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1、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
2、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：分析物的高回收率；更有效地将分析物与干扰组分分离；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；能处理小体积试样；无相分离操作，容易收集分析物级分；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
3、理试样。借助SPE所要达到的目的是：从试样中除去对以后的分析有干扰物质；富集痕量组分，提高分析灵敏度；变换试样溶剂，使之与分析方法相匹；原位衍生；试样脱盐；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，
4、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，
5、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) SP
6、E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
7、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
8、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1520 min。(3) 固相微量萃取器 在一支细熔融石英纤维(1 cm x 100m)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
9、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在线和离线SPE（on-line and off-line SPE）(1) 离线SPE SPE可以离线或在线方式进行。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
10、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) 在线SPE 在线SPE又称在线净化和富集技术，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
11、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)
12、。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
13、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
14、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
15、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：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 g/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
16、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%。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
17、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%8.5%之间，最小检测量为10-9g。孙锡浩等采用廉价易得的4060目颗粒状活性炭作吸附剂，固相萃取环境水中痕量硫双威，以达到富集、净化的目的，用火焰光度检测气相色谱法测其含量，最低检出限为0.2mg，水样中的最低检出浓度为0.2g/L，平均加标回收率为89.7%105.2%，变异系数小于5%。张洪兰采用国产C18柱萃取血样(1ml)或尿样(5ml)中灭多虫、速灭威、残杀威、西维因、叶蝉散、敌草隆、巴沙七种氨基甲酸酯类农药。平均回收率在60%以上,变异系数为9
18、.59%23.02%,最低检出限除尿中灭多虫和巴沙为40200mg外,其余均为2040mg。2 环境空气中痕量有机物分析环境空气污染物中挥发性物质占90%，其余为颗粒状污染物，颗粒状污染物可用滤膜捕集。对挥发性和半挥发性一般用固相萃取(固体吸附)，溶液吸收和低温冷凝富集采样。在常温或低温下使空气通过小柱，由分配系数不同待测的有机化合物保留在小柱上，空气中正常组分如氮、氧等则通过小柱流出，从而达到富集有机化合物的目的。本方法由于操作简单，覆盖污染物多，特别适合污染事故采样取证。采用活性炭小柱(内装0.3g)萃取富集环境空气中的氯仿、四氯化碳、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷五种卤代烃化合物，
19、五种化合物的检测限在0.0030.02mg/m3之间,平行样品的相对误差小于7%。Waters公司推出采集空气中醛/酮小柱SepPakDNPH硅胶，这种小柱在硅胶表面涂布了一层 2 ，4二硝基苯肼(DNPH)，采样时空气中醛/ 酮组分在小柱上与DNPH 发生衍生反应，用有机溶剂洗出衍生物在HPLC 系统上进行分离测定，对甲醛和酮的检测限可达310-12，可用于汽车尾气，工业区，居民区，室内等环境空气中醛、酮的分析。石利利等采用自制Florsil固相萃取预处理小柱浓缩、净化-高效液相色谱法，测定了环境污染空气中及地面扬尘中痕量甲磺隆含量。空气和地面扬尘中甲磺隆的最低检测浓度分别为210-5mg/
20、m3、2 10-3mg/kg，回收率分别为80.5%96.5%(空气中)和89.3%105.1%(地面扬尘中) 。3在优先污染物监测中的应用SPE技术在优先污染物监测中的应用进展很快,国外的研究工作者已经在这方面做了不少工作,而我国在这方面的应用起步较晚。表1列出了部分污染物的固相萃取结果及所用吸附剂,从中可以看出,SPE技术对这些化合物的回收率比较高。SPE技术在环境污染物监测中是一个快速、有效、简便的方法,对于某些污染物样品的前处理,它可以取代传统的液液萃取方法。但是,吸附剂选择的困难大大限制了SPE技术的广泛应用。国外的研究也大都局限在对一种或一类优先污染物的SPE技术的研究,而对吸附剂
21、的研究,特别是对优先污染物中几大类化合物吸附剂选择的研究目前还是一个空白。五、固相萃取在各个领域中的应用范例1分析化学董学畅、杨光宇等根据新试剂2-( 2哇琳偶氮)-1,5一苯二酚(QADHB)与钴的显色反应及Waters Porapak Sep-Park固相萃取小柱对显色配合物的固相萃取，建立了一种测定生物样品中痕量钴的新方法，在pH=4.4的HAc-NaA。缓冲介质中，澳化十六烷基三甲基钱(CTMAB)存在下，QADHB与钻反应生成2:1稳定配合物，该配合物用固相萃取小柱富集，乙醇洗脱后用光度法测定，结果令人满意。2制药工业分析朱炳辉等将含磷酸二氢钾的样品与甲醇的混合溶液流过Sep-Par
22、kC18固相萃取小柱。牛磺胆酸被小柱饱和吸附后的流出液作反相高效液相色谱法测定用的供试液，结果在0.0253-0.253 mg/mL质量浓度范围内，牛磺胆酸钠进样浓度与峰面积响应值呈良好的线性关系，r = 0. 9999。该方法测定蛇胆川贝液和蛇胆汁中的牛磺胆酸含量，简便实用，分析结果准确可靠，可作为蛇胆川贝液和蛇胆汁的质量控制方法。3临床医学分析吴丽花等采用固相萃取法预处理血浆样品，分析柱为M-N-Necleosil 1005C18小柱，流动相为pH=3.8的0.05 mol/L醋酸缓冲液-甲醇(质量比为82:18)，按内标法定量。结果发现头抱血药浓度线性范围为0.05-5.0mg/L (
23、r=0. 9999 )，最低检测浓度0.025 mg/L，该方法操作便捷，灵敏度和精密度高，重现性好，适于头孢的测定。4食品分析胡秋芬等研究了氯磺酚偶氮硫代若丹宁(HSCT)与汞的显色反应，在pH=3.6的HAc-NaAc缓冲介质中，TritonX-100存在下，HSCT与汞反应生成2: 1稳定配合物，此配合物可被C18固相萃取小柱定量萃取，在小柱上保留的配合物用四氢呋喃洗脱后用分光光度法测定。汞含量在01g/L内符合比尔定律，该方法适用于食品中微量汞的测定。5烟草工业分析张承明等在pH为8. 0的氯化氨一氨水缓冲介质中，乳化剂OP存在下，8羟基喹哪啶与铁反应生成3:1稳定的蓝紫色配合物，该配
24、合物可被Waters Plu-C18固相萃取小柱萃取富集，小柱上富集的配合物用乙醇洗脱剂洗脱后用光度法测定。铁含量在01g/L内符合比尔定律，该方法适用于烟草样品中痕量铁的测定。六、参考文献1李利荣,吴宇峰,时庭锐,杨家凤. 固相萃取技术在环境水质监测方法开发中的应用J. 天津市环境监测中心,2007,30(3):41-44.2李红亮,李文体.固相萃取技术及其在环境优先污染物监测中的应用J. 河北省水文水资源勘测局,2004,4:42-45.3王丽平.固相萃取技术在环境分析中的应用J. 中国科技信息,2005,7:9.4张海霞,朱彭龄.固相萃取J.分析化学评述与进展,2000,28(9): 1172-1180.5李存法,何金环.固相萃取技术及其应用J. 天中学刊,2005,20(5):13-16.6董学畅,张莉,普继兰.固相萃取技术及其应用新进展J. 云南化工,2004,31(6):26-30.7何淼.固相萃取技术在环境有机污染物分析中的应用D. 中国地质科学院,2007.
