水體中微量有機物的高效富集與檢測技術探究

張廣宇

（銅川市環(huán)境監(jiān)測站，陜西 銅川 727031）

引言

水是人類生命的源泉，然而目前在全球范圍內，水體中微量有機物的污染問題已經引起了人們的廣泛關注。微量有機物包括各種有機污染物、藥物殘留、工業(yè)廢物和農藥等，對水環(huán)境和人類健康構成了潛在威脅。這些微量有機物的存在不僅可能對水體生態(tài)系統(tǒng)造成損害，還可能通過飲用水、食物鏈等途徑對人類產生潛在的危害。因此，對水體中微量有機物的高效富集與檢測技術進行研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 水體中微量有機物的高效富集技術

1.1 固相萃取（SPE）技術

1.1.1 原理和工作機制

SPE的核心是一種固定在固相吸附劑上的選擇性吸附材料，通常是固定在柱子或載體上，這些吸附材料可以根據(jù)待富集物質的特性進行選擇，以實現(xiàn)高度選擇性的富集。當水樣經過SPE柱時，待富集物質會與吸附劑上的功能基團相互作用，例如疏水相互作用、離子交換或親合作用，從而被固定在吸附劑上。一旦待富集物質被吸附在吸附劑上，其余的物質就可以通過洗脫過程被去除。由于在洗脫過程中，洗脫劑與吸附劑上的功能基團之間的相互作用較弱，因而可以將待富集物質有效地洗脫下來，并且完成洗脫后，待富集物質將會以濃縮的形式被收集到容器中[1]。

SPE的工作機制是基于化學親和力和選擇性吸附，使其能夠高效地富集目標有機物，同時去除干擾物質。這種技術的選擇性取決于吸附劑的選擇以及樣品和洗脫劑的特性。通過調整吸附劑、樣品預處理和洗脫條件，可以實現(xiàn)對不同類型微量有機物的高效富集。

1.1.2 應用SPE的注意事項

首先，樣品的預處理是關鍵。在進行SPE之前，樣品通常需要經過適當?shù)念A處理步驟，如過濾、沉淀、離心或稀釋。樣品的預處理步驟應根據(jù)樣品的性質和分析要求進行優(yōu)化，以確保準確和可重復的結果。不適當?shù)臉悠奉A處理可能導致雜質進入SPE柱，從而影響富集效率和結果的準確性。其次，選擇合適的SPE柱和填料至關重要。不同的SPE柱和填料具有不同的化學性質和吸附特性，因此應根據(jù)目標有機物的特性進行選擇，以確保所選擇的SPE柱和填料與待測有機物能夠相互作用，從而實現(xiàn)有效地富集。同時，應根據(jù)樣品矩陣的特性選擇合適的SPE柱和填料，以防止非特異性吸附。再次，應控制樣品和溶劑的pH值。由于pH值可以顯著影響SPE的效率，在某些情況下，調整樣品和洗滌溶劑的pH值可以增強目標有機物的吸附和解吸作用。因此，應根據(jù)具體應用需要調整pH值。最后，注意樣品和溶劑的體積。在SPE過程中，應適度控制樣品和洗滌溶劑的體積，以避免SPE柱的過載或溢出[2]。

1.2 液液萃取技術

1.2.1 液液萃取技術的基本原理

液液萃取技術的基本原理涉及兩種不相溶的液體相，通常是一個有機溶劑和一個水性溶劑。液液萃取的基本原理如下：在液液萃取中，待分離的有機物通常存在于水性溶液中，而希望將其從水相中分離出來。為了實現(xiàn)這一目標，引入一種有機溶劑，與目標有機物具有較高的親和性，而與水性溶劑不相溶，從而形成分層。分層后有機溶劑通常位于上層，而水性溶劑位于下層，而目標有機物會在兩個相界面之間分布。由于它在有機溶劑中的分布系數(shù)較高，目標有機物會從水相中轉移到有機相中，這一過程遵循親和性分配的原則，即有機物在兩相中的分布受到與各相相互作用力的影響。通常，選擇合適的有機溶劑并調整pH值等條件可以增強有機物在有機相中的分布。一旦目標有機物被從水相中轉移到有機相中，就可以通過分離兩種不相溶的液體相來獲得有機相，其中包含了目標有機物。這種分離過程可以通過離心、抽取或簡單地分離兩個相來完成。

液液萃取的原理依賴于分布系數(shù)、分配平衡和相互作用力等因素。選擇適當?shù)挠袡C溶劑和調整操作條件是實現(xiàn)有效液液萃取的關鍵。這一技術在化學分析、制藥、環(huán)境監(jiān)測等領域得到了廣泛應用，可用于富集、分離和提取各種有機物，以實現(xiàn)其定性和定量分析。

1.2.2 應用液液萃取技術的注意事項

首先，選擇合適的有機溶劑至關重要。有機溶劑的選擇應基于待分離有機物的性質，如極性、疏水性等，以確保有機溶劑與目標有機物具有足夠的相互作用力，從而實現(xiàn)有效的富集和提取。此外，有機溶劑應具有適當?shù)膿]發(fā)性，以便在分離后易于去除。其次，應調整pH值和離子強度。pH值和離子強度可以顯著影響液液萃取的效率。某些有機物在不同的pH值條件下具有不同的電荷狀態(tài)，因此可以通過調整pH值來控制其在水相和有機相之間的分配。此外，通過添加鹽類或調整離子強度，可以改善液液分配的平衡，增強有機物在有機相中的分配。再次，避免有機溶劑殘留。在液液萃取結束后，必須要確保有機溶劑已經從目標有機物中被徹底去除，因為殘留的有機溶劑可能會影響后續(xù)的分析結果，尤其是在質譜分析等敏感技術中，通常可以使用蒸發(fā)或氮氣吹掃等方法去除有機溶劑。最后，控制溶劑體積和混合程度。在液液萃取中，有機溶劑的體積和混合程度可以影響分配平衡的達成。過大的溶劑體積可能導致分配不均勻，而溶劑體積不足的混合則可能減慢分配過程。因此，工作人員在操作時需要根據(jù)樣品和有機溶劑的特性來優(yōu)化這些參數(shù)。

1.3 分子印跡聚合物（MIPs）技術

1.3.1 MIPs的制備和特性

分子印跡聚合物（MIPs）是一種特殊類型的聚合物，具有高度的分子選擇性，常用于微量有機物的富集和檢測。首先，MIPs的制備始于選擇性分子的模板，這是待測有機物的分子。首先，在一個反應體系中，將模板分子與一種或多種功能單體（通常是含有雙鍵或官能團的單體）和交聯(lián)劑混合，形成一種反應混合物。功能單體通過化學鍵與模板分子的相互作用，在分子模板周圍形成了特定的空間排布。接著，添加引發(fā)劑，引發(fā)聚合反應，使功能單體和交聯(lián)劑形成高分子網絡結構。一旦聚合完成，模板分子被從MIPs中洗脫或釋放，留下具有與模板分子形狀和功能互補性的孔洞結構，這些結構能夠高度選擇性地與目標有機物相互作用。其次，MIPs具有一些顯著特性，使其成為微量有機物檢測的有力工具。首先，具有高度的分子選擇性，可以特異性地識別和富集目標有機物，即使在復雜的樣品矩陣中也能保持其選擇性。其次，MIPs具有良好的穩(wěn)定性和可再生性，可以多次使用而不失去其性能。同時，其在微量有機物的富集中具有高效性和靈敏度，通常可用于檢測濃度較低的樣品。

1.3.2 MIPs在微量有機物富集中的潛力

分子印跡聚合物（MIPs）技術在微量有機物富集領域展現(xiàn)出巨大的潛力，主要得益于其高度的選擇性和可定制性。首先，MIPs具有卓越的選擇性。由于MIPs是根據(jù)特定分子的結構特征進行設計和制備的，可以特異性地識別和富集目標有機物，既使在復雜的樣品基質中也能夠提供卓越的選擇性。這意味著MIPs可以用于從復雜樣品中高效地去除干擾物質，從而提高了微量有機物的富集效率。其次，MIPs具有良好的穩(wěn)定性和再生性。一旦制備完成，MIPs材料通常具有長期的物理和化學穩(wěn)定性，可以多次使用而不損失其選擇性和富集能力，因而減少了材料的浪費，降低了成本，同時也有助于環(huán)境保護。再次，MIPs可以根據(jù)不同的目標有機物進行定制制備。通過選擇適當?shù)墓δ軉误w和模板分子，可以設計和制備具有不同選擇性的MIPs材料，以滿足不同的分析需求。這種可定制性使MIPs廣泛地應用于微量有機物的富集，包括藥物分析、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域。最后，MIPs還具有廣泛的適用性，其可以以各種形式存在，包括粉末、顆粒、薄膜等，并與不同的富集和分析方法結合使用，如固相萃取、色譜分析等[3]。

2 水體中微量有機物的高效檢測技術

2.1 液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）技術

2.1.1 基本原理

LC-MS的工作基于兩個主要部分：液相色譜（LC）和質譜（MS）。首先，在LC部分，樣品溶液被引入液相色譜系統(tǒng)，其中包括一個填充有固定相的色譜柱。樣品通過色譜柱時，不同化合物根據(jù)其與固定相的相互作用力差異被分離。這個分離過程是基于化合物的極性、大小、電荷等性質進行選擇性分離。其次，分離后的化合物進入質譜部分。在MS中，分離的分子被離子化，通常使用電噴霧離子源或其他類型的離子源，產生帶電荷的離子，然后進入質譜分析器。在分析器中，離子根據(jù)其質荷比（m/z）進行質譜分析，并生成質譜圖譜。

2.1.2 操作流程

首先是樣品制備，對樣品進行預處理，如提取、濃縮和凈化，以確保樣品中的目標有機物得到充分富集和凈化。其次是液相色譜分離（LC）。樣品溶液被引入液相色譜柱，其中的化合物會根據(jù)其親和性和相互作用與柱中的填料分離。分離過程使用梯度洗脫，使不同化合物以不同速度通過柱子。再次是質譜分析（MS），從液相色譜柱中出來的化合物進入質譜儀器，其中最常見的是質譜（MS）或質譜/質譜（MS/MS）。在質譜中，化合物被離子化并分為不同的質荷比（m/z），并且可以生成質譜圖。最后是數(shù)據(jù)處理，質譜儀器生成的數(shù)據(jù)通常包括質譜圖和保留時間信息[4]。

2.2 氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）技術

2.2.1 基本原理

在GC部分，樣品中的化合物首先被注入氣相色譜儀器中。在色譜柱內，樣品成分被分離成獨立的峰，根據(jù)樣品在色譜柱中的相互作用力差異，通常是指化合物的揮發(fā)性和相對親和性差異，這個分離過程稱為氣相色譜分析，通常涉及一個具有固定相的柱，載氣（通常是惰性氣體，如氮氣或氦氣）將化合物推動并通過柱子。在MS部分，分離后的化合物進入質譜分析器被離子化，通常使用電子轟擊（EI）或化學離子化（CI）等方法，形成帶電離子。然后，離子根據(jù)其質荷比（m/z）進行質譜分析。

2.2.2 操作流程

首先，樣品需要進行適當?shù)念A處理，包括提取、濃縮和凈化，以獲得目標有機物的高純度樣品。其次，樣品溶液被注入氣相色譜儀，其中包含氣相色譜柱。在柱中，化合物會根據(jù)其相互作用和親和性以不同速度進行分離。這種分離過程稱為色譜分離，其結果是各種化合物按照不同的保留時間出現(xiàn)在色譜圖上。再次，從氣相色譜柱中出來的化合物進入質譜儀器，通常是質譜（MS）或質譜/質譜（MS/MS）。在質譜中，化合物被離子化，通常使用電子撞擊或化學電離方法，生成帶電離子。然后，這些離子根據(jù)其質荷比（m/z）進行質譜分析，生成質譜圖。最后，生成的質譜圖包含質子信號的強度和質荷比，可以通過計算機軟件進行處理和解釋。這些數(shù)據(jù)用于鑒定和定量樣品中的有機化合物。

2.3 光譜學方法

2.3.1 紫外-可見光譜

在紫外-可見光譜中，一束可見光和紫外光通過待測樣品，光經樣品后，檢測器測量出樣品吸收或透射的光強。根據(jù)不同化合物對不同波長光的吸收程度，可以獲得樣品的吸收光譜。紫外-可見光譜的原理是基于分子內的電子躍遷，當分子吸收特定波長的光子能量時，電子躍遷到激發(fā)態(tài)，產生吸收峰。這些吸收峰的位置和強度可以提供關于分子結構和濃度的信息。

紫外光譜通常涵蓋200～400 nm的波長范圍，而可見光譜則涵蓋400～750 nm的波長范圍。不同的有機化合物具有不同的吸收特性，因此紫外-可見光譜可以用于鑒定和定量微量有機物。例如，在制藥領域，藥物分子通常在紫外光區(qū)域具有特定的吸收峰，因而可以用于藥物含量的測定。在環(huán)境監(jiān)測中，紫外-可見光譜也常用于檢測水中的有機物污染物，如有機溶解物和色素等。

紫外-可見光譜的優(yōu)點包括非破壞性、快速、簡便，可以適用于多種樣品類型。然而該方法的應用通常受到樣品復雜性和濃度范圍的限制，所以對于微量有機物的檢測，需要高靈敏度和高分辨率的光譜儀器。

2.3.2 熒光光譜

熒光光譜的應用領域非常廣泛，特別適用于微量有機物的檢測。熒光光譜的高選擇性和極高的靈敏度使其在生物化學、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和食品科學中得到了廣泛應用。例如，在生物學研究中，熒光標記的分子（如熒光標記的抗體或核酸探針）可用于檢測和定量生物分子，如蛋白質、DNA和RNA。在環(huán)境監(jiān)測中，熒光探針和染料可以用于檢測水中、土壤中的污染物以及大氣中的有機化合物。此外，熒光光譜還在藥物研究和制藥工業(yè)中扮演重要角色，可用于藥物的分析、藥物相互作用的研究以及藥物的藥代動力學研究。在食品科學中，熒光光譜也可以用于檢測食品中的添加劑、色素等，從而控制食品質量。

2.3.3 紅外光譜

紅外光譜在微量有機物的檢測中具有廣泛地應用，可用于分析液體、氣體和固體樣品中的有機化合物，通常覆蓋了從4 000～400 cm-1的波數(shù)范圍。在制藥工業(yè)中，紅外光譜可用于檢測藥品的質量和成分，包括藥物、藥物配方和藥物中的雜質等。在環(huán)境監(jiān)測中，紅外光譜可用于檢測大氣中的有機污染物、土壤中的有機物和水中的微量有機化合物等。紅外光譜還在化學合成、材料科學和食品科學中得到了廣泛應用。例如，在化學合成中，可用于跟蹤反應進程、鑒定中間體和檢測產物。在材料科學中，紅外光譜可用于分析材料的組成和性質，如聚合物、涂層和表面修飾等。在食品科學中，紅外光譜被用于檢測食品中的脂肪、蛋白質、糖類等成分，以及食品質量的控制和認證[5]。

3 結語

綜上所述，水體中微量有機物的高效富集與檢測技術在環(huán)境保護中發(fā)揮著重要作用。未來技術人員應繼續(xù)致力于相關技術的研發(fā)和應用，以應對不斷增加的水污染挑戰(zhàn)，確保清潔、安全的水資源可供未來世代使用。只有通過科學方法和創(chuàng)新技術，才能夠有效實現(xiàn)可持續(xù)的水資源管理和環(huán)境保護目標[6]，滿足可持續(xù)發(fā)展的經濟增長模式。