用于植物挥发物分析的PoraPakTMQ吸附管快速活化方法

陈旭鹏，杨美红，张金桐，刘红霞，刘志雄，靳泽荣，赵　祥

（1.山西农业大学 化学生态研究所，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 动物科技学院，山西 太谷 030801）

用于植物挥发物分析的PoraPakTMQ吸附管快速活化方法

陈旭鹏1，杨美红1，张金桐1，刘红霞1，刘志雄1，靳泽荣1，赵祥2

（1.山西农业大学 化学生态研究所，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 动物科技学院，山西 太谷 030801）

为提高PoraPakTMQ吸附剂的活化速度及降低活化成本，更好地应用于植物挥发物的吸附分析，本研究设计组装简易的氮气吹扫装置，并选择合适的淋洗溶剂、氮气流量、活化温度和时间。结果表明，选用100 mg PoraPakTMQ吸附剂制作吸附管，以5 mL丙酮和5 mL正己烷作为淋洗溶剂，氮气流量80 mL·min-1，活化温度200 ℃，活化时间30 min，可实现对PoraPakTMQ吸附剂的快速活化并用于挥发物吸附分析。

PoraPakTMQ；活化；植物挥发物

PoraPakTMQ是苯乙烯和二乙烯苯的聚合物，直径5～50 μm，其中二乙烯苯为交联剂，苯乙烯为共聚物［1—2］。PoraPakTMQ作为一种吸附剂被广泛用于植物挥发物的吸附分析［3—4］，市售瓶装产品残留有聚合物的单体，以及长时间存放后吸附的杂质，使用前需对其进行活化再生处理。目前市场上还没有商品化的氮气活化吹扫装置，而常用方法是将吸附管固定于吸附热脱附（TCT）或气相色谱（GC）气路中，以250～300 ℃加热及连续N2气流活化至少150 min［4—6］。该方法时间长，成本高，对设备要求严格，不易于参考使用。本文通过组建简易的氮气吹扫装置，选择合适的淋洗溶剂、氮气流量、活化温度和时间，实现了对PoraPakTMQ吸附剂的快速活化，大大降低活化成本，对植物挥发物的收集、分析和鉴定研究具有重要意义。

1　材料与方法

1.1仪器、试剂与材料

主要仪器：PoraPakTMQ 80-100（Waters 公司）；一端尖口的玻璃吸附管（外径0.8 cm，内径0.5 cm，长14.7 cm）；Aglient 6890N气相色谱仪及6890N/GC化学工作站；99.999%高纯氮气；LZM-6T气体流量计（广州永城机电设备）；热风枪（BKL-4160贝克洛1600 W数显）；大气采样仪（TY-08A盐城天悦仪器仪表有限公司）；活性炭柱（L=25 cm，φ=2 cm，天津恒兴化学试剂）；收集瓶（长32.5 cm、直径13 cm浓硫酸瓶改制）；聚四氟乙烯管；硅胶连接管；10 cm不锈钢针头；玻璃棉。

主要试剂：甲醇（色谱纯，天津永大化学试剂）；重蒸丙酮（分析纯，石家庄有机化学）；正己烷（色谱纯，天津致远化学试剂）；二氯甲烷（色谱纯，天津天力化学）。

植物材料：榆树Ulmus pumila新鲜叶。

1.2方法

1.2.1吸附管制备吸附管、玻璃棉用新制铬酸洗液浸泡过夜，冲洗干净烘干，用20 mL重蒸丙酮冲洗3次备用。在超净工作台添加吸附剂，先取适量玻璃棉填充玻璃管尖端，然后填充100 mg吸附剂，再用玻璃棉堵住末端，用铝箔包裹两端，封口膜密封［7］。

1.2.2氮气吹扫装置如图1所示顺序连接装置。由于热风枪数显温度为电热丝温度，非出风口温度，先用0～360 ℃量程的温度计测量测试距离处出风口的实际温度，调热风枪温度至所需温度，然后在持续N2流下进行活化操作。

1.2.3GC分析方法将处理的柱子用2 mL二氯甲烷洗脱，再用高纯氮气吹扫浓缩至100 μL，GC定量分析。采用 Agilent 6890N型气相色谱仪检测，氢火焰离子检测器（FID），高纯氮气为载气，无分流进样，毛细管柱为H-1（30 m × 0.32 mm × 0.33 μm Paloalto California）［7—9］。

图1　氮气吹扫装置Fig.1　Nitrogen purging device

溶剂淋洗分析色谱条件：无分流进样模式进样1 μL；程序升温为80 ℃保持2 min，4 ℃·min-1升至180 ℃，10 ℃·min-1升至240 ℃保持2 min，柱流量3 mL·min-1，进样口温度250 ℃［1，3，6，10］。

榆树叶挥发物吸附分析色谱条件：色谱升温程序设定为80 ℃保持2 min，然后以4 ℃·min-1升温至180 ℃，再以10 ℃·min-1升温至 240 ℃，恒温15 min；进样口和检测器温度设为250 ℃。

1.2.4淋洗溶剂选择参照Tanax-TA吸附管及程彬等［1］的方法，选择甲醇、丙酮、正己烷作为备选溶剂，每种溶剂选取5、10、20 mL对9根新制吸附管分别进行洗脱，用50 mL·min-1高纯N2流吹干［11］，二氯甲烷洗脱后GC分析。

1.2.5活化温度及时间选择在60 mL·min-1氮气流下［11］，选用100、150、200、250、3005℃种活化温度，选取10、30、50、70、90 min分别对5根新制吸附管进行活化处理［2］，即每种温度下的不同活化时间使用1根吸附管。处理后待吸附管温度降至室温，再关氮气。最后对每根管即每组温度和时间组合进行二氯甲烷洗脱后GC分析。

1.2.6氮气流量选择根据上述分析结果，在活化温度200 ℃，活化时间30 min条件下，选择40、60、80、100、120 mL·min-15种氮气流量对5根新制吸附管活化20 min，二氯甲烷洗脱后GC分析［5］。

1.2.7榆树叶挥发物的GC非溶剂峰测定依次组装硅胶柱、活性炭柱、收集瓶、吸附管、大气采样仪，循环动态吸附机械损伤的榆树叶挥发物4 h［12—13］，然后进行GC检测，以检验吸附剂的吸附能力。

2　结果与分析

2.1淋洗溶剂

在50 mL·min-1氮气流量吹扫下，不同溶剂洗脱的GC分析表明，当选择洗脱剂用量为5、10和15 mL丙酮或正己烷时，杂质峰总面积（数值为科学计数）比相同用量的甲醇杂质峰总面积小，用丙酮和正己烷洗脱时杂质峰总面积相接近（表1）。但各自杂质峰出现的保留时间有所不同，丙酮为淋洗溶剂时杂质峰出现时间集中在10～20 min，正己烷为洗脱溶剂时在0～10 min（图2）。为此分别选择5 mL丙酮和5 mL正己烷依次淋洗，GC分析发现，与单独用10 mL丙酮或10 mL正己烷相比，不同保留时间的杂质峰面积有所下降，但杂质峰总面积无明显变化。

溶剂用量为10 mL时，杂质峰总面积比5 mL小，这可能是因为吸附剂本身对溶剂有净吸附量，即在常压下只有溶剂先把吸附剂微球内部的空间填满，溶剂才能在不断的交换过程中向下移动；而15 mL用量对杂质峰总面积的减少相比10 mL不明显，可能在固定活化温度和活化时间的条件下，仅提高吸附剂用量无法达到满意的活化效果。考虑到淋洗效果和时间，选择5 mL丙酮和5 mL正己烷依次淋洗，能经济有效地降低所有保留时间杂质峰的面积。

表1　不同溶剂和用量下的杂质峰总面积Table1　Total area of impurity peak at different solvents and doses

2.2活化温度及时间

2.2.1GC分析氮气流量为 60 mL·min-1，在100～200 ℃之间时，随着活化温度升高杂质峰总面积减小；温度大于200 ℃时，随着活化温度升高，杂质峰总面积有所增加。随着活化时间的延长，杂质峰总面积减小，但活化时间大于30 min时，活化时间延长，杂质峰减小幅度急剧缩小（表2）。活化温度及时间分别选择200 ℃和30 min是理想的，杂质峰面积为3.8E+02（表2）。

图2　单独用丙酮和正己烷处理时不同保留时间的杂质峰总面积Fig. 2　Total area of impurity peak in different retention times of acetone and hexane

2.2.2吸附剂吸附能力检验当温度≥200 ℃、时间≥50 min，或温度≥250 ℃、时间≥30 min时出现吸附剂结块、颜色发黄的现象，GC分析结果显示，杂质峰面积比200 ℃、30 min无明显变化，此时吸附剂可能失去吸附活性。

选用温度200 ℃、时间30 min，温度200 ℃、时间50 min，以及温度250 ℃、时间30 min等3种处理的吸附柱，按照硅胶柱、活性炭柱、收集瓶、吸附管、大气采样仪的顺序组装进行循环动态吸附机械损伤的榆树叶4 h进行验证。由GC分析结果可知，温度200 ℃、时间30 min处理的吸附柱峰面积明显高于其他两个处理，说明其他两个处理吸附能力较低（表3）。

表2　不同活化温度和时间的杂质峰总面积Table 2　Total area of impurty peak in different temperature and time

2.3氮气流量

在200 ℃和30 min条件下，对5根新制吸附管选择5种不同氮气流量进行活化处理， GC分析，选择杂质峰总面积作为检验对象。当活化温度和活化时间一定时，随着氮气流量的增加，杂质峰面积减少，但N2流量为80、100、120 mL·min-1时杂质峰面积为同一数量级且变化不大（表4）。因此，选择80 mL·min-1为氮气洗脱流量。

表3　不同处理组合的吸附剂吸附机械损伤榆树叶的非溶剂峰总面积Table 3　Total area of non solvent peak after absorbenting with different combinations

表4　不同氮气流量下的杂质峰总面积Table 4　Total area of the impurity peak in different nitrogen flux

2.4遴选结果组合稳定性测试

由以上分析进行组合测试，即分别在氮气流量80 mL·min-1，淋洗溶剂丙酮5 mL和正己烷5 mL依次洗脱，活化温度200 ℃、时间30 min时能达到最佳活化效果。选择3根新制吸附管（3次重复），依该组合条件进行活化处理，以2 mL色谱纯二氯甲烷浓缩至100 μL为对照，GC分析最佳因素组合的活化效果（表5），三个重复的活化效果稳定。

表5　各最佳因素组合的活化效果验证Table 5　The testing of the activation effect of the best combination factors

3　结论

综合分析对吸附柱吸附能力有影响的各种因素，虽然高纯氮气的吹扫是必不可少的，但是氮气流量对吸附剂活化的影响较小；活化温度和活化时间对吸附剂活化的影响最大，是主要影响因素。随着活化温度升高至200 ℃以上，时间超过30 min，吸附剂出现结块发黄的现象，这与常用活化方法即将吸附管固定于TCT或GC气路中，以250～300 ℃加热及连续N2气流活化至少150 min的实验结果矛盾［4—6］。可能因为吸附剂内部温度超过200 ℃，超过吸附剂的承受能力，对多孔微球结构造成破坏，致使吸附剂吸附能力减弱甚至失去吸附活性。

本研究通过设计组装简易的氮气活化装置，在保证吸附活性的前提下，探索出先用5 mL丙酮和5 mL正己烷依次淋洗，在持续N2流量80 mL·min-1吹扫，200 ℃活化30 min的条件下，活化效果最好。该方法显著缩短了活化时间，大大降低高纯氮的用量，并且活化装置材料易得，安装简易，吸附管可以循环利用，从而经济有效且快速地对自制吸附管（内含100 mg PoraPakTMQ吸附剂）达到活化效果，为挥发物的收集和鉴定奠定基础。对于将吸附剂应用于植物挥发物的收集、分析鉴定，应当考虑吸附剂和洗脱剂的极性会选择性地吸收和洗脱特定极性的挥发物分子，以及吸附时间和杂质峰的关系，还应结合其他分析方法如固相微萃取和顶空法直接气体进样，但这两种方法对材料的挥发性和仪器的检测限有较高要求。应根据检测目的，结合不同的收集分析方法，综合分析不同分析方法的测试结果，以达到研究目的。

［1］ 程彬，付晓霞. 虫害诱导的家榆挥发物对榆紫叶甲寄主选择行为的影响［J］. 林业科学， 2010，46（10）： 76—82.

［2］ 窦富建. 影响PorapakTMQ色谱柱分离能力差的原因及解决方法［J］. 精细与专用化学品， 2014，22（5）： 32—36.

［3］ 张化平，费仁雷. 榆树挥发物的提取及鉴定［J］. 湖北大学学报（自然科学版）， 2014，36（5）： 426—428.

［4］ 赵振杰，刘天学，王秀萍，李潮海. 不同吸附剂对玉米叶片挥发物的吸附效果比较［J］. 中国农业科技导报， 2011，13（2）：82—87.

［5］ 孙银生，王志立，张伟，施俊车. Tenax-TA 吸附管的快速活化方法探讨［J］. 科技创新导报， 2008（24）： 14—15.

［6］ 郑华，金幼菊，李文彬，周金星. 绿化植物气味污染的仪器检测技术［J］. 林业实用技术， 2002（5）： 30.

［7］ Wei J N， Zhu J W， Kang L. Volatiles released from bean plants in response to agromyzid flies［J］. Planta， 2006，224（2）： 279—287.

［8］ 范丽华，牛辉林，张金桐，宗世祥，杨美红，刘金龙. 脐腹小蠹寄主白榆挥发性物质的分析［J］. 山西农业大学学报， 2013，33（4）：305—312.

［9］ 迟国梁，谭炳昌，王建武. 斜纹夜蛾取食对Bt玉米挥发物组成和含量的影响［J］. 应用生态学报， 2010（4）： 1007—1013.

［10］ 李慧峰，吕德国，王海波，李林光. 6个沙果品种果实香气成分分析［J］. 山西农业大学学报（自然科学版）， 2012（2）： 136—139.

［11］ 张述忠，赵国良，万世珍. 链烷烃及其含氧化物在Porapak-Q上的吸附热力学参数及拓扑参数与色谱保留值InVTg关系的研究［J］. 色谱， 1985（2）： 112—114.

［12］ Rafal S， Marek C， Rudziński K J，Barbara M. Identification of volatiles from Pinus silvestris attractive for Monochamus galloprovincialis using a SPME-GC/MS platform［J］. Environmental Science & Pollution Research International， 2012，19：2860—2869.

［13］ Ferraces-Casais P， Lage-Yusty M A， Rodríguez-Bernaldo de Quirós A， López-Hernández J. Rapid identication of volatile compounds in fresh seaweed［J］. Talanta， 2013，115（10）： 798—800.

Activation Method of Adsorption Tube Used for Analysis Plant Volatiles

CHEN Xu-peng1， YANG Mei-hong1， ZHANG Jin-tong1， LIU Hong-xia1， LIU Zhi-xiong1，JIN Ze-rong1， ZHAO Xiang2
（1.Institute of Chemical Ecology， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi China； 2.College of Animal Science and
Technology， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi China）

To improve activation speed and decrease activation cost of PoraPakTMQ adsorption agent，which could be better used in the studies on plant volatiles， a system of simple nitrogen purging with suitable elution solvent， nitrogen flow rate and heating temperature were designed and assembled. The results showed that the optimum conditions were followed as： the adsorption tube filled with 100 mg PoraPakTMQ adsorption agent， 5 mL acetone and 5 mL hexane used as elution solvent， nitrogen flow 80 mL·min-1， activation temperature 200 ℃， activation time 30 min.

PoraPakTMQ； activation； plant volatiles

10.3969/j.issn.1009-7791.2015.03.006

Q946-33

A

1009-7791（2015）03-0209-04

2015-07-14

山西农业大学博士引进人才科研启动项目（2012YJ11）；山西省青年科技研究基金（2015021148）

陈旭鹏，硕士研究生，从事化学生态学研究。E-mail： qqll1029@163.com

注：杨美红为通讯作者。E-mail： zxymh123@163.com