固相微萃取技术在环境监测分析中的应用进展

朱俊彦，李良忠，朱晓辉，向明灯，陈 莹，于云江

1.长安大学环境科学与工程学院， 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室， 陕西 西安 710054 2.环境保护部华南环境科学研究所， 国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室， 广东 广州 510535

当前我国面临资源环境承载力不足，新老问题交织，区域性、局部性、结构性环境风险凸显，重污染天气、黑臭水体、垃圾围城、生态破坏等时有发生，新型污染物不断涌现，为加快治理攻坚，快速掌握环境污染情况，亟待发展一种便捷的绿色环境分析检测技术[1-2]。20世纪90年代，PAWLINSZYN首次提出固相微萃取(SPME)技术[3]，1993年由美国Supelco公司进行商品化生产，主要的形式为纤维式、管式、薄膜式、搅拌棒式。纤维式固相微萃取技术在环境样品分析中应用得最为广泛，该技术方法克服了传统样品前处理技术过程中耗时、有机溶剂用量大、操作繁琐等局限与不足；集采样、萃取、富集、进样于一体，以达到快速、便捷、成本低以及样品量少的目的。随着色谱和质谱技术的发展，固相微萃取能与气相色谱、高效液相色谱、质谱等联用，自动化程度高、重现性好。经过20多年的发展，固相微萃取-气相色谱技术在挥发性有机物分析方面己臻于成熟，固相微萃取-高效液相色谱技术在不挥发性或半挥发性有机物分析方面正在逐步发展，并在环境介质、食品、生物样本的分析中得到广泛应用[4-6]。在环境分析方面，主要应用于水环境中的溴代阻燃剂、酚类等物质[7-26]，空气中的醛类、芳香族等物质[27-44]以及土壤中的有机农药、多环芳烃等物质[45-62]；在食品分析方面，主要应用于测定肉品、乳品、酒类等食品的成分[63-64]，以及蔬菜、水果中的农药残留物[5]；在生物分析方面，主要采用体内固相微萃取采样器，分析检测动植物体内的污染物[6]。固相微萃取涂层是影响其在各领域应用中最为关键的因素，通常是基于分析物和涂层的相似相容原理来选择涂层。目前使用较多的聚二甲基硅氧烷涂层适用于非极性挥发、半挥发性物质，聚丙烯酸酯涂层适用于极性半挥发性物质，聚乙二醇涂层适用于醇类和极性物质，聚二甲基硅氧烷-二乙烯基苯涂层适用于挥发性物质、胺类、硝基芳香类化合物。

以往的大量文献采用固相微萃取技术分析监测环境中各类污染物的水平[65-66]，但缺乏对该技术在不同环境介质中应用情况进行归纳总结。本研究通过对固相微萃取技术在环境监测分析中常用的方法和涂层材料的综述，展望了固相微萃取技术在环境监测分析领域的发展趋势，为固相微萃取技术在环境监测领域的发展提供重要的理论依据。

1 固相微萃取技术原理

固相微萃取技术的原理是将萃取相暴露于待分析物的样品基质中，达到吸附平衡时，结合吸附平衡理论，计算被萃取的分析物的量[4]：

(1)

式中：n为被萃取的分析物的量，c0为样品中目标分析物初始浓度，Vs为样品体积，Vf为涂层体积，Kfs为涂层和样品间分析物的分配系数。

可见，Kfs和Vf是影响萃取量的重要因素。样品基质的pH、温度等因素带来的基质效应会较大地影响涂层分配系数，同时也给固相微萃取的定量带来影响，对于成分简单、基质效应较低的样品，一般采用外标法定量；成分复杂、基质效应高的样品，一般采用标准物加入法定量；内标法是一种比较简单、准确的方法，但所选择的内标物需与分析物性质相似或选择同位素内标物，能与分析物完全分离。

当样品体积非常大时(Vs≫KfsVf)，式(1)可以简化如下[4]：

n=KfsVfc0

(2)

由式(2)可以看出，被萃取分析物的量与样品体积无关，而与分析物在样品中的浓度呈正比。在实际应用中，样品体积较大，无法测量时，可在现场直接将萃取相暴露于样品基质中进行萃取。

当样品体积非常小(Vs≪KfsVf)，并且Kfs非常大时，式(1)可以简化如下[4]：

n=Vsc0

(3)

该情况下，样品中所有的分析物都被萃取到纤维涂层上，目标分析物的浓度可以通过式(3)由被萃取相萃取的分析物的量和样品的体积来计算。

当萃取未达到平衡时，n的计算方法如下[4]：

(4)

式中:t为萃取时间，a为与涂层体积、样品体积、分配系数、传质系数有关的常数。

可见，非平衡状态下被萃取的分析物的量与分析物初始浓度呈线性关系。因此，即使萃取没有达到平衡状态，只要保持萃取条件稳定不变，也可以对固相微萃取进行定量。

2 固相微萃取技术应用

2.1 在水环境污染物分析中的应用

以往的研究表明，水环境中有机污染物对生物体的毒性并不取决于污染物的总浓度，而取决于污染物的自由溶解态浓度(即生物可利用的浓度)[67]。HERINGA于2003年提出固相微萃取技术可提取水环境中有机污染物的自由溶解态[68]，与传统的超滤、半透膜法等相比更经济实用、快速准确，对水生生物毒理学的发展具有重要的意义。

水环境中含有溶解性有机物、无机离子、固体悬浮物、不溶或难溶于水的液体等复杂的成分，使快速、准确、灵敏地分析水环境中的污染物面临着较大的挑战。常规的液液萃取法需进行多次萃取，有机溶剂使用量大，耗时耗力[69]；固相萃取法的成本较高，且目标物洗脱不完全。近年来，固相微萃取技术的发展，突破了传统环境监测技术的瓶颈问题，特别是与气相色谱和液相色谱等大型检测仪器的联用(表1)，对于挥发性有机物如卤代物[9,14]、多环芳烃[10]、有机农药类[11]、亚硝基胺类[12]、有机磷酸酯[13]等，以及难挥发或非挥发的物质如溴代阻燃剂[9]、抗生素[24]、雌激素[25]等的整个环境监测过程，实现了有机溶剂消耗量小、成本较低、灵敏度高、方便快捷。

表1 固相微萃取技术在水环境中的应用Table 1 Application of solid phase microextraction technique in environmental water sampling

水环境中基体效应明显，固相微萃取技术的涂层选择与开发对污染物的分析至为关键。常用的商品化涂层，如聚二甲基硅氧烷涂层用于萃取水中的多环芳烃、有机氯农药、多溴联苯醚等非极性物质，聚丙烯酸酯涂层用于萃取酚类等极性物质。但可采用的商品化涂层种类有限，选择性不高，但成本高且使用寿命短，不耐酸、碱、有机溶剂的浸泡，极大限制了水环境采样范围及溶剂解析方式的选择。为破除传统涂层的限制，SHI等[8]首次研发了一种超疏水性的三氟磷酸盐(五氟乙基)离子液体涂层用于测定水样中的有机磷酸酯，具有稳定性强、成本低的特点，对大多数有机磷酸酯都具有高萃取能力。碳纳米管是由碳六元环按螺旋卷绕而成的纳米级材料，具有较大的比表面积，管间存在空隙可形成毛细管式凝聚作用，具有很强的吸附能力。LIU等[17-18]研究了一种氧化多壁碳纳米管作为新型固相微萃取涂层材料，用于检测黄河水样和工厂废水中的7种酚类物质和苯胺类物质，其使用次数超过150次，而商用固相微萃取纤维通常只能用40～100次，且对酸、碱、有机溶剂显示出极高的稳定性。SERRA-MORA等[20]使用正硅酸乙酯/甲基三乙氧基硅烷纳米毛细管进行管内固相微萃取，测定水中极性三嗪及其降解产物，方法的检出限达到0.025 ～0.5 μg/L，灵敏度也比普通毛细管高出10～25倍。ZHANG等[14]、LAN等[15]研制出的金属有机骨架涂层，对目标分析物都具有高度的选择性，金属有机骨架是金属离子和有机连接剂组成的多孔杂化材料，易于合成，具有较高的比表面积，化学和热稳定性高，使用寿命也比商品化涂层高出2～3倍。新涂层材料的研发，如离子液体[8]、金属有机骨架[14-15]、多壁碳纳米管[17-18]、纳米毛细管[20]等很好地弥补了商品化涂层存在的缺陷，同时也拓宽了固相微萃取检测技术的使用范围，可见，开发具有高选择性、高稳定性、高耐用性以及低制造成本的新涂层材料，是固相微萃取技术发展的重要方向。

2.2 在环境空气污染物分析中的应用

有机污染物在大气中主要以气态和颗粒态的形式存在，且成分复杂、含量低，样品的采集方法大多采用传统的活性炭和硅胶管，需花费大量时间，萃取过程中需消耗大量的有机溶剂，操作繁琐。固相微萃取技术的发展，使大气中有机物的分析检测实现了装置简单、操作便捷、有机溶剂消耗量小。表2归纳了目前固相微萃取技术在分析检测大气中挥发、半挥发性物质的应用。

表2 固相微萃取技术在环境大气污染物分析中的应用Table 2 Application of solid phase microextraction technique in environmental atmosphere sampling

在采样分析中，大气环境的湿度、温度、气流速度、气流方向、萃取时间等因素对样品基质的干扰效应较大。UNDERWOOD等[40]提出，随着空气雷诺数的增大，萃取六氟化硫和全氟甲基环己烷的平衡时间呈指数形式下降。LESTREMAU等[28]的研究表明，硫化物的萃取过程不受气流方向或风速的影响，主要受湿度的影响，在相对湿度为零时，硫化氢、甲硫醇、乙硫醇没有发生反向扩散，而在40%的相对湿度时，硫化氢、甲硫醇、乙硫醇分别出现23%～27%、19%～20%、11%～16%的显著损失。以往的研究表明，非平衡条件下缩短萃取时间，可减少大气环境因素的影响，保持环境因素的稳定，如VAZ等[39]在非平衡条件下缩短了对多环芳烃的萃取时间，样品回收率为50%～125%，检出限达到5～20 pg，与使用常规的溶剂萃取方法相比，在准确度、灵敏度上并没有差异；TUMBIOLO等[27]在非平衡条件下采用固相微萃取技术萃取苯及其同系物，即便使用相对较短的暴露时间，在浓度为0～65 μg/m3时也能得到良好的线性关系(相关系数均大于0.99)；BAIMATOVA等[31]采用非平衡模式萃取汽车尾气中的苯、甲苯等物质，减少了样品处理时间，得到了与平衡萃取模式下相同的结果。

大气环境污染物的萃取涂层选择，主要取决于污染物的极性，对于极性较弱的污染物(如氰化氢、挥发性有机硫化物等)大多采用碳分子筛/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]等商品化涂层，但目前可选择的商品化涂层种类较少，热稳定性、化学稳定性都不理想，易受环境因素的干扰导致萃取能力下降，在大气中采样效率较低。因此，开发新的涂层和装置是固相微萃取技术在环境空气污染物分析发展中的重点。HEIDARI等[44]将自主研发的碳纳米管材料与商品化的碳分子筛/聚二甲基硅氧烷涂层萃取空气中的四氯乙烯进行比较，结果表明，新研发的涂层对目标物的选择性更高，即使温度、相对湿度发生改变也能得到稳定的响应值。对于极性较强的污染物(如甲醛、挥发性胺类物质等)，一般的涂层难以萃取，需结合衍生化技术将其衍生化为非极性物质。早在2001年，KOZIEL等[33]采用固相微萃取纤维衍生化方法与美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)技术方法同时测定室内空气中的甲醛，结果表明，与NIOSH方法相比，固相微萃取纤维衍生化方法技术所需的时间减少了一个数量级。PARSHINTSEV等[32]采用衍生化技术，测定了大气中的烷基胺物质。但衍生化过程会产生新的物质，增加基质干扰效应[71]。对此，HELIN等[34]提出一种新的固相微萃取装置——箭形固相微萃取装置，用于萃取气态样品中的短链脂肪族胺，这种装置加大了填料量和填料表面积，减少了竞争吸附现象，增强了萃取能力，且选用的碳分子筛/聚二甲基硅氧烷1000型填料具有足够小的微孔来捕获分子量小的胺，从而避免了使用衍生化技术。FEIJ等[37]研究表明，箭形固相微萃取装置萃取单萜和醛的量比纤维式萃取的量分别高2倍、7～8倍，且温度、湿度对箭形固相微萃取装置无影响。可见，研发吸附性强、选择性高、抗环境干扰能力强的装置或涂层，能支撑引领固相微萃取技术在环境空气污染物的采样和分析中的应用。

2.3 在土壤和沉积物污染物分析中的应用

土壤和沉积物是环境中有机污染物的源和汇，是一个含有矿物质、有机物、水和空气的复杂体系，传统的样品制备方法需要大量有机溶剂将有机物从样品中分离出来，费时费力，且设备昂贵，如索氏抽提、加速溶剂萃取、超临界流萃取、超声萃取等。采用顶空式或直接浸入式固相微萃取技术均可直接萃取土壤和沉积物中挥发性物质，BACH等[58]、YEGEMOVA等[60]、ORAZBAYEVA等[52]分别采用了顶空式固相微萃取技术与气相色谱-质谱联用法，成功萃取沉积物中的挥发性全氟烷基化物、1-甲基-1H-1,2,4三唑、萘。对于难挥发的物质，不宜将萃取涂层直接暴露在未经处理的固体基质中[59]。为使纤维涂层免受物理损害，延长使用寿命，应在固体样品中加入适量水或有机溶剂，并采用微波[45]、超声[46]等辅助手段进行预萃取，使目标物从固体基质中释放出来且均匀分布[48]。 FERNNDEZ-GONZLEZ等[59]采用了超声波辅助萃取结合固相微萃取技术，萃取沉积物中的邻苯二甲酸酯，减少了土壤基体效应对萃取过程的影响，方法回收率为90%～111%，相对标准偏差小于10%，检出限为0.001～0.142 μg/g。但预萃取过程会引起温度升高，减小目标物在涂层中的分配系数，导致萃取能力下降。针对这一问题，ZHANG等[72]提出了内部冷却固相微萃取的方法，在样品基质预萃取的同时，通入冷却液，降低涂层温度，该方法明显提高了土壤和沉积物中的苯、甲苯、乙苯、二甲苯的萃取效率；但冷却剂的流量和涂层温度难以控制，若涂层温度过低，不利于萃取。对此，CHEN等[73]对内部冷却固相微萃取装置进行改进，增加了冷却液控制系统，可方便地控制冷却液的流量，并在萃取头安装了热电偶，准确地反映了涂层的温度。近年来，科学家们研发了冷却膜和热电冷却等多种纤维冷却装置[74]，能在样品和纤维之间提供不同的温度梯度。冷却膜技术是将内部冷却固相微萃取技术与薄膜固相微萃取技术相结合，具有高灵敏度、萃取效率高的特点[76]，但用于土壤污染物的分析还鲜有报道。热电冷却可提供比冷却液冷却的温度下限更低(<70 ℃)，且热电冷却系统更简单，体积更小，成本更低，重量更轻，并能提供更准确的温度控制技术[74]，在土壤多环芳烃[75]等的检测中得到广泛应用。

在涂层的选择方面，对于半挥发性疏水化合物(如多环芳烃、有机氯浓药等)[45-49,54]、极性化合物(如氯酚、有机磷农药等)[56-57]常采用聚丙烯酸酯涂层和聚二甲基硅氧烷涂层等商用涂层(表3)。考虑到土壤的硬度和黏度，商用涂层力学性能不佳，极易折断，使用寿命较短，RAZMI等[61]通过电化学的方法在实验室自制二氧化硅/十六烷基三甲基溴化铵纤维涂层，可直接插入土壤中萃取多环芳烃，检出限为36～1 220 pg/L；MOHAMMADI等[62]在实验室用电化学法合成聚吡咯膜，用于检测土壤中有机农药，得到的结果具有良好的相关性(相关系数>0.99)，检出限达到23 ng/g。固相微萃取技术在土壤环境分析领域，在研发新涂层的同时，需结合内部冷却固相微萃取技术，以及在萃取分析过程中采用加热、微波或超声等辅助萃取以达到高效萃取的目的。

表3 固相微萃取技术在环境土壤或沉积物污染物分析中的应用Table 3 Application of solid Phase microextraction technique in environmental soil or sediment sampling

3 结语

固相微萃取技术集采样、萃取、富集、进样于一体，所需样品体积小，无需有机溶剂，简单快捷，成本低。该技术自提出以来，在环境监测领域得到了快速发展与广泛应用。针对不同的环境基质，固相微萃取技术发展的侧重点也有所不同：①水环境中含有的成分复杂，基体效应大，现有商业涂层选择性不高，应进一步研发如离子液体、金属有机骨架、多壁碳纳米管、纳米毛细管等具有高选择性、高稳定性、高耐用性以及低制造成本的新涂层材料，拓宽固相微萃取技术的使用范围。②在大气环境中，因空气的流动，萃取条件时刻在改变，影响分析检测的结果。为保持大气环境的稳定，应尽量缩短大气采样时间，在非平衡模式下进行采样，或开发出不易受大气环境条件影响的涂层与装置，如箭形固相微萃取装置。③在土壤和沉积物中，有机物污染物常被基质中物质吸附或络合等物理化学作用而难以分离，在分析萃取时，应借助超声、微波等辅助手段，同时结合内部冷却技术，以解决温度过高导致萃取效率降低的问题。加快研发高效耐用的新型涂层，破解萃取纤维直接暴露于土壤基体中易受到损害的难题。

固相微萃取技术经过20多年的发展，出现了一系列新的涂层和形式，与气相色谱、气相色谱-质谱、液相色谱、液相色谱-质谱等自动化联用技术逐渐成熟，在水、大气、土壤的环境污染检测中得到了很好的应用。然而，我国的环境问题复杂，污染物种类繁多，且新型污染物不断出现，对分析检测技术的要求也不断提高，研发稳定、高选择性、高萃取效率的新型纤维涂层，开发更便捷、实用的新型装置，发展与色谱、质谱等大型分析检测设备联用的相关技术，提高固相微萃取技术，拓宽应用范围，进而助推绿色环境监测技术，助力打赢蓝天保卫战，打好柴油货车污染治理、城市黑臭水体治理、渤海综合治理、长江保护修复、水源地保护、农业农村污染治理等七大攻坚战。