王 粵

（四川省閬中市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川閬中，637400）

水環(huán)境監(jiān)測(cè)中固相微萃取技術(shù)的應(yīng)用

王 粵

（四川省閬中市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川閬中，637400）

固相微萃取（SPME）是近年來(lái)在固相萃取基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的嶄新的萃取分離技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是一種簡(jiǎn)便快捷的樣品前處理技術(shù)，不需要有機(jī)萃取劑，是一種環(huán)境友好的萃取過(guò)程。介紹了固相微萃取技術(shù)的萃取原理、萃取過(guò)程以及在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

固相微萃取 環(huán)境監(jiān)測(cè) 有機(jī)化合物

1 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，水環(huán)境中的有機(jī)污染日益嚴(yán)重，因此有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。我國(guó)于2002年6月1日實(shí)施的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838－2002）水源地特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中規(guī)定了68種有機(jī)污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值，包括揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和半揮發(fā)性有機(jī)物（SVOCs）。我國(guó)目前迫切需要有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)的先進(jìn)技術(shù)普及與推廣，對(duì)有機(jī)污染物的監(jiān)測(cè)工作研究不夠，急需先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)支持并指導(dǎo)水質(zhì)監(jiān)督工作的發(fā)展。

七十年代以來(lái)，為了減少和克服液液萃取（LLE）分離時(shí)間長(zhǎng)、使用有毒溶劑多等缺陷，提出了固相萃?。⊿PE）方法。它大大減少了有機(jī)溶劑的用量，能處理微升級(jí)的少量樣品，與色譜聯(lián)用，有利于實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程的自動(dòng)化。但是，SPE仍是一多步驟的分離制備方法，仍存在有易堵塞、回收率低、重現(xiàn)性差等缺陷。因此Pawliszen等提出了更新型的樣品制備技術(shù)——固相微萃取（Solid－phase Microextraction，SPME），該方法消除了SPE的多種弊病，將取樣、萃取、濃縮等過(guò)程合并在一個(gè)操作步驟中完成，快速地處理樣品并直接將其送入色譜分析儀器。固相微萃取技術(shù)幾乎可以用于氣體、液體、生物、固體等樣品中各類(lèi)揮發(fā)性或半揮發(fā)性物質(zhì)的分析。發(fā)展至今短短的十幾年時(shí)間，已在環(huán)境、生物、工業(yè)、食品、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。SPME已由美國(guó)的Supelco公司在1993年實(shí)現(xiàn)商品化。

2 固相微萃取技術(shù)原理

固相微萃取的概念最先由加拿大Waterloo大學(xué)的Janusz B．Pawliszyn及其同事于1989年提出來(lái)的［1］，是20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)新穎的樣品前處理與富集技術(shù)，屬于非溶劑型選擇性萃取法，與氣相色譜技術(shù)（GC）及高效液相色譜（HPLC）技術(shù)聯(lián)用，主要對(duì)環(huán)境樣品中的有機(jī)污染物進(jìn)行分析。固相微萃取的萃取方式可分為三種［2］:（1）直接萃取法（Direct－SPME）；（2）頂空萃取法（Headspace－SPME）；（3）膜保護(hù)萃取法（Membrane－protected SPME）。

2．1 原理

對(duì)于直接法SPME，當(dāng)萃取達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，由于待測(cè)定物總量在取樣前后保持不變，故有式（1）:

式中:c0是萃取前待測(cè)物在樣品中的濃度；Cf，Cs分別為萃取平衡后待測(cè)物在固定相和水樣中的濃度，Vf，Vs分別是固定相和水樣的體積，待測(cè)物的分配系數(shù)K＝Cf／Cs，而待測(cè)物被固定相所吸附的量n＝CfVf，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得式（2）:

上式中K，Vf和Vs都是恒量，故n與c0之間成線性關(guān)系。

對(duì)于頂空法SPME，則有固定相、氣相、水相三相參與樣品的分配，當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，待測(cè)物在三相內(nèi)達(dá)到分配平衡，分別為在萃取纖維與頂空的平衡和在頂空與樣品之間的平衡。此時(shí)，萃取纖維的吸附量可由式（3）表示［3］:

其結(jié)果也是n與c0之間成線性關(guān)系，其中，c0為待測(cè)物的初始濃度；K1，K2為待測(cè)物在萃取纖維／頂空和頂空／樣品間的平衡分配系數(shù)；V1、V2、V3分別為萃取纖維、樣品及頂空體積。因此，在恒溫下，對(duì)樣品及其頂空體積固定的體系而言，萃取纖維對(duì)待測(cè)物的萃取量與其在液相中的濃度成正比，通過(guò)對(duì)氣相中的待測(cè)物濃度的測(cè)定，即可計(jì)算出水樣中待測(cè)物的濃度。

2．2 萃取過(guò)程

SPME裝置類(lèi)似于一支氣相色譜的微量進(jìn)樣器，萃取頭是在一根石英纖維上涂上固相微萃取涂層，外套細(xì)不銹鋼管以保護(hù)石英纖維不被折斷，纖維頭可在鋼管內(nèi)伸縮，如圖1。將纖維頭浸入樣品溶液中或頂空氣體中一段時(shí)間，同時(shí)攪拌溶液以加速兩相間達(dá)到平衡的速度，待平衡后將纖維頭取出插入氣相色譜汽化室，熱解吸涂層上吸附的物質(zhì)。被萃取物在汽化室內(nèi)解吸后，靠流動(dòng)相將其導(dǎo)入色譜柱，完成提取、分離、濃縮的全過(guò)程。

圖1 SPME裝置［4］

3 SPME在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

由于SPME是一種理想的樣品前處理技術(shù)，具有簡(jiǎn)便快速、靈敏度高、費(fèi)用低、易自動(dòng)化、無(wú)溶劑污染等優(yōu)越性，因而在其問(wèn)世后幾年中，便很快在環(huán)境分析等諸多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

目前，SPME在水體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用最為廣泛，測(cè)定的化合物種類(lèi)較多，有汞、錫、鈷、鎳和鉛等有機(jī)金屬化合物（丁基錫和苯基錫、甲基汞和汞離子、有機(jī)鉛），氯仿等鹵代烴類(lèi)化合物，殺蟲(chóng)劑、除草劑等農(nóng)藥類(lèi)化合物，雙酚A、苯酚等有機(jī)酚類(lèi)化合物，以及其他包括多環(huán)芳烴、二乙基己基鄰苯二甲酸酯、含硝基芳香烴的爆炸物、鄰苯二甲酸酯、硫化物、甲基異丁基醚（MTBE）等常見(jiàn)的有機(jī)污染物。

3．1 有機(jī)金屬化合物的測(cè)定

有機(jī)汞的毒性要比無(wú)機(jī)汞大得多，在自然界中無(wú)機(jī)汞還可以通過(guò)生物甲基化、乙基化過(guò)程生成相應(yīng)的有機(jī)汞，并通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)積累，最終影響高等生物的神經(jīng)系統(tǒng)。有機(jī)錫化合物則廣泛用于殺蟲(chóng)、殺菌劑、催化劑、海洋防污涂料和PVC穩(wěn)定劑，是人為引人海洋環(huán)境中毒性最大的物質(zhì)之一，由于其潛在毒性和對(duì)非目標(biāo)生物的影響，越來(lái)越引起人們的重視。對(duì)于有機(jī)汞和有機(jī)錫化合物，傳統(tǒng)的樣品前處理是用有機(jī)溶劑萃取。

劉稷燕［5］等用SPME－GC聯(lián)用測(cè)定了水樣、底泥和動(dòng)物毛、皮中有機(jī)錫和有機(jī)汞化合物的含量。固相涂層采用將石英纖維在濃氫氟酸中浸泡3．5 h，洗凈后，再在高溫下老化4h，經(jīng)處理過(guò)的纖維對(duì)有機(jī)錫、汞有很強(qiáng)的吸附效率。測(cè)定結(jié)果表明:甲基汞的最低檢側(cè)限為26ng，一丁、二丁、三丁、四丁基錫分別為0．2μg／L、0．2μg／L、0．2μg／L、0．02μg／L，加標(biāo)回收率范圍在85%～117%之間。這一方法能有效應(yīng)用于有機(jī)汞和有機(jī)錫的測(cè)定。

Luis［6］等使用SPME與GC／ICP／MS聯(lián)用的方法，分別測(cè)定了開(kāi)放海域、San Lorenzo海灘、造船廠近岸海域以及封閉的碼頭內(nèi)海水中甲基汞和無(wú)機(jī)汞的含量。發(fā)現(xiàn)造船廠附近和封閉的碼頭內(nèi)海水中甲基汞質(zhì)量濃度（分別為33．2ng／L和77．0ng／L）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開(kāi)放海域和San Lorenzo海灘（0．390ng／L和4．46ng／L）；而無(wú)機(jī)汞的質(zhì)量濃度最低為3．1 ng／L（開(kāi)放海域），最高達(dá)129ng／L（造船廠近岸海域）。測(cè)定結(jié)果表明，SPME技術(shù)的靈敏度較高，不僅可以準(zhǔn)確測(cè)定水質(zhì)中污染物的濃度，而且可以測(cè)定有機(jī)物的存在形式。

Moens［7］等人用SPME方法快速檢測(cè)有機(jī)汞、有機(jī)錫、有機(jī)鉛，Mester［8］等采用SPME技術(shù)結(jié)合電感禍合等離子體質(zhì)譜（ICP－MS）測(cè)定甲基汞。

3．2 水中氯化物的測(cè)定

飲用水由于加氯消毒而產(chǎn)生一些新的有機(jī)鹵代物，氯仿是其中的主要成分之一．由于氯仿有致癌、致畸及慢性致毒作用［9］故被列為重點(diǎn)檢測(cè)指標(biāo)之一。

賈金平［10］等采用不同于傳統(tǒng)涂層型纖維的體型活性碳纖維固相微萃取器測(cè)定飲用水中的氯仿。實(shí)驗(yàn)確定的萃取時(shí)間為600s，解吸時(shí)間為3min。將萃取器針頭完全插入氣化室時(shí)的熱解吸效果最佳。方法具有較好的重現(xiàn)性（4．14%RSD），線性范圍0—50ng／mL，最低檢測(cè)限為5ng／mL。用該方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法（GB 5750－85）對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行了分析、比較，表明頂空固相微萃取法檢測(cè)結(jié)果與國(guó)標(biāo)法相當(dāng)，而靈敏度3．8倍于國(guó)標(biāo)法。

Grote［11］等人將進(jìn)樣、樣品制備、萃取、色譜分離、檢測(cè)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以聚丙烯酸酯（PA）為涂層，測(cè)定了德國(guó)化工廠廢水中24種極性化合物。頂空池容積5．3mL，樣品體積2．5mL，用火焰電離檢測(cè)器（FID）檢測(cè)，對(duì)氯苯、氯酚等極性化合物的檢出限為0．1～5μg／L，精密度（以RSD表示）達(dá)到1%一7%（手動(dòng)為6%一20%）。

3．3 水中多環(huán)芳烴的測(cè)定

多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons PAHs）是煤、石油、木材、煙草、有機(jī)高分子化合物等有機(jī)物不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性碳?xì)浠衔?，是重要的環(huán)境和食品污染物．迄今已發(fā)現(xiàn)有200多種PAHs，其中有相當(dāng)部分具有致癌性，如苯并［α］芘，苯并［α］蒽等。PAHs廣泛分布于環(huán)境中，可以在我們生活的每一個(gè)角落發(fā)現(xiàn)。

王翊如［12］等采用固相微萃取技術(shù)，以100μm膜厚的聚二甲基硅氧烷纖維萃取水中10種多環(huán)芳烴，在60min采樣時(shí)間內(nèi)纖維上的吸附量與采樣的時(shí)間近乎成正比，分配體系達(dá)到平衡前可以定量地測(cè)定水中的待測(cè)物．該方法的線性范圍在0．1～100μg／L，檢出限在0．01～0．03μg／L，15μg／L的回收率在80%～100%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在20%以下。

王丹華［13］等采用溶膠－凝膠技術(shù)，加入自制的新化合物端羥基冠醚，成功地涂制了固相微萃取涂層；用半揮發(fā)性的有機(jī)污染物多環(huán)芳烴評(píng)價(jià)了涂層的基本性能，并對(duì)實(shí)際水樣中的多環(huán)芳烴進(jìn)行了分析。該方法的線性范圍在0．1～10μg／L，檢出限在0．001～0．03μg／L，8種多環(huán)芳烴化合物測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在2．05%～9．80%，回收率在85%以上。

SPME與紫外消失波吸收光譜法（UV－EWA）聯(lián)用檢測(cè)水中芳烴，結(jié)果二甲苯的檢出限為1．42mgL／，苯為18．2mg／L［14］。

3．4 萘和BTEX的測(cè)定

王詡?cè)?，?yán)?。?5］等采用涂有聚二甲基硅酮的纖維快速吸附水中的萘、1－硝基萘和2－硝基萘，再利用氣相色譜的氣化室溫度熱解析纖維上的待測(cè)物。該種類(lèi)型纖維可較好地吸附萘及硝基萘。加人硫酸鈉可改善樣品的基質(zhì)，增加纖維吸附量。監(jiān)測(cè)水中的萘、1－硝基萘和2－硝基萘的方法檢出限可分別達(dá)0．25、0．30、0．20μg／L。

目前己報(bào)道的采用SPME方法分析的環(huán)境污染物包括苯及其同系物［16～18］（Benznee，Toluene，Ehtylebenzene and Xylene isomers，BTEX）。

對(duì)于水中的BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯），頂空法需要較長(zhǎng)的萃取時(shí)間。解決這個(gè)間題的最佳方法是:提高體系溫度以增加待測(cè)物的蒸氣壓和揮發(fā)度，同時(shí)加速待測(cè)物的傳質(zhì)速率。但與此同時(shí)，提高溫度會(huì)導(dǎo)致涂層吸附性能的下降，所以在實(shí)際操作中一般要選擇一個(gè)最佳溫度，或?qū)腿±w維進(jìn)行低溫保護(hù)。在頂空法SPME中，一般還采用磁力攪拌或超聲波攪拌來(lái)充分?jǐn)噭?dòng)水樣，以及在水樣中加入鹽類(lèi)（NaCl、NaSO4）增加體系離子強(qiáng)度的方法來(lái)提高SPME的靈敏度［4］。

4 展望

（1）目前，SPME主要是和GC、HPLC相結(jié)合，用于對(duì)環(huán)境樣品中的有機(jī)物進(jìn)行分析。當(dāng)用離子交換固定相層時(shí)，也可將其應(yīng)用于對(duì)無(wú)機(jī)物的分析。將SPME直接結(jié)合到原子吸收儀、電感耦合等離子體儀、火花放電儀等儀器時(shí)，SPME的應(yīng)用可以拓寬到更廣泛的無(wú)機(jī)物中。隨著固相新涂層的不斷推出，離子交換涂層（無(wú)機(jī)物萃取）及生物親和力涂層（生物樣品萃?。┑膽?yīng)用范圍將會(huì)日益擴(kuò)大。

（2）隨著性能更好的萃取頭涂層材料的出現(xiàn)，如選擇性更高的印記分子固定相、對(duì)有機(jī)溶劑有更高穩(wěn)定性的聚合物涂層材料等，此方法的適用范圍必然能得到更大的擴(kuò)展，分析功能也會(huì)更強(qiáng)大。

（3）SPME將逐漸與其他高效分離檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用，如SPME－CE聯(lián)用技術(shù)、SPME－GC－MS聯(lián)用技術(shù)等，以及在此聯(lián)用技術(shù)中引入超臨界流體洗脫、流動(dòng)注射等技術(shù)，SPME方法的應(yīng)用必然會(huì)向著更廣闊的空間擴(kuò)展。

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Abstract:Solid－phase microextraction（SPME）is a new extraction separation technology developing on the basis of Solid－phase extraction in recent years．This technique is a simple and fast sample pretreatment technology，needs not organic extractant，and is an environmental friendly extraction process．It introduces Solid－phase microextraction＇s extracting principles，the extraction process and the application in water environmental monitoring．

Key words:solid－phase microextraction；environmental monitoring；organic compounds

Application of Solid－Phase Microextraction Technologyin Water Environmental Monitoring

Wang Yue
（Langzhong City Environmental monitoring station，Sichuan，Langzhong，637400）