萃取和浓缩同时进行的搅拌棒

文/ OLIVER LERCH，JASMIN ZBORON

符合欧盟水框架指令的简单、强大的水质分析方法 // 一种可以定量测定约100种地表水污染物的高灵敏度分析方法已经开发成功，测定可以经过沉淀工序，也可不经过沉淀工序。这种气相-质谱（GC-MS）/质谱（MS）方法的关键要素是采用Gerstel公司的Twister产品实现的搅拌棒吸附萃取（SBSE）分析物浓缩技术。

2000 年，欧洲议会和欧洲委员会发布了保护和改进地表水和地下水水质的2000/60/EC 指令，该指令原文为“制订防止水污染战略”。这一战略涉及到识别对欧盟（欧洲）水环境造成严重风险的主要物质，这项指令在2008 年（2008/105/EC）和2013（(2013/39/EU）进行了扩展和修订。实质上，欧盟（EU）水框架指令（WFD）强制规定所有成员国必须采取措施，确保持续监测其境内水体的各种参数，包括一系列已经指明的关键化学污染物，并改进其水体质量。

对要求的更密切观察

欧盟水框架指令除了规定化学分析和监测的技术的细节。还规定了分析方法的最低限量，例如定量分析限值（LOQ）。化合物定量分析限值要求达到低于年度平均环境质量标准（AA-EQS）的30%，对某些化合物要求达到了每升几纳克级至亚纳克级的限值，例如，苯并[a]芘要求限值为0.051 ng/L。想要达到这样的监测水平必须采用高效的物浓缩技术，例如使用搅拌棒吸附萃取（SBSE）结合高灵敏度分析技术。在规定环境质量标准（EQS）浓度值外，指令还规定测量不确定度必须低于50%（k=2）。

久经验证的水分析技术

搅拌棒吸附萃取（SBSE）技术长久以来一直应用于环境水分析并在联合比对实验当中表现良好。2009 年，德国巴伐利亚州环保署已经验证过，SBSE 技术完全符合德国联邦饮用水法规（TrinkwV 2001）要求。SBSE 技术之前已经成功应用于欧盟水框架指令2000/60/EU 所要求的地表水首要污染物的测定工作，而后经过大量时间和资源投入的开发，SBSE 方法的灵敏度又有了大幅度提升，结合气相色谱分析法（GC）可以完全胜任对欧盟指令2013/39/EU 列出的首要污染物的测定工作，特别是颗粒吸收污染物。

搅拌棒吸附萃取法

SBSE 采用的萃取设备为Gerstel Twister 搅拌棒，见图1。这是一款配备了大量吸附剂的玻璃涂层磁性搅拌棒。所采用的吸附剂为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或乙二醇硅酮聚合物（EG-Silicone Twister）。SBSE 的萃取原理类似于液-液萃取（LLE），依赖分配作用，达成液相样品与吸附剂相之间的平衡。在Twister 搅拌棒（PDMS Twisters 搅拌棒）搅拌样品时，目标物的萃取和浓缩同时发生。随后，将Twister 搅拌棒从样品中取出，快速干燥，放置于玻璃衬底上进行热解吸，并将带有解析样品的衬底放置在多功能采样机（MPS）上的一个密封样品托盘内。

多功能采样机配合热解吸器（Gerstel 热解吸机）对大批量样品实施全自动化处理。在热解吸之后，目标物聚集在一台气相色谱仪（Gerstel CIS 4）入口，并随后在加热条件下以分流/不分流模式转运至气相色谱柱，见图2。这种方法确保了萃取所得的目标物可以按100%的比例转运至色谱柱，以达到极致灵敏度。PDMS Twister 搅拌棒能非常好地适用于非极性至中极性的大多数化合物，而EG-Silicone Twister 搅拌棒主要用于极性化合物，例如酚类、醇类和有机酸类等。

图1 Twister 是一种玻璃覆层磁搅拌棒

图2 萃取得来的化合物从Twister 搅拌棒转运至液相分析仪（GC）

简单高效的水质分析

SBSE-GC-MS/MS 方法既高效又具备高灵敏度。这项综合分析方法的特殊之处：第一，取100 mL 样品，添加内标，之后，再用Twister 搅拌棒搅拌样品5 个小时以萃取游离的有机化合物。5 个小时之后，将搅拌棒取下，再向样品中加入有机改性剂的同时插入第二只Twister 搅拌棒，升温对样品进行萃取一整夜，采用这种搅拌方法，可以将吸附在颗粒物上的化合物也能成功释放和萃取出来。第二，将两只Twister 搅拌棒转运至一台热解吸机（TDU）玻璃衬底上，并同步在这台热解吸机内采用同一温度控制程序（90-300℃）进行解吸。目标物在-40℃条件下聚集在冷却注入系统（Gerstel CIS 4）之内。而这款冷却注入系统（CIS）是一款PTV 型通用液相色谱仪入口，这个入口可以非常快速地加热以将分析物释放到气相色谱柱内，在应用个案当中，采用了一只Agilent Technologies 公司出品的HP-5ms Ultra Inert 分析柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）。在分离之后，分析物用一台三重四极杆质谱仪（Agilent Technologies 7010 型）在多反应监测（MRM）模式下进行测定。

图3 河水p,p-DDT 污染物分析色谱图

图4 河水敌敌畏污染物分析色谱图

LP 本刊提示

欧盟环境质量标准（EQS）是什么？

欧盟环境质量标准（EQS）规定了地表水内污染物的最大允许浓度（MAC），各成员国必须至少在可预见的未来遵守这一浓度要求。正如指令原文所述：“目标是在2021 年12 月22 日之前通过包括在2015 年河谷管理计划当中措施计划达成与这些污染物相关的良好地表水化学状态…”.在适用于地表水的环境质量标准当中，针对诸如河流和湖泊这样“内陆地表水”，或者另一方面对于列为过渡水、沿岸水和领海水的“其它地表水”，均在年平均浓度（AAEQS）和最大允许浓度（MACEQS）水平进行了差别化规定。

成功测定水污染物

下面我们列出几项按照欧盟指南定量分析地表水的要求限值示例。敌敌畏：LOQ 为0.18 ng/L，使用SBSE 后，检测结果达到了0.073 ng/L；苯并(a)吡喃：LOQ为0.051 ng/L，使用SBSE 后，检测结果达到了0.033 ng/L；五氯苯：LOQ 为2.1 ng/L，使用SBSE 后，检测结果降低至0.075 ng/L。其它约100 种污染物也达到了标准要求的结果，见图3-图4。

对于绝大多数化合物来说，检测均能达到各个定量分析的限值，相对标准偏差（RSD）在2%至10%之间，平均值为6.9%。

从实验上可以看出，SBSEGC-MS/MS 方法可以成功测定了欧盟水框架指令列出的各种首要污染物。实验的高灵敏度主要来源于Twister 搅拌棒上的吸附剂，并且体积较大，有63μL 之多，这样多的吸附剂保证了达到痕量分析所要求的高浓缩系数。使用Twister 技术还带来另一项好处：完整分析方法只需要采用非常少量的溶剂。由于许多溶剂都是有毒有害的，并对环境具有一定的威胁，采用SBSE技术有助于达成化学分析环境可持续性解决方案。