, plus il est difficile à extraire. Le modificateur CO2 est un solvant non polaire, et généralement un solvant polaire est ajouté pour améliorer sa solubilité dans le CO2, c'est pourquoi on l'appelle modificateur. Les plus couramment utilisés sont le méthanol, l'acétone, l'éthanol, l'acétate d'éthyle, etc. L'effet du modificateur est limité. Tout en modifiant la solubilité du fluide supercritique, cela affaiblira également l'effet de capture du système d'extraction, entraînant une augmentation des co-extraits, ce qui peut interférer avec la détermination analytique. La quantité de modificateur utilisée doit être faible, ne dépassant généralement pas 5 %. L'application de la technologie d'extraction par fluide supercritique présente de grands avantages dans l'extraction de substances naturelles ; il peut être utilisé conjointement avec GC, IR, MS, LC, etc. pour devenir une méthode analytique efficace.
