環(huán)境分析中固相萃取技術(shù)的運(yùn)用分析

易 盼，周 權(quán)，蹇 川，李文俊

（重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心有機(jī)污染物環(huán)境化學(xué)行為與生態(tài)毒理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400000）

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)化程度不斷提高，生態(tài)環(huán)境也因此受到很大影響，因工業(yè)活動(dòng)進(jìn)入水體、土壤和大氣中的大量對(duì)生物體有毒有害的物質(zhì)。對(duì)生物體和環(huán)境中痕量污染物質(zhì)的研究已成為一項(xiàng)非常重要的研究?jī)?nèi)容。然而，研究這個(gè)內(nèi)容往往比其他實(shí)驗(yàn)課題需要更多的精力，一方面，研究人員必須面對(duì)的測(cè)試樣品由不同的固-液-氣三相物質(zhì)組成，但大多以混合相的形式出現(xiàn)，濃度比較低，容易出現(xiàn)相互打擾。因此，在本研究中，重要的是通過適當(dāng)?shù)姆椒ǚ蛛x后富集測(cè)試樣品中的目標(biāo)物質(zhì)，與傳統(tǒng)的液分離方法相比，固相萃取技術(shù)因其目標(biāo)物回收率更快、分離過程更高效，而被廣泛應(yīng)用于樣品前處理。

1 固相萃取的基本原理及相關(guān)設(shè)備的介紹、操作步驟

在分析化學(xué)中，樣品制備的質(zhì)量是影響分析靈敏度、準(zhǔn)確度和分析速度的重要因素。固相萃取（SPE）是一種在樣品預(yù)處理過程中進(jìn)行樣品富集的方法。自20世紀(jì)70 年代后期推出以來，SPE 技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于環(huán)境、制藥、臨床醫(yī)學(xué)和食品應(yīng)用。

1.1 固相萃取的基本原理

固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）利用吸附劑吸附液體樣品中的目標(biāo)化合物，將其從樣品基質(zhì)和干擾化合物中分離出來，然后用洗脫液洗脫，以達(dá)到分離或富集目標(biāo)化合物的目的。固相萃取實(shí)際上采用液相色譜的分離原理，分離方式主要有反相、正相、離子交換和吸附。固相萃取所用的吸附劑與液相色譜常用的固定相相同，只是涂層的形狀和粒徑不同。一般來說，固相萃取柱的粒徑分布比液相色譜柱寬，固相萃取柱是一次性的。

固相萃取柱的吸附劑通常纏繞在聚丙烯柱的底部，并用聚丙烯或聚四氟乙烯熔塊和96 孔型固相萃取柱的頂層和底層固定，SPE 小柱有各種尺寸和規(guī)格，適用于吸附劑類型和裝載量。

1.2 固相萃取裝置

固相萃取裝置通常由固相萃取柱和附件兩部分組成。最常見的配件有真空系統(tǒng)、真空泵、進(jìn)樣器、緩沖瓶等，固相萃取柱有兩種，其中一種是最常用的固相萃取柱，比較簡(jiǎn)單的固相萃取柱通常是由玻璃或塑料（如聚丙烯和聚乙烯）制成的小柱。第二種叫做固相萃取盤，里面裝有純聚四氟乙烯圓片。

1.3 固相萃取步驟

（1）預(yù)洗。預(yù)洗一般使用強(qiáng)溶劑預(yù)沖洗小柱，以去除可能在生產(chǎn)或儲(chǔ)存期間被小柱吸附的污染物，如果產(chǎn)品包裝是密封的，并且清楚地說明它已經(jīng)過預(yù)洗，則不需要此步驟。

（2）活化。為確保樣品在小柱中充分保留，首先用較強(qiáng)洗脫能力的溶劑潤(rùn)濕吸附劑，然后用較弱洗脫能力的溶劑潤(rùn)濕小柱。

（3）上樣。選擇一種較弱的溶劑來溶解樣品，將液體樣品轉(zhuǎn)移至SPE 小柱后，未著色或保留較弱的組分將與溶劑一起流出，而測(cè)試組分和其他固體保留組分仍被吸附。

（4）沖洗。用非洗脫溶劑（溶劑樣品或稍強(qiáng)的溶劑）沖洗待凈化的小柱組件，然后通過真空或高速離心沖洗以去除殘留溶劑。

（5）淋洗。待測(cè)組分用盡可能少的強(qiáng)溶劑洗脫，而剩余的強(qiáng)基質(zhì)組分保留在包裝中，收集的洗脫液可以進(jìn)一步濃縮或用合適的溶劑稀釋，但也可以直接進(jìn)樣使用。SPE 吸附模式的步驟如圖1 所示。

圖1 SPE 吸附模式的步驟

2 SPE 固相萃取的工藝開發(fā)

需要注意的是，固相萃取中吸附劑、分離模式和溶劑的選擇最終取決于目標(biāo)化合物和樣品基質(zhì)的性質(zhì)。換言之，在開發(fā)固相萃取方法之前，SPE 應(yīng)盡可能多地獲取有關(guān)樣品的附加信息。被測(cè)組分需要考慮的因素包括：分子結(jié)構(gòu)、pKa、極性、官能團(tuán)、樣品的溶解度和穩(wěn)定性、適用的技術(shù)或儀器對(duì)最終溶劑的種類和濃度的要求等；對(duì)于樣品基質(zhì)，應(yīng)嘗試評(píng)估和了解所有可能的干擾物質(zhì)及其類似官能團(tuán)的性質(zhì)，例如pKa、pH、離子強(qiáng)度、溶劑的溶解度和穩(wěn)定性。SPE 方法必須具有可靠的氣相或液相系統(tǒng)來提供準(zhǔn)確的定性和定量信息，每個(gè)相的結(jié)合、相和洗脫溶劑的選擇。首先通過待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化選擇，以確保標(biāo)準(zhǔn)分析物質(zhì)的最大回收率。最后對(duì)空白樣品、實(shí)際樣品和加標(biāo)樣品分析，用于確定干擾物的存在并嚴(yán)格檢查樣品回收率，進(jìn)一步優(yōu)化了洗脫溶劑的種類和強(qiáng)度[1]。

3 固相萃取技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)藥的廣泛使用，一些水體、土壤、大氣和環(huán)境中的有機(jī)污染物含量已超過法定限值。另一方面，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)境中有機(jī)污染物的控制越來越嚴(yán)格，檢測(cè)技術(shù)需要更快、更方便、更靈敏、更可靠。因此，固相萃取廣泛應(yīng)用于環(huán)境分析，為環(huán)境分析人員提供了一種優(yōu)良的前處理技術(shù)，以替代傳統(tǒng)的萃取、純化和濃縮方法。

3.1 固相萃取法測(cè)定環(huán)境試驗(yàn)中的農(nóng)藥

識(shí)別和確定作為環(huán)境污染的常見來源的農(nóng)藥殘留尤為重要。目前國(guó)內(nèi)農(nóng)林使用的農(nóng)藥很多，但由于農(nóng)藥本身毒性很大，農(nóng)藥污染問題就非常重要，一直是環(huán)境化學(xué)研究的重點(diǎn)。研究表明，高達(dá)99%的農(nóng)藥殘留在土壤中或以其他方式進(jìn)入水循環(huán)，已成為水污染的主要來源，因此農(nóng)藥殘留的檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于周圍環(huán)境，可以更靈敏、準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)方法有效幫助測(cè)定水中農(nóng)藥殘留。由于不同水庫(kù)中水和各種干擾物質(zhì)的稀釋作用，一種有效而準(zhǔn)確的農(nóng)藥殘留分析方法一直是農(nóng)藥污染控制的障礙。近年來隨著固相萃取技術(shù)的快速發(fā)展，為高污染水介質(zhì)中各種農(nóng)藥的檢測(cè)提供了技術(shù)支持，固相萃取是三廢分析中常用的提純方法，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家利用該技術(shù)鑒定了多種農(nóng)藥，并開發(fā)了一種快速簡(jiǎn)便的固相萃取方法，用于有機(jī)農(nóng)藥的系統(tǒng)分析并且在業(yè)界很受歡迎。

3.2 固相萃取法測(cè)定環(huán)境試驗(yàn)中的金屬元素

許多重金屬元素對(duì)人體有害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致中毒或癌癥。目前，非法將工業(yè)廢水直接排入河流的工廠越來越多，因此環(huán)境中金屬元素的分離檢測(cè)也非常重要，另一方面，一些金屬的檢測(cè)和提取對(duì)于冶金工業(yè)也很重要。

目前金屬元素固相萃取最常見的領(lǐng)域是水的軟化、脫鹽、去離子等水的凈化。此外，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家常采用固相萃取法來鑒別金屬元素。本人利用固相萃取富集高效液相色譜法檢測(cè)中藥模型中四種金屬元素的存在。選擇C18 作為固相萃取柱，對(duì)氯磺化氮和汞的色絡(luò)合物進(jìn)行定量，用四氫呋喃洗脫，分光光度法檢測(cè)，得到環(huán)境中微量汞元素[2]。

3.3 固相萃取法測(cè)定環(huán)境試驗(yàn)中的多環(huán)芳烴

將多環(huán)芳烴鑒定為環(huán)境污染最重要的指標(biāo)之一尤為重要，一般來說，多環(huán)芳烴中作為致癌物的3，4-苯并芘在水中的含量應(yīng)小于0.01mg/L，這是飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。而如果要知道水中苯并芘的成分，主要是要區(qū)分其他有機(jī)物和苯并芘。SPE 和HPLC 是比較先進(jìn)的測(cè)定芘釋放量的方法，使用困難且不確定，取代了傳統(tǒng)的熒光分光光度法。SPE 后的PAH 回收率可達(dá)79%～104%，與標(biāo)準(zhǔn)僅相差2.5%。結(jié)果證實(shí)洗脫效果較好的是二氯甲烷，如果想要更好更清晰的回收率，可以在水中加入20%的有機(jī)改性劑。多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锞哂泻軓?qiáng)的致癌作用，由于其在水中的含量高，研究人員進(jìn)行了定量和定性分析。為此，專家們進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)改性劑的添加如何影響回收率。測(cè)定環(huán)境試驗(yàn)中的多環(huán)芳烴如圖2 所示。

圖2 測(cè)定環(huán)境試驗(yàn)中的多環(huán)芳烴

（1）萃取工具和試劑。固相萃取裝置共有12 個(gè)樣品位，分為普通液相色譜系統(tǒng)和具有多環(huán)芳烴的標(biāo)準(zhǔn)溶液。液相色譜系統(tǒng)增加C18 分析柱、HP1050 泵等。吲哚（1，2，3，-cd）芘0.8g/L、菲0.8g/L 等多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液。12 個(gè)樣位的固相萃取裝置如圖3 所示。

圖3 12 個(gè)樣位的固相萃取裝置

（2）固相萃取的條件。首先使用二氯甲烷清洗柱床，抽空流出液，分別用5mL 甲醇和水，接上裝有100mL 水樣的碘量瓶，水樣抽取后，清洗柱體，最后用溶劑洗脫成分。

（3）結(jié)論。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，多環(huán)芳烴用甲醇洗滌后有負(fù)面影響，而二氯甲烷則有正面影響，回收率有正面影響。與反相色譜相比，甲醇是一種弱洗脫劑，溶解度較差，因此多環(huán)芳烴不應(yīng)在反相色譜中洗滌。多環(huán)芳烴更易溶于二氯甲烷溶液中，性質(zhì)相近，因此回收率更高[3]。

3.4 固相萃取法檢測(cè)環(huán)境試驗(yàn)中的空氣污染物

對(duì)于半揮發(fā)性和揮發(fā)性空氣污染物，通常采用固相萃取、溶液吸附、低溫冷凝等采樣方法。本工作主要介紹固相萃取技術(shù)在空氣污染物檢測(cè)中的應(yīng)用。用于截留空氣和有機(jī)物固定相之間的化合物的分配系數(shù)在一個(gè)小柱子中，以達(dá)到富集的目的。

在分析空氣中的污染物時(shí)，90%的空氣污染是揮發(fā)性的，揮發(fā)性和半揮發(fā)性樣品通常通過固相萃取進(jìn)行富集。為達(dá)到富集有機(jī)化合物的目的，首先將較低溫度的空氣通過筒體并截留待測(cè)有機(jī)物，并將正常組分從筒體中排出。這種方法特別適用于發(fā)生污染事故時(shí)的取樣，因?yàn)樗子谑褂谩Ｎ痔厥劳瞥龅臍廨d醛/酮柱，由于包覆了2，4-二硝基苯肼，可用于汽車尾氣、外殼等，如環(huán)境空氣中的醛/酮。地面粉塵中甲基甲磺隆的痕量水平可通過自制的Florsil 固相萃取預(yù)處理柱的濃縮、純化和高效液相色譜進(jìn)行檢測(cè)。最后研究表明，甲磺隆在土壤粉塵中的回收率在89%～105%。多孔玻板吸收管如圖4 所示。

圖4 多孔玻板吸收管

4 固相萃取技術(shù)的展望

SPE 技術(shù)的使用越來越廣泛，預(yù)計(jì)將在以下領(lǐng)域發(fā)展。

（1）使用球形硅膠或聚合物作為填充基質(zhì)，改進(jìn)合成方法，提高柱效和重現(xiàn)性。

（2）采用具有高選擇性（或?qū)Ｒ恍裕┑男滦吞盍虾筒煌瑯O性的新型固相微萃取纖維，利用分子壓力技術(shù)獲得高專一性固相萃取材料。

（3）柱配置不斷改進(jìn)，以滿足不同機(jī)型的不同需求，提高效率和易用性。

（4）用新材料和填料制備SPE 裝置，擴(kuò)大SPE 在痕量分析中的應(yīng)用范圍。

（5）不斷改進(jìn)自動(dòng)化裝置，提高效率。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境的管理、檢測(cè)和保護(hù)的難度越來越大。本文首先簡(jiǎn)要介紹了固相檢測(cè)方法的原理和步驟，然后簡(jiǎn)要介紹了固相萃取技術(shù)在不同環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。固相萃取技術(shù)可以達(dá)到較高的回收率和富集率，同時(shí)在進(jìn)行固相萃取過程中高純有機(jī)溶劑用量很少的特點(diǎn)，減少了對(duì)環(huán)境的影響，這些優(yōu)點(diǎn)使得固相萃取技術(shù)的發(fā)展非常迅速。此外，相對(duì)簡(jiǎn)單的操作使得固相萃取技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，未來應(yīng)用潛力巨大。