朱俊彥，李良忠，朱曉輝，向明燈，陳 瑩，于云江

1.長安大學環(huán)境科學與工程學院， 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054 2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所， 國家環(huán)境保護環(huán)境污染健康風險評價重點實驗室， 廣東 廣州 510535

當前我國面臨資源環(huán)境承載力不足，新老問題交織，區(qū)域性、局部性、結構性環(huán)境風險凸顯，重污染天氣、黑臭水體、垃圾圍城、生態(tài)破壞等時有發(fā)生，新型污染物不斷涌現(xiàn)，為加快治理攻堅，快速掌握環(huán)境污染情況，亟待發(fā)展一種便捷的綠色環(huán)境分析檢測技術[1-2]。20世紀90年代，PAWLINSZYN首次提出固相微萃取(SPME)技術[3]，1993年由美國Supelco公司進行商品化生產(chǎn)，主要的形式為纖維式、管式、薄膜式、攪拌棒式。纖維式固相微萃取技術在環(huán)境樣品分析中應用得最為廣泛，該技術方法克服了傳統(tǒng)樣品前處理技術過程中耗時、有機溶劑用量大、操作繁瑣等局限與不足；集采樣、萃取、富集、進樣于一體，以達到快速、便捷、成本低以及樣品量少的目的。隨著色譜和質(zhì)譜技術的發(fā)展，固相微萃取能與氣相色譜、高效液相色譜、質(zhì)譜等聯(lián)用，自動化程度高、重現(xiàn)性好。經(jīng)過20多年的發(fā)展，固相微萃取-氣相色譜技術在揮發(fā)性有機物分析方面己臻于成熟，固相微萃取-高效液相色譜技術在不揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機物分析方面正在逐步發(fā)展，并在環(huán)境介質(zhì)、食品、生物樣本的分析中得到廣泛應用[4-6]。在環(huán)境分析方面，主要應用于水環(huán)境中的溴代阻燃劑、酚類等物質(zhì)[7-26]，空氣中的醛類、芳香族等物質(zhì)[27-44]以及土壤中的有機農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等物質(zhì)[45-62]；在食品分析方面，主要應用于測定肉品、乳品、酒類等食品的成分[63-64]，以及蔬菜、水果中的農(nóng)藥殘留物[5]；在生物分析方面，主要采用體內(nèi)固相微萃取采樣器，分析檢測動植物體內(nèi)的污染物[6]。固相微萃取涂層是影響其在各領域應用中最為關鍵的因素，通常是基于分析物和涂層的相似相容原理來選擇涂層。目前使用較多的聚二甲基硅氧烷涂層適用于非極性揮發(fā)、半揮發(fā)性物質(zhì)，聚丙烯酸酯涂層適用于極性半揮發(fā)性物質(zhì)，聚乙二醇涂層適用于醇類和極性物質(zhì)，聚二甲基硅氧烷-二乙烯基苯涂層適用于揮發(fā)性物質(zhì)、胺類、硝基芳香類化合物。

以往的大量文獻采用固相微萃取技術分析監(jiān)測環(huán)境中各類污染物的水平[65-66]，但缺乏對該技術在不同環(huán)境介質(zhì)中應用情況進行歸納總結。本研究通過對固相微萃取技術在環(huán)境監(jiān)測分析中常用的方法和涂層材料的綜述，展望了固相微萃取技術在環(huán)境監(jiān)測分析領域的發(fā)展趨勢，為固相微萃取技術在環(huán)境監(jiān)測領域的發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。

1 固相微萃取技術原理

固相微萃取技術的原理是將萃取相暴露于待分析物的樣品基質(zhì)中，達到吸附平衡時，結合吸附平衡理論，計算被萃取的分析物的量[4]：

(1)

式中：n為被萃取的分析物的量，c0為樣品中目標分析物初始濃度，Vs為樣品體積，Vf為涂層體積，Kfs為涂層和樣品間分析物的分配系數(shù)。

可見，Kfs和Vf是影響萃取量的重要因素。樣品基質(zhì)的pH、溫度等因素帶來的基質(zhì)效應會較大地影響涂層分配系數(shù)，同時也給固相微萃取的定量帶來影響，對于成分簡單、基質(zhì)效應較低的樣品，一般采用外標法定量；成分復雜、基質(zhì)效應高的樣品，一般采用標準物加入法定量；內(nèi)標法是一種比較簡單、準確的方法，但所選擇的內(nèi)標物需與分析物性質(zhì)相似或選擇同位素內(nèi)標物，能與分析物完全分離。

當樣品體積非常大時(Vs?KfsVf)，式(1)可以簡化如下[4]：

n=KfsVfc0

(2)

由式(2)可以看出，被萃取分析物的量與樣品體積無關，而與分析物在樣品中的濃度呈正比。在實際應用中，樣品體積較大，無法測量時，可在現(xiàn)場直接將萃取相暴露于樣品基質(zhì)中進行萃取。

當樣品體積非常小(Vs?KfsVf)，并且Kfs非常大時，式(1)可以簡化如下[4]：

n=Vsc0

(3)

該情況下，樣品中所有的分析物都被萃取到纖維涂層上，目標分析物的濃度可以通過式(3)由被萃取相萃取的分析物的量和樣品的體積來計算。

當萃取未達到平衡時，n的計算方法如下[4]：

(4)

式中:t為萃取時間，a為與涂層體積、樣品體積、分配系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)有關的常數(shù)。

可見，非平衡狀態(tài)下被萃取的分析物的量與分析物初始濃度呈線性關系。因此，即使萃取沒有達到平衡狀態(tài)，只要保持萃取條件穩(wěn)定不變，也可以對固相微萃取進行定量。

2 固相微萃取技術應用

2.1 在水環(huán)境污染物分析中的應用

以往的研究表明，水環(huán)境中有機污染物對生物體的毒性并不取決于污染物的總濃度，而取決于污染物的自由溶解態(tài)濃度(即生物可利用的濃度)[67]。HERINGA于2003年提出固相微萃取技術可提取水環(huán)境中有機污染物的自由溶解態(tài)[68]，與傳統(tǒng)的超濾、半透膜法等相比更經(jīng)濟實用、快速準確，對水生生物毒理學的發(fā)展具有重要的意義。

水環(huán)境中含有溶解性有機物、無機離子、固體懸浮物、不溶或難溶于水的液體等復雜的成分，使快速、準確、靈敏地分析水環(huán)境中的污染物面臨著較大的挑戰(zhàn)。常規(guī)的液液萃取法需進行多次萃取，有機溶劑使用量大，耗時耗力[69]；固相萃取法的成本較高，且目標物洗脫不完全。近年來，固相微萃取技術的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測技術的瓶頸問題，特別是與氣相色譜和液相色譜等大型檢測儀器的聯(lián)用(表1)，對于揮發(fā)性有機物如鹵代物[9,14]、多環(huán)芳烴[10]、有機農(nóng)藥類[11]、亞硝基胺類[12]、有機磷酸酯[13]等，以及難揮發(fā)或非揮發(fā)的物質(zhì)如溴代阻燃劑[9]、抗生素[24]、雌激素[25]等的整個環(huán)境監(jiān)測過程，實現(xiàn)了有機溶劑消耗量小、成本較低、靈敏度高、方便快捷。

表1 固相微萃取技術在水環(huán)境中的應用Table 1 Application of solid phase microextraction technique in environmental water sampling

水環(huán)境中基體效應明顯，固相微萃取技術的涂層選擇與開發(fā)對污染物的分析至為關鍵。常用的商品化涂層，如聚二甲基硅氧烷涂層用于萃取水中的多環(huán)芳烴、有機氯農(nóng)藥、多溴聯(lián)苯醚等非極性物質(zhì)，聚丙烯酸酯涂層用于萃取酚類等極性物質(zhì)。但可采用的商品化涂層種類有限，選擇性不高，但成本高且使用壽命短，不耐酸、堿、有機溶劑的浸泡，極大限制了水環(huán)境采樣范圍及溶劑解析方式的選擇。為破除傳統(tǒng)涂層的限制，SHI等[8]首次研發(fā)了一種超疏水性的三氟磷酸鹽(五氟乙基)離子液體涂層用于測定水樣中的有機磷酸酯，具有穩(wěn)定性強、成本低的特點，對大多數(shù)有機磷酸酯都具有高萃取能力。碳納米管是由碳六元環(huán)按螺旋卷繞而成的納米級材料，具有較大的比表面積，管間存在空隙可形成毛細管式凝聚作用，具有很強的吸附能力。LIU等[17-18]研究了一種氧化多壁碳納米管作為新型固相微萃取涂層材料，用于檢測黃河水樣和工廠廢水中的7種酚類物質(zhì)和苯胺類物質(zhì)，其使用次數(shù)超過150次，而商用固相微萃取纖維通常只能用40～100次，且對酸、堿、有機溶劑顯示出極高的穩(wěn)定性。SERRA-MORA等[20]使用正硅酸乙酯/甲基三乙氧基硅烷納米毛細管進行管內(nèi)固相微萃取，測定水中極性三嗪及其降解產(chǎn)物，方法的檢出限達到0.025 ～0.5 μg/L，靈敏度也比普通毛細管高出10～25倍。ZHANG等[14]、LAN等[15]研制出的金屬有機骨架涂層，對目標分析物都具有高度的選擇性，金屬有機骨架是金屬離子和有機連接劑組成的多孔雜化材料，易于合成，具有較高的比表面積，化學和熱穩(wěn)定性高，使用壽命也比商品化涂層高出2～3倍。新涂層材料的研發(fā)，如離子液體[8]、金屬有機骨架[14-15]、多壁碳納米管[17-18]、納米毛細管[20]等很好地彌補了商品化涂層存在的缺陷，同時也拓寬了固相微萃取檢測技術的使用范圍，可見，開發(fā)具有高選擇性、高穩(wěn)定性、高耐用性以及低制造成本的新涂層材料，是固相微萃取技術發(fā)展的重要方向。

2.2 在環(huán)境空氣污染物分析中的應用

有機污染物在大氣中主要以氣態(tài)和顆粒態(tài)的形式存在，且成分復雜、含量低，樣品的采集方法大多采用傳統(tǒng)的活性炭和硅膠管，需花費大量時間，萃取過程中需消耗大量的有機溶劑，操作繁瑣。固相微萃取技術的發(fā)展，使大氣中有機物的分析檢測實現(xiàn)了裝置簡單、操作便捷、有機溶劑消耗量小。表2歸納了目前固相微萃取技術在分析檢測大氣中揮發(fā)、半揮發(fā)性物質(zhì)的應用。

表2 固相微萃取技術在環(huán)境大氣污染物分析中的應用Table 2 Application of solid phase microextraction technique in environmental atmosphere sampling

在采樣分析中，大氣環(huán)境的濕度、溫度、氣流速度、氣流方向、萃取時間等因素對樣品基質(zhì)的干擾效應較大。UNDERWOOD等[40]提出，隨著空氣雷諾數(shù)的增大，萃取六氟化硫和全氟甲基環(huán)己烷的平衡時間呈指數(shù)形式下降。LESTREMAU等[28]的研究表明，硫化物的萃取過程不受氣流方向或風速的影響，主要受濕度的影響，在相對濕度為零時，硫化氫、甲硫醇、乙硫醇沒有發(fā)生反向擴散，而在40%的相對濕度時，硫化氫、甲硫醇、乙硫醇分別出現(xiàn)23%～27%、19%～20%、11%～16%的顯著損失。以往的研究表明，非平衡條件下縮短萃取時間，可減少大氣環(huán)境因素的影響，保持環(huán)境因素的穩(wěn)定，如VAZ等[39]在非平衡條件下縮短了對多環(huán)芳烴的萃取時間，樣品回收率為50%～125%，檢出限達到5～20 pg，與使用常規(guī)的溶劑萃取方法相比，在準確度、靈敏度上并沒有差異；TUMBIOLO等[27]在非平衡條件下采用固相微萃取技術萃取苯及其同系物，即便使用相對較短的暴露時間，在濃度為0～65 μg/m3時也能得到良好的線性關系(相關系數(shù)均大于0.99)；BAIMATOVA等[31]采用非平衡模式萃取汽車尾氣中的苯、甲苯等物質(zhì)，減少了樣品處理時間，得到了與平衡萃取模式下相同的結果。

大氣環(huán)境污染物的萃取涂層選擇，主要取決于污染物的極性，對于極性較弱的污染物(如氰化氫、揮發(fā)性有機硫化物等)大多采用碳分子篩/聚二甲基硅氧烷[27-31,34,37-38]和聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯[34-37]等商品化涂層，但目前可選擇的商品化涂層種類較少，熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性都不理想，易受環(huán)境因素的干擾導致萃取能力下降，在大氣中采樣效率較低。因此，開發(fā)新的涂層和裝置是固相微萃取技術在環(huán)境空氣污染物分析發(fā)展中的重點。HEIDARI等[44]將自主研發(fā)的碳納米管材料與商品化的碳分子篩/聚二甲基硅氧烷涂層萃取空氣中的四氯乙烯進行比較，結果表明，新研發(fā)的涂層對目標物的選擇性更高，即使溫度、相對濕度發(fā)生改變也能得到穩(wěn)定的響應值。對于極性較強的污染物(如甲醛、揮發(fā)性胺類物質(zhì)等)，一般的涂層難以萃取，需結合衍生化技術將其衍生化為非極性物質(zhì)。早在2001年，KOZIEL等[33]采用固相微萃取纖維衍生化方法與美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)技術方法同時測定室內(nèi)空氣中的甲醛，結果表明，與NIOSH方法相比，固相微萃取纖維衍生化方法技術所需的時間減少了一個數(shù)量級。PARSHINTSEV等[32]采用衍生化技術，測定了大氣中的烷基胺物質(zhì)。但衍生化過程會產(chǎn)生新的物質(zhì)，增加基質(zhì)干擾效應[71]。對此，HELIN等[34]提出一種新的固相微萃取裝置——箭形固相微萃取裝置，用于萃取氣態(tài)樣品中的短鏈脂肪族胺，這種裝置加大了填料量和填料表面積，減少了競爭吸附現(xiàn)象，增強了萃取能力，且選用的碳分子篩/聚二甲基硅氧烷1000型填料具有足夠小的微孔來捕獲分子量小的胺，從而避免了使用衍生化技術。FEIJ等[37]研究表明，箭形固相微萃取裝置萃取單萜和醛的量比纖維式萃取的量分別高2倍、7～8倍，且溫度、濕度對箭形固相微萃取裝置無影響?？梢姡邪l(fā)吸附性強、選擇性高、抗環(huán)境干擾能力強的裝置或涂層，能支撐引領固相微萃取技術在環(huán)境空氣污染物的采樣和分析中的應用。

2.3 在土壤和沉積物污染物分析中的應用

土壤和沉積物是環(huán)境中有機污染物的源和匯，是一個含有礦物質(zhì)、有機物、水和空氣的復雜體系，傳統(tǒng)的樣品制備方法需要大量有機溶劑將有機物從樣品中分離出來，費時費力，且設備昂貴，如索氏抽提、加速溶劑萃取、超臨界流萃取、超聲萃取等。采用頂空式或直接浸入式固相微萃取技術均可直接萃取土壤和沉積物中揮發(fā)性物質(zhì)，BACH等[58]、YEGEMOVA等[60]、ORAZBAYEVA等[52]分別采用了頂空式固相微萃取技術與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法，成功萃取沉積物中的揮發(fā)性全氟烷基化物、1-甲基-1H-1,2,4三唑、萘。對于難揮發(fā)的物質(zhì)，不宜將萃取涂層直接暴露在未經(jīng)處理的固體基質(zhì)中[59]。為使纖維涂層免受物理損害，延長使用壽命，應在固體樣品中加入適量水或有機溶劑，并采用微波[45]、超聲[46]等輔助手段進行預萃取，使目標物從固體基質(zhì)中釋放出來且均勻分布[48]。 FERNNDEZ-GONZLEZ等[59]采用了超聲波輔助萃取結合固相微萃取技術，萃取沉積物中的鄰苯二甲酸酯，減少了土壤基體效應對萃取過程的影響，方法回收率為90%～111%，相對標準偏差小于10%，檢出限為0.001～0.142 μg/g。但預萃取過程會引起溫度升高，減小目標物在涂層中的分配系數(shù)，導致萃取能力下降。針對這一問題，ZHANG等[72]提出了內(nèi)部冷卻固相微萃取的方法，在樣品基質(zhì)預萃取的同時，通入冷卻液，降低涂層溫度，該方法明顯提高了土壤和沉積物中的苯、甲苯、乙苯、二甲苯的萃取效率；但冷卻劑的流量和涂層溫度難以控制，若涂層溫度過低，不利于萃取。對此，CHEN等[73]對內(nèi)部冷卻固相微萃取裝置進行改進，增加了冷卻液控制系統(tǒng)，可方便地控制冷卻液的流量，并在萃取頭安裝了熱電偶，準確地反映了涂層的溫度。近年來，科學家們研發(fā)了冷卻膜和熱電冷卻等多種纖維冷卻裝置[74]，能在樣品和纖維之間提供不同的溫度梯度。冷卻膜技術是將內(nèi)部冷卻固相微萃取技術與薄膜固相微萃取技術相結合，具有高靈敏度、萃取效率高的特點[76]，但用于土壤污染物的分析還鮮有報道。熱電冷卻可提供比冷卻液冷卻的溫度下限更低(<70 ℃)，且熱電冷卻系統(tǒng)更簡單，體積更小，成本更低，重量更輕，并能提供更準確的溫度控制技術[74]，在土壤多環(huán)芳烴[75]等的檢測中得到廣泛應用。

在涂層的選擇方面，對于半揮發(fā)性疏水化合物(如多環(huán)芳烴、有機氯濃藥等)[45-49,54]、極性化合物(如氯酚、有機磷農(nóng)藥等)[56-57]常采用聚丙烯酸酯涂層和聚二甲基硅氧烷涂層等商用涂層(表3)?？紤]到土壤的硬度和黏度，商用涂層力學性能不佳，極易折斷，使用壽命較短，RAZMI等[61]通過電化學的方法在實驗室自制二氧化硅/十六烷基三甲基溴化銨纖維涂層，可直接插入土壤中萃取多環(huán)芳烴，檢出限為36～1 220 pg/L；MOHAMMADI等[62]在實驗室用電化學法合成聚吡咯膜，用于檢測土壤中有機農(nóng)藥，得到的結果具有良好的相關性(相關系數(shù)>0.99)，檢出限達到23 ng/g。固相微萃取技術在土壤環(huán)境分析領域，在研發(fā)新涂層的同時，需結合內(nèi)部冷卻固相微萃取技術，以及在萃取分析過程中采用加熱、微波或超聲等輔助萃取以達到高效萃取的目的。

表3 固相微萃取技術在環(huán)境土壤或沉積物污染物分析中的應用Table 3 Application of solid Phase microextraction technique in environmental soil or sediment sampling

3 結語

固相微萃取技術集采樣、萃取、富集、進樣于一體，所需樣品體積小，無需有機溶劑，簡單快捷，成本低。該技術自提出以來，在環(huán)境監(jiān)測領域得到了快速發(fā)展與廣泛應用。針對不同的環(huán)境基質(zhì)，固相微萃取技術發(fā)展的側重點也有所不同：①水環(huán)境中含有的成分復雜，基體效應大，現(xiàn)有商業(yè)涂層選擇性不高，應進一步研發(fā)如離子液體、金屬有機骨架、多壁碳納米管、納米毛細管等具有高選擇性、高穩(wěn)定性、高耐用性以及低制造成本的新涂層材料，拓寬固相微萃取技術的使用范圍。②在大氣環(huán)境中，因空氣的流動，萃取條件時刻在改變，影響分析檢測的結果。為保持大氣環(huán)境的穩(wěn)定，應盡量縮短大氣采樣時間，在非平衡模式下進行采樣，或開發(fā)出不易受大氣環(huán)境條件影響的涂層與裝置，如箭形固相微萃取裝置。③在土壤和沉積物中，有機物污染物常被基質(zhì)中物質(zhì)吸附或絡合等物理化學作用而難以分離，在分析萃取時，應借助超聲、微波等輔助手段，同時結合內(nèi)部冷卻技術，以解決溫度過高導致萃取效率降低的問題。加快研發(fā)高效耐用的新型涂層，破解萃取纖維直接暴露于土壤基體中易受到損害的難題。

固相微萃取技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列新的涂層和形式，與氣相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜、液相色譜、液相色譜-質(zhì)譜等自動化聯(lián)用技術逐漸成熟，在水、大氣、土壤的環(huán)境污染檢測中得到了很好的應用。然而，我國的環(huán)境問題復雜，污染物種類繁多，且新型污染物不斷出現(xiàn)，對分析檢測技術的要求也不斷提高，研發(fā)穩(wěn)定、高選擇性、高萃取效率的新型纖維涂層，開發(fā)更便捷、實用的新型裝置，發(fā)展與色譜、質(zhì)譜等大型分析檢測設備聯(lián)用的相關技術，提高固相微萃取技術，拓寬應用范圍，進而助推綠色環(huán)境監(jiān)測技術，助力打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，打好柴油貨車污染治理、城市黑臭水體治理、渤海綜合治理、長江保護修復、水源地保護、農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理等七大攻堅戰(zhàn)。