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、操作簡便、測定快速、高效的特點(diǎn),且是一種無溶劑的樣品預(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),對目前國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、勞動(dòng)量大且需
溶劑量大,近年來已多被固相萃取(SPE)所取代。但SPE仍是一個(gè)多步驟過程,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,而對于一定的萃取頭來說其體積Vf 是固定的, 故N 與Co之間成線性關(guān)系,Co通過氣相色譜測定,
人們可以通過配制一系列Co來測定其響應(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1cm涂漬有不同固定相的熔融石英纖維通過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萃取過程的因素包括萃取方式、涂層的特性、萃取過程的溫度和時(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)對極性有機(jī)物的分離效果較好。涂層的厚度對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.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,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程,對目標(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
溫度對萃取過程有雙重影響。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)了對流過程,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,待測物在靜止水層中擴(kuò)散很慢,其濃度呈下降趨勢.提高液相的攪拌速率,可以減少纖維表面靜止水層的厚度,提高待測物從液相到氣相或纖維涂層的遷移速率,從而加快待測物的全程質(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。控制溶液的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)和無機(jī)等多種成分的存在會(huì)導(dǎo)致明顯的競爭吸附。
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)樣品的測定(通過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限。用于測定分析物時(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,對于大分子量半揮發(fā)性的有機(jī)物常用7μmPDMS的萃取頭;而對一些強(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)。另外對一些難以萃取的化合物,可以通過適當(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,檢測限(LODs)達(dá)到1-15pg/mL水平,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%。Zhang則用HS-SPME-GC法進(jìn)行測定,達(dá)到平衡所需的時(shí)間縮短,分析速度明顯提高。
5.2 殺蟲劑
環(huán)境污染中殺蟲劑的測定是一項(xiàng)非常重要的工作。Eisert和Levsen利用85μm的PA萃取頭測定了有機(jī)磷等34種殺蟲劑。Boyd-Boland等利用100μm PDMS、95μmPA萃取頭測定了有機(jī)磷、有機(jī)氯等60種殺蟲劑。
5.3農(nóng)藥 在農(nóng)業(yè)上,由于農(nóng)藥的大量使用,其殘留物對生態(tài)環(huán)境的破壞是長期而隱蔽的,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等人對水中60種農(nóng)藥通過SPME-GC進(jìn)行同時(shí)測定,實(shí)驗(yàn)表明方法的檢測限達(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,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。通過調(diào)節(jié)pH值和加無機(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)通過傳播過程遍布于生態(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)的樣品處理過程中要用到大量的有毒副作用的氯仿,對環(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涂層對水中的其余的酞酸酯進(jìn)行了測定,結(jié)果均在美國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:(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,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)域帶來了一場革命。隨著對待測物，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，增加其對待測物的萃取量，使之在一般實(shí)驗(yàn)室CC的檢測器上可響應(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?？傊?，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。