超临界流体色谱法在水质分析中的应用及趋势

目前,超临界流体色谱法对胺类、芳香油、药物、糖类等的分离都有研究报道,超临界流体色谱也用于环境分析,如多环芳烃、有机染料、表面活性剂、农药、酚类、卤代烃及多氯联苯等化合物。同时也适用于分析热稳定性差的物质、难挥发性的物质、有必要衍生物化的物质、不吸收紫外光的物质、必须以高灵敏度来检出的物质等。

1 有机染料和颜料的分析测试

染料属于在环境中降解很慢的一类物质,而且一些染料有致癌、致突变性,随着各种有色物质与染料废水进入水体,使其颜色变得复杂,成份也难测。因此,只是测定环境样品的色度是不够的,还应对其成分进行分析。目前,使用超临界流体色谱法,以CO2为流动相,交联石英弹性毛细管柱对几种染料进行分析,效果很好。

2 表面活性剂的分析测试

表面活性剂的大量应用,带来了水质的严重污染,难以生物降解的表面活性剂给污水处理也带了难题。目前,环境样品中的表面活性剂常采用染料试剂显色后进行分光光度法测定,操作简便但灵敏度不高,得到的是一类表面活性剂的总量。而因其结构上差异,降解程度是不同的,因而我们需要知道各个组分的结构和含量。同时对于一些难挥发或不挥发的表面活性剂则不能直接进行气相色谱分析。对于离子型表面活性剂可以用液相色谱特别是离子色谱对其进行测试,但对于缺乏紫外吸收的非离子型表面活性剂液相色谱就显得束手无策了。近年来,毛细管超临界流体色谱法对于聚氧乙烯型非离子型表面活性剂和多元醇型非离子表面活性剂显示出很大优越性。用毛细管超临界流体色谱法分析多元醇型非离子表面活性剂时,超临界流体的密度是影响选择性,保留时间和柱效的主要参数。流体密度主要随压力而变化,通过变动压力可以调节各组分的保留时间,从而达到有效分离,对于多元醇型非离子表面活性剂中各组分,随着酯化作用程度和相对分子量的增加,组分挥发性下降,因而可以用程序升压方式进行分析。

3 酚类化合物的分析测试

含酚废水进入水体后,严重影响地面水的质量,危害人体和生物健康。测定酚类化合物的标准方法为毛细管气相色谱法但定量困难且费时,用填充柱超临界流体色谱法测试酚类化合物,其结果无论从峰形、测试时间,还是从检测上都能满足常规测试要求。

4 多环芳烃的分析测试

多环芳烃是一类中等极性的异构体混合物,性质极相似,是色谱分析最难分离的一类物质,核磁共振和质谱可以提供多环芳烃详细的结构信息,但操作严格,不适于常规分析。液相色谱可在较短时间内进行分离,但缺乏通用型的检测器。气相色谱使用时要求柱温较高,柱老化严重,且分离较差。近年来,超临界流体连接通用型的氢火焰离子化检测器,选用极性或特殊选择性的液晶固定液,在较低温度下,就可以使其得到有效分离,经研究证实选用细径极性填充柱,CO2为流动相,FID检测器,26分钟就将三至十环多环芳烃很好的分离,定量重复性良好。一些研究者对美国环保局测定的11种酚类化合物进行了测试,它以一氯二氟甲烷和CO2为混合流动相,测试后,峰型有较大改善,检测下限达0.01~3.80mg/m3。

5 农药及除草剂的分析测

大量的农用化学品进入环境,引起生态环境破坏,威胁着人类和生物,农药是含有O、S、P、N杂原子的极性物质,有的还含有热不稳定性基团,故可通过超临界流体色谱对其进行分析。超临界流体的密度和溶解度与许多有机溶剂相当,但与液体相比粘度低,扩散系数高,因此,可以渗透进入样品基质内部和间隙,增加与农药的接触机率和速度,加速溶解平衡使农药从基质中转移出来,提高萃取效率,有助于所溶解的各成分之间的分离。

6 金属络合物和金属有机化合物的分析测试

金属络合物和金属有机化合物的超临界流体萃取近年来被广泛的报道。超临界流体萃取金属离子的方法是用能溶解于SF-CO2的有机螯合剂将带有电荷的金属离子转变成金属络合物,所以关键是选择适当的螯合剂,而金属有机化合物通常可以被SF-CO2萃取。

7 过渡金属和重金属络合物的SFC分离

砷和锑的毒理和生理行为取决于它们不同的氧化态和化学形式。无机As (III)要比As (V)毒性更大,与无机砷相比,有机砷化合物显示了较小的毒性。使用SFC和SB-甲基-100色谱柱,将As3+(FDDC)3和Sb3+(FDDC)3络合物,从Zn、Ni、Co、Fe、Hg、As、Sb和Bi的混合物中分离开来。分析结果与溶剂萃取-中子活化分析和诱导偶合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)的分析结果一致。一些砷的无机物和有机物能够用溶剂萃取或SFE/SFC方法来测定。使用KI、Na2S2O3和H2SO4,在水溶液中将有机砷化合物如CH3ASO(OH)2和(CH3)2AsO(OH),分别转变成CH3AsI2和(CH3)2AsI。这些碘化物被FDDC萃取进入氯仿,生成的As(FDDC)3,CH3As(FDDC)2,和(CH3)2As(FDDC),由SFC分析,其回收率大于90%。随后,使用LiFDDC作为螯合剂,将天然水和尿液中的As3+和Sb3+用SFE萃取,用SFC进行定量分析。用KI和Na2S2O3将第二个样品还原,测定As和Sb的总量。通过相减得到As5+和Sb5+的浓度。三价或五价As和Sb的浓度范围在自然水中为1~150μg/L,在尿液中为1~10mg/L。

8 金属有机化合物的溶解度SFC测定

SFC提供了研究二茂铁及其衍生物行为的方法,并显示了溶质的保留行为直接与它在超临界流体中的溶解度有关。利用SFC的保留数据与一些溶解度的实验值,决定了二茂铁在SF-CO2中不同条件下的溶解度。并研究了二茂铁和其衍生物的行为,并使用毛细管SFC分离了二茂铁衍生物。二茂铁衍生物的容量因子被发现在色谱温度和压力下变化很大。这表明SFC的保留行为能够从简单的参数,如溶质的溶解度,溶质的摩尔体积,色谱柱的物理性质而预测。一般来说,在SF-CO2溶解度越大,该化合物在色谱柱上就会洗出得更快。

SFC提供了研究二茂铁及其衍生物行为的方法,并显示了溶质的保留行为直接与它在超临界流体中的溶解度有关。利用SFC的保留数据与一些溶解度的实验值,决定了二茂铁在SF-CO2中不同条件下的溶解度。并研究了二茂铁和其衍生物的行为,并使用毛细管SFC分离了二茂铁衍生物。二茂铁衍生物的容量因子被发现在色谱温度和压力下变化很大。这表明SFC的保留行为能够从简单的参数,如溶质的溶解度,溶质的摩尔体积,色谱柱的物理性质而预测。一般来说,在SF-CO2溶解度越大,该化合物在色谱柱上就会洗出得更快。

9 药品分离的SFC测试

SFC在药物分离方面的应用发展十分迅速,研究者对用SFC和HPLC在填充柱上分离药物进行了对比,发现SFC在缩短分离时间及提高分离效率等方面,明显优于HPLC。在填充SFC上,用CO2作为主流动相,加入一定量的甲醇作为改性剂,几乎可以对所有的极性化合物进行分离分析。低浓度的改性剂,如三氟代乙酰酸,乙酸,三甲基胺及异丙胺等也常被用于改善强极性化合物的SFC峰型。

10 SFC与普通色谱技术相比的优点

10.1 宜用于分析蒸气压低和热稳定性差的物质。因为超临界流体的密度低,具有溶解一些物质的能力,可使这些物质在色谱柱上分离而洗脱,SFC的流动相温度通常比GC低得多,因此SFC特别适用于热稳定性差的物质的分析。

10.2 可使用细长的色谱柱以增加柱效。因为超临界流体的粘度低,柱压可极大地被降低。

10.3 分析速度比液相色谱快(比气相色谱慢)。因为溶质在超临界流体中扩散系数比在液体中快,故可选用比液相色谱快的流动相线速,且由于色谱峰较窄有利于检测。

10.4 可通过操作压力等参数改变超临界流体的密度,调节流动相的溶解能力,扩散系数及黏度,改进分离的效能。

10.5 还可以和大多数通用型HPLC、GC检测器匹配,使其在定性定量检测中极为方便。

10.6 与HPLC和GC相比,可以简单的将产品与溶剂分离,后处理简单,产品纯度高。

从上述特点可看出,虽然超临界流体色谱法不能替代气相色谱法和液相色谱法,但它可以弥补两者的不足之处。

11 超临界流体色谱的发展趋势

超临界流体色谱技术是一种重要的分析分离工具,具有分离效率高、分离时间短、产品质量好及易于与检测器匹配等优点。它在分离分析非挥发性大分子、生物大分子、手性对应体以及其他生物工程下游产物等领域有广阔的应用前景。

SFC以其流动相的特殊性在分离分析领域中占有重要地位,然而由于SFC的理论研究还不够深入和透彻,使其应用缺少相应的理论指导。所以,对SFC中物质的保留性质,以及相应的动力学和热力学因素对分离效率的影响的研究无疑是SFC工作的重点。

超临界流体色谱法在水质分析中的应用及趋势

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