摘要：固相微萃取技術 (SPM衛)是一種新型的樣品前處理方法，它可一步完成取樣革取和濃縮，簡化了傳統前處理方法的繁瑣步驟，而且不會造成二次污染。與其它樣品制備技術相比，SPME法具有操作時間短、樣品量小、無需萃取溶劑、適于分析揮發性與非揮發性物質、重現性好等優點。因其攜帶方便、操作簡便、測定快速、高效的特點,且是一種無溶劑的樣品預處理方法。因此，它于1990年J.Pawliszyn 首先提出后，在短短幾年時間,廣泛應用于各個研究領域,如環境(包括水樣、土壤、空氣) 以及食品、藥物、毒理學等的分析研究。本文根據所查閱到的文獻,對目前國際上固相微萃取法在環境中的應用發展及其研究情況作一概述,并就該方法今后的可能發展方向進行初步的探討
1 前言
樣品的前處理在樣品分析中占有重要的地位。傳統的液液萃取耗時長、勞動量大且需
溶劑量大,近年來已多被固相萃取(SPE)所取代。但SPE仍是一個多步驟過程,仍需使用有機溶劑且僅適用于非揮發性物質,固相微萃取(SPME)是在固相萃取的基礎上發展起來的嶄新的萃取分離技術。與其它樣品制備技術相比,SPME可一步完成取樣、萃取和濃縮,具有操作簡便、快速、易于實現自動化等特點。迄今為止,SPME已用于從空氣、水和土壤中提取有機物。本文著重論述SPME的原理及其在環境分析中的應用。
2 固相微萃取(SPME)原理及裝置
2.1原理
當被分析的有機物在萃取頭與萃取體系之間達到平衡,分析物與萃取頭之間有一分配系數K, 該分配系數與分析物在萃取體系中的量及萃取頭分析物的量有如下關系:
K= Cf/ Cs
Co = (CfVf + CsVs) / Vs
Cs = (CoVs - CfVf) / Vs
N= CfVf
K= NVs/ (VfCoVs - NVf)
N= KVfCoVs/ (Vs + KVf)
K:分析物在萃取頭和樣品間的分配系數;
Co :分析物在萃取前樣品中的濃度;
Cs :分析物在萃取后樣品中的濃度;
Cf :分析物在萃取頭中的濃度;
Vf :萃取頭的體積;
Vs :樣品的體積;
N：吸附于萃取頭上的分析物的量。
由于KVf遠小于n Vs ,所以N= KVfCo,K值取訣于萃取頭一定的固定相類型,而對于一定的萃取頭來說其體積Vf 是固定的, 故N 與Co之間成線性關系,Co通過氣相色譜測定,
人們可以通過配制一系列Co來測定其響應的N值,從而獲得該分析物的標準工作曲線,
根據標準
2 工作曲線測得樣品的N值后便可計算樣品的濃度。
2.2 裝置
SPME裝置(詳見圖l)實際就像一個微量進樣器主要由兩部分構成一部分是萃取頭另一
部分是微量注射器。萃取頭是一根長1cm涂漬有不同固定相的熔融石英纖維通過不銹鋼管將它安裝到微量注射器上。平時萃取頭收于注射器針頭內，使用時以針頭插人樣品瓶中，推出萃取頭，使萃取頭浸漬在樣品中或置于樣品上空進行萃取。待有機物在兩相達到吸附平衡后，將萃取頭收回針頭內，撤離進樣器，完成萃取過程。進樣時，將該注射器直接插入氣相色譜儀的進樣室，推出萃取頭直接在進樣口進行熱解析即可。
圖
1 SPME
裝置圖
3 固相微萃取的影響因素
影響SPME萃取過程的因素包括萃取方式、涂層的特性、萃取過程的溫度和時間、鹽效應(離子強度)、有機溶劑的加入、溶液的pH、溶液的攪拌以及溶液體積的影響等。其中影響SPME方法靈敏度的因素有涂層的厚度及性質,樣品基體的處理和萃取溫度等。影響分析速度的則主要是溫度及溶液的攪拌效率。
3.1 涂層的影響
涂層的類型、厚度及極性的差異都將對分析物的選擇萃取有影響.石英纖維表面固相涂層的性質對分析靈敏度影響也很大.根據相似相溶原理,非極性固相涂層(如聚二甲基硅氧烷)有利于對非極性或極性小的有機物的分離,極性固相涂層(如聚丙烯酸酯)對極性有機物的分離效果較好。涂層的厚度對于分析物的吸附量和平衡時間都有影響厚的固定相涂層適于揮發性的化合物,而薄一些的固定相萃取大分子或半揮發性的化合物更顯優勢.涂層越厚,吸附量越大,有利于提高方法的靈敏度,但是厚的涂層達到平衡需要時間長,分析速度慢。
3.2 萃取時間
SPME技術是基于分配平衡的過程,對目標分析物最大的萃取量在平衡時間達到.攪拌樣品促進了分析物的擴散,可以減少達到平衡需要的時間.在實際應用中,有較低分配常數的化合物需要較長時間才能達到平衡。為了獲得良好重現性的數據,操作過程中應該嚴格控制萃取時間保持一定。
3.3 萃取溫度
溫度對萃取過程有雙重影響。溫度升高,分析物的擴散系數增大,擴散速度隨之增大,同時也加強了對流過程,有利于縮短平衡時間。另一方面,吸收是一個放熱的過程,溫度的升高會使分析物的分配系數K減小。因此在使用SPME方法時應該尋找最佳萃取溫度。
3.4 攪拌及攪拌速率
效率是影響分析速度的重要因素。攪拌促進了分析物的擴散和縮短了平衡時間,攪拌還將影響其分析靈敏度.在不攪拌和攪拌不足的情況下,由于纖維和液相間存在一層薄薄的靜止水層,待測物在靜止水層中擴散很慢,其濃度呈下降趨勢.提高液相的攪拌速率,可以減少纖維表面靜止水層的厚度,提高待測物從液相到氣相或纖維涂層的遷移速率,從而加快待測物的全程質量遷移。
3.5 鹽效應和溶液pH值的影響
在水溶液中加入鹽,可以減少樣品的溶解度,氣液兩相間分配平衡常數增大,使分析物更
容易被萃取頭上的涂層保留,提高涂層的萃取量和分析靈敏度。控制溶液的pH能夠改變溶液的離子強度,也能改變有機物在水中的溶解度。在萃取酸及堿時,可以調節溶液的pH值使它們以中性分子的形式存在,溶解度減小,K值增大,更有利于有效萃取。
3.6 樣品體積的影響
樣品的體積是SPME萃取過程需要優化的重要參數,它直接關系到方法的靈敏度.樣品的體積通常比纖維的體積大,分析物的萃取量直接與分析物在纖維和液相之間的分配系數K有關,K值大的化合物更容易受到樣品體積的影響。
3.7 基體效應的影響
基體效應對分析物的萃取效率也有影響。存在于真實水樣品中的有機物,如腐殖酸和褐菌素能于溶解的其他有機物質和分析物相互作用,減少萃取量。在萃取含水的自然泥漿沉淀物時,有機和無機等多種成分的存在會導致明顯的競爭吸附。
4 固相微萃取法的適用范圍及應用條件
固相微萃取裝置既可用于液態樣品的測定(通過浸漬萃取或頂空萃取)又可用于固態樣品的預處理(頂空萃取)和氣體樣品預處理。由于解吸時沒有溶劑的注入,且分析物很快被解吸送入氣相色譜柱,所以所用的毛細管柱可以很短很細,這可以大大的加快分析速度提高檢測限。用于測定分析物時,主要是依賴于萃取頭的性質(包括萃取頭的類型與厚度)。應該選擇哪一種的萃取頭,這由分析物的分子量及極性所決定。例如對于低分子量、揮發性的有機物通常選用100μm聚二甲基硅氧烷類(PDMS)的萃取頭,對于大分子量半揮發性的有機物常用7μmPDMS的萃取頭;而對一些強極性的物質,經常用聚丙烯酸酯類的萃取頭,此外,還有活性炭萃取頭,適合于分析極低沸點的強脂性物質。另外對一些難以萃取的化合物,可以通過適當的加熱,改變體系的溫度,加入一些氯化鈉調節體系的鹽度,或者是調節適當的pH值以獲得最高回收率的最佳萃取條件。
5 固相微萃取在環境分析中的應用
固相微萃取法最初出現的時候是應用于環境樣品的分析,至今其在環境樣品中分析的發展的也是最快,應用最多的,有固態(如沉積物、土壤等)、液態(地下水、飲用水、廢水等)及氣態(空氣等廢氣)的樣品分析。
5.1 揮發性有機物
SPME分析的第一類化合物是苯、甲苯、乙苯及二甲苯異構體(BTEX)。BTEX的萃取可在水溶液中直接進,也可在氣相或水相上部進行。Page和Lacroix采用SPME萃取頭在水相上部萃取測定了33種鹵代易揮發物。Authur,Potter等人使用100μm聚二甲基硅氧烷涂層對水溶液中的BTEX進行Di-SPME-GC-MS法分析,取得較好的結果,檢測限(LODs)達到1-15pg/mL水平,相對標準偏差小于8%。Zhang則用HS-SPME-GC法進行測定,達到平衡所需的時間縮短,分析速度明顯提高。
5.2 殺蟲劑
環境污染中殺蟲劑的測定是一項非常重要的工作。Eisert和Levsen利用85μm的PA萃取頭測定了有機磷等34種殺蟲劑。Boyd-Boland等利用100μm PDMS、95μmPA萃取頭測定了有機磷、有機氯等60種殺蟲劑。
5.3農藥 在農業上,由于農藥的大量使用,其殘留物對生態環境的破壞是長期而隱蔽的,同時也危及人類的健康。農藥組分繁多,樣品處理步驟復雜,分析靈敏度和準確性往往不高。使用SPME-GC對有機農藥的分析,檢出限通常在ng/L-ug/L水平。Boyd-Boland等人對水中60種農藥通過SPME-GC進行同時測定,實驗表明方法的檢測限達到pg/mL水平。尤其在分析水中的農藥殘留應用的比較多,如分析污水及飲用水中的有機氯農藥,利用SPM提取水中莠去津、乙草胺,然后分別利用GC的NPD、EC檢測,不使用溶劑,快速、準確,結果令人滿意。Shiry用微固相萃取和細孔毛細管分析環境樣品中的農藥殘留。
5.3 酚類
PA萃取頭的出現,使得酚類這一類極性物質的SPME成為可能。通過調節pH值和加無機鹽可提高此類化合物的萃取效率。Buchholz等利用PA萃取頭成功地實現了此類化合物的直接或水相上部的SPME。Wennrich等人用水作為萃取溶劑將ASE與SPME結合,測定了土壤中的氯代酚。
5.4 其它PAHs是環境中普遍存在的污染物,具有潛在的致癌性,誘導有機體突變及有毒性。由于PAHs在環境中廣泛分布和親脂特性,食用油和脂肪都可以被這些致癌物質嚴重污染。它揮發性不強,屬于半揮發性有機物.Potter和Pawliszyn等人分別用直接和頂空SPME-GC方法對污水和土壤中的PHAs進行分析,LODs達到pg/mL水平。實驗表明,SPME-GC方法可作為環境檢測中半揮發性污染物的定量分析手段。SPME還可應用于飲料中咖啡因的測量。Pan等利用在PA和PDMS萃取頭上分別衍生上一層1-芘基重氮甲烷(PDAM),從而實現了脂肪酸的SPME分析。SPME甚至還可用于分析無機物,Otu和Pawliszyn利用SPME和光度法聯用實現了Bi(Ⅲ)的分析。
PCBs是一類很重要的氯代芳香污染物,由于氯的取代個數和取代位置的不同,不PCBs異構體在室溫下是固體狀態,有一定的蒸汽壓,難溶于水,耐酸、耐堿、耐熱,而混合物則為粘稠的液體。隨著分子中含氯量的增加,水溶性及蒸汽壓、降解能力均下降。由于PCBs的化學性質(不可燃性、穩定性、親油性),使得PCBs曾在工農業中大規模的使用。PCBs一旦進入環境,便會通過傳播過程遍布于生態系統中。由于PCBs本身親脂性且降解相當緩慢,極易進入和富集在高級的食物鏈中。Llompart等人采用100℃下頂SPME-GC方法對水溶液中的PCBs進行分析,得到了較好的線性關系和靈敏度,檢測限達到pg/mL水平。酞酸酯是一類廣泛使用的塑料增塑劑,它在水環境中的濃度大約為0.1ppb—1000ppb.這是一類全球性污染物,能在人體中逐漸積累,有致癌和致畸變的后果,對健康造成危害。于酞酸酯在水溶液中的溶解度和揮發性較小,測定它在水溶液中的微量至痕量濃度困難較大。
5 傳統的樣品處理過程中要用到大量的有毒副作用的氯仿,對環境造成污染,且有害操作人員的健康。Penalver等人用85μmPA纖維與GC-MS法相結合測定了六種酞酸酯和雙(2-乙基己基)己二酸酯,該方法的檢出限在0.006mg/L—0.17mg/L范圍.利用自制的PF涂層對水中的其余的酞酸酯進行了測定,結果均在美國USEPA公布的水中允許存在的酞酸酯的含量以下。
6固相微萃取技術展望
SPME技術出現已十多年,應用領域日趨增大,其高效、快速、簡便的優點已得到大家識。今后SPME技術的發展趨勢:(1)進一步發展SPME與各種分析儀器的聯用。SPME與氣相色譜儀的聯用技術已經很成熟,與其他分析手段如HPLC、CE的聯用還有待進一步發展。這些技術的聯用都必將促使固相微萃取用于更多領域的分析。(2)研制更多新型涂層和涂漬技術的改進,使得SPME涂層的各種性能得到更大的提高。(3)使裝置自動控制系統更趨完善和成熟.目前,多數SPME的應用工作停留在實驗室內,如何對SPME裝置及外圍設備進行改進,使其適應工業和野外自動采樣、自動檢測也將是SPME的研究方向。(4)理論模型的發展。SPME理論模型是進行定量分析的基礎,十多年來,SPME的理論模型已得到很大的發展,但隨著新型涂層的出現,SPME的理論也將會得到更進一步的發展。
SPME技術的出現，為分析化學中樣品前處理領域帶來了一場革命。隨著對待測物，樣品基體和固定相涂層之間相互作用理論的進一步深人研究，隨著新型固定相材料(的不斷開發，隨著SPME技術與其它分析儀器聯用研究的進一步深入，SPME技術的應用范圍必將日趨廣泛。SPME發展的“平民化”，即進一步改善吸附性能，增加其對待測物的萃取量，使之在一般實驗室CC的檢測器上可響應，而不必使用靈敏度高但價格昂貴的質譜，氫火焰離子檢測器等，這是SPME技術進一步推廣實現大范圍商品化的關鍵所在。總之，SPM[E技術是一項非常具有發展前途的技術，必將取代某些傳統技術，成為一種應用范圍廣泛的、成熟的樣品前處理手段。