CN116194752A - 用于在gcms分析之前改进样品制备的基质加速真空辅助吸附剂萃取的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开的技术可在通过GC或GCMS分析之前改善化学品的萃取。可在真空下将液体或固体样品放置在封闭系统的样品容器中,该封闭系统进一步包括样品萃取装置。该组件可放置在三区域加热器中,该三区域加热器可分别控制样品容器底部、样品容器顶部和样品萃取装置的温度。从样品容器底部进入样品容器顶空的蒸汽通量可将感兴趣的化合物递送至样品萃取装置,而基质化合物可在样品容器顶空中再冷凝以避免递送至样品萃取装置。萃取可继续进行,直到感兴趣的化合物大量转移至吸附剂,随后将萃取物热解吸至GCMS中以供分析。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年8月11日提交的美国临时专利申请第63/064,334号的权益,该临时专利申请的全部公开内容出于所有目的全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及样品制备,并且更具体地涉及用于经由扩散真空萃取制备样品的系统和方法。
背景技术
气相色谱/质谱(GCMS)已经成为广泛使用的技术,其用于测量沸点范围为-253℃(例如,氢)至超过600℃(例如,6-8环PAH)的化学品。对于与GCMS相容的化合物,它们必须在该技术的操作限制范围内具有合理的高蒸汽压(通常为-50C至400C),同时足够热稳定以例如在气相中通过GC柱到达检测器。在GCMS注射之前,可以清理样品,使得仅将GC相容的化合物引入GC中。在一些情况下,非GC相容的化合物可沉积在GC柱的入口处或柱本身上,导致许多化合物的吸附或反应(丰度降低),从而影响其测量的准确性。一些化合物可热分解成所有新的化合物,从而产生所谓的人工痕迹,其可导致分析员相信这些人工痕迹实际上包含在样品内,而事实上并不是如此。
此外,GCMS系统可能对注入太多的水敏感,因为过量的水可能损坏GC柱,与共注入的目标化合物产生相互作用,并导致质谱仪中信号的抑制。即使少量的水(例如,0.1ul-0.2ul)也会改变质谱仪内的真空,从而导致电离效率降低,或增加气相碰撞,这降低了到电子倍增器或其他离子检测器的离子转移效率。
若干技术可以从多种基质(水、饮料、血液、尿液、食物、消费品等)中萃取GCMS相容的化合物,但是这些技术可能存在局限性,阻止其实现回收GC相容的化合物、排斥非GC相容的化合物以及减少或最小化挥发性样品基质(例如水分、醇)进入萃取物中的最终目标。若干萃取技术使用液体或固体样品上方的顶空来进行萃取过程,因为顶空仅含有挥发性或至少半挥发性的化合物,从而从萃取中消除样品的非挥发性组分。需要与样品接触的其它技术在从萃取物中排除非挥发性化合物方面可能不太有效,因此不再进一步讨论。那些直接接触技术包括溶剂萃取(液/液萃取、索氏(Soxhlet)萃取等)、全浸式SPME、搅拌棒吸附萃取(SBSE)、Hi-Sorb、固相萃取等。
样品萃取技术的目标可以包括:
增加灵敏度
增加精度
减少干扰
减少人工痕迹形成
减少分析时间
增大化合物的沸点范围(以至少包括完整目标列表)
改善极性和非极性GC相容性化合物的回收
改善热不稳定化合物的回收
处理液体和固体样品或其混合物的能力
提供多样品自动化
减少遗留
保持分析仪清洁度
消除危险溶剂的使用
以下是已经用于或建议用于GCMS样品制备的许多静态和动态顶空技术,以及它们与以上列表相关的主要缺点:
吹扫和捕集(1976)-限于在220℃下沸腾的挥发性化合物。遭受污染、遗留和基质干扰。通向捕集器和分析仪的长通道。
真空蒸馏(US EPA,1990)-需要液氮(昂贵、难以使用),水蒸汽消除较差,限于在250℃下沸腾的化合物,并且难以自动化。还没有创建商业系统。
SPME(1990)-纤维上的有限相引起基质干扰,进入下一分析的高遗留(1%-10%),限于在300℃下沸腾的化合物。
SPME ARROW(2015)-比SPME多10倍的相,但遗留问题仍然存在,较重化合物的回收率差。沸点范围差。
VASE(2016)-真空辅助吸附剂萃取。拒湿性差,从而导致分析中的不一致性、萃取时间长、随着萃取温度增加而减少真空
PECE(2018)-在吸附剂捕集器上的湿气冷凝产生“热冲洗”,其导致许多化合物从吸附剂移回到原始样品基质中。
FEVE(2019)-全蒸发真空萃取。不产生封闭系统,因此许多在100℃下沸腾的化合物不被保留。不适用于含有非溶解固体的样品。
发明内容
本公开涉及样品制备,并且更具体地涉及用于经由扩散真空萃取制备样品的系统和方法。本文公开的技术可以从样品中去除非挥发性化合物,有效地回收感兴趣的目标化合物,并且在GCMS注射之前消除尽可能多的水分,包括在萃取完成后从样品萃取装置中额外排除水分。
本文公开了基质加速真空辅助吸附剂萃取(MA-VASE)技术。在一些实施方案中,包含(例如,液体和/或固体)样品的样品小瓶可通过真空套筒联接到包括一种或多种吸附剂的样品萃取装置。可以在系统中抽真空,并且可以独立地控制三个区域的温度-样品小瓶底部的区域A、样品小瓶顶空的区域B和吸附剂萃取装置的吸附剂处的区域C。例如,区域B可以是最冷的,并且区域A可以是最热的。在一些实施方案中,在该构型中,样品的一种或多种挥发性和/或半挥发性化合物可以在扩散过程中在真空下转移到吸附剂中。在一些实施方案中,样品的液体基质在取样过程期间不与吸附剂接触,因为样品不被抽吸通过吸附剂,而是随着气相和汽相化合物在区域A中蒸发后到达吸附剂而扩散地收集。
当在GCMS分析之前进行样品制备时,本文公开的技术可改善萃取效率和基质去除。本公开的一些实施方案使用挥发性基质来帮助将感兴趣的化学品从样品转移至样品萃取装置110。萃取期间的多个温度区域可以在封闭系统中产生并且然后消除蒸汽通量,这可以加速化学品向样品收集装置的转移,同时留下非挥发性化合物。与使用溶剂萃取时或将富集装置直接暴露于样品基质时相比,非挥发性化学品可以更有效地被消除。从样品中有效消除非挥发性化学品可以帮助保持GCMS分析仪清洁,使得可以在分析仪维护之前最大化样品分析的次数。例如,在将挥发性和半挥发性化合物萃取到包括在样品萃取装置中的吸附剂上之后,可以对吸附剂进行溶剂萃取以用于液体注入到GCMS或LCMS中,或者吸附剂可以被直接热解吸到GCMS分析仪中以提高分析的灵敏度。这种改进的样品萃取技术可被自动化,以允许数百个样品在无人看管的情况下在实验室中进行分析。
本文所述的MA-VASE优于上述技术,包括用于制备包括沸点为-50°℃至约550°℃的化合物的样品。用于饮用水和废水分析的US EPA VOC方法通常覆盖约-25℃至220℃的沸点范围,因此MA-VASE是对当前非溶剂型EPA方法的改进,特别是对于更高沸点的化合物。当前在EPA的“新兴污染物列表”上存在超过600种化合物,并且许多研究人员正在致力于开发用于那些不适合于在当前EPA方法中发现的萃取方法的化合物的分析方法。与任何其它技术相比,MA-VASE具有为更大范围的化合物提供优异样品制备溶液的潜力。
附图说明
图1A至图1B示出了根据一些实施方案的示例性样品萃取系统。
图2示出了根据本公开的一些实施方案的制备样品的示例性方法。
具体实施方式
在以下描述中,参考附图,附图形成描述的一部分,并且在附图中,以例示的方式示出可实践的具体示例。应当理解,在不脱离本公开的示例的范围的情况下,可使用其他示例并且可进行结构改变。
本公开涉及样品制备,并且更具体地涉及用于经由扩散真空萃取制备样品的系统和方法。本文公开的技术可以从样品中去除非挥发性化合物,有效地回收感兴趣的目标化合物,并且在GCMS注射之前消除尽可能多的水分,包括在萃取完成后从样品萃取装置中额外排除水分。
本文公开了基质加速真空辅助吸附剂萃取(MA-VASE)技术。在一些实施方案中,包含(例如,液体和/或固体)样品的样品小瓶可通过真空套筒联接到包括一种或多种吸附剂的样品萃取装置。可以在系统中抽真空,并且可以独立地控制三个区域的温度-样品小瓶底部的区域A、样品小瓶顶空的区域B和吸附剂萃取装置的吸附剂处的区域C。例如,区域B可以是最冷的,并且区域A可以是最热的。在一些实施方案中,在该构型中,样品的一种或多种挥发性和/或半挥发性化合物可以在扩散过程中在真空下转移到吸附剂中。在一些实施方案中,样品的液体基质在取样过程期间不与吸附剂接触,因为样品不被抽吸通过吸附剂,而是随着气相和汽相化合物在区域A中蒸发后到达吸附剂而扩散地收集。
当在GCMS分析之前进行样品制备时,本文公开的技术可改善萃取效率和基质去除。本公开的一些实施方案使用挥发性基质来帮助将感兴趣的化学品从样品转移至样品萃取装置110。萃取期间的多个温度区域可以在封闭系统中产生并且然后消除蒸汽通量,这可以加速化学品向样品收集装置的转移,同时留下非挥发性化合物。与使用溶剂萃取时或将富集装置直接暴露于样品基质时相比,非挥发性化学品可以更有效地被消除。从样品中有效消除非挥发性化学品可以帮助保持GCMS分析仪清洁,使得可以在分析仪维护之前最大化样品分析的次数。例如,在将挥发性和半挥发性化合物萃取到包括在样品萃取装置中的吸附剂上之后,可以对吸附剂进行溶剂萃取以用于液体注入到GCMS或LCMS中,或者吸附剂可以被直接热解吸到GCMS分析仪中以提高分析的灵敏度。这种改进的样品萃取技术可被自动化,以允许数百个样品在无人看管的情况下在实验室中进行分析。
本文所述的MA-VASE优于上述技术,包括用于制备包括沸点为-50°℃至约550°℃的化合物的样品。用于饮用水和废水分析的US EPA VOC方法通常覆盖约-25℃至220℃的沸点范围,因此MA-VASE是对当前非溶剂型EPA方法的改进,特别是对于更高沸点的化合物。当前在EPA的“新兴污染物列表”上存在超过600种化合物,并且许多研究人员正在致力于开发用于那些不适合于在当前EPA方法中发现的萃取方法的化合物的分析方法。与任何其它技术相比,MA-VASE具有为更大范围的化合物提供优异样品制备溶液的潜力。
图1A至图1B示出了根据一些实施方案的示例性样品萃取系统100和130。在一些实施方案中,样品萃取系统100和130可包括含有(例如,液体或固体)样品102的一个或多个样品小瓶104、一个或多个样品萃取装置110和真空套筒106。在一些实施方案中,样品萃取装置110可包括一种或多种吸附剂112a和112b、多个外部密封件114a-114c、端口115和阀116。
在一些实施方案中,图1A中示出的系统100可以包括十个样品萃取装置110,每个样品萃取装置联接到样品小瓶104。例如,图1A所示的视图是五排两对样品萃取装置110-样品小瓶104中的一排。在一些实施方案中,可同时进行十个样品的萃取(例如,手动地、完全自动化或部分自动化)。
在一些实施方案中,系统130可用于一次萃取一个样品。在一些实施方案中,系统130可用于以交替方式重复使用多个(例如,两个)样品萃取装置110以连续地执行样品萃取和分析。例如,样品萃取可以进行与样品分析相同的持续时间,因此一个样品可以被萃取到第一样品萃取装置110中,而另一样品可以从第二样品萃取装置110中解吸并分析。然后,在该示例中,可以分析由第一样品萃取装置110萃取的样品,同时重复使用第二样品萃取装置110来萃取另一样品。在一些实施方案中,该过程可以用相同的样品萃取装置110重复数百次或数千次或更多次。如果需要,该过程可以是完全自动化或部分自动化的(例如,用自动取样机或其它机器人)。除了与系统100相同的部件之外,系统130还可包括用于样品萃取装置110交换的真空口132、真空密封件134和滑动盖136。
在一些实施方案中,样品萃取装置110包括单个吸附剂。在一些实施方案中,样品萃取装置110包括两个或更多个吸附剂112a和112b,该两个或更多个吸附剂与样品的一种或多种化合物具有最弱亲和力的吸附剂一起被布置成最靠近样品萃取装置110的开口,样品的一种或多种化合物通过该开口进入样品萃取装置110,该两个或更多个吸附剂与具有更强化学亲和力的吸附剂被布置成远离样品萃取装置110的开口。例如,与吸附剂112b相比,吸附剂112a对样品的一种或多种化合物具有更低的化学亲和力。以这种方式,较重的化合物可以被更靠近样品萃取装置110的开口的较弱的吸附剂(例如,对一种或多种样品化合物具有降低的化学亲和力的吸附剂)保留,并且可能需要更高表面积或更强吸附剂以便被吸附的较轻的化合物可以穿过较弱的吸附剂以被更强的吸附剂收集。这种方法可降低在热解吸时释放所有化合物所需的温度,这可减少热不稳定化合物的反应并可提高吸附剂取样装置的寿命。
在一些实施方案中,样品萃取装置110可联接到样品容器104,使得样品萃取装置106的外表面可(例如,基本上)保持在样品容器104的顶空外部。以这种方式,例如,样品萃取装置110的外表面可保持未被样品的一种或多种化合物污染。
在一些实施方案中,待萃取的样品102可以被放置到样品容器104(例如,样品小瓶)中,并且样品萃取装置110可以被放置在样品容器104的顶部处。例如,以这种方式组装系统100或130可以在样品容器104、真空套筒106和样品萃取装置110之间产生真空密封。然后可通过阀116或样品萃取装置110的端口115或其它方式对系统施加真空(例如,使用真空源)。在一些实施方案中,真空源是真空泵或从封闭系统去除气体的其它系统。在一些实施方案中,抽吸真空并不“拉动”液体或固体基质通过吸附剂112a-112b,而是从样品容器104的顶空排出气体以加速顶空化合物的扩散速率,同时还允许产生“基质至顶空”蒸汽输送机制,如下文更详细描述。该真空度可以是相当大的,并且可以仅限于例如在萃取系统的最冷部分处的基质的挥发性馏分的蒸汽压(对于水而言,在25℃下约为大气压力的1/30th)。在一些实施方案中,区域B的温度最终控制系统真空。在一些实施方案中,(例如,用真空套筒106)密封样品萃取装置110和样品容器104可在样品萃取系统100或130中产生封闭系统,其中一旦初始顶空化合物(例如,空气、氮气、其它固定气体)已被排空,物质就不能进入或离开系统。
在一些实施方案中,在萃取过程中保持三个温度区域。例如,这些在图1A至图1B中被列为区域A、区域B和区域C。在一些实施方案中,系统可包括温度区域之间的隔热件122a和122b,以在任何很大程度上防止或减少每个加热器对相邻区域的温度的直接影响。加热器124a-124c可允许保持每个区域的温度,并且一些冷却控件(例如,散热器126、风扇或电子冷却系统)可用于去除区域B中的热量,诸如由基质冷凝产生的热量,如将描述的。在一些实施方案中,热量可从区域A传递至区域B,诸如由于水蒸汽在区域B中冷凝时产生的热量。因此,在一些实施方案中,区域B的有效冷却对于控制区域A与区域B之间的温差可能是关键的,这继而又可以增加或最大化样品的蒸汽通量并且增加或最大化样品的萃取速率。
在一些实施方案中,产生具有彼此温度不同的温度区域可导致快速的蒸汽和冷凝物形成。在一些实施方案中,例如,由于气相分子在真空下的较高迁移率,在系统100或130的真空下可形成蒸汽和冷凝物的速度可比在大气压下可发生的速率快得多。例如,在系统100或130中抽吸的初始真空可以允许在相对较低的温度下产生正蒸汽通量,如将在下面详细描述的。
在一些实施方案中,区域A可以包含待萃取的(例如,液体和/或固体)样品,尽管样品的一部分可以延伸到区域B中,并且随着萃取过程的进行,样品的一种或多种(例如,挥发性、半挥发性)化合物被转移到区域C中的吸附剂112a-112b中。加热A中的液体样品可使其膨胀(变得密度较低)并上升,从而例如产生混合过程(例如,不使用机械、磁性等搅拌装置或搅拌器)。当液体(例如,或固体)样品的温度增加时,温度可以变得更接近液体样品的沸点(例如,或固体样品内的液体内容物的沸点,或固体本身的沸点),并且一般而言,(例如,液体或固体)样品102上方的蒸汽压,诸如例如样品小瓶104中的蒸汽压可以增加。如本文所用,术语“沸点”应理解为样品的挥发性液体馏分的蒸汽压等于样品容器的顶空的蒸汽压时的温度,并且如前所述,该温度可远低于挥发性基质在大气压下的标准沸点温度。例如,与在760托的顶空压力(标准大气压)下在100℃沸腾相比,在18托的顶空压力下水可以在25℃沸腾。
当区域A中的热量导致液体(例如,部分地)蒸发时,即使在远低于化合物在大气压下的沸点的温度/压力组合下,样品内的化学品也可同样被输送到气相中。因为系统100或130是封闭系统,所以如果使整个系统100或130达到单一温度,则系统100或130中的压力可升高直至达到该特定温度的平衡,此后将不再发生例如液体向气相的净转移。在该示例中,所产生的条件将可能导致基质在整个系统100或130中冷凝。然而,例如当操作系统100或130具有三个温度区域时,情况并非如此。在一些实施方案中,系统100或130的三个温度区域可引起样品104化合物的连续蒸发和冷凝,从而在系统中产生样品104的混合效应。从下面加热区域A可以增加挥发性基质的温度,这可由此降低其密度并且使其在样品基质内上升以实现混合过程,从而确保感兴趣的化合物连续地呈现到表面以用于例如气相输送。
在一些实施方案中,区域B可与区域A隔离(例如,通过隔热件122a),并且可处于比区域A低的温度下。因此,一旦蒸汽膨胀到区域B中,能量可通过在较冷区域中的碰撞(由于在真空下更高的扩散速率而更快地发生)从汽相分子中被抽吸,并且化合物可再次聚结成液体,例如作为在区域B中的样品容器104的表面上的气溶胶或液滴。气体到液体的转化可将净流速降低至(例如,基本上为)0,因为系统在萃取过程期间是封闭系统,这可允许气溶胶“沉淀”在区域A和区域B中,而不是例如继续向区域C移动。
在一些实施方案中,一旦释放到气相中,在基质中溶解性不如主要基质化合物本身的化学品(例如水)可倾向于保持在气相中,这与冷凝成气溶胶和液滴相反。例如,这种趋势可允许它们继续扩散,使得它们可在区域C中找到吸附剂112a和112b中的一者或多者,在该区域中吸附剂将被(例如,扩散地)收集。在一些实施方案中,区域C可保持处于略高于区域B的温度的温度下,这可防止或减少不期望的挥发性基质化合物(例如,水、醇等)在区域C中的聚集。因此,在一些实施方案中,液体基质在样品萃取过程期间不聚集在吸附剂112a-112b上。例如,在水基质的情况下,区域C的较高温度可导致相对湿度小于100%。此外,在一些实施方案中,一种或多种吸附剂112a-112b可以被选择为将不吸收或吸附主要基质化合物(例如,通常并且主要是水性的或水/醇混合物)。即使由区域B中的基质的再冷凝产生的气溶胶偶然进入区域C,区域C温度也可允许气溶胶从区域C“蒸发”并重新分布到区域B,因为例如由于区域C的温度高于区域B的温度,区域C中各分子的能级可高于区域B中化合物s的能级。
在区域B中的基质冷凝期间,热量可以随着蒸汽冷凝而释放(例如,蒸发的热量),并且热量必须从区域B移除以便保持温度低于区域A和区域C,并且例如尽可能接近设定点温度。在一些实施方案中,区域B中的温度可通过以下方式来保持:通过降低区域A的温度(例如,因此降低区域B所需的冷凝和热传递速率),使得区域B被动地释放足够的热,或通过提供热传递和/或热移除机构诸如具有热传递翅片的散热器126、通过使用风扇、或通过在区域B周围使用循环冷却液。通常,回流过程越快(例如,相对于区域B的温度,区域A的温度越高),例如需要从区域B移除的热量就越大,但是更快的回流也可以增加蒸汽通量并减少基本上回收所有感兴趣化合物所需的萃取时间。
当液体蒸发时,在液体/蒸汽边界处存在过渡层,其中组合物在例如非零距离内从100%液相变为100%气相。因此,在过渡区中的某个点处,基质是90%液体和10%气体,然后是80%液体和20%气体等等,直到例如实现100%气相的点。尽管在宏观尺度上该距离可能相对较小,但在分子尺度上这个距离可能并不小。在本文所公开的MA-VASE过程中,可存在朝向样品容器104的顶空的正向气流,因此当使用标准机械混合时,可能抵制进入顶空的较重化合物可由于在该相变过程中被捕获和由于基质的强制流动而被“推入”顶空中。当蒸汽在较冷区域B中再冷凝时,类似分子可优先彼此冷凝,并且目标化合物可更可能保持在气相中,其中它们可继续到达吸附剂112a-112b。气溶胶可以直接沉淀回样品基质中(例如,在区域A中),或者可以在重力的影响下冷凝并向下“排放”回样品容器104底部的样品102中。一旦回到区域A中,就可以连续重复化合物的蒸发和冷凝以完成萃取过程。这种蒸发/雾化方法可以增加样品的表面积(例如,不使用物理搅拌或搅动装置)。在等温温度下混合样品的其他系统/技术没有利用在样品萃取装置110的方向上的蒸汽通量,并且因此由于缺乏蒸汽通量而可以获得较慢的萃取速率。此外,在大气压下而不是在真空下进行的技术也可以获得较慢的萃取速率。
本文提出的MA-VASE技术可以解决其它萃取技术的几个问题。例如,吸附剂112a-112b可以足够靠近样品102放置以消除输送管线的使用,但是足够远离以避免与冷凝基质接触。在通过输送管线吹扫样品的技术中,输送管线的使用可导致化合物在输送管线的内表面上反应,并且可导致非常重的(但部分挥发的)化合物永久地粘附到那些表面上,这可产生可在未来萃取事件中保留目标化合物的膜,从而致使化合物的回收在各次运行中不一致。方法一致性在各次运行之间以及在较长的时间段内(数百个样品)是至关重要的,但大多数萃取技术都无法实现,特别是那些在样品与萃取装置之间使用输送管线的技术。例如,MA-VASE可以通过将吸附剂112a-112b放置在样品容器104的顶部来消除输送管线。样品容器仅可使用一次然后丢弃,消除了由于运行更高浓度样品而造成遗留(污染)的可能性,如在其中萃取系统的部分被多次使用的其他萃取系统中所见。
在一些实施方案中,产生离开区域A的动态流和位于区域B中的静态扩散流(因为大多数蒸汽再冷凝以消除蒸汽流)允许目标化合物在几乎没有进入吸附剂中的沟流的情况下在扩散过程中聚集在区域C中的吸附剂112a-112b上,因为至少相对于>99%的样品(或99.99+%的样品用于微量元素分析),区域C中的净流为0。沟流,即一种或多种化合物比使用扩散转移技术更深入地推入到吸附剂中下,可能是动态顶空系统(例如吹扫和捕集)的一个难题。沟流的减少可改善样品萃取装置110的热解吸期间的回收率,减少清洁吸附剂112a-112b所需的烘烤时间(并因此减少吸附剂本身的热应力的量),并减少一种或多种化合物在各次运行间的遗留。动态顶空技术可具有通常在0.1%-1%范围内的遗留(化合物依赖性),而静态扩散取样技术诸如MA-VASE可显示远低于0.01%的遗留水平(例如,由于减少的沟流)。
MA-VASE还可以消除对机械混合的需要。例如,许多SPME系统使用高速搅拌器来改善较重目标化合物的回收。机械混合可连续刷新边界层以增加传输至顶空的速率。相对较慢的搅拌速率可以刷新样品的上表面,而使用机械混合的大多数SPME方法在以高速率混合时显示出回收率的改善,例如越高越好。当以高速而不是低速混合时,回收率的增加高于增加弯液面尺寸的效果。实际上,高速混合可导致液体基质“飞溅”或“抛”到顶空中,这可将样品基质本身的全部液滴递送到SPME纤维,这不同于仅允许气相分子到达纤维的所期望的“清洁”顶空方法。这种气溶胶转移可增加低蒸汽压目标化合物回收率,但代价是将非挥发性化合物,包括盐、蛋白质、碳水化合物等转移至纤维,这可降低纤维的寿命并可导致分析期间产生人工痕迹。例如,液体(例如,或固体)样品102在低于样品102的沸点的温度下的MA-VASE蒸发可以直接从样品102产生很少的气溶胶或不产生气溶胶。在一些实施方案中,在MA-VASE方法中产生的仅有的气溶胶是在冷凝区域B中形成的那些。例如,这些冷凝气溶胶可仅包括挥发性和半挥发性化合物,因为非挥发性化合物不蒸发。基质加速(蒸汽通量)可以通过改变区域A和区域B的温度来调节,这可允许感兴趣化合物的回收增加或最大化,同时排斥可能不进入气相的较重的、非GC相容的化合物。因此,MA-VASE可以是将挥发性和半挥发性化合物从样品102转移到吸附剂112a-112b的优良方式,其通过产生然后消除基质自身的通量以将目标化合物推进到气相中,而不是使用可能在样品容器104内产生太多样品飞溅的机械搅拌。
在萃取过程中,区域A可以保持在通常高于区域B温度的某一恒定温度下,或者它可以在循环过程中逐渐升高和降低。在一些实施方案中,即使区域A中的温度周期性地波动,区域A也可以保持在比区域B更高的温度下。在一些实施方案中,区域A的温度可以在高于区域B的温度与低于区域B的温度之间周期性地波动。相对于在萃取过程中将区域A保持在固定温度,周期性地改变区域A的温度可以增加蒸汽通量密度。可以针对不同的应用和样品类型来评估温度增加的速率,以确定区域A中实现最快萃取同时向样品萃取装置110提供最少量的基质转移的温度变化速率和变化量。例如,可以开发一种方法来减少或最小化转移到样品萃取装置110的水量。
在一些情况下,在萃取过程期间的一次或多次,可以使区域A低于区域B或C的温度,并且可以将区域B加热到比区域A和区域C更高的温度。一旦区域A被再次加热,这些温度可释放任何粘在区域B中的样品容器104壁上的感兴趣的较重化合物,从而允许它们再挥发并进入吸附剂112a-112b。在一些实施方案中,感兴趣的较重化合物可改为分配到区域A和区域C两者中。在这些情况下,转移回区域A的化合物可通过再次将区域A加热至三个区域中的最高温度并使区域B的温度回到低于区域A和区域C的温度而转移至区域C,使得从区域A至区域C的萃取可继续。以这种方式,例如可以提高或最大化重的GC相容的化合物的回收率。
在一些情况下,区域B的温度可暂时(例如周期性地)升高至区域A的温度,而区域C的温度略高于区域A和区域B的温度,以便释放在区域B中收集的重的化合物。该技术可确保在区域B中的升高温度下的接近100%湿度条件可用于帮助从区域B中的样品容器的内壁释放最重的化合物,以再次有机会扩散到区域C。
在一些实施方案中,当处理可能是热不稳定的样品时,可以将区域B冷却至低于室温,使得区域A可以在萃取过程中保持在(例如,基本上)室温(例如,25℃-40℃)。在一些实施方案中,当制备天然产物的样品时,区域A的温度可以是25℃-40℃,从而避免可对天然产物进行“烹煮”的高于40℃的温度。在区域A处于该范围内的温度的情况下,例如,为了实现期望的通量,区域B可以处于0℃-10℃范围内的温度,并且区域C可以处于30℃或更高的温度。对于一些样品,天然产物中的非挥发性馏分可在低至40℃的温度下“烹煮”并产生人工痕迹,但挥发性馏分可在区域C中经受更高的温度而不产生人工痕迹。在一些实施方案中,区域C的温度低于区域A的温度。在一些实施方案中,区域C的温度高于或等于区域A的温度。
在一些实施方案中,在萃取(例如,固体)样品的一种或多种挥发性和/或半挥发性化合物之前,可将挥发性基质(例如,水和/或醇)添加到样品中。在一些实施方案中,这种挥发性基质可帮助(例如固体)样品的挥发性和/或半挥发性化合物转移至气相。例如,当加入水和/或醇,随后进行MA-VASE萃取时,土壤样品可允许释放其挥发性和半挥发性内容物。在这种情况下,区域A、区域B和区域C的初始温度都可以高于在萃取过程的剩余部分期间的温度,以便将液体基质中的固体样品加热到足够高,以实现例如以其他方式锁定在固体样品基质内的感兴趣的化合物的萃取。在一些实施方案中,在从固体到液体的短时间萃取之后,区域A、区域B和区域C的温度可降低至标准MA-VASE萃取温度,这可确保区域C中的吸附剂112a-112b的温度足够冷以实现对感兴趣的化合物的潜在宽沸点范围的更高亲和力。例如,在预萃取期间,区域B处于比区域A和区域C低的温度。
在萃取时段(5分钟至24小时,取决于待测量的基质和化合物,但通常为0.2小时至4小时)之后,可将所有区域冷却,同时保持区域C的温度略高于区域A和区域B的温度,以防止冷却期间区域C中的基质发生任何冷凝。在此期间,在一些实施方案中,挥发性基质可进一步从区域C中的样品萃取装置110移除,因为系统仍处于真空下,从而允许任何水或挥发性基质快速地找到系统的较冷部分(例如,区域A和区域B),从而实现最小化保留在样品萃取装置110上或样品萃取装置内的挥发性基质的量的最终目标。当萃取过程已经完成时,样品萃取装置110可以从组件(例如,样品容器104、真空套筒106)移除,并且可以使用许多不同的热解吸系统中的一个热解吸系统热解吸到GCMS中。
图2示出了根据本公开的一些实施方案的制备样品的示例性方法200。在一些实施方案中,以上参照图1A至图1B描述的系统100或130可用于执行方法200。在一些实施方案中,方法200的一个或多个步骤可以由存储用于执行该方法的指令(例如,存储在非暂态计算机可读存储介质中)的一个或多个处理器来自动化。
在一些实施方案中,样品容器104、样品萃取装置110和真空套筒106可连接在一起,从而形成封闭系统。当样品容器104连接到样品萃取装置110和真空套筒106时,样品容器104可容纳(例如,液体或固体)样品。在一些实施方案中,连接样品容器104、样品萃取装置110和真空套筒106可在系统100或130中形成真空密封。在一些实施方案中,样品容器104、样品萃取装置110和真空套筒106可放置在如图1A至图1B所示的三区域加热器中,使得区域A、区域B和区域C的温度可(例如,基本上)彼此独立地控制。
在一些实施方案中,可在系统100或130上抽吸真空204。在一些实施方案中,可使用真空源诸如被构造成从封闭系统去除气体的真空源来抽吸真空。例如,可以通过样品萃取装置110的顶部阀116或侧端口115抽吸真空。在一些实施方案中,真空能够以不同的方式被抽吸。在一些实施方案中,样品容器104、样品萃取装置110与真空套筒106之间的真空密封可以在样品制备期间保持系统中的真空。
在一些实施方案中,系统100或130的多个区域的温度可在过程200期间使用一个或多个加热器(例如,加热器124a-124c)、散热器(例如,散热器126)和/或其它加热和/或冷却系统来(例如,基本上)彼此独立地控制206。例如,区域B可以保持在比区域A和区域C的温度低的温度,并且区域C可以处于比区域A低的温度。在一些实施方案中,隔热件122a和122b以及散热器126可以帮助将区域A、区域B和区域C的温度彼此隔离。在一些实施方案中,区域A的温度可以是恒定的或可以在过程200期间周期性地变化。
在一些实施方案中,过程200可以在吸附剂112a-112b中收集208样品的一种或多种化合物。例如,(例如,液体、固体)样品102的一种或多种挥发性或半挥发性化合物可从区域A蒸发至区域B,并且一旦处于气相,可由吸附剂112a-112b收集。在一些实施方案中,可选择吸附剂112a-112b以排斥基质的化合物。例如,疏水吸附剂可用于从水样品中排除水。此外,因为区域B的温度可以低于区域C的温度,所以到达吸附剂112a-112b的基质的一种或多种化合物可以从吸附剂112a-112b蒸发并且转移回到样品容器104中。
在一些实施方案中,过程200可以包括使样品收集装置106(例如,包括在其中的一种或多种吸附剂112a-112b)脱水210,诸如通过将区域A和区域B冷却至比区域C中的温度(例如,稍微)低的温度。以这种方式使样品收集装置106脱水可以从吸附剂112a-112b中去除基质。
在一些实施方案中,方法200可包括对由吸附剂112a-112b收集的化合物进行212化学分析(例如,通过GC或GC-MS)。在一些实施方案中,在分析之前,由样品萃取装置110的吸附剂112a-112b保留的一种或多种化合物可以从吸附剂112a-112b热解吸或(例如,使用溶剂)萃取。
在一些实施方案中,本文公开的一种或多种技术可以是(例如,完全地、部分地)自动化的。例如,多个样品容器104、样品萃取装置110和真空套筒106组件可以设置在样品托盘中,加热器124a、124b和124c、散热器126以及隔热件122a和122b与样品托盘一体化,从而允许同时进行多个样品的制备。在一些实施方案中,自动取样机可操纵真空泵以在所有组件中抽真空,并且区域A、区域B和区域C的温度可经由计算机控制以一次进行多个样品的自动制备。在一些实施方案中,自动取样机然后可以将样品萃取装置110(例如,一个接一个地)转移至系统以用于解吸或萃取并且随后分析由吸附剂112a-112b保留的化合物。因此,在一些实施方案中,控制样品制备过程的计算机可包括(例如,经由非暂态计算机可读介质)存储用于执行本文公开的一个或多个过程的一个或多个步骤的指令的存储器。
在一些实施方案中,在完成样品的分析之后,样品容器104、真空套筒106和样品萃取装置110可以根据一种或多种其他方法被烘烤或清洁并且被重复使用。
本文公开的技术可用于在GCMS分析之前改善样品制备的速率和质量。几乎每一个使用GCMS的领域都可以从这些技术中获益,这些领域包括:
石化(塑料、合成材料)
环境(饮用水、废水、土壤、污泥)
临床(血浆、尿液、呼吸冷凝液、淋巴液、组织分析、代谢组学)
食品和饮料(香料、异味化合物、污染物、调节化合物)
酒精饮料(啤酒、葡萄酒、烈性酒)
消费品(芳香剂、气味、管制污染物)
法医学(滥用药物、促进剂)
军事(化学战剂)
本公开的一些实施方案支持手动或多样品自动分析。与其它分析方法一样,可以在萃取之前将回收化合物加入到每个样品中以证实样品制备正确进行。
因此,根据上文,本公开的一些实施方案涉及一种用于在真空下制备样品的封闭系统,该系统包括:样品容器,该样品容器被构造成保持样品;吸附剂;第一加热器,该第一加热器被构造成将第一温度施加到样品容器的第一部分;第二加热器,该第二加热器被构造成将小于第一温度的第二温度施加到样品容器的第二部分;和第三加热器,该第三加热器被构造成将大于第二温度的第三温度施加到吸附剂。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该系统进一步包括真空套筒,该真空套筒被构造成在该样品容器与包含该吸附剂的样品萃取装置之间形成真空密封。除此之外或另选地,在一些实施方案中,样品萃取装置包括端口或密封件,该端口或密封件被构造成在系统中抽真空时联接到真空源。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该吸附剂被设置在样品萃取装置中,该样品萃取装置被构造成从系统中移除以分析该样品的一种或多种化合物。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该系统进一步包括被构造成保持该第二温度的一个或多个散热器、风扇、或低于室温冷却装置。除此之外或另选地,在一些实施方案中,第一加热器被进一步构造成周期性地改变第一温度。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该系统不包括位于样品容器与吸附剂之间的输送管线。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该系统不包括物理搅拌装置。除此之外或另选地,在一些实施方案中,吸附剂被构造成收集样品的一种或多种化合物并且排斥样品的基质。
一些实施方案涉及在真空下在封闭系统中制备样品的方法,该方法包括:在系统处,该系统包括样品容器、吸附剂、第一加热器、第二加热器和第三加热器,同时样品设置在样品容器中:利用第一加热器将第一温度施加到样品容器的第一部分;利用第二加热器将小于第一温度的第二温度施加到样品容器的第二部分;利用第三加热器将大于第二温度的第三温度施加到吸附剂。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该方法进一步包括经由真空泵在该系统中抽吸真空;以及在抽吸真空之后,保持系统中的真空,其中在保持系统中的真空时施加第一温度、第二温度和第三温度。除此之外或另选地,在一些实施方案中,通过包括吸附剂的样品萃取装置的端口或密封件来抽吸真空。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该方法进一步包括经由一个或多个散热器、风扇或低于室温冷却装置来保持该第二温度。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该方法进一步包括利用第一加热器周期性地改变第一温度。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该方法进一步包括经由该吸附剂收集该样品的一种或多种化合物;经由该吸附剂排斥样品的基质。除此之外或另选地,在一些实施方案中,该方法进一步包括在收集该样品的一种或多种化合物之后:从该系统移除包括该吸附剂的样品萃取装置;以及分析样品的一种或多种化合物。
尽管已参考附图全面地描述了示例,但应当注意,各种改变和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。此类改变和修改应当理解为包括在由所附权利要求限定的本公开的示例的范围内。
Claims (14)
1.一种用于在真空下制备样品的封闭系统,所述系统包括:
样品容器,所述样品容器被构造成保持所述样品;
吸附剂;
第一加热器,所述第一加热器被构造成将第一温度施加到所述样品容器的第一部分;
第二加热器,所述第二加热器被构造成将小于所述第一温度的第二温度施加到所述样品容器的第二部分;
一个或多个散热器、风扇、或低于室温冷却装置,所述一个或多个散热器、风扇、或低于室温冷却装置被构造成保持所述第二温度;和
第三加热器,所述第三加热器被构造成将大于所述第二温度的第三温度施加到所述吸附剂。
2.根据权利要求1所述的系统,所述系统进一步包括:
真空套筒,所述真空套筒被构造成在所述样品容器与包含所述吸附剂的样品萃取装置之间形成真空密封。
3.根据权利要求2所述的系统,其中所述样品萃取装置包括端口或密封件,所述端口或密封件被构造成在所述系统中抽真空时联接到真空源。
4.根据权利要求1所述的系统,其中所述吸附剂被设置在样品萃取装置中,所述样品萃取装置被构造成从所述系统中移除以分析所述样品的一种或多种化合物。
5.根据权利要求1所述的系统,其中所述第一加热器被进一步构造成周期性地改变所述第一温度。
6.根据权利要求1所述的系统,其中所述系统不包括位于所述样品容器与所述吸附剂之间的输送管线。
7.根据权利要求1所述的系统,其中所述系统不包括物理搅拌装置。
8.根据权利要求1所述的系统,其中所述吸附剂被构造成收集所述样品的一种或多种化合物并且排斥所述样品的基质。
9.一种在真空下在封闭系统中制备样品的方法,所述方法包括:
在所述系统处,所述系统包括样品容器、吸附剂、第一加热器、第二加热器和第三加热器,同时所述样品设置在所述样品容器中:
利用所述第一加热器将第一温度施加到所述样品容器的第一部分;
利用所述第二加热器将小于所述第一温度的第二温度施加到所述样品容器的第二部分;
经由一个或多个散热器、风扇、或低于室温冷却装置来保持所述第二温度;以及
利用所述第三加热器将大于所述第二温度的第三温度施加到所述吸附剂。
10.根据权利要求9所述的方法,所述方法进一步包括:
经由真空泵在所述系统中抽吸真空;以及
在抽吸真空之后,保持所述系统中的真空,其中在保持所述系统中的真空时施加所述第一温度、第二温度和第三温度。
11.根据权利要求10所述的方法,其中通过包括所述吸附剂的样品萃取装置的端口或密封件来抽吸真空。
12.根据权利要求9所述的方法,所述方法进一步包括:
利用所述第一加热器周期性地改变所述第一温度。
13.根据权利要求9所述的方法,所述方法进一步包括:
经由所述吸附剂收集所述样品的一种或多种化合物;以及
经由所述吸附剂排斥所述样品的基质。
14.根据权利要求13所述的方法,所述方法进一步包括:
在收集所述样品的所述一种或多种化合物之后:
从所述系统移除包括所述吸附剂的样品萃取装置;以及
分析所述样品的所述一种或多种化合物。
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