固相微萃取联用气相色谱-质谱法快速分析水中痕量苯系物

陈国胜，王少涵，陈月媚，谢浩志，肖华，陈滔，于禄丹，李厚金，朱芳，欧阳钢锋

中山大学化学学院，广州 510275

固相微萃取(Solid phase microextraction, SPME)是1990年由加拿大Waterloo大学Pawliszyn教授的工作小组提出的样品前处理方法。样品前处理是分析检测的关键步骤，直接影响样品的分析检测时间和分析方法的灵敏度。传统的样品前处理如液液萃取、固相萃取等方法费时费力，并消耗大量有机溶剂，易对环境造成二次污染，同时也会对分析测试人员的健康造成危害。而SPME技术是一种集采样、萃取、浓缩和进样于一体的，简便、快速、无溶剂消耗的新型绿色样品前处理技术[1]。微型化的萃取形式使得采样过程非常便捷和迅速，并且对所萃取基质的干扰很小。SPME的优势促使其演变为可研究复杂系统中化学反应、分配平衡及重要物理化学参数性质的有效工具[2,3]。基于此，2001年美国化学学会Analytical Chemistry杂志将SPME与基质辅助激光解吸离子化技术、电喷雾技术、毛细管电泳技术、毛细管电泳DNA技术和微全分析系统一起评为1990–2000年分析化学领域的6个伟大创新[4]。如今，SPME技术发展迅速，在环境、食品、药物分析和法医鉴定等方面均得到了广泛的应用。

据了解，目前国内高校化学类本科生的教学实验通常采用传统的样品前处理方法对分析对象进行采集、萃取、浓缩，并未对实验教学的这一步骤提出过高要求。事实上，样品前处理过程是分析检测的关键环节。因此，引入先进、环保的样品前处理技术到实验教学很有意义，一方面可以将思政元素融入课堂，树立学生的绿色化学理念，另一方面能让学生掌握先进的样品前处理技术，感受前沿技术在分析领域带来的革命性创新。

苯、甲苯、乙苯、二甲苯(Benzene、toluene、ethylbenzene、o-,m-, andp-xylenes，BTEX)被广泛用于制造油漆、合成橡胶、农药和化学中间体等。苯系物的来源广泛，比如汽车尾气，建筑装饰材料中有机溶剂，如油漆的添加剂、日常生活中常见的胶粘剂、人造板家具等。BTEX化合物会泄露到土壤、沉积物和地下水中，造成环境污染。苯系物对生物体具有神经毒性和致癌性，会导致神经系统疾病或癌症[5]。很多国家已把水中苯系物的浓度作为水环境常规监测的内容之一，并规定了严格的饮用水中苯系物浓度标准。因此，让学生掌握水体中BTEX化合物的检测方法十分必要。目前，针对水体中苯系物的SPME-GC-MS定量检测方法已很成熟，将其引入本科实验教学具备可行性。

在查阅文献的基础上，我们设计SPME-GC-MS方法快速检测水中苯系物的实验，希望借此将SPME技术引入到本科生化学实验课程中，促进学生对SPME这一新型样品前处理方法的学习和掌握。因此，我们实验部分设计了条件优化的探究过程，让学生认识到SPME方法的影响因素；设计了方法学考察部分，让学生体验到SPME方法的优越性；同时设计了实际水样的检测，让学生能够切身体会SPME方法在实际应用中发挥的简便、快速、绿色环保的特点。

1 实验目的

(1) 了解固相微萃取基本原理及应用，探究固相微萃取效果影响因素。

(2) 掌握气相色谱-质谱分析方法的基本原理、分析过程及仪器基本结构。

2 实验原理

SPME装置主要由支撑层、涂层材料和保护层(非必要)组成。SPME有多种萃取形式，包括探针式SPME、刀片式SPME、管内SPME、薄膜SPME等，目前应用最广泛的是探针式SPME (图1a)，图1b为固定SPME探针的进样手柄。SPME探针分为商用探针和自制探针，常用的商用探针采用涂层材料有聚二甲基硅氧烷(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，自制探针的涂层则采用包括纳米材料、分子印迹聚合物、金属有机框架、共价有机框架[6]、离子液体等新型材料[7]。SPME的核心部位就是SPME萃取涂层，可采用各种涂覆技术将涂层材料(高聚物或吸附剂)固定在石英纤维或不锈钢丝上制备成SPME探针。在应用方面，SPME技术已从常规的气液基质分析发展到原位活体分析，在生命分析和临床方面等得到广泛应用[8,9]。

图1 SPME探针(a)及进样手柄(b)示意图

SPME的工作原理是将固定在支撑载体上的微型萃取相直接暴露于样品体系，通过分析物的吸附或扩散作用进行萃取，当待测组分在样品基质和萃取涂层之间达到分配平衡时，认为SPME过程完成。由于其微型化和便携化的装置设计，SPME可以与精密的检测仪器，如气相色谱、气相色谱-质谱(如图2所示)、高效液相色谱-质谱、毛细管电泳色谱-质谱和敞开式质谱等仪器联用，从而实现采样到分析检测的一体化操作[10]。

图2 SPME联用GC-MS的工作示意图

SPME的萃取方式主要包括直接萃取、顶空萃取两种(图3)。由于苯系物为易挥发性有机物，本实验采用顶空萃取方式，即将SPME探针涂层置于待测溶液液面上部的气相中。顶空萃取方式能有效避免探针涂层被基质干扰和污染。

图3 SPME直接萃取(左)和顶空萃取(右)模式的示意图

使用顶空萃取方式萃取分析物的量与分析物在三相中总的平衡有关。分析物总的质量在萃取平衡时将会保持恒定，因此：

式中，c0是分析物在样品基质中的初始浓度；cf∞，ch∞，cs∞分别是萃取平衡时分析物在涂层、顶空和样品基质中的浓度；Vf，Vh，Vs分别是涂层、顶空和样品的体积。若将分析物在涂层材料与气相间的分配系数定义为Kfh=cf∞/ch∞，在气相与样品基质间的分配系数定义为Khs=ch∞/cs∞，在涂层和样品基质中的分配系数定义为Kfs=cf∞/cs∞，那么涂层上分析物的物质的量n=cf∞Vf∞可表示为：

而且

因为分析物在涂层/顶空之间的分配系数Kfh可用涂层/气体的分配系数Kfg来近似。若忽略顶空中气体的湿度，Khs可以用气体/样品基质之间的分配系数Kgs来近似。因此，式(3)又可为：

从式(4)中可看出被萃取的分析物的物质的量n与分析物在样品中的初始浓度c0成正比，这是SPME定量分析的基础[9]。

本次实验采用固相微萃取与气相色谱-质谱联用快速分析水中的BTEX。

3 仪器和试剂

3.1 实验仪器

本实验中所用到的标准物质和商用SPME探针见表1。

实验所用不同浓度的BTEX混合标准储备溶液均是由表1所示的苯系物配制(甲醇稀释配制)，混合溶液中含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯。

表1 实验中使用的主要试剂和商用SPME探针

3.2 实验仪器

本实验中所用到的仪器见表2。

4 实验内容

4.1 气相色谱-质谱联用检测

4.1.1 色谱条件

载气：高纯氦气，采用恒流方式。

升温条件：使用安捷伦的HP-5 MS (30 m (长) × 0.25 mm (内径) × 0.25 μm (厚))的色谱柱进行色谱分离，采用不分流方式，程序升温方式如表3所示。

4.1.2 质谱条件

溶剂延迟时间：0.5 min

电离方式：EI，电子能量：70 eV

质量扫描范围(m/z)：50–300

测定方式：选择离子模式(SIM，具体如表4所示)

表4 BTEX标样的选择离子列表

4.2 实验步骤/方法

4.2.1 萃取条件优化

实验操作如下：

将10 mL去离子水加到20 mL样品瓶中，加入1 μL BTEX混合标准溶液(10 mg·L-1)，将样品瓶置于电磁搅拌器的正上方，并用铁夹固定；设置转速，将SPME装置的不锈钢管穿透瓶盖隔膜，插入样品瓶中，用铁夹固定SPME装置，使装置悬于样品液面上部空间，确保探针不插入水样；推手柄杆，伸出萃取头，使萃取涂层暴露于溶液上方一定时间；萃取完成后，缩回萃取头，取出不锈钢管。

萃取结束后，将不锈钢管插入气相色谱仪的进样口，推手柄杆，伸出萃取头，热解吸一段时间；解吸完成后，缩回萃取头，迅速取出不锈钢管，完成色谱进样；待仪器完成分析检测后，对目标物进行积分处理。条件优化过程中控制单一变量，且均平行进行三次实验。

(1) 涂层材料。

分别使用PDMS100、PA85、PEG60三种涂层材料的探针进行萃取。

(2) 萃取时间优化。

分别在萃取时间1、2、3、 5、10、15 min的条件下进行萃取。

(3) 萃取温度优化。

分别在萃取温度30、35、40、45、50、55 °C的条件下进行萃取。

(4) 解吸时间优化。

分别在解吸时间1、2、5、8、10、15、20 s的条件下进行解吸。

(5) 解吸温度优化。

分别在解吸温度150、175、200、225、250、275 °C的条件下进行解吸。

4.2.2 方法学考察

(1) 方法标准曲线的绘制。

分别用去离子水配制浓度为100、500、1000、2000、5000、10000 ng·L-1的BTEX标准溶液系列。在SPME优化条件下，联用GC-MS，分析检测BTEX，以仪器检测到的BTEX峰面积为纵坐标，BTEX浓度为横坐标进行线性回归分析，得到方法的标准曲线。

(2) 方法的检出限与定量限。

在加标浓度100 ng·L-1的实验中，使用公式(5)计算BTEX的检出限DL，使用公式(6)计算BTEX的定量限QL。

式中，RN为基线噪声，c为溶液浓度，h为相应峰高

4.2.3 实际水样分析

采集河水和自来水，经过滤处理后，密封放置于冰箱4 °C储存。利用上述建立的SPME分析方法对实际水体样品进行萃取，并通过绘制的标准曲线定量实际水体中的BTEX。对所采集的水样进行加标回收实验，加标浓度为1000 ng·L-1，根据实验结果计算加标回收率。

5 结果与讨论

5.1 萃取条件的优化

SPME萃取条件的优化情况如图4所示，从图4a可看出，三种涂层中，PDMS100对BTEX的萃取效果最好，因此选用PDMS100商用针进行后续萃取实验；从图4b可看出，萃取效果受萃取时间影响较大，在萃取时间区间1–15 min内，随着萃取时间的增加，BTEX峰面积逐渐增加，在10 min时基本达到萃取平衡，因此，选取的最优萃取时间为10 min；从图4c可看出，在温度区间30–55 °C内，萃取效果随着萃取温度的升高而下降，因此，选取的最优萃取温度为30 °C；从图4d可看出，在解吸时间1–20 s内，解吸效果处于先上升后平衡的状态，其中15 s时效果最佳，故选择15 s为最优解吸时间；从图4e可看出，解吸温度为200 °C时，萃取效果达到最佳，故选取最优解吸温度为200 °C。

综合上述SPME萃取条件优化情况，最终选择PDMS100商用探针，最佳优化条件为：萃取时间10 min、萃取温度30 °C、解吸时间15 s、解吸温度200 °C。图4f是在优化条件下，SPME-GC-MS分析检测BTEX的色谱流出曲线。后续的方法学考察实验及实际水样的检测均采用上述条件进行。

图4 SPME萃取条件优化结果

5.2 方法学考察

采用PDMS100商用探针在优化的SPME条件下，联用GC-MS，对BTEX标准溶液系列进行方法学考察，得到的标准曲线如图5所示；线性范围、相关系数(R2)、检出限、定量限、单针重现性如表5所示。从图5和表5可知，四种分析物具有良好的线性范围，均为100–10000 ng·L-1，线性相关系数(R2)均大于0.99，检测限远低于国标规定的水体中BTEX最低允许浓度(GB 5749–2006)。此外，单针重现性优良，在0.43%–1.59%之间，表明建立的SPME-GC-MS方法可靠。

表5 方法学考察结果

图5 标准曲线图

5.3 环境水样中苯系物含量分析

实际水样来自环境中的河水与自来水，检测结果如表6所示。从表6可知，环境中的河水和自来水中均未检出BTEX，经加标回收实验，获得加标回收率在85%–120%之间，进一步验证了方法的可靠性。

表6 实际水样中BTEX的检测结果

GB 5749–2006规定水体中苯、甲苯、乙苯、二甲苯的浓度需分别低于0.01、0.7、0.3、0.5 mg·L-1。本次水样均未检出上述化合物。

6 结语

本项目将SPME这一先进的绿色的样品前处理方法引入本科实验教学，系统地开展了SPME条件优化实验，并进行方法学考察及实际样品的分析检测。整个实验设计具有创新性、前沿性，且实验内容丰富，既能拓宽学生的知识面，又能让学生充分感受前沿技术给教学和科研带来的变革。

本实验将SPME与GC-MS检测方法联用，不仅可以让学生学习和掌握先进的SPME技术，同时也可以进一步巩固气相色谱仪的操作和使用。

本实验标准试剂和SPME商用探针容易购买，实际水样容易采集。考虑到质谱检测器的价格昂贵，通过文献调研与实际操作发现，可以用价格相对较为便宜的氢火焰离子化检测器代替质谱检测器，以便大部分高校均可开展本实验。此外，本实验用时4–8 h，可灵活地根据实际需求进行模块化课程开设。整体上，本研究项目可作为本科教学实验进行推广。