固相微萃取技術在環境監測中的應用

趙麗君

（山西科利華環境檢測有限公司，山西 長治 047100）

0 引言

對于監測樣本進行色譜分析的過程中，前處理是提高監測精確性的關鍵步驟。然而傳統的萃取技術包括氣液萃取、固相萃取以及液液萃取等在萃取工藝上都存在著一定的缺陷：萃取時間較長，操作較為繁瑣，而且需要大量有機溶劑成本較高又容易對檢測人員的身體健康造成危害，對周圍環境也會帶來一定的污染。基于上述萃取工藝缺陷尋求一種操作簡單、用量少甚至無需使用溶劑、萃取效率較高的萃取工藝十分關鍵，而固相微萃取技術則基本可以滿足這些要求。固相微萃取技術是基于固相萃取技術之上的一種新型樣品預處理技術，在操作上更為簡潔、萃取成本更低、萃取器械也更容易攜帶，已廣泛應用于水、土壤以及大氣等環境監測領域。

1 固相微萃取技術

1.1 技術流程及特點

固相微萃取技術是一種樣品預處理技術，具體裝置與微量進樣器原理近似，它的核心部位是1cm 長的材質為熔融石英纖維的萃取頭，在石英纖維上涂有固定相涂層來對待測物質進行吸附或富集。在石英纖維萃取頭的外側有不銹鋼管進行保護，萃取頭可在鋼管內自由移動。使用過程中將萃取頭浸入待檢測樣品或懸置于上空一段時間，并通過攪動溶液來加快兩相之間的穩定速率。待兩相穩定后萃取頭取出，同時將萃取頭插入氣相色譜氣化室，對涂層上富集到的樣品進行解吸，解析后的樣品將導入色譜柱中從而完成提取濃縮過程。使用固相微萃取技術較傳統萃取技術相比樣品將于固相涂層直接接觸，減少了溶劑用量，基本不會對外界環境造成污染，而且達到穩定的時間也更短，基本可在半小時內達到平衡狀態。固相微萃取技術基于其簡潔偏于攜帶的操作特點，更適合現場監測分析過程，對于樣品監測量大、操作用時短的常規環境監測過程也十分適用。

1.2 萃取方式

固相微萃取技術按照與樣品的接觸方式基本分為以下三大類：懸置萃取類、隔膜處理類以及溶液浸取類。

1）懸置萃取類。這類萃取方法是將萃取頭置于液相上方，通過待測化合物向氣相轉移的過程中接觸到固相涂層上，達到待測化合物的三相平衡狀態。該方法萃取速度的決定因素為萃取頭石英纖維的吸附性以及初始濃度，當涂層類型、萃取時間以及外界環境一致時，待測物濃度越高萃取速率越快。

2）隔膜處理類。當待測化合物污染程度高或化合物為難揮發有機物時，可通過采用隔膜處理的方式進行萃取，將石英纖維上的固相涂層與樣品隔開，用隔膜吸附待測化合物。這類萃取方式對高分子化合物的吸附能力較差，因此可以很好地處理一些污染程度較高的水質分析等問題。

3）溶液浸取類。溶液浸取的方式對樣品進行萃取是直接將萃取頭浸入待測溶液中，待待測溶液中的各組分流入固相纖維中并達到平衡狀態后，即可完成萃取工作。其中吸附到的組分含量與其在溶液中的濃度成正比。

2 固相微萃取技術在環境監測領域的應用

固相微萃取技術隨著近年來對不斷發展，萃取頭纖維涂層的材質不斷更新完善，萃取效果越來越便捷精確，在環境監測過程中也得到了廣泛的應用。

2.1 空氣污染物的分析應用

對空氣污染物進行成分分析主要是對一些有機污染物的含量進行檢測，這些有機污染物的存在形式有氣態及固態顆粒兩種，會因為人的呼吸或飲水、飲食等方式吸收而損害到身體健康。傳統采集這些空氣污染物的方法是通過吸收管或活性炭進行吸附，吸附效果較差而且會耗費很長的時間。通過固相微萃取技術進行空氣污染物萃取時，僅需將該裝置置于待測氣體環境中，通過自身涂層對待測組分進行富集即可。固相微萃取裝置對揮發或半揮發物質的富集效果較好，同時對待測物的富集效果往往會受到風速、風向以及萃取時間的影響，通過對這些因素進行控制，可加快萃取裝置的富集速率[1]。

2.2 土壤污染物組分監測中的應用

土壤污染物或沉積物的組分較為復雜，在構成上主要包括水、礦物成分以及氣體等，而且土壤污染物的來源也較復雜，分工業廢水廢料污染、生活用水污染等。因此對土壤污染物組分進行監測過程中所用的萃取方式通常選用懸置萃取的方式，可有效對揮發性有機物進行富集萃取。對難揮發性有機物則若將固相微萃取裝置置于土壤內部，會對纖維涂層造成損害，影響到纖維涂層的適用年限，因此可將采集到的土壤樣品融于溶液中形成水合物，通過對水合物進行處理提取出所需監測的有機組分，再進行后續的萃取操作，加快萃取速率。

2.3 水污染監測中的應用

水污染物的組分與前兩者相比成分更為復雜，包括固體、金屬離子以及各類溶解性有機物，因此對水污染物的成分監測工作帶來了很大的難度。同時，對水污染物進行成分檢測的過程中選用傳統的液相萃取方式，對樣本溶液的需求量較大，而且需要進行多次萃取操作，造成的勞動量較大且耗時長；而選用固相萃取法則會帶來高額的萃取成本，萃取的有機物難以完全洗脫；應用固相微萃取技術，可采用溶液浸取類或懸置類的萃取方式對水中的有機物進行富集，靈敏度較高，可以確保檢測成分的高效精密萃取[2]。

3 應用實例

以空氣環境監測為例，通過對空氣中各揮發性有機物含量進行檢測，檢測結果如表1 所示。可以看出，揮發性有機物中的醇類以及芳香烴的含量較高，苯乙烯的含量甚至高達1/3。

表1 大氣中常見揮發性有機物含量表

同時，利用固相微萃取技術聯合氣相色譜分析的方式對空氣中的各有機物組分進行精確分析，具體含量如下表2 所示[3]。

表2 固相微萃取技術與氣相色譜聯合檢測樣品質量分數 單位：%

從表2 中的揮發性有機物質量分數檢測結果可以看出，固相微萃取技術在空氣環境監測過程中是通過對各污染物組分的相對濃度值進行測定，從而達到對空氣中各污染物組分質量分數進行分析的結果。同時基于空氣中各監測組分濃度波動性較大的影響，利用固相微萃取技術可很好地對有機物組分進行富集，從而更為精確的獲取到各有機物組分的實際濃度，可更加精確地獲取到空氣環境中的各組分數據。同時在監測過程中可依據實際需要靈活的選用懸置式萃取或隔膜萃取等多種萃取方式，控制好萃取時間以及各類外界因素，避免對空氣環境監測結果帶來影響，充分發揮出固相微萃取技術在空氣環境監測中的作用。對于固相微萃取技術的檢測精度在于液膜以及石英纖維的長度選取，因此在實際環境監測過程中可依據實際檢測樣品對石英纖維以及涂層厚度進行靈活調整，通常石英纖維厚度在1.5 cm 左右，液膜厚度在10～100 pm 左右可顯著提升固相微萃取技術的萃取效率。

4 結語

固相微萃取技術作為一種新型的無溶劑萃取工藝，與傳統萃取技術相比有著更高的萃取精度，操作簡單精確度高，可以實現對空氣、土壤以及水體等環境進行揮發、半揮發性物質的有效檢測。以空氣環境監測為例對固相微萃取技術進行有機物成分檢測試驗可以看出，固相微萃取技術在空氣環境組分檢測過程中精確度較高，同時檢測精度會受到萃取頭纖維涂層的影響，通常情況下選用1.5 cm 左右的石英纖維厚度以及10～100 pm 的液膜厚度可發揮出固相微萃取技術的最優萃取效果。