陳國(guó)勝，王少涵，陳月媚，謝浩志，肖華，陳滔，于祿丹，李厚金，朱芳，歐陽(yáng)鋼鋒

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510275

固相微萃取(Solid phase microextraction, SPME)是1990年由加拿大Waterloo大學(xué)Pawliszyn教授的工作小組提出的樣品前處理方法。樣品前處理是分析檢測(cè)的關(guān)鍵步驟，直接影響樣品的分析檢測(cè)時(shí)間和分析方法的靈敏度。傳統(tǒng)的樣品前處理如液液萃取、固相萃取等方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并消耗大量有機(jī)溶劑，易對(duì)環(huán)境造成二次污染，同時(shí)也會(huì)對(duì)分析測(cè)試人員的健康造成危害。而SPME技術(shù)是一種集采樣、萃取、濃縮和進(jìn)樣于一體的，簡(jiǎn)便、快速、無(wú)溶劑消耗的新型綠色樣品前處理技術(shù)[1]。微型化的萃取形式使得采樣過(guò)程非常便捷和迅速，并且對(duì)所萃取基質(zhì)的干擾很小。SPME的優(yōu)勢(shì)促使其演變?yōu)榭裳芯繌?fù)雜系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)、分配平衡及重要物理化學(xué)參數(shù)性質(zhì)的有效工具[2,3]。基于此，2001年美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)Analytical Chemistry雜志將SPME與基質(zhì)輔助激光解吸離子化技術(shù)、電噴霧技術(shù)、毛細(xì)管電泳技術(shù)、毛細(xì)管電泳DNA技術(shù)和微全分析系統(tǒng)一起評(píng)為1990–2000年分析化學(xué)領(lǐng)域的6個(gè)偉大創(chuàng)新[4]。如今，SPME技術(shù)發(fā)展迅速，在環(huán)境、食品、藥物分析和法醫(yī)鑒定等方面均得到了廣泛的應(yīng)用。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)高校化學(xué)類本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)通常采用傳統(tǒng)的樣品前處理方法對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行采集、萃取、濃縮，并未對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的這一步驟提出過(guò)高要求。事實(shí)上，樣品前處理過(guò)程是分析檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，引入先進(jìn)、環(huán)保的樣品前處理技術(shù)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)很有意義，一方面可以將思政元素融入課堂，樹(shù)立學(xué)生的綠色化學(xué)理念，另一方面能讓學(xué)生掌握先進(jìn)的樣品前處理技術(shù)，感受前沿技術(shù)在分析領(lǐng)域帶來(lái)的革命性創(chuàng)新。

苯、甲苯、乙苯、二甲苯(Benzene、toluene、ethylbenzene、o-,m-, andp-xylenes，BTEX)被廣泛用于制造油漆、合成橡膠、農(nóng)藥和化學(xué)中間體等。苯系物的來(lái)源廣泛，比如汽車尾氣，建筑裝飾材料中有機(jī)溶劑，如油漆的添加劑、日常生活中常見(jiàn)的膠粘劑、人造板家具等。BTEX化合物會(huì)泄露到土壤、沉積物和地下水中，造成環(huán)境污染。苯系物對(duì)生物體具有神經(jīng)毒性和致癌性，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病或癌癥[5]。很多國(guó)家已把水中苯系物的濃度作為水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容之一，并規(guī)定了嚴(yán)格的飲用水中苯系物濃度標(biāo)準(zhǔn)。因此，讓學(xué)生掌握水體中BTEX化合物的檢測(cè)方法十分必要。目前，針對(duì)水體中苯系物的SPME-GC-MS定量檢測(cè)方法已很成熟，將其引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)具備可行性。

在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)SPME-GC-MS方法快速檢測(cè)水中苯系物的實(shí)驗(yàn)，希望借此將SPME技術(shù)引入到本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，促進(jìn)學(xué)生對(duì)SPME這一新型樣品前處理方法的學(xué)習(xí)和掌握。因此，我們實(shí)驗(yàn)部分設(shè)計(jì)了條件優(yōu)化的探究過(guò)程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到SPME方法的影響因素；設(shè)計(jì)了方法學(xué)考察部分，讓學(xué)生體驗(yàn)到SPME方法的優(yōu)越性；同時(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)際水樣的檢測(cè)，讓學(xué)生能夠切身體會(huì)SPME方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮的簡(jiǎn)便、快速、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解固相微萃取基本原理及應(yīng)用，探究固相微萃取效果影響因素。

(2) 掌握氣相色譜-質(zhì)譜分析方法的基本原理、分析過(guò)程及儀器基本結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

SPME裝置主要由支撐層、涂層材料和保護(hù)層(非必要)組成。SPME有多種萃取形式，包括探針式SPME、刀片式SPME、管內(nèi)SPME、薄膜SPME等，目前應(yīng)用最廣泛的是探針式SPME (圖1a)，圖1b為固定SPME探針的進(jìn)樣手柄。SPME探針?lè)譃樯逃锰结樅妥灾铺结槪Ｓ玫纳逃锰结槻捎猛繉硬牧嫌芯鄱谆柩跬?Polydimethylsiloxane，PDMS)、PDMS/二乙烯基苯(Divinyl benzene，DVB)、聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)和聚丙烯酸酯(Polyacrylate，PA)等，自制探針的涂層則采用包括納米材料、分子印跡聚合物、金屬有機(jī)框架、共價(jià)有機(jī)框架[6]、離子液體等新型材料[7]。SPME的核心部位就是SPME萃取涂層，可采用各種涂覆技術(shù)將涂層材料(高聚物或吸附劑)固定在石英纖維或不銹鋼絲上制備成SPME探針。在應(yīng)用方面，SPME技術(shù)已從常規(guī)的氣液基質(zhì)分析發(fā)展到原位活體分析，在生命分析和臨床方面等得到廣泛應(yīng)用[8,9]。

圖1 SPME探針(a)及進(jìn)樣手柄(b)示意圖

SPME的工作原理是將固定在支撐載體上的微型萃取相直接暴露于樣品體系，通過(guò)分析物的吸附或擴(kuò)散作用進(jìn)行萃取，當(dāng)待測(cè)組分在樣品基質(zhì)和萃取涂層之間達(dá)到分配平衡時(shí)，認(rèn)為SPME過(guò)程完成。由于其微型化和便攜化的裝置設(shè)計(jì)，SPME可以與精密的檢測(cè)儀器，如氣相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜(如圖2所示)、高效液相色譜-質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳色譜-質(zhì)譜和敞開(kāi)式質(zhì)譜等儀器聯(lián)用，從而實(shí)現(xiàn)采樣到分析檢測(cè)的一體化操作[10]。

圖2 SPME聯(lián)用GC-MS的工作示意圖

SPME的萃取方式主要包括直接萃取、頂空萃取兩種(圖3)。由于苯系物為易揮發(fā)性有機(jī)物，本實(shí)驗(yàn)采用頂空萃取方式，即將SPME探針涂層置于待測(cè)溶液液面上部的氣相中。頂空萃取方式能有效避免探針涂層被基質(zhì)干擾和污染。

圖3 SPME直接萃取(左)和頂空萃取(右)模式的示意圖

使用頂空萃取方式萃取分析物的量與分析物在三相中總的平衡有關(guān)。分析物總的質(zhì)量在萃取平衡時(shí)將會(huì)保持恒定，因此：

式中，c0是分析物在樣品基質(zhì)中的初始濃度；cf∞，ch∞，cs∞分別是萃取平衡時(shí)分析物在涂層、頂空和樣品基質(zhì)中的濃度；Vf，Vh，Vs分別是涂層、頂空和樣品的體積。若將分析物在涂層材料與氣相間的分配系數(shù)定義為Kfh=cf∞/ch∞，在氣相與樣品基質(zhì)間的分配系數(shù)定義為Khs=ch∞/cs∞，在涂層和樣品基質(zhì)中的分配系數(shù)定義為Kfs=cf∞/cs∞，那么涂層上分析物的物質(zhì)的量n=cf∞Vf∞可表示為：

而且

因?yàn)榉治鑫镌谕繉?頂空之間的分配系數(shù)Kfh可用涂層/氣體的分配系數(shù)Kfg來(lái)近似。若忽略頂空中氣體的濕度，Khs可以用氣體/樣品基質(zhì)之間的分配系數(shù)Kgs來(lái)近似。因此，式(3)又可為：

從式(4)中可看出被萃取的分析物的物質(zhì)的量n與分析物在樣品中的初始濃度c0成正比，這是SPME定量分析的基礎(chǔ)[9]。

本次實(shí)驗(yàn)采用固相微萃取與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用快速分析水中的BTEX。

3 儀器和試劑

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)中所用到的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和商用SPME探針見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)所用不同濃度的BTEX混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液均是由表1所示的苯系物配制(甲醇稀釋配制)，混合溶液中含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的主要試劑和商用SPME探針

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)中所用到的儀器見(jiàn)表2。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

4.1 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)

4.1.1 色譜條件

載氣：高純氦氣，采用恒流方式。

升溫條件：使用安捷倫的HP-5 MS (30 m (長(zhǎng)) × 0.25 mm (內(nèi)徑) × 0.25 μm (厚))的色譜柱進(jìn)行色譜分離，采用不分流方式，程序升溫方式如表3所示。

4.1.2 質(zhì)譜條件

溶劑延遲時(shí)間：0.5 min

電離方式：EI，電子能量：70 eV

質(zhì)量掃描范圍(m/z)：50–300

測(cè)定方式：選擇離子模式(SIM，具體如表4所示)

表4 BTEX標(biāo)樣的選擇離子列表

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟/方法

4.2.1 萃取條件優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)操作如下：

將10 mL去離子水加到20 mL樣品瓶中，加入1 μL BTEX混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 mg·L-1)，將樣品瓶置于電磁攪拌器的正上方，并用鐵夾固定；設(shè)置轉(zhuǎn)速，將SPME裝置的不銹鋼管穿透瓶蓋隔膜，插入樣品瓶中，用鐵夾固定SPME裝置，使裝置懸于樣品液面上部空間，確保探針不插入水樣；推手柄桿，伸出萃取頭，使萃取涂層暴露于溶液上方一定時(shí)間；萃取完成后，縮回萃取頭，取出不銹鋼管。

萃取結(jié)束后，將不銹鋼管插入氣相色譜儀的進(jìn)樣口，推手柄桿，伸出萃取頭，熱解吸一段時(shí)間；解吸完成后，縮回萃取頭，迅速取出不銹鋼管，完成色譜進(jìn)樣；待儀器完成分析檢測(cè)后，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行積分處理。條件優(yōu)化過(guò)程中控制單一變量，且均平行進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)。

(1) 涂層材料。

分別使用PDMS100、PA85、PEG60三種涂層材料的探針進(jìn)行萃取。

(2) 萃取時(shí)間優(yōu)化。

分別在萃取時(shí)間1、2、3、 5、10、15 min的條件下進(jìn)行萃取。

(3) 萃取溫度優(yōu)化。

分別在萃取溫度30、35、40、45、50、55 °C的條件下進(jìn)行萃取。

(4) 解吸時(shí)間優(yōu)化。

分別在解吸時(shí)間1、2、5、8、10、15、20 s的條件下進(jìn)行解吸。

(5) 解吸溫度優(yōu)化。

分別在解吸溫度150、175、200、225、250、275 °C的條件下進(jìn)行解吸。

4.2.2 方法學(xué)考察

(1) 方法標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。

分別用去離子水配制濃度為100、500、1000、2000、5000、10000 ng·L-1的BTEX標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。在SPME優(yōu)化條件下，聯(lián)用GC-MS，分析檢測(cè)BTEX，以儀器檢測(cè)到的BTEX峰面積為縱坐標(biāo)，BTEX濃度為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，得到方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(2) 方法的檢出限與定量限。

在加標(biāo)濃度100 ng·L-1的實(shí)驗(yàn)中，使用公式(5)計(jì)算BTEX的檢出限D(zhuǎn)L，使用公式(6)計(jì)算BTEX的定量限QL。

式中，RN為基線噪聲，c為溶液濃度，h為相應(yīng)峰高

4.2.3 實(shí)際水樣分析

采集河水和自來(lái)水，經(jīng)過(guò)濾處理后，密封放置于冰箱4 °C儲(chǔ)存。利用上述建立的SPME分析方法對(duì)實(shí)際水體樣品進(jìn)行萃取，并通過(guò)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線定量實(shí)際水體中的BTEX。對(duì)所采集的水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)濃度為1000 ng·L-1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算加標(biāo)回收率。

5 結(jié)果與討論

5.1 萃取條件的優(yōu)化

SPME萃取條件的優(yōu)化情況如圖4所示，從圖4a可看出，三種涂層中，PDMS100對(duì)BTEX的萃取效果最好，因此選用PDMS100商用針進(jìn)行后續(xù)萃取實(shí)驗(yàn)；從圖4b可看出，萃取效果受萃取時(shí)間影響較大，在萃取時(shí)間區(qū)間1–15 min內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的增加，BTEX峰面積逐漸增加，在10 min時(shí)基本達(dá)到萃取平衡，因此，選取的最優(yōu)萃取時(shí)間為10 min；從圖4c可看出，在溫度區(qū)間30–55 °C內(nèi)，萃取效果隨著萃取溫度的升高而下降，因此，選取的最優(yōu)萃取溫度為30 °C；從圖4d可看出，在解吸時(shí)間1–20 s內(nèi)，解吸效果處于先上升后平衡的狀態(tài)，其中15 s時(shí)效果最佳，故選擇15 s為最優(yōu)解吸時(shí)間；從圖4e可看出，解吸溫度為200 °C時(shí)，萃取效果達(dá)到最佳，故選取最優(yōu)解吸溫度為200 °C。

綜合上述SPME萃取條件優(yōu)化情況，最終選擇PDMS100商用探針，最佳優(yōu)化條件為：萃取時(shí)間10 min、萃取溫度30 °C、解吸時(shí)間15 s、解吸溫度200 °C。圖4f是在優(yōu)化條件下，SPME-GC-MS分析檢測(cè)BTEX的色譜流出曲線。后續(xù)的方法學(xué)考察實(shí)驗(yàn)及實(shí)際水樣的檢測(cè)均采用上述條件進(jìn)行。

圖4 SPME萃取條件優(yōu)化結(jié)果

5.2 方法學(xué)考察

采用PDMS100商用探針在優(yōu)化的SPME條件下，聯(lián)用GC-MS，對(duì)BTEX標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行方法學(xué)考察，得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖5所示；線性范圍、相關(guān)系數(shù)(R2)、檢出限、定量限、單針重現(xiàn)性如表5所示。從圖5和表5可知，四種分析物具有良好的線性范圍，均為100–10000 ng·L-1，線性相關(guān)系數(shù)(R2)均大于0.99，檢測(cè)限遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的水體中BTEX最低允許濃度(GB 5749–2006)。此外，單針重現(xiàn)性優(yōu)良，在0.43%–1.59%之間，表明建立的SPME-GC-MS方法可靠。

表5 方法學(xué)考察結(jié)果

圖5 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

5.3 環(huán)境水樣中苯系物含量分析

實(shí)際水樣來(lái)自環(huán)境中的河水與自來(lái)水，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。從表6可知，環(huán)境中的河水和自來(lái)水中均未檢出BTEX，經(jīng)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，獲得加標(biāo)回收率在85%–120%之間，進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的可靠性。

表6 實(shí)際水樣中BTEX的檢測(cè)結(jié)果

GB 5749–2006規(guī)定水體中苯、甲苯、乙苯、二甲苯的濃度需分別低于0.01、0.7、0.3、0.5 mg·L-1。本次水樣均未檢出上述化合物。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目將SPME這一先進(jìn)的綠色的樣品前處理方法引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)地開(kāi)展了SPME條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行方法學(xué)考察及實(shí)際樣品的分析檢測(cè)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性、前沿性，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，既能拓寬學(xué)生的知識(shí)面，又能讓學(xué)生充分感受前沿技術(shù)給教學(xué)和科研帶來(lái)的變革。

本實(shí)驗(yàn)將SPME與GC-MS檢測(cè)方法聯(lián)用，不僅可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)的SPME技術(shù)，同時(shí)也可以進(jìn)一步鞏固氣相色譜儀的操作和使用。

本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試劑和SPME商用探針容易購(gòu)買(mǎi)，實(shí)際水樣容易采集?？紤]到質(zhì)譜檢測(cè)器的價(jià)格昂貴，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，可以用價(jià)格相對(duì)較為便宜的氫火焰離子化檢測(cè)器代替質(zhì)譜檢測(cè)器，以便大部分高校均可開(kāi)展本實(shí)驗(yàn)。此外，本實(shí)驗(yàn)用時(shí)4–8 h，可靈活地根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行模塊化課程開(kāi)設(shè)。整體上，本研究項(xiàng)目可作為本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推廣。