用于真空顶空微萃取的方法和瓶封闭器与流程

用于真空顶空微萃取的方法和瓶封闭器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年11月22日提交的第62/939,359号美国临时专利申请的优先权权益，该申请通过引用整体加入本文。
技术领域
3.本发明涉及真空顶空微萃取，并且包括用于在色谱法分析(诸如气相色谱(gc)和液相色谱(lc))或质谱(ms)分析之前进行手动或自动化顶空微萃取的装置和方法，该顶空微萃取使用诸如固相微萃取(spme)、液相微萃取(lpme)之类的技术或诸如spme arrow、薄膜微萃取(tfme)和搅拌棒吸附萃取(sbse)之类的具有较高容量萃取相的技术进行。


背景技术：

4.样本准备是诸如gc和lc的化学分析的基本部分，并且涉及将样本处理和修改成使其适合特定的仪器分析方法的过程。萃取是重要的样本准备过程，并且涉及从复杂样本或更大样本体积中分离分析物。该过程旨在提供富含分析物的样本等分试样，其相对无干扰并且与预期的分析方法相兼容。目前萃取分析规程中的要求包括灵敏度、速度、选择性、鲁棒性、有效性、自动化和低成本。


技术实现要素：

5.从液体或固体样本中萃取分析物采用固体或液体萃取相来萃取样本中存在的分析物，并且在萃取之后将萃取相中所含的分析物进行热解吸或者使用溶剂洗脱，随后借助与多种检测器偶联或与质谱仪直接偶联的色谱分析仪器进行分析。取决于所使用的萃取相的量，该技术被称为微萃取技术，而依赖于所涉及的不同相之间的分配平衡，或者在分析物完全由样本转移到萃取相的情况下称为完全方法。
6.取决于所使用的萃取相的类型，微萃取方法通常分类为基于固相的技术和基于液相的技术。最常见的商用的基于固相的技术为spme，其使用涂有少量聚合物膜的薄熔融石英纤维来从样本萃取分析物。tfme和sbse是另外的选择方法，且包括放大版的spme，与spme相比，其使用相对较大体积的萃取相，并因此具有较高的分析物容量。尽管sbse有很大机会实现完全萃取，该方法通常不作为完全萃取操作，而是将该技术作为微萃取方法对待。基于液相的技术通常被称为溶剂微萃取(sme)或液相微萃取(lpme)技术，其使用少量液体(诸如有机溶剂)作为萃取相。第一种此类报告的方法是单滴微萃取法，其使用微滴形式的与水不混溶的有机溶剂从样本中萃取目标分析物。
7.浸泡和顶空是两种最基本的萃取采样模式。在浸泡采样模式中，液体或固体萃取相被浸入样本中并且从样本基质直接萃取分析物，而在顶空采样模式中，萃取相被暴露于样本上方的顶空，并且在分析物能够到达萃取相之前，需要通过空气屏障传送分析物。这一改变主要用于从固体样本萃取分析物或用于保护萃取相免受不利基质影响以及防止与基质干扰相互作用。
8.在顶空微萃取中，达到平衡所需的时间取决于目标分析物、基质以及萃取相的性质。通常认为对挥发性分析物的顶空微萃取比半挥发物的顶空微萃取进行得更快。这是因为半挥发物必须传送通过气体屏障，然后才能到达萃取涂层，但它们与气相的亲和性低导致萃取率低并且平衡时间长。即使对于与顶空有高亲和力的分析物也记录了相对较长的平衡时间，只要它们对萃取相的亲和力也很高或者使用了高容量吸附剂。这是因为对于这些分析物，在平衡时要萃取的量较大也需要更多时间来实现这一条件。
9.为减少萃取时间和提高分析实验室中的样本吞吐量而不影响所得分析方法的灵敏度应用了不同策略，最常见的是在顶空微萃取期间加热样本。尽管这一方法被广泛使用，但这并非总是有效的，因为这可能导致样本分解和/或产生其他组分或人为产物。然而，在一些情况下，提高采样温度可能会使目标分析物的分配降低或者更偏向气相而不是萃取相，从而降低萃取效率和灵敏度。
10.减少平衡时间的替代方法是在减压条件下进行顶空采样。真空顶空微萃取采样不会影响在平衡时萃取的分析物的最终量，但显著加快了对于常规大气压下具有长平衡时间的分析物的萃取动力学。在加快样本挥发的动力学之后，还发现应用真空条件也加快了萃取相的分析物摄取步骤，在使用高容量萃取相时尤为如此。相比于在标准大气压下进行的顶空微萃取方法，在低采样压力下进行的顶空采样在与在常规大气压下进行的萃取相比更短的采样时间内和更低的采样温度下得到了高萃取效率和非常好的灵敏度。同时，还发现真空顶空微萃取与标准方法相比导致从复杂样本中萃取出更大量的分析物，这在复杂样本的无目标分析中特别重要。
11.真空顶空采样也用于被称为真空辅助吸附萃取(vase)的商用化样本准备方法，该方法依赖于从样本中完全萃取分析物而不是如在较早描述的微萃取技术中所见的在涉及的相之间进行分配平衡。在vase中，使用真空控制的吸附剂捕集器(称为吸附剂笔)进行完全萃取，该捕集器装有大量萃取材料(约为sbse通常使用的体积的10倍，并且约为spme通常使用的体积的500倍)。vase有若干限制，包括只能使用专用的吸附剂笔进行，样本容器的空气排空只能在样本存在的情况下发生，以及在吸附剂笔腔内的水凝结的问题阻碍分析。
12.需要用于从固体或液体样本真空顶空微萃取的方法和气密装置，其可在化学分析之前与众多种现有的离线自动的顶空微萃取技术组合使用。
附图说明
13.图1示出了本发明的基本表示的(i)俯视图、(ii)截面图和(iii)底视图。
14.图2示出了(i)将要用于组装样本容器的优选部分的截面结构，以及(ii)用作在真空顶空微萃取期间使用的示例性萃取装置的最终的气密样本容器以及spme支架和纤维萃取。
15.图3示出了(i)基本发明的另一种可能的表示的截面图，以及(ii)用作在真空顶空微萃取期间使用的示例性萃取装置的最终的气密样本容器以及tfme单元萃取。
具体实施方式
16.本发明涉及真空顶空微萃取，并且包括安装到螺旋盖式的和压盖式的瓶上并使得瓶在长时间等待时和在诸如顶空微萃取或对样本容器空气排空的操作期间能够气密密封
的方法和封闭装置。顶空微萃取技术包括但不限于spme、lpme、tfme或sbse。
17.在以下描述中参考了附图，附图形成本描述的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可实践的特定示例。应理解的是也可使用其他示例，并且可对装置或方法作出改变而不会背离要从样本中进行真空顶空微萃取的封闭装置和相关方法的示例的范围。
18.图1示出了本发明的示例性实施方式的不同视图，其中装置具有圆柱体(1)以及在其垂直轴线上的小孔(2)，该小孔可容纳内部密封物。装置(1)的主体由诸如不锈钢或聚四氟乙烯的惰性材料制成。在该结构中，小孔(2)的顶部部分具有中空盖的形状以紧密容纳内部密封物。图1中所示的封闭装置安装在瓶口中，并且在配备有内部密封物时，为瓶的开口提供气密闭合。内部密封物可为隔膜或微阀，并使得小孔能够实质性气密密封，还具有两项功能，即在插入细长物体(如针)的同时以及在未插入细长物体时以气密方式密封小孔。隔膜应为可重复利用的，例如thermogreen lb-1隔膜，且微阀可以是例如merlin微密封垫。应意识到的是，与图1所示不同的结构也是可行的，包括能容纳不同大小的隔膜或微阀的具有不同尺寸的小孔。然而，这些修改不会影响装置的基本概念，即用于进行真空顶空微萃取。
19.图2示出了(i)将要用于组装样本容器的优选部分的截面结构，和(ii)最终的气密样本容器以及spme支架和纤维，后者表示为用于真空顶空微萃取的示例性萃取装置。图2(i)所示的封闭装置是在主体(1)外部进一步修改成容纳外部o型环密封物的图1的封闭装置。外部密封物可为氟弹性体或全氟弹性体密封物。在此结构中，使用了三个外部o型环密封物，但是应理解的是，可将封闭装置修改为容纳更少或更多具有与这里所示大小或形状不同的外部密封物。在图2(i)中还示出了内部密封物(4)，并且在此结构中，内部密封物包括隔膜。图2(i)还示出了要安装封闭装置的商用的螺旋盖瓶(5)，以及具有孔(6)的磁性盖，磁性盖对于手动的顶空微萃取是可选的，但对于使用磁体来移动瓶的自动采样器时则是必需的。盖上的孔的直径必须大于小孔的直径以使得能够通过内部密封物操作。在示出最终组装的气密容器的截面结构的图2(ii)中还示出了所述采样室(7)，真空顶空微萃取在采样室(7)内部进行。在此结构中，使用手动spme进行真空顶空微萃取，并且图2(ii)描绘了用于控制spme纤维的手动spme支架(9)和具有萃取相(8)的spme纤维，在此结构中，纤维暴露于液体样本(10)上方的顶空。
20.图3(i)示出了本发明的另一示例性实施方式，其中图2所示的封闭装置被进一步修改为包括支架(2)，该支架附接到本发明主体(1)的用于支承萃取相单元的底部部分。此结构旨在用于在顶空微萃取(诸如tfme和sbse)期间不具有支承萃取相单元的支架的萃取相单元。在图3(i)所示的示例性结构中，支架(2)包括不锈钢开口销，该开口销牢固地附接到主体(1)的底部部分。图3(ii)示出了最终组装的气密容器，其中采样室(7)包含液体样本(5)，且矩形的tfme单元(3)被紧固在液体样本(5)上方顶空中的开口销支架(2)中。在此结构中，因为所有操作都是手动的，使用压盖式瓶而未包含可选的盖。应意识到的是其他结构也是可行的。例如，可使用不锈钢棒或夹子来支持萃取相单元。在顶空溶剂微萃取中还可用不锈钢棒作为对更大体积的萃取溶剂的支承物。在sbse的情况下，可将由惰性材料制成的磁体附接到主体(1)而不是开口销(2)上，磁体可以磁性地支持sbse单元。应意识到，对于sbse还存在其他替代方案，如使用图2的结构和外部磁体来将sbse单元磁性地定位在瓶的内壁上且位于样本上方。
21.使用图1或图2所示的装置进行液体样本真空顶空微萃取的一般操作将涉及将配
备有内部密封物(4)和一个或多个外部密封物(3)(当预见时)的封闭装置(1)安装到样本瓶(5)上。对于手动离线真空顶空微萃取，将组装的气密样本容器盖上带有孔(6)的盖不是必需的。然后将与真空源相连的真空管线的末端通过内部密封物(4)插入采样室(7)内部并排空空气。随后移除真空管线，同时在样本容器内部保持真空，并且在气密注射器的帮助下使液体样本(10)通过内部密封物(4)倒入采样室(7)。可在引入到空气抽空的采样容器中之前将液体样本的性质(例如，离子强度或ph)调节至所需值，只要所选的值能强化进入到顶空中的传质。随后将液体样本(10)中存在的分析物静置足够时间以与顶空平衡。这一过程可通过使用任何形式的加热、搅拌或以上的组合来加快。对于磁力搅拌，必须在空气排空之前将合适的磁力搅拌棒放置在采样室(7)中。在经充分的样本平衡之后，通过刺穿内部密封物(如图2所示的隔膜(4))将包含萃取相的萃取装置(诸如图2(ii)所示的spme支架(9)和纤维(8))或包含预设体积的萃取溶剂作为萃取相的气密微注射器引入采样室(7)，并且将萃取相暴露于空气抽空的顶空，从而进行一段时间的真空顶空微萃取。萃取所需的时间将取决于许多因素，包括要萃取的组分和所使用的萃取方法的类型。一般地，本发明实现强化回收率的时间比在大气压下进行常规顶空微萃取时应用的时间更短。此外，与标准方法相比可从样本中萃取出更多的分析物。取决于要萃取的分析物，任何形式的搅拌、加热或以上的组合将进一步改善真空顶空微萃取。取决于样本类型，在真空采样时，加热不是必需的。例如，当分析易腐食物时，真空顶空微萃取可在低于室温的温度(如冰箱的一般温度)进行，并且分析物在这种低样本温度下的萃取效率将近似于在常规大气压条件下较高样本温度时所记录的那些萃取效率，这可归因于真空的有益效应。在顶空微萃取期间使用低样本温度将排除如同在常规大气压条件下所报告的因加热导致的样本降解，但不会影响萃取回收率。为避免复杂样本定量分析中的基质效应误差，可进行对同一样本的几次连续真空顶空微萃取，当完成真空顶空微萃取采样后，将萃取相从采样室(7)撤回、移除，并转移到合适的用于化学分析的分析仪器中。然后使采样室(7)内的压力通过内部密封物与大气压平衡，且在清洁之后，使封闭装置可用于下一次萃取。
22.将具有使用固体或液体萃取相进行顶空微萃取采样选项的自动采样器与用于化学分析的分析仪器偶联时，上述使用图1或图2所示装置的方法可以是全部或部分自动化的。自动化的程度取决于自动采样器的附加选项。当自动采样器仅具有自动顶空微萃取的选项时，将安装有带密封物的封闭装置并且盖上有直径大于小孔直径的孔的磁性盖的空气排空的样本瓶放置在自动采样器的转盘(carousel)中，自动采样器执行所有其他操作。当自动采样器具有搅拌样本或控制样本温度的附加选项时，在真空顶空微萃取期间应用任一种选项或两种选项。取决于应用，自动采样器可对同一样本进行几次连续的真空顶空微萃取。当自动采样器具有将液体样本从一个容器转移到另一个容器并且还能从样本容器抽真空的附加选项时，则可将配备有密封物、安装到瓶上并盖上有直径大于小孔直径的孔的磁性盖的组装式封闭装置放置在自动采样器的转盘中。然后自动采样器抽真空、引入液体、使其与顶空平衡，随后进行一段时间的真空顶空微萃取，然后将萃取相转移到偶联的分析仪器中以进行化学分析。取决于应用，可通过自动采样器将从同一样本真空顶空微萃取的步骤重复数次。当自动采样器具有搅拌样本或控制样本温度的附加选项时，在真空顶空微萃取期间应用任一种选项或两种选项。在所有上述假设使用自动采样器的情况下，当对所有样本依次进行分析时，将封闭装置和包含分析样本的瓶从自动采样器的转盘取出，使采样
室内的压力通过内部密封物与大气压平衡，且在清洁后，使该封闭装置可用于下一次萃取。
23.对于固体、浆液和非常粘稠的样本，可仅在样本存在时进行空气排空。也可以在液体样本存在时进行空气排空。使用图1或图2所示装置对固体或液体样本进行真空顶空微萃取的一般操作将首先涉及将已知量的样本放置在瓶中。对于固体样本，已证实加入水或包含一定量有机溶剂的水有助于分析物从固体基质中释放。可在引入到瓶中之前将液体样本的性质(例如，离子强度或ph)调节至所需值，只要所选的值能强化进入到顶空中的传质。随后将配备有内部密封物(4)和一个或多个外部密封物(3)(在预见时)的封闭装置(1)安装到包含样本的样本瓶(5)上。对于手动离线真空顶空微萃取，将组装的气密样本容器盖上带有孔(6)的盖不是必需的。然后，通过将与真空源相连的真空管线的末端通过内部密封物(4)插入采样室(7)内部来移除空气。在样本存在的情况下移除空气不应影响对挥发性较低分析物的萃取，但取决于样本，可能会因吸入性而导致损失挥发性较高的分析物。如果对样本容器空气排空所花费的时间进行优化并保持最低，则可克服这一缺点。此外，在空气排空之前将样本温度降低至室温以下是减少分析物损失的另一项措施。例如，在空气排空之前冷冻样本将降低顶空中的分析物浓度并且使在空气排空期间吸入的挥发性分析物部分最小化。经从样本容器移除空气之后，使固体或液体样本中存在的分析物留置以与采样室(7)内的顶空平衡足够的时间。取决于用途，已有报道称可通过施加任何形式的加热、搅拌或以上的组合来进一步强化该过程。经充分的样本平衡之后，将包含萃取相的萃取装置或包含设定体积的萃取溶剂作为萃取相的气密微注射器通过刺穿内部密封物(4)引入采样室(7)中，并且通过将萃取相暴露于空气排空的顶空来进行顶空微萃取。取决于要萃取的分析物，任何形式的搅拌、加热或以上的组合将进一步改善真空顶空微萃取。取决于样本类型，在真空采样时，加热不是必需的。例如，当分析易腐食物时，真空顶空微萃取可在室温以下的温度(如冰箱的一般温度)进行，并且分析物在这种低样本温度下的萃取效率将近似于在常规大气压条件下较高样本温度时所记录的那些萃取效率，这可归因于真空的有益效应。在顶空微萃取期间使用低样本温度将排除如同在常规大气压条件下所报告的因加热导致的样本降解，但不会影响萃取回收率。为避免对复杂样本定量分析的基质效应，可以从同一样本进行几次连续的真空顶空微萃取。一旦萃取完成，将萃取相转移到用于化学分析的分析仪器。然后使采样室(7)内的压力通过内部密封物(4)与大气压平衡，并在清洁之后，使封闭装置可用于下一次萃取。一般地，使用所提出的方法，以与大气压顶空微萃取所用的萃取时间和采样温度相比更短的采样时间和更低的采样温度获得了强化的回收率。此外，与标准方法相比，可从样本中萃取出更多分析物。这是真空对于从样本基质中释放分析物的积极作用的结果。
24.将具有使用固体或液体萃取相进行顶空微萃取采样的选项的自动采样器与用于化学分析的分析仪器偶联时，上述方法可以是全部或部分自动化的。自动化的程度取决于自动采样器的附加选项。当自动采样器仅具有顶空微萃取的选项时，将包含固体或液体样本、安装带有密封的封闭装置并且盖上具有直径大于小孔直径的孔的磁性盖的空气抽空样本瓶放置在自动采样器的转盘中，并且自动采样器执行一段时间的真空顶空微萃取，或者根据应用从同一样本执行多次萃取步骤。当自动采样器具有从样本容器抽真空的附加选项时，则可将配备有密封物、安装到包含样本的瓶上并且盖上具有直径大于小孔直径的孔的磁性盖的组装的封闭装置放置在自动采样器的转盘中。自动采样器在受控温度下抽真空，
使得有足够的时间进行平衡，并且随后进行一段时间的真空顶空微萃取，或者根据应用，使从同一样本真空萃取步骤重复一次以上。在上面所述的情况下，根据自动采样器的选项，可将样本温度控制在高于或低于室温的温度、可对样本进行搅拌，或者以上的组合。当萃取完成之后，自动采样器将萃取相转移至用于化学分析的分析仪器。当对所有样本依次进行分析时，将组装的封闭装置和包含分析样本的瓶从自动采样器的转盘移除，使采样室(7)内的压力通过内部密封物(4)与大气压平衡，并且在清洁后，使该装置可用于下一次萃取。
25.使用图3所示装置对固体和液体样本进行真空顶空微萃取的一般操作将涉及将已知量的样本放置在瓶中。可在引入到瓶中之前将液体样本的性质(例如，离子强度或ph)调节至所需值，只要所选的值能强化进入到顶空中的传质。对于固体样本，已证实水或包含一定量有机溶剂的水有助于分析物从固体基质中释放，并且经常用于加快萃取。然后，将诸如tfme单元或sbse单元的萃取单元附接到配备有内部密封物和一个或多个外部密封物(当预见时)的封闭装置的支架(如图3所示的支架(1))，并且整体安装到包含样本的样本瓶上。使用带孔的盖盖上组装的气密样本容器是可选的。通过使与真空源相连的真空管线末端通过内部密封物(4)插入采样室(7)内部来移除空气。在样本存在的情况下移除空气不应影响对挥发性较低分析物的萃取，但取决于样本，其可能会因吸入性而导致损失挥发性较高的分析物。如果对样本容器空气排空所花费的时间进行优化并保持最低则可克服这一缺点。用于最小化分析物损失的另一项措施是降低样本温度。例如，在进行空气排空之前设定低样本温度将降低顶空中的分析物浓度，并且将最小化在空气排空期间吸入的挥发性分析物部分。在从气密样本容器移除空气之后，使萃取相留置真空顶空萃取进行一段时间萃取。取决于样本类型和要萃取的分析物，在萃取步骤期间可应用任何形式的搅拌、控制温度或以上的组合。取决于样本类型，在真空采样时，加热不是必需的。例如，当分析易腐食物时，真空顶空微萃取可在低于室温的温度(如冰箱的一般温度)进行，并且分析物在此温度的萃取效率将近似于在常规大气压条件下于较高样本温度时所记录的萃取效率而不会影响萃取回收率和灵敏度。在使用图3所示结构描述的方法中，通常使用容量较高的萃取相。因此真空顶空微萃取可能对分析物的挥发以及对萃取相的分析物摄取有积极作用。当真空顶空微萃取完成时，将采样室与大气压平衡，移除封闭装置并且将萃取相转移进行热解吸或液体解吸，随后使用合适的用于化学分析的分析仪器来分析。在清洁后，使封闭装置可用于下一次萃取。上文所述涉及不具有操纵支架的萃取单元的方法(诸如tfme和sbse)通常不是自动化的。而是，真空下离线且并行地萃取大量样本，从而最大限度地提高样本吞吐量。