固相萃取技术在环境分析上的应用.doc

2111280 曹莹 题目6固相萃取技术在环境分析上的应用一、 固相萃取概述在分析化学中，样品预处理的好坏是影响分析灵敏度、准确度和分析速度的重要因素目前，最常用的样本富集方法仍是液－液萃取为了提高富集的效率，人们探索出新的技术——固相萃取方法（Solid-phase Extraction，SPE）固相萃取就是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的固相萃取作为样品前处理技术，在实验室中得到了越来越广泛的应用它利用分析物在不同介质中被吸附的能力差将标的物提纯，有效的将标的物于干扰组分分离，大大增强对分析物特别是痕量分析物的检出能力，提高了被测样品的回收率SPE技术自上世纪70年代后期问世以来，发展迅速，广泛应用于环境、制药、临床医学、食品等领域 据统计，SPE自出现以来，一直以10%的年增长率扩大其应用在很多情况 下，SPE作为制备液体试样优先考虑的方法取代了传统的液液萃取法（LLE），与LLE相比较，SPE具有如下优点：①分析物的高回收率；②更有效地将分析物与干扰组分分离；③不需要使用超纯溶剂，有机溶剂的低消耗减少对环境的污染；④能处理小体积试样；⑤无相分离操作，容易收集分析物级分；⑥操作简单、省时、省力、易于自动化。

SPE柱本身的特点决定其应用范围分离效率较低的SPE技术主要应用于处理试样借助SPE所要达到的目的是：①从试样中除去对以后的分析有干扰物质；②富集痕量组分，提高分析灵敏度；③变换试样溶剂，使之与分析方法相匹；④原位衍生；⑤试样脱盐；⑥便于试样的储存和运送固相萃取根据相似相溶机理可分为正相(吸附剂极性大于洗脱液极性)、反相(吸附剂极性小于洗脱液极性)和离子交换固相萃取正相萃取过程中目标物质的极性官能团与吸附表面的极性官能团发生极性作用(包括氢键作用、偶极矩作用以及诱导作用等)，从而使溶解于非极性溶剂中的极性物质在吸附剂表面吸附、富集正相吸附的填充剂用硅藻土、硅胶、氧化铝、硅酸镁等强极性吸附剂，清洗溶剂一般采用单一或混合有机溶剂将菲极性或弱极性组分等非目标分析物去除，洗脱溶剂可用具有一定极性的溶剂如丙酮、甲醇、乙醇等反相萃取过程中目标物质的碳氢键与吸附表面官能团产生非极性作用(包括范德华力或色散力)，使得极性溶剂中的非极性以及中等极性的物质在吸附剂表面吸附、富集；反相SPE所用的吸附剂通常是非极性的或是弱极性的，如Cl、Co苯基柱等；所萃取的目标化合物通常是中等极性到非极性的化合物清洗溶剂多用数毫升水或含有低浓度有机溶剂的水溶液，将弱保留的亲水性组分及极性有机物、中等保留物质清洗掉，洗脱溶剂多用甲醇、乙腈等有机溶剂，有些碱性物质的洗脱则需要加入少量有机胺如三乙胺、醋酸胺等才能完全洗脱。

由于反相吸附可使用的溶剂种类多，价格便宜，毒性较小，如乙醇、甲醇等，所以反相吸附分离模式使用最为普遍离子交换型SPE所用的吸附剂是带电荷的离子交换树脂，如LC-NH2(含脂肪族季氨丙基键合硅胶)、LC-SCX(含脂肪族磺酸基键合硅胶)等；所萃取的目标化合物是带电荷的化合物离子交换固相萃取又可分为强阳离子固相萃取和强阴离子固相萃取两种，作用机理都是，目标物质的带电荷基团同吸附剂表面的带电基团发生离子静电吸引，从而实现吸附分离二、SPE装置1．柱构型市场上可以买到各种构型SPE产品最普通使用的形式是SPE柱(cartridge)，此外还有SPE盘(disk)和固相微量萃取(solid phase microextraction，SPME)的形式1) SPE柱 容积为1-6 mL的柱体通常是医用级丙烯管，在两片聚乙烯筛板之间填装0.1-2g填料除填料粒径的差别外，SPE柱填料化学木质上与HPLC柱填料相同使用最多的填料是C18相该种填料疏水性强，在水相中对大多数有机物显不保留也使用其他具有不同选择性和保留性质的填料，如:C8、氰基、氨基、苯基、双醇基填料，活性炭、硅胶、氧化铝、硅酸镁、聚合物、离子交换剂、排阻色谱填料、亲合色谱填料等。

近年来，发展了许多令属性SPE固定相，是针对特定的环境、毒品和生物试样而设计的具有活性基团或经活性化合物涂渍的SPE固定相可用于分析物衍生化反应 基于对纯度的考虑，一般选用医用聚丙烯作为柱体材料若聚合物原料中存在有添加剂，可能在萃取过程中污染试样医用级聚丙烯中含有微量的杂质，当经处理的试样随后用高灵敏度的分析方法（如:气相色谱-电子捕获检测，气相色谱-火焰离子化检测，气质联用）进行分析时，这些杂质可能被检测为了降低SPE空白中的杂质，可选用玻璃、纯聚四氟乙烯(PTFE)作为柱体材料筛板材料是另一个可能的杂质来源制作筛板的材料有聚丙烯、PTFE、不锈钢和钛金属筛板不含有机杂质，但易受酸的腐蚀由于从柱体、筛板和填料都可能向试样中引进杂质，在建立和验证SPE方法时，必须做空白萃取实验这对痕量分析尤为重要2) SPE盘 另一种形式是SPE盘表观上它与膜过滤器十分相似盘式萃取器是含有填料的PTFE圆片或载有填料的玻璃纤维片，后者较坚固，无须支撑填料约占SPE盘总量的60% ~90%，盘的厚度约1 mm由于填料颗粒紧密地嵌在盘片内，在萃取时无沟流形成SPE柱和盘式萃取器的卞要区别在十床厚度/直径(L/d)比。

对于等币的填料，盘式萃取的载面积比柱约大10倍，因而允许液体试样以较高的流量通过SPE盘的这个特点适合从水中富集痕量的污染物1 L纯净的地表水通过直径为50 mm的SPE盘仅需15~20 min3) 固相微量萃取器 在一支细熔融石英纤维(1 cm x 100μm)上涂敷一层高聚物固定相，如：聚甲基硅氧烷或聚丙烯酸醋纤维与形如注射器装置的柱塞相连，收缩在不锈钢针头之中压柱塞从针头中抵出纤维并与试样接触，分析物分配到涂敷层内富集在纤维上的分析物通过进样接口进行解吸，进入到GC或HPLC系统中SPME易于操作，几乎不消耗溶剂，但应用十定量分析仍有待于进一步完善2．和离线SPE（on-line and off-line SPE）(1) 离线SPE SPE可以离线或方式进行在离线操作情况下，SPE与分析分别独立进行，SPE仅为以后的分析提供合适的试样 与SPE柱相配合的SPE装置非常简单凭借重力，溶剂就可以通过萃取柱，但流量较低使用注射器加压或吸滤瓶抽气可以增加溶剂的流量多支管抽气装置能够同时处理数个萃取柱为了使试样溶液与填料有足够的接触，溶剂流量不能过高对于SPE柱流量应保持在何分钟数毫升，SPE盘截面积大，允许溶剂以较大的流量通过。

离线SPE操作可以由自动化仪器来完成自动SPE仪由柱架、注塞泵、储液槽、管线和试样处理器组成2) SPE SPE又称净化和富集技术，主要用于HPLC分析通过阀切换将SPE处理试样与分析统一在一个系统中 三、操作过程操作过程大致如下图所示：(1) 柱的预处理为了获得高的回收率和良好的重现性，固相萃取柱在使用之前必须用适当的溶剂进行预处理活化的目的是创造一个与样品溶剂相容的环境并去除柱内所有杂质通常需要两种溶剂来完成上述任务，第一个溶剂(初溶剂)用于净化固定相，另一个溶剂(终溶剂)用于建立一个合适的固定相环境使样品分析物得到适当的保留终溶剂不应强于样品溶剂，若使用太强的溶剂，将降低回收率通常采用一个弱于样品溶液的溶剂不会有什么问题在活化的过程中和结束时，固定相不能抽干，因为这将导致填料床出现裂缝，从而得到低的回收率和重现性，样品也没得到应有的净化如果在活化步骤中出现干裂，必须重新进行活化2) 样品的添加（上样）预处理后，将待测样品加入小柱，并以一定的流速通过柱子，这时分析物和样品干扰物保留在固定相上为了保留分析物，溶解样品的溶剂必须较弱如果溶剂太强，分析物将不被保留，结果回收率将会很低，这一现象叫穿漏(breakthrough)。

尽可能使用最弱的样品溶剂，可以使溶质得到最强的保留或者说最窄的谱带只要不出现穿漏，允许采用大体积的上样量(0.5-IL)下图为上样的操作过程：(3) 柱的淋洗样品通过萃取柱时不仅分析物被吸附在柱子上，一些杂质也同时被吸附通常需要选择适当的溶剂淋洗固定相以洗掉干扰组分，同时保持分析物仍留在柱上淋洗溶剂的洗脱强度是略强于或等于上样溶剂淋洗溶剂必须尽量地弱以洗脱尽量多的干扰组分，但不能强到可以洗脱任何一个分析物的程度4) 分析物的洗脱选择适当的洗脱剂进行洗脱，用洗脱剂将分析物洗脱在收集管中洗脱剂必须进行认真选择，溶剂太强，一些更强保留的不必要组分将被洗出来；溶剂太弱．就需要更多的洗脱液来洗出可改为强、弱溶剂混用；但混用或前后使用的溶剂必须互溶在洗脱时，应注重少量多次的原则四、在环境分析中的应用近年来随着化学工业的发展和农药的大量使用导致自然环境中某些水体、土壤、大气和生物体中有机污染物超过法定限量另一方面随着人们环境意识的提高，对环境中有机污染物的控制越来越严格，要求检测技术更加快速方便、灵敏可靠因此，固相萃取已广泛应用于环境分析，为环境分析工作者提供一种较为理想的前处理技术，以代替传统的提取、净化和缩方法。

1． 环境水中有机污染物分析水中有机物的前处理，用固相萃取的优势在于此类惯例处置基本上是用与水不相溶的有机溶剂振荡萃取1) 可以定量地重复前处理过程却无法控制振荡频率，溶剂振荡的操作一般只能要求到控制时间的水平每个人的振荡动作是不同的，也很难保证始终划一的动作所以说，溶液萃取的动作是不定量，不能重复的比较容易坚持过柱和洗脱速度的均一和稳定，而在应用固相萃取时因此，固相萃取的萃取过程是可以重复，可定量的2) 现场处置由于其设备简单，如果引入固相萃取技术体积小，易于携带，完全可以做到现场一边采样，一边进行前处理采样者带回实验室的固相萃取柱，而不是水样这样就能保证我处置的真正成份稳定的水样水的检测中用固相萃取技术取代激进液液萃取还有相当的工作需要摸索， 从实际应用来说目前尚不能完全取代，但是其发展的前景很值得看好3) 有机试剂消耗量的减少如果用固相萃取，处置水样时则只需要在洗脱时用到有机溶剂，用量比激进液液萃取要少数十倍以上对于实验者的人身维护和环境维护有着积极的意义固相萃取作为一种新型的样品处理技术已广泛用于水中有机污染物的痕量富集20世纪80年代，在我国的松花江、黄浦江、太湖等的水质监测中已较广泛采用了SPE 技术。

其应用大致有以下两种：①多环芳烃的分析以苯并芘为代表的多环芳烃(简称PAHs)是环境污染物中最重要的监测指标之一，我国饮用水卫生标准规定，3，4- 苯并芘在水中的含量应小于0.01 μg/L分析水中苯并芘的关键在于富集水中苯并芘和与其它有机物进行分离叶振福采用SPE 和HPLC，建立了一种较为完善的分析水中苯并芘的方法贾瑞宝也采用SPE 技术作为样品前处理方式，建立了EPA 优先监控的16 种PAHs 同时分析的HPLC 方法，16 种PAHs 的回收率为79% －104%，相对标准偏差为5.2% －19.5%贾瑞宝等系统地研究了淋洗剂强度、用量和有机改性剂的加入对固相萃取水中多环芳烃回收率的影响研究表明，二氯甲烷和苯的洗脱效果较好，回收率为87% －102%;向自来水样中加入20% 有机改性剂(甲醇或乙醇)可明显改善多环芳烃的回收效率，使回收率达到89% －108%②农药的分析 关于固相萃取水中杀虫剂和除草剂方面的报道也很多孙静采用国产GDX-403 或C18固相小柱同时提取净化环境样品中常见的六种有机磷类、四种氨基甲酸酯类和五种拟除虫菊酯类农药,回收率在80.5%～105.1%之间,相对标准差在2.2。