固相微萃取技術(shù) (SPM衛(wèi))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(jiǎn)化了傳統(tǒng)前處理方法的繁瑣步驟，而且不會(huì)造成二次污染。
摘要：固相微萃取技術(shù) (SPM衛(wèi))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(jiǎn)化了傳統(tǒng)前處理方法的繁瑣步驟，而且不會(huì)造成二次污染。與其它樣品制備技術(shù)相比，SPME法具有操作時(shí)間短、樣品量小、無(wú)需萃取溶劑、適于分析揮發(fā)性與非揮發(fā)性物質(zhì)、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。因其攜帶方便、操作簡(jiǎn)便、測(cè)定快速、高效的特點(diǎn),且是一種無(wú)溶劑的樣品預(yù)處理方法。因此，它于1990年J.Pawliszyn 首先提出后，在短短幾年時(shí)間,廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域,如環(huán)境(包括水樣、土壤、空氣) 以及食品、藥物、毒理學(xué)等的分析研究。本文根據(jù)所查閱到的文獻(xiàn),對(duì)目前國(guó)際上固相微萃取法在環(huán)境中的應(yīng)用發(fā)展及其研究情況作一概述,并就該方法今后的可能發(fā)展方向進(jìn)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(tǒng)的液液萃取耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)量大且需
溶劑量大,近年來(lái)已多被固相萃取(SPE)所取代。但SPE仍是一個(gè)多步驟過(guò)程,仍需使用有機(jī)溶劑且僅適用于非揮發(fā)性物質(zhì),固相微萃取(SPME)是在固相萃取的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的嶄新的萃取分離技術(shù)。與其它樣品制備技術(shù)相比,SPME可一步完成取樣、萃取和濃縮,具有操作簡(jiǎn)便、快速、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。迄今為止,SPME已用于從空氣、水和土壤中提取有機(jī)物。本文著重論述SPME的原理及其在環(huán)境分析中的應(yīng)用。
2 固相微萃取(SPME)原理及裝置
2.1原理
當(dāng)被分析的有機(jī)物在萃取頭與萃取體系之間達(dá)到平衡,分析物與萃取頭之間有一分配系數(shù)K, 該分配系數(shù)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(guān)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(shù);
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(yuǎn)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(duì)于一定的萃取頭來(lái)說(shuō)其體積Vf 是固定的, 故N 與Co之間成線性關(guān)系,Co通過(guò)氣相色譜測(cè)定,
人們可以通過(guò)配制一系列Co來(lái)測(cè)定其響應(yīng)的N值,從而獲得該分析物的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線,
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
2 工作曲線測(cè)得樣品的N值后便可計(jì)算樣品的濃度。
2.2 裝置
SPME裝置(詳見(jiàn)圖l)實(shí)際就像一個(gè)微量進(jìn)樣器主要由兩部分構(gòu)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(zhǎng)1cm涂漬有不同固定相的熔融石英纖維通過(guò)不銹鋼管將它安裝到微量注射器上。平時(shí)萃取頭收于注射器針頭內(nèi)，使用時(shí)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(jìn)行萃取。待有機(jī)物在兩相達(dá)到吸附平衡后，將萃取頭收回針頭內(nèi)，撤離進(jìn)樣器，完成萃取過(guò)程。進(jìn)樣時(shí)，將該注射器直接插入氣相色譜儀的進(jìn)樣室，推出萃取頭直接在進(jìn)樣口進(jìn)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(guò)程的因素包括萃取方式、涂層的特性、萃取過(guò)程的溫度和時(shí)間、鹽效應(yīng)(離子強(qiáng)度)、有機(jī)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(zhì),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(duì)分析物的選擇萃取有影響.石英纖維表面固相涂層的性質(zhì)對(duì)分析靈敏度影響也很大.根據(jù)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(duì)非極性或極性小的有機(jī)物的分離,極性固相涂層(如聚丙烯酸酯)對(duì)極性有機(jī)物的分離效果較好。涂層的厚度對(duì)于分析物的吸附量和平衡時(shí)間都有影響厚的固定相涂層適于揮發(fā)性的化合物,而薄一些的固定相萃取大分子或半揮發(fā)性的化合物更顯優(yōu)勢(shì).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(dá)到平衡需要時(shí)間長(zhǎng),分析速度慢。
3.2 萃取時(shí)間
SPME技術(shù)是基于分配平衡的過(guò)程,對(duì)目標(biāo)分析物最大的萃取量在平衡時(shí)間達(dá)到.攪拌樣品促進(jìn)了分析物的擴(kuò)散,可以減少達(dá)到平衡需要的時(shí)間.在實(shí)際應(yīng)用中,有較低分配常數(shù)的化合物需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡。為了獲得良好重現(xiàn)性的數(shù)據(jù),操作過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制萃取時(shí)間保持一定。
3.3 萃取溫度
溫度對(duì)萃取過(guò)程有雙重影響。溫度升高,分析物的擴(kuò)散系數(shù)增大,擴(kuò)散速度隨之增大,同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)流過(guò)程,有利于縮短平衡時(shí)間。另一方面,吸收是一個(gè)放熱的過(guò)程,溫度的升高會(huì)使分析物的分配系數(shù)K減小。因此在使用SPME方法時(shí)應(yīng)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(jìn)了分析物的擴(kuò)散和縮短了平衡時(shí)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(cè)物在靜止水層中擴(kuò)散很慢,其濃度呈下降趨勢(shì).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(cè)物從液相到氣相或纖維涂層的遷移速率,從而加快待測(cè)物的全程質(zhì)量遷移。
3.5 鹽效應(yīng)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(shù)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?？刂迫芤旱?/span>pH能夠改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度,也能改變有機(jī)物在水中的溶解度。在萃取酸及堿時(shí),可以調(diào)節(jié)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(guò)程需要優(yōu)化的重要參數(shù),它直接關(guān)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(shù)K有關(guān),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(yīng)的影響
基體效應(yīng)對(duì)分析物的萃取效率也有影響。存在于真實(shí)水樣品中的有機(jī)物,如腐殖酸和褐菌素能于溶解的其他有機(jī)物質(zhì)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(shí),有機(jī)和無(wú)機(jī)等多種成分的存在會(huì)導(dǎo)致明顯的競(jìng)爭(zhēng)吸附。
4 固相微萃取法的適用范圍及應(yīng)用條件
固相微萃取裝置既可用于液態(tài)樣品的測(cè)定(通過(guò)浸漬萃取或頂空萃取)又可用于固態(tài)樣品的預(yù)處理(頂空萃取)和氣體樣品預(yù)處理。由于解吸時(shí)沒(méi)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(xì)管柱可以很短很細(xì),這可以大大的加快分析速度提高檢測(cè)限。用于測(cè)定分析物時(shí),主要是依賴于萃取頭的性質(zhì)(包括萃取頭的類型與厚度)。應(yīng)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(duì)于低分子量、揮發(fā)性的有機(jī)物通常選用100μm聚二甲基硅氧烷類(PDMS)的萃取頭,對(duì)于大分子量半揮發(fā)性的有機(jī)物常用7μmPDMS的萃取頭;而對(duì)一些強(qiáng)極性的物質(zhì),經(jīng)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(diǎn)的強(qiáng)脂性物質(zhì)。另外對(duì)一些難以萃取的化合物,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜?/span>,改變體系的溫度,加入一些氯化鈉調(diào)節(jié)體系的鹽度,或者是調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)?/span>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(huán)境分析中的應(yīng)用
固相微萃取法最初出現(xiàn)的時(shí)候是應(yīng)用于環(huán)境樣品的分析,至今其在環(huán)境樣品中分析的發(fā)展的也是最快,應(yīng)用最多的,有固態(tài)(如沉積物、土壤等)、液態(tài)(地下水、飲用水、廢水等)及氣態(tài)(空氣等廢氣)的樣品分析。
5.1 揮發(fā)性有機(jī)物
SPME分析的第一類化合物是苯、甲苯、乙苯及二甲苯異構(gòu)體(BTEX)。BTEX的萃取可在水溶液中直接進(jìn),也可在氣相或水相上部進(jìn)行。Page和Lacroix采用SPME萃取頭在水相上部萃取測(cè)定了33種鹵代易揮發(fā)物。Authur,Potter等人使用100μm聚二甲基硅氧烷涂層對(duì)水溶液中的BTEX進(jìn)行Di-SPME-GC-MS法分析,取得較好的結(jié)果,檢測(cè)限(LODs)達(dá)到1-15pg/mL水平,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%。Zhang則用HS-SPME-GC法進(jìn)行測(cè)定,達(dá)到平衡所需的時(shí)間縮短,分析速度明顯提高。
5.2 殺蟲(chóng)劑
環(huán)境污染中殺蟲(chóng)劑的測(cè)定是一項(xiàng)非常重要的工作。Eisert和Levsen利用85μm的PA萃取頭測(cè)定了有機(jī)磷等34種殺蟲(chóng)劑。Boyd-Boland等利用100μm PDMS、95μmPA萃取頭測(cè)定了有機(jī)磷、有機(jī)氯等60種殺蟲(chóng)劑。
5.3農(nóng)藥 在農(nóng)業(yè)上,由于農(nóng)藥的大量使用,其殘留物對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞是長(zhǎng)期而隱蔽的,同時(shí)也危及人類的健康。農(nóng)藥組分繁多,樣品處理步驟復(fù)雜,分析靈敏度和準(zhǔn)確性往往不高。使用SPME-GC對(duì)有機(jī)農(nóng)藥的分析,檢出限通常在ng/L-ug/L水平。Boyd-Boland等人對(duì)水中60種農(nóng)藥通過(guò)SPME-GC進(jìn)行同時(shí)測(cè)定,實(shí)驗(yàn)表明方法的檢測(cè)限達(dá)到pg/mL水平。尤其在分析水中的農(nóng)藥殘留應(yīng)用的比較多,如分析污水及飲用水中的有機(jī)氯農(nóng)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(cè),不使用溶劑,快速、準(zhǔn)確,結(jié)果令人滿意。Shiry用微固相萃取和細(xì)孔毛細(xì)管分析環(huán)境樣品中的農(nóng)藥殘留。
5.3 酚類
PA萃取頭的出現(xiàn),使得酚類這一類極性物質(zhì)的SPME成為可能。通過(guò)調(diào)節(jié)pH值和加無(wú)機(jī)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(shí)現(xiàn)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(jié)合,測(cè)定了土壤中的氯代酚。
5.4 其它PAHs是環(huán)境中普遍存在的污染物,具有潛在的致癌性,誘導(dǎo)有機(jī)體突變及有毒性。由于PAHs在環(huán)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(zhì)嚴(yán)重污染。它揮發(fā)性不強(qiáng),屬于半揮發(fā)性有機(jī)物.Potter和Pawliszyn等人分別用直接和頂空SPME-GC方法對(duì)污水和土壤中的PHAs進(jìn)行分析,LODs達(dá)到pg/mL水平。實(shí)驗(yàn)表明,SPME-GC方法可作為環(huán)境檢測(cè)中半揮發(fā)性污染物的定量分析手段。SPME還可應(yīng)用于飲料中咖啡因的測(cè)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(shí)現(xiàn)了脂肪酸的SPME分析。SPME甚至還可用于分析無(wú)機(jī)物,Otu和Pawliszyn利用SPME和光度法聯(lián)用實(shí)現(xiàn)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(gè)數(shù)和取代位置的不同,不PCBs異構(gòu)體在室溫下是固體狀態(tài),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(xué)性質(zhì)(不可燃性、穩(wěn)定性、親油性),使得PCBs曾在工農(nóng)業(yè)中大規(guī)模的使用。PCBs一旦進(jìn)入環(huán)境,便會(huì)通過(guò)傳播過(guò)程遍布于生態(tài)系統(tǒng)中。由于PCBs本身親脂性且降解相當(dāng)緩慢,極易進(jìn)入和富集在高級(jí)的食物鏈中。Llompart等人采用100℃下頂SPME-GC方法對(duì)水溶液中的PCBs進(jìn)行分析,得到了較好的線性關(guān)系和靈敏度,檢測(cè)限達(dá)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(huán)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(duì)健康造成危害。于酞酸酯在水溶液中的溶解度和揮發(fā)性較小,測(cè)定它在水溶液中的微量至痕量濃度困難較大。
5 傳統(tǒng)的樣品處理過(guò)程中要用到大量的有毒副作用的氯仿,對(duì)環(huán)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(jié)合測(cè)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(duì)水中的其余的酞酸酯進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果均在美國(guó)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(shù)展望
SPME技術(shù)出現(xiàn)已十多年,應(yīng)用領(lǐng)域日趨增大,其高效、快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)已得到大家識(shí)。今后SPME技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì):(1)進(jìn)一步發(fā)展SPME與各種分析儀器的聯(lián)用。SPME與氣相色譜儀的聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)很成熟,與其他分析手段如HPLC、CE的聯(lián)用還有待進(jìn)一步發(fā)展。這些技術(shù)的聯(lián)用都必將促使固相微萃取用于更多領(lǐng)域的分析。(2)研制更多新型涂層和涂漬技術(shù)的改進(jìn),使得SPME涂層的各種性能得到更大的提高。(3)使裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)更趨完善和成熟.目前,多數(shù)SPME的應(yīng)用工作停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),如何對(duì)SPME裝置及外圍設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),使其適應(yīng)工業(yè)和野外自動(dòng)采樣、自動(dòng)檢測(cè)也將是SPME的研究方向。(4)理論模型的發(fā)展。SPME理論模型是進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ),十多年來(lái),SPME的理論模型已得到很大的發(fā)展,但隨著新型涂層的出現(xiàn),SPME的理論也將會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。
SPME技術(shù)的出現(xiàn)，為分析化學(xué)中樣品前處理領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)革命。隨著對(duì)待測(cè)物，樣品基體和固定相涂層之間相互作用理論的進(jìn)一步深人研究，隨著新型固定相材料(的不斷開(kāi)發(fā)，隨著SPME技術(shù)與其它分析儀器聯(lián)用研究的進(jìn)一步深入，SPME技術(shù)的應(yīng)用范圍必將日趨廣泛。SPME發(fā)展的“平民化”，即進(jìn)一步改善吸附性能，增加其對(duì)待測(cè)物的萃取量，使之在一般實(shí)驗(yàn)室CC的檢測(cè)器上可響應(yīng)，而不必使用靈敏度高但價(jià)格昂貴的質(zhì)譜，氫火焰離子檢測(cè)器等，這是SPME技術(shù)進(jìn)一步推廣實(shí)現(xiàn)大范圍商品化的關(guān)鍵所在。總之，SPM[E技術(shù)是一項(xiàng)非常具有發(fā)展前途的技術(shù)，必將取代某些傳統(tǒng)技術(shù)，成為一種應(yīng)用范圍廣泛的、成熟的樣品前處理手段。