四、样品预处理用仪器
（一）超声波萃取仪
超声波萃取是在超声波作用下，使样品中的目标物快速进入萃取溶剂中的一种提取方式。实验室通常采用超声波萃取仪作为萃取设备，如图2－13所示。该萃取过程利用了超声波辐射压强产生的强烈空化应效应、机械振动、扰动效应、高的加速度、乳化、扩散、击碎和搅拌作用等多级效应，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。
图2－13 超声波萃取仪
与常规萃取技术相比，超声波萃取的优点如下：
① 无须高温； ② 常压萃取，安全性好，操作简单易行，维护保养方便； ③ 萃取效率高； ④ 样品批处理量大。
超声波萃取已经广泛用于食品、药物、工业原材料等有机组分或无机组分的分离和提取，也是分析测试实验室常规的样品预处理手段，成为多项方法标准中的内容。实验中所用超声波萃取频率通常在20 kHz以上，分析检测过程中可根据标准要求，对超声波频率进行调整。
（二）索氏抽提器
索氏抽提属于液－固萃取的一种方式，其利用溶剂对固体混合物中目标物成分的溶解度大、对杂质的溶解度小的原理来达到提取分离的目的。
索氏抽提器通常由提取瓶、提取管、冷凝器三部分组成（图2－14），提取管两侧分别有虹吸管和侧管。提取时，将待测样品包在脱脂滤纸包内（或纤维素筒），放入提取管内。提取瓶内加入提取溶剂（如二氯甲烷、甲醇、石油醚等），加热提取瓶，溶剂汽化，由连接管上升进入冷凝器，凝成液体滴入提取管内，浸提样品中的脂类物质。待提取管内的提取溶剂面达到一定高度，溶有粗脂肪的溶剂经虹吸管流入提取瓶。流入提取瓶内的溶剂继续被加热汽化、上升、冷凝、滴入提取管内，如此循环往复，直到抽提完全为止。目前已经开发出半自动及全自动抽提的装置，实现了样品批量抽提及溶剂回收的自动化操作。
图2－14 常见的索氏抽提装置（手动单管、自动/半自动多管）
相对于超声波的强烈作用，索氏抽提装置的抽提过程比较温和，因此在对基质复杂的样品（如皮革）的萃取过程中，进入样液中的杂质较少，这将有利于后续的仪器分析。但索氏抽提过程时间较长（数小时），导致萃取效率低，通常作为样品预处理的一种备选方案。目前所开发出的自动/半自动索氏抽提装置，批处理量可达6个/次，并带有煮沸功能，使萃取效率显著提高。
（三）固相萃取仪
固相萃取（Solid－Phase Extraction）简称SPE，是近年发展起来一种样液富集净化技术，由液固萃取和液相色谱技术相结合发展而来，主要用于样品的分离、纯化和浓缩。与传统的液－液萃取净化法相比，可以提高分析物的回收率，更有效地将分析物与干扰组分分离，减少样品预处理过程。SPE操作简单、省时、省力，广泛应用在医药、食品、环境、化工等领域的分析测试过程中。常见的固相萃取装置如图2－15所示。
图2－15 SPE小柱及装置实物图
SPE技术基于液－固相色谱理论，采用选择性吸附、选择性洗脱的方式，对样品进行富集、分离、净化，是一种包括液相和固相的物理萃取过程；也可以将其近似地看作一种简单的色谱分离过程。
1. 保留和洗脱
在固相萃取中，最通常的方法是将固体吸附剂装在一个针筒状柱子里（图2－15），使样品溶液通过吸附剂床，样品中的目标物或杂质通过吸附剂或保留在吸附剂上（依靠吸附剂对溶剂的相对吸附）。“保留”是一种存在于吸附剂和分离物分子间吸引的现象，当样品溶液通过吸附剂床时，分离物在吸附剂上不移动。“保留”是三个因素的作用：分离物、溶剂和吸附剂。所以，一个给定分离物的保留行为在不同溶剂和吸附剂存在下是变化的。“洗脱”是去除保留在吸附剂上的分离物的过程，这通过加入一种对分离物的“吸引”比吸附剂更强的溶剂来完成。
2. 容量和选择性
吸附剂的容量是指在最优条件下，单位吸附剂的量能够保留分离物的总量。不同类型的吸附剂的容量差异很大，需要根据实验进行确定。选择性是 “保留分离物去除其它样品化合物”，是区别分离物和其它样品基质化合物的能力。一个高选择性吸附剂是从样品基质中仅保留分离物的吸附剂。吸附剂的选择性是三个参数的作用：分离物的化学结构、吸附剂的性质和样品基质的组成。
3. SPE分类
通过SPE吸附剂和目标物之间的相互作用力，SPE技术可分为正相固相萃取、反相固相萃取和离子交换固相萃取三类。
（1）正相固相萃取
所用的吸附剂都是极性的，吸附效果取决于目标化合物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用，其中包括了氢键、π－π键相互作用，偶极－偶极相互作用和偶极－诱导偶极相互作用以及其它的极性－极性作用。
（2）反相固相萃取
所用的吸附剂和目标化合物通常是非极性的或极性较弱，主要是靠非极性－非极性相互作用，如范德华力或色散力。
（3）离子交换固相萃取
目标化合物与吸附剂之间通过静电吸引力而相互吸附。
实际应用中，应根据待测物的理化性质和样品基质，选择对待测物有较强保留能力的固定相。例如目标物带负电荷，可用阴离子交换填料，反之则用阳离子交换填料；若目标物为非极性，可用反相填料萃取。
4. SPE的吸附－洗脱方式
基于选择性吸附与选择性洗脱，SPE通常分为填料保留目标化合物和填料保留杂质两种模式，所对应的吸附－洗脱方式有三种：① 使液体样品溶液通过吸附剂，保留其中被测物质，再选用适当强度溶剂冲去杂质，然后用少量溶剂迅速洗脱被测物质，从而达到快速分离净化与浓缩的目的； ② 选择性吸附干扰杂质，而让被测物质流出； ③ 同时吸附杂质和被测物质，再使用合适的溶剂选择性洗脱被测物质。
5. 常规固相萃取操作步骤
按照填料保留目标化合物和填料保留杂质两种模式，SPE的操作过程通常如下：
（1）填料保留目标物
如图2－16，操作可分为4步。
图2－16 填料保留目标物的SPE操作过程示意图
（a）活化（b）进样（c）淋洗（d）洗脱
•—分析物
—杂质
① 活化：除去小柱内的杂质并创造一定的溶剂环境。
② 进样：将样品用一定的溶剂溶解，转移入柱并使目标物保留在柱上。
③ 淋洗：最大程度除去干扰物。
④ 洗脱：用小体积的溶剂将目标物洗脱下来并收集。
（2）填料保留杂质
如图2－17所示，操作可分为3步。
图2－17 填料保留杂质的SPE操作过程示意图
（a）活化（b）进样（c）洗脱
●—分析物
—杂质
①活化：除去柱子内的杂质并创造一定的溶剂环境。
② 进样：将样品转移入柱，此时大部分目标化合物会随样品基液流出，杂质被保留在柱上，此步骤要开始收集流出液。
③洗脱：用小体积的溶剂将目标物淋洗下来并收集，合并收集液。
第一步的活化操作，通常是用适量甲醇冲洗填料，以润湿吸附剂表面，然后再用样品溶剂淋洗。进样前，应使SPE填料保持湿润，否则会影响方法的回收率。
6. SPE的优点和缺点
（1）优点
① 可同时完成样品的富集与净化，大大提高检测的灵敏度。
② 比液－液萃取快，节省溶剂，可自动化批量处理。
③ 重现性好。
（2）缺点
① 需要固相萃取小柱，成本较高。
② 需要专业人员协助进行方法开发。
（四）固相微萃取仪
1. 固相微萃取工作原理
固相微萃取（Solid Phase Micro Extration）简称SPME，是在固相萃取基础上发展起来的一种新的萃取分离技术。与液－液萃取和固相萃取相比，具有操作时间短、样品量小、无须萃取溶剂、重现性好等优点，适于分析挥发性与非挥发性物质。
2. SPME装置结构
SPME装置外形如一只微量进样器（图2－18），由手柄和萃取头或纤维头两部分构成。萃取头是一根1 cm长、涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套为细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样，手柄用于安装或固定萃取头。手动操作如图2－19所示。
图2－18 固相微萃取装置示意图
（a）固相微萃取装置（b）局部放大图
1—手柄 2—活塞 3—外套 4—活塞固定杆 5—Z沟槽6—连接器观察窗口 7—可调节针头导轨8—不锈钢隔垫穿孔针头 9—不锈钢纤维套管10—带涂层的硅纤维/萃取头
图2－19 SPME的手动操作示意图
SPME的关键是石英纤维上的涂层（吸附剂），涂层只吸附目标化合物，不吸附干扰化合物和溶剂。通常而言，涂层的极性应与目标物一致，即非极性涂层适用于吸附非极性的目标物，极性涂层适用于吸附极性的目标物。目前已有的商品萃取头涂层及其应用列于表2－1中。
表2-1 已有的商品萃取头涂层及其应用
注：PDMS—聚二甲基硅氧烷； PA—聚酰胺； DVB—二苯乙烯； PEG—聚乙二醇； Carboxen—碳分子筛；BTEX—苯系物； PCB—多氯联苯。
3. SPME的采样和进样
SPME的采样方法是将针管（不锈钢套管）穿过样品瓶密封垫，插入样品瓶中，然后推出萃取头，将萃取头浸入样品（浸入方式）或置于样品上部空间（顶空方式），进行萃取，萃取时间以达到目标化合物吸附平衡为准，一般2~30min，最后缩回萃取头，将针管拔出，该萃取过程如图2－20。
图2－20 SPME的采样和进样操作过程示意图
固相微萃取采样完成后，进一步利用色谱进行测定，可用于GC，也可用于HPLC，如图2－20所示。用于GC分析时，将固相微萃取套管（图2－18中的9）插入GC进样口，推手柄杆，伸出纤维头，使用进样口的高温热解吸目标物，然后被载气带入色谱柱。用于HPLC时，是将固相微萃取套管插入HPLC接口解吸池，利用HPLC的流动相通过解吸池洗脱目标化合物，并将目标化合物带入色谱柱。
4. 基于SPME的萃取搅拌棒技术
萃取搅拌棒（SBSE）技术是在固相微萃取技术基础上发展而来的，是目前相对较新的SPME技术。将萃取涂层涂覆于搅拌棒上，然后放入待测样品中搅拌一段时间，使目标化合物被吸附在萃取涂层上，取出搅拌棒，利用特殊加热装置进行热脱附或使用少量溶剂超声脱附，然后进行色谱分析。其原理与固相微萃取探针相似，灵敏度可以比固相微萃取探针高100~1000倍，在分析痕量有机组分时优势明显。
吸附萃取搅拌棒由内封磁芯石英棒和萃取层两部分组成。萃取层套在内封磁芯石英棒外面，与磁力搅拌器搭配使用，使萃取层随着内封磁芯石英棒旋转搅拌，从而加速吸附富集目标物，而且萃取操作更简便。
5. SPME的优缺点分析
（1）SPME的优点
① 集取样、萃取、浓缩和进样于一体，操作方便，耗时短，测定快速高效。
② 无须任何有机溶剂，是真正意义上的固相萃取，避免了对环境的二次污染。
③ 仪器简单，无须附属设备，适于现场分析。
④ 灵敏度高，可以实现痕量分析。
（2）SPME的缺点
定量检测的精度不高，而且重复性较差，见表2－2，尤其是目前用于萃取的石英纤维涂层类别较少，易于损坏，寿命较短，需要经常更换，而且价格较高，这极大地限制了其在分析检测领域的普及和推广。比较而言，以离子液作为萃取剂的液相微萃取技术（LPME），在萃取分离效果和成本方面展现出极大的优势，并日益受到国内外的广泛关注。
表2-2 SPME与其它萃取方法的比较
（五）顶空仪
顶空来自英文Head－Space的意译，是气相色谱法中一种方便快捷的样品前处理方法，专用于样品中挥发性有机物的预处理，通常与气相色谱联合使用。其原理是将待测样品置入一个密闭的容器中（样品瓶），通过加热升温使挥发性组分从样品基体中挥发出来，在气液（或气固）两相中达到平衡，直接抽取顶部气体进行色谱分析，检验样品中挥发性组分的成分和含量。图2－21是一款自动顶空仪，图2－22是实验室中顶空仪－气相色谱仪联用。
图2－21 自动顶空仪
图2－22 顶空仪－气相色谱仪联用
1—顶空仪 2—气相色谱仪
使用顶空进样技术可以免除冗长繁琐的样品前处理过程，避免有机溶剂对分析造成的干扰，减少对色谱柱及进样口的污染，而且可以和各种型号的气相色谱仪相连接，实现分析过程的自动化。
1. 顶空仪的分类
一般顶空气相色谱分为静态和动态顶空气相色谱，所谓静态顶空气相色谱是在一个密封恒温体系中，液－气或固－气达到平衡时用气相色谱法分析蒸气相中的被测组分。动态顶空也叫吹扫－捕集分析法，该方法是用惰性气体通入液体样品（或固体表面），把要分析的组分吹扫出来，使之通过吸附剂（通常为活性炭等填料）对有机物进行选择性的吸附及富集，然后再把吸附剂加热，使被吸附的组分脱附，用载气带到气相色谱仪中进行分析，动态顶空气相色谱多用于环境样品的分析。
2. 顶空仪的进样
由于本书中针对皮革或纺织品中可挥发性有机物进行测试，通常使用静态顶空，所以本书重点是对静态顶空的进样进行介绍。静态顶空可分为手动和自动两种进样模式。
（1）手动进样
采用手动进样时，静态顶空所需设备较为简单，只要有一个控温精确的恒温槽（水浴或油浴），将装有样品的密封容器置于恒温槽中，在一定的温度下达到平衡后，就可应用气密注射器（普通液体注射器不适合于顶空进样）从容器中抽取顶空气体样品，注射入GC进行分析。
手动进样方式有两个缺点：① 压力控制难以实现，因而进样量的准确度较差，因为样品从顶空容器到进入注射器过程中任何压力变化的不重现，都会导致实际进样量的变化； ② 温度波动大，注射器温度低时，某些沸点较高的样品组分很容易被冷凝，造成样品损失。有些标准方法（如美国ASTM方法）要求注射器温度在取样前置于90℃的恒温炉中加热，以避免样品的部分冷凝。然而，在取样和进样过程中还是很难保证注射器温度的一致性，故分析的重现性远不及自动顶空进样。
通常，手动进样只作定性分析使用，要实现精确的定量分析，最好用自动顶空进样装置。
（2）自动进样
目前，商品化的顶空自动进样器有多种设计，按照原理通常分为注射器进样、压力平衡顶空进样和压力控制定量管进样三种方式，其中以压力控制定量管进样的结果的可靠性最好，其进样过程可分为如下四个步骤（图2－23）。
① 平衡：即将样品定量加入顶空样品瓶，加盖密封，然后置于顶空进样器的恒温槽中，在设定的温度和时间条件下进行平衡。此时，载气旁路直接进入GC。目前先进的顶空进样器具有样品搅拌功能，以加速其平衡。
② 加压：待样品平衡后，将取样探头插入样品瓶的顶空部分，V4切换，使通过定量管的载气进入样品瓶进行加压，为下一步取样做准备。加压时间和压力大小由进样器自动控制。此时，大部分载气仍然直接进入GC。
③ 取样：V1和V2同时切换，样品瓶中经加压的气体通过探头进入定量管。取样时间应足够长，以保证样品气体充满定量管。具体时间应根据样品瓶中压力的高低和定量管的大小而定，由进样器自动控制。一般不超过10 s。
图2－23 压力控制定量管进样的顶空－GC系统工作原理
（a）平衡（b）加压（c）取样（d）进样
V1、V2、V3、V4—切换阀 1—GC部分 2—定量管 3—放空出口
④ 进样：V1、V2、V3和V4同时切换，使所有载气都通过定量管，将样品带入GC进行分析。
这样就完成了一次顶空GC分析。然后将取样探头移动到下一个样品瓶，根据GC分析时间的长短，在某一时刻开始对下一个样品重复上述操作。
由于平衡温度、平衡时间、加压时间和压力高低、取样时间、载气流速均影响进入GC的样品量，所以自动顶空进样器必须对这些条件实现严格控制。表2－3列出了一种压力控制定量管装置的顶空仪的技术指标。
表2-3 一种压力控制定量管装置的顶空仪的技术指标
顶空进样装置与GC的连接一般比较简单，通常是在输送管的末端连接一个注射针头，然后将针头直接插入GC进样口。该结构与普通GC进样装置类似，只是在整个分析过程针头一直插在进样口中。当然，输送管应有加热系统，以避免样品组分的冷凝。
（六）微波消解仪
消解是许多分析测试工作的前提，尤其是对于固体样品中重金属总量的测试。微波消解技术是近年来发展起来的一种样品消解处理方法，通常是指利用微波加热封闭容器中的消解液（各种酸、部分碱液以及盐类）和试样，在高温增压条件下使各种样品快速溶解的湿法消化。使用微波消解处理样品，不仅可以提高分析测试速度，同时可以使多次测定所得结果具有很好的重复性。对于含有易挥发元素（如As、Sb、Bi、Hg、Se等）的样品，经微波消解后进行测定，可获得很好的精密度与准确度。
1. 微波消解的原理
微波消解仪的工作原理同家用微波炉相同。在微波所产生的交变磁场作用下，极性分子随高频磁场交替排列，导致分子的高速振荡，由于分子热运动和分子间相互作用对振荡的干扰和阻碍，使分子获得了很高的能量。这种加热方式使密闭容器内的所有物质，都可以得到均匀的加热。而当微波辐射一旦停止，加热过程也立即结束，这对消解时温度的控制十分有利，是实现消解过程自动控制的基础。“均匀加热”和“温度可控”是微波消解的两个突出优点，这使得微波消解在众多消解方法中脱颖而出，成为现阶段最有效的样品消解方法。
2. 微波消解仪的结构
微波消解仪通常由磁控管、波导管、微波炉腔、能转动的负载盘和样品架、自动控制系统、排风系统、安全防护门等部件构成，外观整体类似一台烘箱，如图2－24所示。整体而言，微波消解系统可看作由微波消解器和主控计算机组成。操作者只需在消解前设定好消解条件，启动系统后，整个消解过程即可在程序控制下完成，有效地节省了人力，提高了消解效率。
消解罐是微波消解仪的关键部件。因为消解是在高温、高压和强酸存在下进行的，所以装有样品的消解罐必须具有良好的化学稳定性，当然用于制造消解罐的材料应当是微波辐射的绝缘体，即其吸收的微波功率很小，可使大部分微波辐射通过。聚四氟乙烯（PTFE）、改性PTFE（TFM）、全氟代烷氧乙烯（PFA）、石英等均可作为消解器。比较而言，TFM是最佳消解罐材质，所以目前一般高压消解罐的内插消解罐都是TFM材质，PFA、PTFE一般只能用作中低压消解容器。
图2－24 微波消解仪及其内部的消解罐
及时、安全泄压是微波消解仪最重要的性能指标。因为在密闭消解过程中，罐中压力可达十几个大气压，因此消解罐必须装有压力释放阀，以免在压力过大时发生危险。国内外在该方面的控制技术已经成熟，其一方面是采用双重泄压方式，通过防爆膜和自动压力片排气提高泄压速度，即使在防爆膜通道受堵塞时，还有自动压力片启动排气释放高压；二是采用基于模拟爆破实验和三维定向防爆理论的设计，万一出现意外，保证高压容器在垂直方向爆破，免除横向冲击对人造成伤害。因此防爆膜也成为一些微波消解仪的常规耗材。
3. 微波消解常用试剂
微波消解通常使用硝酸、盐酸、氢氟酸、硫酸和双氧水等，针对不同的材质采用不同的材料组合。混酸消解的效果比单一酸好，硝酸、盐酸因沸点低通常应用较多，硫酸因沸点高而应用较少。另外针对某些特定样品（硅铝合金），也可使用氢氧化钾或氢氧化钠溶液消解处理。
关于消解样品量，因为是密闭消解，而且消解罐体积有限，所以用于可消解的样品量一般较少，这也是所有微波消解系统的相对弱点。当然，最大可消解样品量决定于样品有机质含量、酸种类、设定温度、消解罐体积、消解罐最大工作压力。对于皮革类样品，最大样品消解量一般小于0.5g（通常约0.2g）。
综上，作为一种先进、高效、自动化程度高的样品消解处理方法，微波消解仪能很好地满足现代仪器分析对样品处理过程的要求，尤其在易挥发元素的分析检测中更具有优势。随着仪器稳定性的提高、仪器价格的日益可接受性，其在检测实验室中的应用会越来越普及。