固相微萃取聯用氣相色譜-質譜法快速分析水中痕量苯系物

陳國勝，王少涵，陳月媚，謝浩志，肖華，陳滔，于祿丹，李厚金，朱芳，歐陽鋼鋒

中山大學化學學院，廣州 510275

固相微萃取(Solid phase microextraction, SPME)是1990年由加拿大Waterloo大學Pawliszyn教授的工作小組提出的樣品前處理方法。樣品前處理是分析檢測的關鍵步驟，直接影響樣品的分析檢測時間和分析方法的靈敏度。傳統的樣品前處理如液液萃取、固相萃取等方法費時費力，并消耗大量有機溶劑，易對環境造成二次污染，同時也會對分析測試人員的健康造成危害。而SPME技術是一種集采樣、萃取、濃縮和進樣于一體的，簡便、快速、無溶劑消耗的新型綠色樣品前處理技術[1]。微型化的萃取形式使得采樣過程非常便捷和迅速，并且對所萃取基質的干擾很小。SPME的優勢促使其演變為可研究復雜系統中化學反應、分配平衡及重要物理化學參數性質的有效工具[2,3]?；诖耍?001年美國化學學會Analytical Chemistry雜志將SPME與基質輔助激光解吸離子化技術、電噴霧技術、毛細管電泳技術、毛細管電泳DNA技術和微全分析系統一起評為1990–2000年分析化學領域的6個偉大創新[4]。如今，SPME技術發展迅速，在環境、食品、藥物分析和法醫鑒定等方面均得到了廣泛的應用。

據了解，目前國內高校化學類本科生的教學實驗通常采用傳統的樣品前處理方法對分析對象進行采集、萃取、濃縮，并未對實驗教學的這一步驟提出過高要求。事實上，樣品前處理過程是分析檢測的關鍵環節。因此，引入先進、環保的樣品前處理技術到實驗教學很有意義，一方面可以將思政元素融入課堂，樹立學生的綠色化學理念，另一方面能讓學生掌握先進的樣品前處理技術，感受前沿技術在分析領域帶來的革命性創新。

苯、甲苯、乙苯、二甲苯(Benzene、toluene、ethylbenzene、o-,m-, andp-xylenes，BTEX)被廣泛用于制造油漆、合成橡膠、農藥和化學中間體等。苯系物的來源廣泛，比如汽車尾氣，建筑裝飾材料中有機溶劑，如油漆的添加劑、日常生活中常見的膠粘劑、人造板家具等。BTEX化合物會泄露到土壤、沉積物和地下水中，造成環境污染。苯系物對生物體具有神經毒性和致癌性，會導致神經系統疾病或癌癥[5]。很多國家已把水中苯系物的濃度作為水環境常規監測的內容之一，并規定了嚴格的飲用水中苯系物濃度標準。因此，讓學生掌握水體中BTEX化合物的檢測方法十分必要。目前，針對水體中苯系物的SPME-GC-MS定量檢測方法已很成熟，將其引入本科實驗教學具備可行性。

在查閱文獻的基礎上，我們設計SPME-GC-MS方法快速檢測水中苯系物的實驗，希望借此將SPME技術引入到本科生化學實驗課程中，促進學生對SPME這一新型樣品前處理方法的學習和掌握。因此，我們實驗部分設計了條件優化的探究過程，讓學生認識到SPME方法的影響因素；設計了方法學考察部分，讓學生體驗到SPME方法的優越性；同時設計了實際水樣的檢測，讓學生能夠切身體會SPME方法在實際應用中發揮的簡便、快速、綠色環保的特點。

1 實驗目的

(1) 了解固相微萃取基本原理及應用，探究固相微萃取效果影響因素。

(2) 掌握氣相色譜-質譜分析方法的基本原理、分析過程及儀器基本結構。

2 實驗原理

SPME裝置主要由支撐層、涂層材料和保護層(非必要)組成。SPME有多種萃取形式，包括探針式SPME、刀片式SPME、管內SPME、薄膜SPME等，目前應用最廣泛的是探針式SPME (圖1a)，圖1b為固定SPME探針的進樣手柄。SPME探針分為商用探針和自制探針，常用的商用探針采用涂層材料有聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)、PDMS/二乙烯基苯(Divinyl benzene，DVB)、聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)和聚丙烯酸酯(Polyacrylate，PA)等，自制探針的涂層則采用包括納米材料、分子印跡聚合物、金屬有機框架、共價有機框架[6]、離子液體等新型材料[7]。SPME的核心部位就是SPME萃取涂層，可采用各種涂覆技術將涂層材料(高聚物或吸附劑)固定在石英纖維或不銹鋼絲上制備成SPME探針。在應用方面，SPME技術已從常規的氣液基質分析發展到原位活體分析，在生命分析和臨床方面等得到廣泛應用[8,9]。

圖1 SPME探針(a)及進樣手柄(b)示意圖

SPME的工作原理是將固定在支撐載體上的微型萃取相直接暴露于樣品體系，通過分析物的吸附或擴散作用進行萃取，當待測組分在樣品基質和萃取涂層之間達到分配平衡時，認為SPME過程完成。由于其微型化和便攜化的裝置設計，SPME可以與精密的檢測儀器，如氣相色譜、氣相色譜-質譜(如圖2所示)、高效液相色譜-質譜、毛細管電泳色譜-質譜和敞開式質譜等儀器聯用，從而實現采樣到分析檢測的一體化操作[10]。

圖2 SPME聯用GC-MS的工作示意圖

SPME的萃取方式主要包括直接萃取、頂空萃取兩種(圖3)。由于苯系物為易揮發性有機物，本實驗采用頂空萃取方式，即將SPME探針涂層置于待測溶液液面上部的氣相中。頂空萃取方式能有效避免探針涂層被基質干擾和污染。

圖3 SPME直接萃取(左)和頂空萃取(右)模式的示意圖

使用頂空萃取方式萃取分析物的量與分析物在三相中總的平衡有關。分析物總的質量在萃取平衡時將會保持恒定，因此：

式中，c0是分析物在樣品基質中的初始濃度；cf∞，ch∞，cs∞分別是萃取平衡時分析物在涂層、頂空和樣品基質中的濃度；Vf，Vh，Vs分別是涂層、頂空和樣品的體積。若將分析物在涂層材料與氣相間的分配系數定義為Kfh=cf∞/ch∞，在氣相與樣品基質間的分配系數定義為Khs=ch∞/cs∞，在涂層和樣品基質中的分配系數定義為Kfs=cf∞/cs∞，那么涂層上分析物的物質的量n=cf∞Vf∞可表示為：

而且

因為分析物在涂層/頂空之間的分配系數Kfh可用涂層/氣體的分配系數Kfg來近似。若忽略頂空中氣體的濕度，Khs可以用氣體/樣品基質之間的分配系數Kgs來近似。因此，式(3)又可為：

從式(4)中可看出被萃取的分析物的物質的量n與分析物在樣品中的初始濃度c0成正比，這是SPME定量分析的基礎[9]。

本次實驗采用固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用快速分析水中的BTEX。

3 儀器和試劑

3.1 實驗儀器

本實驗中所用到的標準物質和商用SPME探針見表1。

實驗所用不同濃度的BTEX混合標準儲備溶液均是由表1所示的苯系物配制(甲醇稀釋配制)，混合溶液中含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯。

表1 實驗中使用的主要試劑和商用SPME探針

3.2 實驗儀器

本實驗中所用到的儀器見表2。

4 實驗內容

4.1 氣相色譜-質譜聯用檢測

4.1.1 色譜條件

載氣：高純氦氣，采用恒流方式。

升溫條件：使用安捷倫的HP-5 MS (30 m (長) × 0.25 mm (內徑) × 0.25 μm (厚))的色譜柱進行色譜分離，采用不分流方式，程序升溫方式如表3所示。

4.1.2 質譜條件

溶劑延遲時間：0.5 min

電離方式：EI，電子能量：70 eV

質量掃描范圍(m/z)：50–300

測定方式：選擇離子模式(SIM，具體如表4所示)

表4 BTEX標樣的選擇離子列表

4.2 實驗步驟/方法

4.2.1 萃取條件優化

實驗操作如下：

將10 mL去離子水加到20 mL樣品瓶中，加入1 μL BTEX混合標準溶液(10 mg·L-1)，將樣品瓶置于電磁攪拌器的正上方，并用鐵夾固定；設置轉速，將SPME裝置的不銹鋼管穿透瓶蓋隔膜，插入樣品瓶中，用鐵夾固定SPME裝置，使裝置懸于樣品液面上部空間，確保探針不插入水樣；推手柄桿，伸出萃取頭，使萃取涂層暴露于溶液上方一定時間；萃取完成后，縮回萃取頭，取出不銹鋼管。

萃取結束后，將不銹鋼管插入氣相色譜儀的進樣口，推手柄桿，伸出萃取頭，熱解吸一段時間；解吸完成后，縮回萃取頭，迅速取出不銹鋼管，完成色譜進樣；待儀器完成分析檢測后，對目標物進行積分處理。條件優化過程中控制單一變量，且均平行進行三次實驗。

(1) 涂層材料。

分別使用PDMS100、PA85、PEG60三種涂層材料的探針進行萃取。

(2) 萃取時間優化。

分別在萃取時間1、2、3、 5、10、15 min的條件下進行萃取。

(3) 萃取溫度優化。

分別在萃取溫度30、35、40、45、50、55 °C的條件下進行萃取。

(4) 解吸時間優化。

分別在解吸時間1、2、5、8、10、15、20 s的條件下進行解吸。

(5) 解吸溫度優化。

分別在解吸溫度150、175、200、225、250、275 °C的條件下進行解吸。

4.2.2 方法學考察

(1) 方法標準曲線的繪制。

分別用去離子水配制濃度為100、500、1000、2000、5000、10000 ng·L-1的BTEX標準溶液系列。在SPME優化條件下，聯用GC-MS，分析檢測BTEX，以儀器檢測到的BTEX峰面積為縱坐標，BTEX濃度為橫坐標進行線性回歸分析，得到方法的標準曲線。

(2) 方法的檢出限與定量限。

在加標濃度100 ng·L-1的實驗中，使用公式(5)計算BTEX的檢出限DL，使用公式(6)計算BTEX的定量限QL。

式中，RN為基線噪聲，c為溶液濃度，h為相應峰高

4.2.3 實際水樣分析

采集河水和自來水，經過濾處理后，密封放置于冰箱4 °C儲存。利用上述建立的SPME分析方法對實際水體樣品進行萃取，并通過繪制的標準曲線定量實際水體中的BTEX。對所采集的水樣進行加標回收實驗，加標濃度為1000 ng·L-1，根據實驗結果計算加標回收率。

5 結果與討論

5.1 萃取條件的優化

SPME萃取條件的優化情況如圖4所示，從圖4a可看出，三種涂層中，PDMS100對BTEX的萃取效果最好，因此選用PDMS100商用針進行后續萃取實驗；從圖4b可看出，萃取效果受萃取時間影響較大，在萃取時間區間1–15 min內，隨著萃取時間的增加，BTEX峰面積逐漸增加，在10 min時基本達到萃取平衡，因此，選取的最優萃取時間為10 min；從圖4c可看出，在溫度區間30–55 °C內，萃取效果隨著萃取溫度的升高而下降，因此，選取的最優萃取溫度為30 °C；從圖4d可看出，在解吸時間1–20 s內，解吸效果處于先上升后平衡的狀態，其中15 s時效果最佳，故選擇15 s為最優解吸時間；從圖4e可看出，解吸溫度為200 °C時，萃取效果達到最佳，故選取最優解吸溫度為200 °C。

綜合上述SPME萃取條件優化情況，最終選擇PDMS100商用探針，最佳優化條件為：萃取時間10 min、萃取溫度30 °C、解吸時間15 s、解吸溫度200 °C。圖4f是在優化條件下，SPME-GC-MS分析檢測BTEX的色譜流出曲線。后續的方法學考察實驗及實際水樣的檢測均采用上述條件進行。

圖4 SPME萃取條件優化結果

5.2 方法學考察

采用PDMS100商用探針在優化的SPME條件下，聯用GC-MS，對BTEX標準溶液系列進行方法學考察，得到的標準曲線如圖5所示；線性范圍、相關系數(R2)、檢出限、定量限、單針重現性如表5所示。從圖5和表5可知，四種分析物具有良好的線性范圍，均為100–10000 ng·L-1，線性相關系數(R2)均大于0.99，檢測限遠低于國標規定的水體中BTEX最低允許濃度(GB 5749–2006)。此外，單針重現性優良，在0.43%–1.59%之間，表明建立的SPME-GC-MS方法可靠。

表5 方法學考察結果

圖5 標準曲線圖

5.3 環境水樣中苯系物含量分析

實際水樣來自環境中的河水與自來水，檢測結果如表6所示。從表6可知，環境中的河水和自來水中均未檢出BTEX，經加標回收實驗，獲得加標回收率在85%–120%之間，進一步驗證了方法的可靠性。

表6 實際水樣中BTEX的檢測結果

GB 5749–2006規定水體中苯、甲苯、乙苯、二甲苯的濃度需分別低于0.01、0.7、0.3、0.5 mg·L-1。本次水樣均未檢出上述化合物。

6 結語

本項目將SPME這一先進的綠色的樣品前處理方法引入本科實驗教學，系統地開展了SPME條件優化實驗，并進行方法學考察及實際樣品的分析檢測。整個實驗設計具有創新性、前沿性，且實驗內容豐富，既能拓寬學生的知識面，又能讓學生充分感受前沿技術給教學和科研帶來的變革。

本實驗將SPME與GC-MS檢測方法聯用，不僅可以讓學生學習和掌握先進的SPME技術，同時也可以進一步鞏固氣相色譜儀的操作和使用。

本實驗標準試劑和SPME商用探針容易購買，實際水樣容易采集。考慮到質譜檢測器的價格昂貴，通過文獻調研與實際操作發現，可以用價格相對較為便宜的氫火焰離子化檢測器代替質譜檢測器，以便大部分高校均可開展本實驗。此外，本實驗用時4–8 h，可靈活地根據實際需求進行模塊化課程開設。整體上，本研究項目可作為本科教學實驗進行推廣。