瑞士步琦
快速溶剂萃取仪的方法开发如何进行
萃取应用
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简介
使用步琦快速溶剂萃取仪进行萃取时，存在许多不同的参数和方法。本文在开发新方法时特别有用，并有助于参数调整设置，对方法进行优化。
由于快速溶剂萃取的应用范围非常广泛，可应用于各种不同的样品，因此通常需要优化这些应用说明或针对每个参数设置进行优化。本文通过对参数的优化调整，对开发新方法特别有帮助。但本文档应视为对方法的指导参考，并非强制要求设置，通过对方法的优化有助于缩短萃取过程，提高萃取效率。
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设备
快速溶剂萃取仪 E-914
快速溶剂萃取仪 E-916
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分析类型分类
分析类型——定性和/或定量——决定了需要多少样品以及需要获得多少的萃取物。
表 1：用于定性回收或定量分析的分析类型
a) 定性回收 | b) 定量分析 |
从基质中回收脂肪（加工产品） | 土壤、污泥、废物、空气等中的持久性有机污染物（POPs） |
从聚合物、废物中萃取成分 | 从聚合物、废物中萃取成分 |
从天然产品中萃取成分 | 从天然产品中萃取成分 |
从消费品中萃取成分 | 从消费品中萃取成分 |
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样品重量确定
样品重量对最终结果至关重要。例如，对于痕量或超痕量分析，会增加样品重量/体积以达到所需的分析物检测限。
表 2：决定样品重量的重要因素
样品重量取决于 | b) 定量分析 | b) 定量分析 |
检测限（POPs） | 计算最佳样品重量；参见表 5 | 痕量和超痕量分析 |
尽可能高的回收率 | 使用 E-914 或将样品分到多个萃取池 | 脂肪中的二噁英 |
加工产品；脂肪↓；其他↑ | 堵塞风险 → 从小样品重量开始；1-2g 并使用更多溶剂 | 鱼饲料中的脂肪 |
样品可用性 | 残留物百分比或最大可用样品量决定样品重量；考虑堵塞并从小样品重量开始 必须根据样品的大致脂肪含量选择样品重量 80-100%: 0.7-1g | 从聚合物、废聚合物中萃取成分 |
原始产品中的脂肪含量（萃取后水解） | 50-80%: 1-1.5g 20-50%: 1.5-3.5g 10-20%: 3.5-7g 10%: 7-10g 考虑堵塞并从小样品重量开始 | 食品和饲料产品中的总脂肪测定 |
原始产品中的脂肪含量（萃取不水解） | 最小可称量量（残留物）>50 mg；考虑堵塞并从小样品重量开始（1-2 g） | 食品和饲料产品中粗脂肪的测定 |
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分散和干燥剂
加入分散剂来干燥样品，以避免样品颗粒聚集，几乎适用于所有应用。
干燥样品效果最佳。如果是潮湿或湿润样品，强烈建议在萃取前对样品进行冷冻干燥（步琦冻干机 L-200）。理想情况下，样品干燥后应能自由流动，以获得最佳结果。
注意： 如果使用硅藻土（Celite），必须在萃取池中加入石英砂以防止金属滤板堵塞。
表 3：适用于不同样品的分散和干燥剂
分散和干燥剂 | |
DE, P/N 053201 (1 kg) | 湿样品 |
石英砂, P/N 037689 (2.5 kg) | 干样品 |
Fontainebleau砂, VWR P/N 27460.364 (5 kg) | 细小的干样品 |
硅藻土545, P/N 11068920 (1 kg) | 非常细小的干样品 推荐使用萃取套管以避免金属滤板堵塞。如果不使用套管，则必须在池中制作沙床 |
表 4：BUCHI 提供的萃取套筒
萃取套筒 | P/N |
用于 40 mL 萃取池，纤维套筒，25 pcs | 11055334 |
用于 40 mL 萃取池，玻璃纤维，25 pcs | 11056633 |
用于 80 mL 萃取池，纤维素，25 pcs | 11059610 |
用于 80 mL 萃取池，玻璃纤维，25 pcs | 11059612 |
用于 120 mL 萃取池，纤维素，25 pcs | 11055358 |
用于 120 mL 萃取池，玻璃纤维，25 pcs | 11059611 |
表 5：样品与分散或干燥剂的混合比例
样品:DE | 1:1 |
样品:石英沙 | 1:5 |
样品:硅藻土 | 1:2 |
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样品分类
可以区分不同的样品类型。样品的均质性和粒径决定了在萃取步骤之前是否需要样品制备。我们建议至少进行两次重复萃取。
表 6：不同样品类型的分类
样品制备 | 混合器 | ||
干燥 | 是 | 试剂: | 比例: |
潮湿、湿润、粘糊 | 是 | 试剂: | 比例: |
蓬松、柔软 | 是 | 试剂: | 比例: |
熔融、颗粒 | 是 | 试剂: | 比例: |
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萃取池尺寸和仪器配置
考虑到第 3 至第 6 点，可以选择萃取池尺寸，最终选择仪器配置。
分散/干燥后样品的量决定了合适的萃取池尺寸。
表 7：针对干燥和研磨样品的推荐萃取池及仪器配置
适用于干燥和研磨样品的推荐萃取池 | ||
1-1.5g | 10mL | E-916 |
2-3g | 20mL | E-916 |
4-6g | 40mL | E-916 或 E-914 |
8-12g | 80mL | E-914 |
12-24g | 120mL | E-914 |
以克（g）为单位的值基于推荐的混合比例，例如，1.5 g 的样品-石英砂混合物至少需要 10 mL 的萃取池。
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装填和关闭萃取池
8.1 装填萃取池
有多种技术可用于装填萃取池。有些用于减少溶剂消耗，有些用于避免池堵塞。
▲ 图 1
标准装填：样品与干燥/分散剂混合。
石英砂：混合的样品放在石英砂上，并在顶部填充空隙。
填充附件：蓬松的体积庞大样品使用填充附件。
纸滤筒：样品装入纸滤筒中，顶部用玻璃棉覆盖。
作为一种可选方案，为了简化萃取后的清洁过程，可以在萃取池中放置额外的吸附剂。
▲ 图 2
8.2 关闭萃取池
关闭萃取池请从底部开始，按照 图 3 所示的步骤进行。
▲ 图 3：关闭萃取池（从底部开始，使用底滤板、金属滤板和凹面朝向池子的堵头螺丝。将样品装入池中并放置顶滤板。）
装填样品时使用相应的漏斗。样品装填完成后（参见图 1），使用刷子或纸巾清洁池顶表面，并将顶滤板放在池顶。使用柱塞将顶滤板置于正确位置。
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参数设置
9.1 温度
温度对萃取速度和回收率的影响最大。根据经验法则，温度每升高 10°C，萃取速度加倍。化学反应的温度依赖性由阿伦尼乌斯方程（k = A·exp(-EA/RT)）描述。温度升高 10°C 使动力学过程速度加倍是该定律的一个有用的简化。这些设置是找到最佳温度的指南。
表 8：用于寻找最佳温度的温度设置
起始点 | 沸点 (Bprt) + 20°C |
环境样品 | 通常 100°C |
天然产品 | ~50°C |
脂肪测定 | ≤100°C |
如果客户打算应用 Thermo Scientific Dionex ASE 的应用说明，建议他们考虑加热源的设计。ASE 更多地使用一种加热套，这反映在其设置温度通常高于 E-91x，因为 E-91x 是将萃取池完全置于加热块中。
表 9：SpeedExtractor 与 ASE 的温度设置比较
ASE | SpeedExtractor |
150°C | 120°C |
120°C | 100°C |
80°C | 65°C |
50°C | 40°C |
9.2 压力
与压力相比，温度对萃取效率的影响更大。大多数应用在 100 bar 下工作。
表 10：样品的默认压力设置和湿样品的压力设置
默认值 | 100 bar |
湿样品 | 150 bar |
将 Thermo Scientific Dionex ASE 的 psi 压力设置转换为最接近的 SpeedExtractor bar 压力设置：1 psi ≈ 0.7 bar
表 11：SpeedExtractor 与 ASE 的压力设置比较
ASE | 1500 psi |
SpeedExtractor | 100 bar |
9.3 溶剂
以下溶剂与 SpeedExtractor E-91x 不兼容。请勿使用任何自燃点在 40 至 220°C 之间的溶剂。
表 12：SpeedExtractor E-91x 的不兼容溶剂
不兼容溶剂 |
二乙醚 |
1,4-二噁烷 |
四氢呋喃 (THF) |
二硫化碳 |
强无机酸/碱或有机酸/碱 |
9.4 循环次数
萃取效率可能受到溶剂被分析物饱和的限制，或者受到溶剂渗透基质和溶解分析物所需时间的限制。在这种情况下，必须增加额外的循环次数以引入新鲜溶剂。
如何开始？
步骤 1：
开发新方法时，建议从 5 个循环开始，对两个样品进行萃取，将萃取物收集在指定的样品瓶（萃取物 A）中。然后，用新的样品瓶替换已装满的样品瓶，并仅进行一个循环的另一次萃取（萃取物 B），以控制萃取的完全性。检查萃取物 A 和 B 中分析物的浓度；计算 A+B 并检查是否达到目标值范围。
步骤 2：
准备两个新样品，进行 3 个循环的萃取（萃取物 C）；引入新的样品瓶并进行另一个 1 个循环的萃取（萃取物 D）。检查萃取物 C 和 D 中分析物的浓度；计算 C+D 并检查是否达到目标值范围。将该值与步骤 1 进行比较。如果 C+D 的值低于 A+B，则增加保持时间（参见 9.5）。如果相当，则执行步骤 3。
步骤 3：
减少循环次数，然后进行仅一个循环的萃取。按照步骤 2 中的描述进行。
9.5 保持时间
对于分析物与溶剂之间的接触时间对萃取效率至关重要的样品，例如，如果溶剂需要膨胀基质以接触分析物，则保持时间应足够长。
参考不同的分析物，我们经验上建议以下起始保持时间：
表 13：不同分析物的保持时间
分析物 | 保持时间 [分钟/循环] |
PAHs, PCBs 等 | 最大 10 |
来自天然产品的成分 | 最大 9 |
来自聚合物的成分 | 2-10 |
食品/饲料产品中的脂肪 | 最大 5 |
注意： 对于脂肪含量较高（>30%）的食品和饲料产品，第 1 个循环的保持时间应为 0 分钟，随后循环的保持时间最大为 5 分钟。
9.6 循环次数与保持时间的关系
引入每个参数后，考虑循环次数和保持时间之间的关系非常重要。对于方法开发，建议从 5 个（至少 3 个）循环和较长的保持时间开始（参见 9.5）。
如果额外的一个循环萃取（第二次萃取）不包含分析物，则可以开始减少循环次数。
表 14：增加循环次数和缩短保持时间的正面和负面影响，更长保持时间，减少循环次数
(+) | (–) |
分析物和溶剂之间的充分交换 | 可能发生分析物饱和 |
→ 基质随时间膨胀 | → 对于负载量大的样品可能导致堵塞（减少第 1 个循环的保持时间） |
→ 效率提高 | |
→ 萃取时间减少 |
结论： 对于痕量和超痕量分析，延长保持时间是有利的，因为基质膨胀允许溶剂良好渗透并获得最佳回收率。饱和效应可能仅发生在食品/饲料产品中，而对于土壤、污泥和空气样品则不会发生。下图显示了通过增加保持时间同时减少一个循环来确定 BDE-209 [4] 并获得最高回收率的示例。
▲ 图 4：优化过程示例，仅使用一个 10 分钟保持时间的循环即可获得最高回收率。
9.7 排放时间
在排放时间内，通过压力补偿和重力将萃取物释放到收集瓶中。时间必须设置得足够长以完成溶剂交换。持续时间取决于温度、溶剂、样品特性、分散剂、萃取池尺寸和池装填方式——这意味着需要考虑许多重要因素。遵循经验丰富的排放时间：
表 16：排放时间设置
默认值 | 2 min |
典型值 | 2-5 min |
浓缩样品 | 第 1 个循环长时间排放，后续循环缩短 |
注意： 与 ASE 相比，循环之间没有溶剂和气体冲洗，仅在萃取结束时进行。如果每个循环使用不同的溶剂，将执行气体冲洗。
9.8 溶剂冲洗
溶剂冲洗确保出口管路中残留的分析物转移到收集瓶中。溶剂冲洗时间可选择 0 到 9 分钟。确保定量转移到收集瓶中非常重要。
表 17：针对不同萃取池尺寸的溶剂冲洗时间设置
默认值 | 1 min | E-916 |
6x10mL | 1 min | E-916 |
6x20mL | 2 min | E-916 |
6x40mL | 3 min | E-916 |
4x40mL | 2 min | E-914 |
4x80mL | 4 min | E-914 |
4x120mL | 5 min | E-914 |
9.9 气体冲洗
萃取过程结束时的气体冲洗确保没有液体残留在萃取池或管路中。充分的气体冲洗对于避免由残留溶剂引起的回冲是强制性的。
表 18：气体冲洗的默认时间设置和典型值
默认值 | 3 min |
典型值 | 2-5 min |
9.10 收集瓶
提供多种收集瓶选择，以便为最终分析提供最佳的萃取后处理。对于中间浓缩步骤，可以选择与平行蒸发仪SyncorePlus 连用的蒸发瓶，无需进行转移样品。
表19：SpeedExtractor E-91x 的收集瓶以及 SyncorePlus 的附加选项
收集瓶 | BUCHI P/N | E-91x 支架架 | 平行蒸发 |
平底，细颈，049535 SVL22, 60 mL | 049535 | E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill Rack R-24 Polyvap, P/N 042660 |
平底，细颈，SVL22, 240 mL | 052672 | E-916 标准支架架 | Multivapor P-6 P/N Adapter PETP 111056585 |
圆底，GL45, 220 mL | 053208 | E-916 标准支架架 | Multivapor P-6 P/N Adapter PETP 11056598 |
SyncorePlus Polyvap R-12, 圆底，无螺纹，150 mL | 040907 | E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill R-12 Polyvap, P/N 040900 |
SyncorePlus Polyvap, 圆底，无螺纹，250 mL | 038486 | E-914 标准支架架 | SyncorePlus Crystal Rack R-6 Polyvap, P/N 047770 |
SyncorePlus Analyst R-12, 150 mL 带 1.0 mL 附录, GL45 | 11056498 | E-914 或 E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill Rack R-12 Analyst, P/N 046000 |
SyncorePlus Analyst R-12, 150 mL 带 0.3 mL 附录, GL45 | 11056499 | E-914 或 E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill Rack R-12 Analyst, P/N 046000 |
SyncorePlus Analyst R-12, 150 mL 带 1.0 mL 附录, 琥珀色, GL45 | 11056910 | E-914 或 E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill Rack R-12 Analyst, P/N 046000 |
SyncorePlus Analyst R-12, 150 mL 带 0.3 mL 附录, 琥珀色, GL45 | 11056911 | E-914 或 E-916 标准支架架，带附加挡板 | SyncorePlus EasyFill Rack R-12 Analyst, P/N 046000 |
SyncorePlus Analyst R-6, 250 mL 带 0.3 mL 附录 | 038485 | E-914 的 R-6 收集单元 | SyncorePlus Crystal Rack R-6 Analyst, P/N 047777 |
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结论
请使用相应的应用说明作为方法开发的基础。根据样品的多样性，进行调整参数。使用本文档作为指导来缩短或延长萃取过程。
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参考文献
SpeedExtractor 应用手册
SpeedExtractor 操作手册 E-914/916
SpeedExtractor 操作说明 (BUCHI P/N 093286)
G. Lasternas, C. Roscioli, L. Guzzella, 使用加压溶剂萃取和自动索氏萃取测定 PBDEs, best@buchi no. 55.
SpeedExtractor 技术数据表 E-914/916
BUCHI Labortechnik AG, 实际操作启动会议 (2010).
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