固相微萃取技术及其在炸药检测中的应用

刘红妮 张 婷 严 蕊 杨彩宁

(西安近代化学研究所，西安，710065)

固相微萃取(Solid Phase Microextraction,简称SPME)技术是20世纪90年代初发展起来的一种集采样、萃取和富集于一体的样品前处理技术，其操作简单、快速、无有机溶剂、样品用量少、灵敏度高。该技术主要与气相色谱(GC)和液相色谱(HPLC)联用，能快速有效地分析环境样品中痕量物质。目前SPME在环境监测、食品分析及药物检测方面应用较多[1-3]，检测对象多为挥发、半挥发性有机化合物，但在炸药分析方面应用的少，应用SPME进行炸药蒸气及环境样品中爆炸物分析得到了人们越来越多的关注。以下对SPME技术在炸药检测方面的应用进行综述。

1 SPME的原理

SPME以熔融石英光导纤维或其它材料为基体支持物，利用“相似相溶”的特点，在其表面涂渍不同性质的高分子固定相薄层，通过直接或顶空方式对待测物进行提取、富集、进样和解析。SPME的基本原理和萃取机制可以描述为待测物在介质相和/或顶空相及萃取纤维相的分配平衡过程，在一定条件下达到动态平衡时，涂层吸附的待测物的量与样品中的浓度成正比，以此作为定量分析的依据[4]。在单相、单组分的萃取系统中达到分配平衡时，待测物在萃取纤维涂层中的量可由式(1)计算：

(1)

式中：n——待测物在萃取纤维涂层中的量；

Kfs——待测物在样品及涂层间的分配系数；

Vf——萃取涂层的体积；

c0——待测物的初始浓度；

Vs——样品体积。

当Vs>>KfsVf时，式(1)可近似地表达为：

n=KfsVfc0

(2)

也就是说萃取纤维涂层所能吸附的待测物质的量与其初始浓度成正比，即为SPME 的定量基础[5]。如果考虑顶空萃取方式，则达平衡时待测物在萃取纤维涂层中的量可由式(3)计算：

(3)

式中：c0——待测物的初始浓度；

V1、V2、V3——分别为萃取涂层、溶液(或固相)及顶空的体积；

K1，K2——分别为待测物质在萃取涂层与顶空以及顶空与样品之间的分配系数。

在实际体系中，样品通常存在多组分，因而K1、K2不仅与同一组分的不同浓度有关，还与样品中的其它组分浓度有关，因而其平衡体系的数学表达式更为复杂，严格地讲，需要进行定量校正。但是通常在分析环境或食品样品时，可以假设不同组分的浓度往往很低，可以忽略彼此的作用。将式(3)与(1)式相比，只在分母上多了K2V3一项，而通过控制顶空体积，可以忽略其对整个计算结果的影响，因此萃取纤维涂层所吸附的物质的量n仍然正比于其起始浓度c0。

2 SPME的操作模式

根据被分析样品的物理性质和状态，进行固相微萃取时可以采取不同的操作方式，常见的操作方式有如下3种：

2.1 固相微萃取直接法

将涂有萃取固定相的石英纤维直接插入样品基质中，目标组分直接从样品基质转移到萃取固定相中，能在1 min 内迅速达到萃取平衡，因而常使用直接固相微萃取模式。在实验室操作过程中，常用搅拌方法来加速分析组分从样品基质中扩散到萃取固定相的边缘。对于气体样品，气体的自然对流已经足以加速分析组分在两相之间的平衡；但对于水样品而言，组分在水中的扩散速度比在气体中低3～4个数量级，因此需要混匀技术来实现样品中组分的快速扩散。

2.2 顶空固相微萃取法

把萃取头置于待分析物样品的上部空间进行萃取的方法称为固相微萃取顶空法。这种方法只适于被分析物容易逸出样品进入上部空间的挥发性分析物，对黏度大的废水、体液、泥浆或固体样品，则只能采用上空取样的顶空固相微萃取模式，萃取从基质中释放到样品上空的化合物。

2.3 衍生化固相微萃取法

通过衍生化作用来降低极性化合物的极性后进行固相微萃取的方法叫做衍生化固相微萃取法，极性化合物通过在其水溶液基质中加入衍生剂或将纤维涂层浸入适当的衍生化试剂被衍生后进行萃取，衍生化后极性分析物极性降低，萃取后更适于色谱分析。

3 SPME的影响因素

3.1 SPME涂层

萃取纤维涂层是影响SPME萃取选择性及灵敏度的重要部分。通常对SPME萃取纤维涂层的选择基于分析物和萃取纤维涂层的极性相容性来确定。目前已商品化的非极性涂层主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS，7,30,100 μm)，极性涂层有聚丙烯酸酯(PA, 85 μm)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB, 60, 65 μm)、聚乙二醇/二乙烯基苯(CW/DVB，65，70 μm)、聚乙二醇/模板树脂(CW/TPR，50 μm)以及极性范围宽的二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS，30，50 μm)和用于萃取衡量挥发性气体的聚二甲基硅氧烷/羧乙基(PDMS/CAR，75，8 μm)涂层。商品涂层由于种类有限、选择性较差、推荐使用温度普遍较低(200～280℃)、使用寿命短(一般约为40～100次)且价格昂贵等，大大限制了它的应用范围。所以许多新型涂层材料也随着SPME的发展而出现。这些新涂层从使用温度、耐溶剂性、耐酸碱性、萃取能力、稳定性和寿命上都不同程度地拓宽了SPME的使用范围。

3.2 样品温度、离子强度和pH对萃取的影响

温度的改变对微萃取有影响，随着温度的升高，扩散系数和亨利常数增加，但同时到达萃取相的分配系数却降低。因为亨利常数增大、顶空分析物浓度增加、扩散系数增加，使萃取到达平衡的时间缩短。但低的分配系数导致平衡萃取量的降低，所以温度的选择要根据实际需要综合考虑。

盐的加入通常会改善萃取效率，样品中加入盐通常会降低分析物的溶解性，提高分析物在萃取相的分配系数，从而提高萃取效率，但萃取效率并不随着离子强度的增加而不断增加，较高的离子强度也可能对萃取带来很多负面影响。如极性分析物可能会与溶液中的盐离子产生静电作用等[6]。一般情况下，对于低分配系数的化合物，高的离子强度更有利于其萃取。由于pH影响分析物在样品中的存在形式，因此pH是萃取优化中一项重要因素。对于吸附型纤维涂层来说，只有分子形式的分析物可以被萃取，所以应根据化合物的酸碱性调节合适的pH值[7]。

3.3 其它因素的影响

除了上述参数外，搅拌速率、样品体积、顶空体积、进样方式、纤维位置、解析溶剂和时间(或解析温度或时间)都会对萃取效率产生影响。

4 在炸药分析中的应用

炸药类物质对环境的污染不容忽视，由于爆炸残留物比较复杂且浓度较低，对样品分析方法要求很高，很多产物属于痕量范围，必须进行浓缩处理才能检测，SPME解决了这些问题。实践证明SPME在提取环境样品中的炸药化合物时更有效、省时、方便。

4.1 在炸药蒸汽分析中的应用

J.R.Almirall等[ 8]用固相微萃取技术及高效液相色谱(HPLC)和气相色谱电子俘获检测器(GC-ECD)、气质联用(GC-MS)分析高爆性能炸药，该方法具有准确、快速、灵敏度高的特点。

在文献[9]中, 研究人员采用PDMS以及PDMS/DVB树酯纤维管对三过氧化三丙酮(TATP)爆炸现场的气体进行吸附采样, 运用SPME技术对爆炸现场的TATP 炸药进行回收，采用GC-MS技术对回收的TATP 炸药进行有效分析。研究人员采用直接从TATP炸药上部气体取样和用XAD-7离子交换树脂吸附取样, 与用SPME技术取样的TATP进行了对比分析, 以研究3种取样情况下仪器的最低探测值。用Saturn公司的离子捕获探测器( ITD ion trap detector) 对上述3种气体进行分析, 给出了探测的最低浓度，TATP 炸药顶部取样：10 μg/(100 mL); XAD-7离子交换树脂吸附取样：320 ng/(100 mL); SPME：6.4 ng/(100 mL)。

杨秀兰等[10]采用6种不同吸附剂固定相的固相微萃取对炸药造型粉在120℃放置所释放的微量气体进行了萃取吸附选择性研究，同时采用75 μm CB/PDMS固相微萃取和气密针进样对在75℃条件下放置的炸药造型粉释出微量气体组分进行了采样分析。GC/MS初步定性分析结果表明，固相微萃取的各种萃取头对该炸药老化过程中释放的多种微量气体和有机挥发性组分具有选择性吸附萃取浓缩作用，SPME可将这些微量组分富集浓缩1 000倍以上，是一种有效的检测炸药释放气体的手段。

杨秀兰等[11]采用3种不同吸附性能萃取头的固相微萃取对JOB炸药在自然密封存放和加热老化一定时间后所释放出来的微量气氛进行了萃取吸附研究，采用GC-MS测试技术对其进行了定性分析。研究表明，固相微萃取装置对该炸药老化过程中释放的微量无机气体和有机挥发性组分具有选择性吸附和萃取浓缩作用，峰强度显示不同老化条件下放出的气体组分和含量具有不同的结果。初步探讨了老化释放气体的机理，JOB炸药老化放出的主要是一些合成溶剂、杂质等。

余堃等[12]采用SPME、GC、GC/MS 技术, 对JOB-9003 炸药及Ø10 mm×8 mm小药柱加速老化贮存初期释出的气体进行了研究。检测到的气体物质主要包括JOB-9003 的各组分生产过程中使用的溶剂和原料、JOB-9003 造粒过程中使用的溶剂、JOB-9003 的组分、JOB-9003 释出物质互相反应的产物。研究表明, JOB-9003 加速老化贮存初期释出气体以生产过程中被封闭在材料中或溶入材料中的气体为主。随着贮存温度的升高和贮存时间的延长，JOB-9003 造型粉及小药柱释出的各种气体组分的浓度大都呈升高的趋势。

4.2 在炸药残留物分析中的应用

Bi.M.Almirall[13]综述了在易燃液体和爆炸残留物分析中应用的SPME的一些变量因素，包括纤维材料化学、吸附脱附温度、吸附脱附时间、纤维取样位置等因素，讨论了这些因素对萃取结果的影响。

L.Sandra[14]等将SPME与HPLC-UV联用建立起一种分析硝基芳环炸药衍生物的方法，介绍了一种改进的连接部位，对于地表土壤样品中的炸药检测及定量，确保精确、可重复性、高效、唯一选择性和高灵敏度，提高色谱效率。介绍了将目标化合物萃取至水相的预处理步骤，以及影响微萃取的参数，例如纤维涂层、吸附解吸附时间、解吸附时间模式、搅拌速度、NaCl(析出)浓度对分析物提取的影响和各种溶剂对SPME纤维的作用。CW/TPR和PDMS-DVB用于提取水相样品中的待分析物，炸药的检测浓度在0.33 ng/g。分析了日光照射和紫外辐射一个月对地表土壤样品的影响，测得的降解产物有1,3,5-TNB、1,3-DNB、2,4-DNT、4-硝基甲苯和3-硝基甲苯。研究表明，对于地表土壤样品和水相样品中的炸药，SPME-HPLC是一个很有前景的分析方法，已成功应用于硝基芳环化合物的检测，例如TNT。

在F.Rivera-Monteil[15]的研究中，SPME既用作沉积萃取物的纯化技术也用作GC-ECD分析前水样的萃取技术。SPME/GC-ECD经过条件优化被应用于9种炸药的痕量分析包括硝基芳族化合物和海水中及海洋沉积物中RDX。通过向水介质中加入高浓度盐(30%)及CW/DVB涂层的应用可优化萃取效率。方法的检测限为：水中0.05～0.81 ng/L，干沉积物1～9 ng/L。除RDX以外，当样品中每种分析物增加到2 ng/L时海水中示踪物回收率令人满意。干沉积物中每种分析物增加到10 ng/L，示踪物回收率较低，这归因于在基体中的降解。与SPE相比所需的水样的体积较小，对于分析有限体积的沉积物，SPME是一种很有吸引力的方法，而且SPME的应用消除了沉积萃取物中干扰物的存在，实现了直接进样检测比较困难的目标分析物的测试。

Gaurav等建立了一种快速、简单、灵敏、准确的SPME-HPLC-UV联用定量方法[16]，用来检测水样中11种硝基芳族成分，用60 μm的PDMS/DVB树脂纤维从水基质中同时萃取所有分析物，使其静态解吸附在SPME-HPLC接口的解吸附室里，色谱条件为：流动相为体积比43∶57的甲醇-水，流速1.3 mL/min，检测波长254 nm，反相氨基柱用作分离介质。TNT和特屈儿的检测限分别为0.35、0.54 ng/mL，这种方法已成功应用于环境及工业源中的水样分析。

Gaurav等应用SPME预浓缩技术和HPLC-UV分析技术[17]，建立了简单、灵敏的方法来测定环境样品中的HMX和RDX，水溶性阴离子表面活性剂SDS用来提取土壤样品中的特屈儿、HMX、RDX，随后被吸附到SPME纤维上，静态解吸附在SPME-HPLC接口的解吸附室，流动相为ACN-甲醇-水(体积比为30∶35∶35)，流速为0.5 mL/min)。

杨瑞勤等[18]用酰胺类化合物和气相色谱固定液制备了一种新型固相萃取膜，用该萃取膜成功分离了沙土中的炸药TNT，并用GC-MS联用技术对分离后样品进行了分析。

张丽敏等[19]将SPME应用于炸药残留物检验中，讨论了样品基质、纤维的稳定性，吸附于纤维上炸药的稳定性，存储纤维的活性等。结果表明SPME 比丙酮萃取更有利于实验室使用, 可以作为现场提取样品的工具。SPME 和目前实验室普遍使用的提取方法相比有许多先进之处：分析快速，对各种基质的炸药样品具有选择性，炸药样品被吸附于纤维上具有稳定性，增加了乙二醇二硝酸酯(EGDN)的分析性能，不足之处在于纤维易损坏。

5 展望

在环境监测等方面，分析体系越来越复杂，人们采用的分析手段也越来越多，作为真正的无溶剂萃取技术，随着性能更好的萃取头涂层材料的出现，以及各种联用技术等的完善，固相微萃取技术在火炸药领域会拥有更广阔的应用前景。

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