固相微萃取在环境中的应用

固相微萃取在环境中的应用
MG0925021 汪宁欣环境生物专业
摘要：固相微萃取技术(SPM卫)是一种新型的样品前处理方法，它可一步完成取样革取和浓缩，简化了传统前处理方法的繁琐步骤，而且不会造成二次污染。

与其它样品制备技术相比，SPME法具有操作时间短、样品量小、无需萃取溶剂、适于分析挥发性与非挥发性物质、重现性好等优点。

,因其携带方便、操作简便、测定快速、高效的特点,且是一种无溶剂的样品预处理方法。

因此，它于1990年J.Pawliszyn 首先提出后，在短短几年时间,广泛应用于各个研究领域,如环境(包括水样、土壤、空气) 以及食品、药物、毒理学等的分析研究。

本文根据所查阅到的文献,对目前国际上固相微萃取法在环境中的应用发展及其研究情况作一概述,并就该方法今后的可能发展方向进行初步的探讨
关键词:固相微萃取，环境，应用
1 前言
样品的前处理在样品分析中占有重要的地位。

传统的液液萃取耗时长、劳动量大且需溶剂量大,近年来已多被固相萃取(SPE)所取代。

但SPE仍是一个多步骤过程,仍需使用有机溶剂且仅适用于非挥发性物质,固相微萃取(SPME)是在固相萃取的基础上发展起来的崭新的萃取分离技术。

与其它样品制备技术相比,SPME可一步完成取样、萃取和浓缩,具有操作简便、快速、易于实现自动化等特点。

迄今为止,SPME已用于从空气、水和土壤中提取有机物。

本文着重论述SPME的原理及其在环境分析中的应用。

2 固相微萃取(SPME)原理及装置
2.1原理
当被分析的有机物在萃取头与萃取体系之间达到平衡,分析物与萃取头之间有一分配系数K, 该分配系数与分析物在萃取体系中的量及萃取头分析物的量有如下关系:
K= Cf/ Cs
Co = (CfVf + CsVs) / Vs
Cs = (CoVs - CfVf) / Vs N= CfVf
K= NVs/ (VfCoVs - NVf)
N= KVfCoVs/ (Vs + KVf)
K:分析物在萃取头和样品间的分配系数;
Co :分析物在萃取前样品中的浓度;
Cs :分析物在萃取后样品中的浓度;
Cf :分析物在萃取头中的浓度;
Vf :萃取头的体积;
Vs :样品的体积;
N：吸附于萃取头上的分析物的量。

由于KVf远小于n Vs ,所以N= KVfCo,K值取诀于萃取头一定的固定相类型,而对于一定的萃取头来说其体积Vf 是固定的, 故N 与Co之间成线性关系,Co通过气相色谱测定,人们可以通过配制一系列Co来测定其响应的N值,从而获得该分析物的标准工作曲线,根据标准工作曲线测得样品的N值后便可计算样品的浓度。

2.2 装置
SPME装置(详见图l)实际就像一个微量进样器主要由两部分构成一部分是萃取头另一部分是微量注射器。

萃取头是一根长1cm涂渍有不同固定相的熔融石英纤维通过不锈钢管将它安装到微量注射器上。

平时萃取头收于注射器针头内，使用时以针头插人样品瓶中，推出萃取
头，使萃取头浸渍在样品中或置于样品上空进行萃取。

待有机物在两相达到吸附平衡后，将萃取头收回针头内，撤离进样器，完成萃取过程。

进样时，将该注射器直接插入气相色谱仪的进样室，推出萃取头直接在进样口进行热解析即可。

图1 SPME装置图
3 固相微萃取的影响因素
影响SPME萃取过程的因素包括萃取方式、涂层的特性、萃取过程的温度和时间、盐效应(离子强度)、有机溶剂的加入、溶液的pH、溶液的搅拌以及溶液体积的影响等。

其中影响SPME 方法灵敏度的因素有涂层的厚度及性质,样品基体的处理和萃取温度等。

影响分析速度的则主要是温度及溶液的搅拌效率。

3.1 涂层的影响
涂层的类型、厚度及极性的差异都将对分析物的选择萃取有影响.石英纤维表面固相涂层的性质对分析灵敏度影响也很大.根据相似相溶原理,非极性固相涂层(如聚二甲基硅氧烷)有利于对非极性或极性小的有机物的分离,极性固相涂层(如聚丙烯酸酯)对极性有机物的分离效果较好。

涂层的厚度对于分析物的吸附量和平衡时间都有影响厚的固定相涂层适于挥发性的化合物,而薄一些的固定相萃取大分子或半挥发性的化合物更显优势.涂层越厚,吸附量越大,有利于提高方法的灵敏度,但是厚的涂层达到平衡需要时间长,分析速度慢。

3.2 萃取时间
SPME技术是基于分配平衡的过程,对目标分析物最大的萃取量在平衡时间达到.搅拌样品促进了分析物的扩散,可以减少达到平衡需要的时间.在实际应用中,有较低分配常数的化合物需要较长时间才能达到平衡。

为了获得良好重现性的数据,操作过程中应该严格控制萃取时间保持一定。

3.3 萃取温度
温度对萃取过程有双重影响。

温度升高,分析物的扩散系数增大,扩散速度随之增大,同时也加强了对流过程,有利于缩短平衡时间。

另一方面,吸收是一个放热的过程,温度的升高会使分析物的分配系数K减小。

因此在使用SPME方法时应该寻找最佳萃取温度。

3.4 搅拌及搅拌速率
搅拌效率是影响分析速度的重要因素。

搅拌促进了分析物的扩散和缩短了平衡时间,搅拌还将影响其分析灵敏度.在不搅拌和搅拌不足的情况下,由于纤维和液相间存在一层薄薄的静止水层,待测物在静止水层中扩散很慢,其浓度呈下降趋势.提高液相的搅拌速率,可以减少纤维表面静止水层的厚度,提高待测物从液相到气相或纤维涂层的迁移速率,从而加快待测物的全程质量迁移。

3.5 盐效应和溶液pH值的影响
在水溶液中加入盐,可以减少样品的溶解度,气液两相间分配平衡常数增大,使分析物更容易被萃取头上的涂层保留,提高涂层的萃取量和分析灵敏度。

控制溶液的pH能够改变溶液的离子强度,也能改变有机物在水中的溶解度。

在萃取酸及碱时,可以调节溶液的pH值使它们以中性分子的形式存在,溶解度减小,K值增大,更有利于有效萃取。

3.6 样品体积的影响
样品的体积是SPME萃取过程需要优化的重要参数,它直接关系到方法的灵敏度.样品的体积通常比纤维的体积大,分析物的萃取量直接与分析物在纤维和液相之间的分配系数K有关,K 值大的化合物更容易受到样品体积的影响。

3.7 基体效应的影响
基体效应对分析物的萃取效率也有影响。

存在于真实水样品中的有机物,如腐殖酸和褐菌素能于溶解的其他有机物质和分析物相互作用,减少萃取量。

在萃取含水的自然泥浆沉淀物时,
有机和无机等多种成分的存在会导致明显的竞争吸附。

4 固相微萃取法的适用范围及应用条件
固相微萃取装置既可用于液态样品的测定(通过浸渍萃取或顶空萃取)又可用于固态样品的预处理(顶空萃取)和气体样品预处理。

由于解吸时没有溶剂的注入,且分析物很快被解吸送入气相色谱柱,所以所用的毛细管柱可以很短很细,这可以大大的加快分析速度提高检测限。

用于测定分析物时,主要是依赖于萃取头的性质(包括萃取头的类型与厚度)。

应该选择哪一种的萃取头,这由分析物的分子量及极性所决定。

例如对于低分子量、挥发性的有机物通常选用100μm聚二甲基硅氧烷类(PDMS)的萃取头,对于大分子量半挥发性的有机物常用7μmPDMS的萃取头;而对一些强极性的物质,经常用聚丙烯酸酯类的萃取头,此外,还有活性炭萃取头,适合于分析极低沸点的强脂性物质。

另外对一些难以萃取的化合物,可以通过适当的加热,改变体系的温度,加入一些氯化钠调节体系的盐度,或者是调节适当的pH值以获得最高回收率的最佳萃取条件。

5 固相微萃取在环境分析中的应用
固相微萃取法最初出现的时候是应用于环境样品的分析,至今其在环境样品中分析的发展的也是最快,应用最多的,有固态(如沉积物、土壤等)、液态(地下水、饮用水、废水等)及气态(空气等废气)的样品分析。

5.1 挥发性有机物
SPME分析的第一类化合物是苯、甲苯、乙苯及二甲苯异构体(BTEX)。

BTEX的萃取可在水溶液中直接进,也可在气相或水相上部进行。

Page和Lacroix采用SPME萃取头在水相上部萃取测定了33种卤代易挥发物。

Authur,Potter等人使用100μm聚二甲基硅氧烷涂层对水溶液中的BTEX进行Di-SPME-GC-MS法分析,取得较好的结果,检测限(LODs)达到1-15pg/mL水平,相对标准偏差小于8%。

Zhang则用HS-SPME-GC法进行测定,达到平衡所需的时间缩短,分析速度明显提高。

5.2 杀虫剂
环境污染中杀虫剂的测定是一项非常重要的工作。

Eisert和Levsen利用85μm的PA萃取头测定了有机磷等34种杀虫剂。

Boyd-Boland等利用100μm PDMS、95μmPA萃取头测定了有机磷、有机氯等60种杀虫剂。

5.3农药
在农业上,由于农药的大量使用,其残留物对生态环境的破坏是长期而隐蔽的,同时也危及人类的健康。

农药组分繁多,样品处理步骤复杂,分析灵敏度和准确性往往不高。

使用SPME-GC 对有机农药的分析,检出限通常在ng/L-ug/L水平。

Boyd-Boland等人对水中60种农药通过SPME-GC进行同时测定,实验表明方法的检测限达到pg/mL水平。

尤其在分析水中的农药残留应用的比较多,如分析污水及饮用水中的有机氯农药,利用SPM提取水中莠去津、乙草胺,然后分别利用GC的NPD、EC检测,不使用溶剂,快速、准确,结果令人满意。

Shiry用微固相萃取和细孔毛细管分析环境样品中的农药残留。

5.3 酚类
PA萃取头的出现,使得酚类这一类极性物质的SPME成为可能。

通过调节pH值和加无机盐可提高此类化合物的萃取效率。

Buchholz等利用PA萃取头成功地实现了此类化合物的直接或水相上部的SPME。

Wennrich等人用水作为萃取溶剂将ASE与SPME结合,测定了土壤中的氯代酚。

5.4 其它
PAHs是环境中普遍存在的污染物,具有潜在的致癌性,诱导有机体突变及有毒性。

由于PAHs 在环境中广泛分布和亲脂特性,食用油和脂肪都可以被这些致癌物质严重污染。

它挥发性不强,属于半挥发性有机物.Potter和Pawliszyn等人分别用直接和顶空SPME-GC方法对污水和土
壤中的PHAs进行分析,LODs达到pg/mL水平。

实验表明,SPME-GC方法可作为环境检测中半挥发性污染物的定量分析手段。

SPME还可应用于饮料中咖啡因的测量。

Pan等利用在PA和PDMS萃取头上分别衍生上一层1-芘基重氮甲烷(PDAM),从而实现了脂肪酸的SPME分析。

SPME甚至还可用于分析无机物,Otu和Pawliszyn利用SPME和光度法联用实现了Bi(Ⅲ)的分析。

PCBs是一类很重要的氯代芳香污染物,由于氯的取代个数和取代位置的不同,不少PCBs异构体在室温下是固体状态,有一定的蒸汽压,难溶于水,耐酸、耐碱、耐热,而混合物则为粘稠的液体。

随着分子中含氯量的增加,水溶性及蒸汽压、降解能力均下降。

由于PCBs的化学性质(不可燃性、稳定性、亲油性),使得PCBs曾在工农业中大规模的使用。

PCBs一旦进入环境,便会通过传播过程遍布于生态系统中。

由于PCBs本身亲脂性且降解相当缓慢,极易进入和富集在高级的食物链中。

Llompart等人采用100℃下顶空SPME-GC方法对水溶液中的PCBs进行分析,得到了较好的线性关系和灵敏度,检测限达到pg/mL水平。

酞酸酯是一类广泛使用的塑料增塑剂,它在水环境中的浓度大约为0.1ppb—1000ppb.这是一类全球性污染物,能在人体中逐渐积累,有致癌和致畸变的后果,对健康造成危害。

于酞酸酯在水溶液中的溶解度和挥发性较小,测定它在水溶液中的微量至痕量浓度困难较大。

传统的样品处理过程中要用到大量的有毒副作用的氯仿,对环境造成污染,且有害操作人员的健康。

Penalver等人用85μmPA纤维与GC-MS法相结合测定了六种酞酸酯和双(2-乙基己基)己二酸酯,该方法的检出限在0.006mg/L—0.17mg/L范围.肖春华等人利用自制的PF涂层对水中的其余的酞酸酯进行了测定,结果均在美国USEPA公布的水中允许存在的酞酸酯的含量以下。

6固相微萃取技术展望
SPME技术出现已十多年,应用领域日趋增大,其高效、快速、简便的优点已得到大家共识。

今后SPME技术的发展趋势:(1)进一步发展SPME与各种分析仪器的联用。

SPME与气相色谱仪的联用技术已经很成熟,与其他分析手段如HPLC、CE的联用还有待进一步发展。

这些技术的联用都必将促使固相微萃取用于更多领域的分析。

(2)研制更多新型涂层和涂渍技术的改进,使得SPME涂层的各种性能得到更大的提高。

(3)使装置自动控制系统更趋完善和成熟.目前,多数SPME的应用工作停留在实验室内,如何对SPME装置及外围设备进行改进,使其适应工业和野外自动采样、自动检测也将是SPME的研究方向。

(4)理论模型的发展。

SPME理论模型是进行定量分析的基础,十多年来,SPME的理论模型已得到很大的发展,但随着新型涂层的出现,SPME的理论也将会得到更进一步的发展。

SPME技术的出现，为分析化学中样品前处理领域带来了一场革命。

随着对待测物，样品基体和固定相涂层之间相互作用理论的进一步深人研究，随着新型固定相材料(的不断开发，随着SPME技术与其它分析仪器联用研究的进一步深入，SPME技术的应用范围必将日趋广泛。

SPME发展的“平民化”，即进一步改善吸附性能，增加其对待测物的萃取量，使之在一般实验室CC的检测器上可响应，而不必使用灵敏度高但价格昂贵的质谱，氢火焰离子检测器等，这是SPME技术进一步推广实现大范围商品化的关键所在。

总之，SPM[E技术是一项非常具有发展前途的技术，必将取代某些传统技术，成为一种应用范围广泛的、成熟的样品前处理手段。

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