一种平板膜式电膜萃取装置及其使用方法和应用与流程

1.本发明涉及样品前处理领域，具体涉及一种平板膜式电膜萃取装置及其使用方法和应用。


背景技术：

2.相对于迅速发展的分析仪器，基质净化前处理已成为制约分析化学发展的瓶颈问题。由于需要分析测定的化合物往往是样品中的痕量甚至是超痕量组分，样品中的复杂基质对其准确定量检测造成极大挑战。因此，开发简单快速、绿色高效的样品前处理技术用于复杂基质中化合物的提取，对于去除基质干扰以及提高分析方法的灵敏度和准确性具有重要意义。
3.电膜萃取技术是由pedersen-bjergaard等人于2006年提出的一种新型样品前处理技术，其分离原理是在电场作用下，带电的分析物向与其电性相反的电极移动，并穿过支撑液膜进入接收液。在电膜萃取过程中，分析物的传质过程主要以电迁移为主，大大缩短了萃取时间；同时由于支撑液膜的选择性，电膜萃取技术具有更强的净化能力，这使其在样品前处理领域得到了快速的发展。在实际应用中，中空纤维膜式电膜萃取逐渐发展为更为便捷灵活的平板膜式电膜萃取。但目前该技术对待测化合物的富集能力仍受限于平板膜式电膜萃取装置开发的滞后。huang等采用10-1000 μl移液枪吸头和2.0 ml离心管制作了一种平板膜式电膜萃取装置，实验中样品相和接收相的体积均为600 μl，无法实现待测化合物的富集（journal of chromatography a, 2014, 1326: 7-12）。申请号为201921883701.9的实用新型专利公开了一种分离或富集金属离子的电膜萃取装置，由于料液溶液储存器为解析溶液储存器的2~10倍，料液池体积为解析池的1~2倍，该装置的富集倍数最大仅为10，尽管能够通过连续更换料液相溶液来进一步提高富集倍数，但这会提高装置的操作复杂程度，耗时耗力。
4.吸烟有害健康，烟草生产和消费引起的健康风险日益受关注。然而，吸烟作为个人消费嗜好，难以在短期内完全消失。为了降低消费者可能的健康风险，研发和生产低危害烟草制品，并建立科学的烟草制品风险评估方法至关重要。卷烟烟气极其复杂，成分超过5000种，客观有效地评价卷烟烟气接触风险和烟气摄入水平成为研究的重点。生物标志物作为一种反映生物体系与环境相互作用所引起变化的指示，已经被应用于评价卷烟烟气接触风险。由于卷烟烟气生物标志物为吸烟者体内代谢物或者是某种变化，通过测定其含量能够较为真实地反映吸烟者烟气成分的实际暴露量及接触风险程度。目前，检测卷烟烟气及其生物标志物的方法主要包括气相色谱法、气相色谱-质谱法、高效液相色谱法和液相色谱-质谱法等。然而，一些烟气生物标志物的含量极低，复杂基质对这些痕量甚至超痕量烟气生物标志物的准确检测造成了极大挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对以上现有问题而提供的一种平板膜式电膜萃取装置及其使
用方法和应用，能够在电辅助下实现目标物的快速分离，进而实现复杂基质中痕量甚至超痕量化合物的同时分离、净化和富集，在样品前处理和分析检测领域具有很高的应用价值。
6.为实现上述目的，本发明提供的平板膜式电膜萃取装置的技术方案是：一种平板膜式电膜萃取装置，包括样品瓶、接收瓶、工作电极、对电极、平板微孔纤维膜、加电装置、磁力搅拌装置，样品瓶侧面设有向上的延伸管，延伸管出口高于样品瓶顶部；接收瓶为倒t结构，由相互连通的上部竖直腔和底部扁平腔两部分构成，底部扁平腔直径与样品瓶顶部直径完全一致，底部扁平腔高度远小于样品瓶高度，上部竖直腔直径远小于底部扁平腔直径；平板微孔纤维膜夹持在样品瓶和接收瓶底部之间；工作电极的一端穿过延伸管伸入样品瓶中，另一端通过导线与加电装置连接，对电极的一端通过上部垂直腔的顶部开口伸入接收瓶中，另一端与连接加电装置连接。
7.上述底部扁平腔高度为样品瓶高度的1/20-1/500。
8.所述上部竖直腔直径为底部扁平腔直径的1/5-1/30。
9.所述样品瓶置于磁力搅拌器上，磁力搅拌器的转子设在样品瓶中。
10.所述平板微孔纤维膜为平板聚丙烯微孔纤维膜，孔径0.2 μm，厚度100 μm～200 μm。
11.所述工作电极和对电极均为直径为0.3 mm的铂丝。
12.所述加电装置为电泳仪电源，加电装置施加的电压为1 v～100 v。
13.本发明提供了一种上述技术方案所述平板膜式电膜萃取装置的使用方法，包括以下步骤：步骤s001，用酸或碱调节样品溶液的ph，将样品溶液转移至样品瓶中，在样品瓶中加入转子，样品瓶置于磁力搅拌器上；步骤s002，样品瓶顶部放置一片平板微孔纤维膜，在平板微孔纤维膜表面涂覆萃取溶剂，再将接收瓶底部置于平板微孔纤维膜上，并通过夹板进行夹持固定；步骤s003，通过接收瓶的上部竖直腔向接收瓶中注入接收相，穿过延伸管向样品溶液中插入工作电极，穿过上部竖直腔开口向接收相中插入对电极，再分别通过导线将工作电极和对电极连接到加电装置；步骤s004，开启磁力搅拌器和加电装置，开始萃取过程，萃取一定时间（1 min～30 min）后，关闭加电装置和磁力搅拌器；步骤s005，从接收相中抽出对电极，用微量进样针从接收瓶中取出一定量的萃取液进行分析检测。
14.所述样品瓶中的样品溶液液面接近（或刚刚接触）纤维膜平板微孔纤维膜表面，接近可理解为在搅拌过程中能够接触。
15.所述接收相的液面位于上部竖直腔的1/3 ~ 4/5高度处。
16.所述萃取溶剂可为单独的2-硝基苯辛醚，也可为二（2-乙基己基）磷酸酯与2-硝基苯辛醚的混合溶液，混合溶液中二（2-乙基己基）磷酸酯的体积百分比为1%～20%，优选5%。
17.所述接收相为特定ph的水溶液。对于特定ph的说明如下：针对不同的烟气成分及其生物标志物时，对接收相溶液的ph要求不一样，比如对于烟碱、可替宁和羟基可替宁，接收相的ph可为1~3，但对于3-羟基苯并芘、苯巯基尿酸，接收相的ph需要在11~13。
18.本发明还提供了上述技术方案中所述平板膜式电膜萃取装置在烟气成分及其生
物标志物检测中的应用。
19.所述的烟气成分及其生物标志物为烟碱、可替宁、羟基可替宁、3-羟基苯并芘、苯巯基尿酸。
20.所述的烟气成分及其生物标志物的基质为尿液、血液、唾液、组织和头发。
21.所述检测的技术为高效液相色谱法、液相色谱-质谱法。
22.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明提供了一种平板膜式电膜萃取装置、使用方法及应用，该装置操作简单，试剂用量少，成本低，绿色高效；在电辅助下实现烟气生物标志物的快速分离，平板微孔纤维膜及膜上负载萃取溶剂的选择性使得该装置具有更强的净化能力，倒t结构的接收瓶赋予该装置超大的富集倍数；该装置将分离、净化和富集步骤一体化，无需中间转移和吹干复溶，缩短了前处理时间，并有效防止相转移过程中造成的样品损失，提高了烟气生物标志物检测的准确度和精度。
23.（2）本发明通过调节样品相溶液的ph，使待测烟气生物标志物全部以单电荷离子形式存在，有利于其在电场迁移作用下被萃取分离。
24.（3）本发明萃取烟气成分及其生物标志物时，采用特定ph的溶液作为接收相，目的是基于加电辅助液膜萃取技术过程中电场迁移作用是主要的传质驱动力，特定ph的溶剂能够使待测烟气成分及其生物标志物全部以单电荷离子形式存在，有利于其在电场迁移作用下被萃取到接收相中。
25.（4）本发明将萃取溶剂负载在多孔聚丙烯膜上，萃取溶剂用量少，仅为60 μl，避免了传统萃取技术有机溶剂消耗量大和对环境有害的问题。
26.（5）本发明适合不同基质中痕量甚至超痕量烟气成分及其生物标志物的分离、净化、富集和检测，在样品前处理和分析检测领域具有很高的应用价值。
附图说明
27.图1为本发明实施例1中平板膜式电膜萃取装置的结构示意图，图中：1.加电装置，2.导线a，3.导线b，4.对电极，5.工作电极，6. 上部竖直腔，7.底部扁平腔，8. 平板微孔纤维膜，9.样品瓶，10.延伸管，11. 磁力搅拌器，12.转子。
28.图2为本发明实施例2中平板膜式电膜萃取的原理图。
29.图3为本发明实施例4中分离、净化和富集前后的色谱图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但并不以此为限。
31.实施例1：平板膜式电膜萃取装置本发明提供的平板膜式电膜萃取装置的具体实施例，如图1所示，该平板膜式电膜萃取装置包括样品瓶9、接收瓶、工作电极5、对电极4、平板微孔纤维膜8、加电装置1、搅拌装置，样品瓶9设有延伸管10，延伸管出口高于样品瓶顶部，接收瓶为倒t结构，由相互连通的上部竖直腔6和底部扁平腔7两部分构成，底部扁平腔7直径与样品瓶9顶部直径完全一致，底部扁平腔7高度远小于样品瓶9高度，上部竖直腔6直径远小于底部扁平腔7直径，平板微孔纤维膜8通过夹板夹持在样品瓶9和底部扁平腔7之间，工作电极的一端穿过延伸管伸入
样品瓶9中，另一端通过导线b3连接加电装置1，对电极4的一端通过上部竖直腔6顶部开口伸入接收瓶中，另一端通过导线a2连接加电装置1，样品瓶9置于磁力搅拌器11上，磁力搅拌器的转子12设在样品瓶9中。
32.所述导线b3连接加电装置1的正极时，导线a2连接加电装置1的负极；反之，导线b3和导线a2分别连接加电装置1的负极和正极。正连反连是根据烟气成分及其生物标志物而定的。
33.实施例2：平板膜式电膜萃取装置的使用方法本发明提供的平板膜式电膜萃取装置的原理图如图2所示，其使用方法包括以下步骤：步骤s001，用酸或碱调节样品溶液的ph（针对不同的烟气成分及其生物标志物时，样品溶液的ph不一样），将样品溶液转移至样品瓶9中，在样品瓶9中加入转子12，样品瓶9置于磁力搅拌器11上；步骤s002，样品瓶9顶部放置一片平板微孔纤维膜8，在平板微孔纤维膜表面涂覆萃取溶剂，所述萃取溶剂为二（2-乙基己基）磷酸酯与2-硝基苯辛醚的混合溶液，混合溶液中二（2-乙基己基）磷酸酯的体积百分比为5%。之后再将接收瓶的底部扁平腔7置于平板微孔纤维膜8上，并通过夹板进行夹持固定，平板微孔纤维膜8为平板聚丙烯微孔纤维膜，孔径0.2 μm，厚度100 μm～200 μm。；步骤s003，通过上部竖直腔6顶部向接收瓶中注入特定ph的水溶液（此处为ph=2的盐酸水溶液）作为接收相，接收相的液面位于上部竖直腔6的1/3 ~ 4/5高度处。工作电极5穿过延伸管10插入样品溶液中，对电极4穿过上部竖直腔6开口插入接收相中，再分别通过导线b3和导线a2将工作电极5和对电极4连接到加电装置1；工作电极5和对电极4为直径为0.3 mm的铂丝；步骤s004，开启磁力搅拌器11和加电装置1，开始萃取过程，萃取20 min后，关闭加电装置1和磁力搅拌器11；加电装置1为电泳仪电源，施加的电压为60v。
34.步骤s005，从接收相中抽出对电极4，用微量进样针从接收瓶中取出一定量的萃取液进行分析检测。
35.所述样品瓶9中的样品溶液液面刚刚接触纤维膜平板微孔纤维膜8表面。
36.实施例3：平板膜式电膜萃取装置在尿液中烟碱检测中的应用。
37.（1）含烟碱尿液样品的制备：取烟碱标准品，以10 mmol/l ph 5.6的磷酸盐缓冲液作为溶剂，配制成含有1000 mg/l烟碱的标准溶液。将浓度为1000 mg/l的烟碱标准溶液用尿液稀释至含1 mg/l烟碱的尿液样品。
38.（2）平板膜式电膜萃取：以步骤（1）得到的含1 mg/l烟碱的尿液样品为样品相，采用平板膜式电膜萃取装置萃取样品相中的烟碱。平板膜式电膜萃取的具体操作为：a）、取16 ml样品溶液至样品瓶9中，在样品瓶9中加入转子12，样品瓶9置于磁力搅拌器11上。
39.b）、样品瓶9顶部放置一片平板微孔纤维膜8，在平板微孔纤维膜8表面涂覆60 μl萃取溶剂，所述萃取溶剂为二（2-乙基己基）磷酸酯与2-硝基苯辛醚的混合溶液，混合溶液
中二（2-乙基己基）磷酸酯的体积百分比为5%，再将接收瓶置于平板微孔纤维膜8上，并通过夹板进行夹持固定。
40.c）、通过上部竖直腔6顶部向接收瓶中注入0.2 ml接收相，所述接收相为ph=2 的盐酸水溶液，穿过延伸管10向样品溶液中插入工作电极5，穿过上部竖直腔6开口向接收相中插入对电极，再分别通过导线将工作电极5和对电极4连接到加电装置1的正极和负极。
41.d）、开启磁力搅拌器11和加电装置1，开始萃取过程，萃取一定时间后，关闭加电装置1和磁力搅拌器11。其中，所述加电装置的电压为80 v，所述萃取时间为20 min。
42.e）、从接收相中抽出对电极4，用微量进样针从接收瓶中取出一定量的萃取液，即为净化富集后的烟碱提取物，进行分析检测。
43.实施例4：平板膜式电膜萃取技术的净化效果。
44.采用高效液相色谱质谱仪测定实施例3中含1 mg/l烟碱的尿液样品和净化富集后的烟碱提取物的色谱图，评估本发明提供的平板膜式电膜萃取技术的净化富集效果。高效液相色谱质谱仪的检测条件为：色谱柱为xtimate c18柱，其规格为4.6
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150 mm，粒径为3.0 μm。流动相为40% 10 mmol/l ph=6.5磷酸盐缓冲液（含0.1%三乙胺）-60%甲醇，流速为1.0 ml/min，进样量为5.0 μl，检测波长为259 nm。结果如图3所示。由图3可以看出，本发明提供的平板膜式电膜萃取技术不仅对尿液中的基质具有突出的净化能力，也对尿液中的烟碱具有极大的富集能力，一次富集的最大富集倍数可达80。