水体中微量有机物的高效富集与检测技术探究

张广宇

（铜川市环境监测站，陕西 铜川 727031）

引言

水是人类生命的源泉，然而目前在全球范围内，水体中微量有机物的污染问题已经引起了人们的广泛关注。微量有机物包括各种有机污染物、药物残留、工业废物和农药等，对水环境和人类健康构成了潜在威胁。这些微量有机物的存在不仅可能对水体生态系统造成损害，还可能通过饮用水、食物链等途径对人类产生潜在的危害。因此，对水体中微量有机物的高效富集与检测技术进行研究具有十分重要的现实意义。

1 水体中微量有机物的高效富集技术

1.1 固相萃取（SPE）技术

1.1.1 原理和工作机制

SPE的核心是一种固定在固相吸附剂上的选择性吸附材料，通常是固定在柱子或载体上，这些吸附材料可以根据待富集物质的特性进行选择，以实现高度选择性的富集。当水样经过SPE柱时，待富集物质会与吸附剂上的功能基团相互作用，例如疏水相互作用、离子交换或亲合作用，从而被固定在吸附剂上。一旦待富集物质被吸附在吸附剂上，其余的物质就可以通过洗脱过程被去除。由于在洗脱过程中，洗脱剂与吸附剂上的功能基团之间的相互作用较弱，因而可以将待富集物质有效地洗脱下来，并且完成洗脱后，待富集物质将会以浓缩的形式被收集到容器中[1]。

SPE的工作机制是基于化学亲和力和选择性吸附，使其能够高效地富集目标有机物，同时去除干扰物质。这种技术的选择性取决于吸附剂的选择以及样品和洗脱剂的特性。通过调整吸附剂、样品预处理和洗脱条件，可以实现对不同类型微量有机物的高效富集。

1.1.2 应用SPE的注意事项

首先，样品的预处理是关键。在进行SPE之前，样品通常需要经过适当的预处理步骤，如过滤、沉淀、离心或稀释。样品的预处理步骤应根据样品的性质和分析要求进行优化，以确保准确和可重复的结果。不适当的样品预处理可能导致杂质进入SPE柱，从而影响富集效率和结果的准确性。其次，选择合适的SPE柱和填料至关重要。不同的SPE柱和填料具有不同的化学性质和吸附特性，因此应根据目标有机物的特性进行选择，以确保所选择的SPE柱和填料与待测有机物能够相互作用，从而实现有效地富集。同时，应根据样品矩阵的特性选择合适的SPE柱和填料，以防止非特异性吸附。再次，应控制样品和溶剂的pH值。由于pH值可以显著影响SPE的效率，在某些情况下，调整样品和洗涤溶剂的pH值可以增强目标有机物的吸附和解吸作用。因此，应根据具体应用需要调整pH值。最后，注意样品和溶剂的体积。在SPE过程中，应适度控制样品和洗涤溶剂的体积，以避免SPE柱的过载或溢出[2]。

1.2 液液萃取技术

1.2.1 液液萃取技术的基本原理

液液萃取技术的基本原理涉及两种不相溶的液体相，通常是一个有机溶剂和一个水性溶剂。液液萃取的基本原理如下：在液液萃取中，待分离的有机物通常存在于水性溶液中，而希望将其从水相中分离出来。为了实现这一目标，引入一种有机溶剂，与目标有机物具有较高的亲和性，而与水性溶剂不相溶，从而形成分层。分层后有机溶剂通常位于上层，而水性溶剂位于下层，而目标有机物会在两个相界面之间分布。由于它在有机溶剂中的分布系数较高，目标有机物会从水相中转移到有机相中，这一过程遵循亲和性分配的原则，即有机物在两相中的分布受到与各相相互作用力的影响。通常，选择合适的有机溶剂并调整pH值等条件可以增强有机物在有机相中的分布。一旦目标有机物被从水相中转移到有机相中，就可以通过分离两种不相溶的液体相来获得有机相，其中包含了目标有机物。这种分离过程可以通过离心、抽取或简单地分离两个相来完成。

液液萃取的原理依赖于分布系数、分配平衡和相互作用力等因素。选择适当的有机溶剂和调整操作条件是实现有效液液萃取的关键。这一技术在化学分析、制药、环境监测等领域得到了广泛应用，可用于富集、分离和提取各种有机物，以实现其定性和定量分析。

1.2.2 应用液液萃取技术的注意事项

首先，选择合适的有机溶剂至关重要。有机溶剂的选择应基于待分离有机物的性质，如极性、疏水性等，以确保有机溶剂与目标有机物具有足够的相互作用力，从而实现有效的富集和提取。此外，有机溶剂应具有适当的挥发性，以便在分离后易于去除。其次，应调整pH值和离子强度。pH值和离子强度可以显著影响液液萃取的效率。某些有机物在不同的pH值条件下具有不同的电荷状态，因此可以通过调整pH值来控制其在水相和有机相之间的分配。此外，通过添加盐类或调整离子强度，可以改善液液分配的平衡，增强有机物在有机相中的分配。再次，避免有机溶剂残留。在液液萃取结束后，必须要确保有机溶剂已经从目标有机物中被彻底去除，因为残留的有机溶剂可能会影响后续的分析结果，尤其是在质谱分析等敏感技术中，通常可以使用蒸发或氮气吹扫等方法去除有机溶剂。最后，控制溶剂体积和混合程度。在液液萃取中，有机溶剂的体积和混合程度可以影响分配平衡的达成。过大的溶剂体积可能导致分配不均匀，而溶剂体积不足的混合则可能减慢分配过程。因此，工作人员在操作时需要根据样品和有机溶剂的特性来优化这些参数。

1.3 分子印迹聚合物（MIPs）技术

1.3.1 MIPs的制备和特性

分子印迹聚合物（MIPs）是一种特殊类型的聚合物，具有高度的分子选择性，常用于微量有机物的富集和检测。首先，MIPs的制备始于选择性分子的模板，这是待测有机物的分子。首先，在一个反应体系中，将模板分子与一种或多种功能单体（通常是含有双键或官能团的单体）和交联剂混合，形成一种反应混合物。功能单体通过化学键与模板分子的相互作用，在分子模板周围形成了特定的空间排布。接着，添加引发剂，引发聚合反应，使功能单体和交联剂形成高分子网络结构。一旦聚合完成，模板分子被从MIPs中洗脱或释放，留下具有与模板分子形状和功能互补性的孔洞结构，这些结构能够高度选择性地与目标有机物相互作用。其次，MIPs具有一些显著特性，使其成为微量有机物检测的有力工具。首先，具有高度的分子选择性，可以特异性地识别和富集目标有机物，即使在复杂的样品矩阵中也能保持其选择性。其次，MIPs具有良好的稳定性和可再生性，可以多次使用而不失去其性能。同时，其在微量有机物的富集中具有高效性和灵敏度，通常可用于检测浓度较低的样品。

1.3.2 MIPs在微量有机物富集中的潜力

分子印迹聚合物（MIPs）技术在微量有机物富集领域展现出巨大的潜力，主要得益于其高度的选择性和可定制性。首先，MIPs具有卓越的选择性。由于MIPs是根据特定分子的结构特征进行设计和制备的，可以特异性地识别和富集目标有机物，既使在复杂的样品基质中也能够提供卓越的选择性。这意味着MIPs可以用于从复杂样品中高效地去除干扰物质，从而提高了微量有机物的富集效率。其次，MIPs具有良好的稳定性和再生性。一旦制备完成，MIPs材料通常具有长期的物理和化学稳定性，可以多次使用而不损失其选择性和富集能力，因而减少了材料的浪费，降低了成本，同时也有助于环境保护。再次，MIPs可以根据不同的目标有机物进行定制制备。通过选择适当的功能单体和模板分子，可以设计和制备具有不同选择性的MIPs材料，以满足不同的分析需求。这种可定制性使MIPs广泛地应用于微量有机物的富集，包括药物分析、食品检测、环境监测等领域。最后，MIPs还具有广泛的适用性，其可以以各种形式存在，包括粉末、颗粒、薄膜等，并与不同的富集和分析方法结合使用，如固相萃取、色谱分析等[3]。

2 水体中微量有机物的高效检测技术

2.1 液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术

2.1.1 基本原理

LC-MS的工作基于两个主要部分：液相色谱（LC）和质谱（MS）。首先，在LC部分，样品溶液被引入液相色谱系统，其中包括一个填充有固定相的色谱柱。样品通过色谱柱时，不同化合物根据其与固定相的相互作用力差异被分离。这个分离过程是基于化合物的极性、大小、电荷等性质进行选择性分离。其次，分离后的化合物进入质谱部分。在MS中，分离的分子被离子化，通常使用电喷雾离子源或其他类型的离子源，产生带电荷的离子，然后进入质谱分析器。在分析器中，离子根据其质荷比（m/z）进行质谱分析，并生成质谱图谱。

2.1.2 操作流程

首先是样品制备，对样品进行预处理，如提取、浓缩和净化，以确保样品中的目标有机物得到充分富集和净化。其次是液相色谱分离（LC）。样品溶液被引入液相色谱柱，其中的化合物会根据其亲和性和相互作用与柱中的填料分离。分离过程使用梯度洗脱，使不同化合物以不同速度通过柱子。再次是质谱分析（MS），从液相色谱柱中出来的化合物进入质谱仪器，其中最常见的是质谱（MS）或质谱/质谱（MS/MS）。在质谱中，化合物被离子化并分为不同的质荷比（m/z），并且可以生成质谱图。最后是数据处理，质谱仪器生成的数据通常包括质谱图和保留时间信息[4]。

2.2 气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术

2.2.1 基本原理

在GC部分，样品中的化合物首先被注入气相色谱仪器中。在色谱柱内，样品成分被分离成独立的峰，根据样品在色谱柱中的相互作用力差异，通常是指化合物的挥发性和相对亲和性差异，这个分离过程称为气相色谱分析，通常涉及一个具有固定相的柱，载气（通常是惰性气体，如氮气或氦气）将化合物推动并通过柱子。在MS部分，分离后的化合物进入质谱分析器被离子化，通常使用电子轰击（EI）或化学离子化（CI）等方法，形成带电离子。然后，离子根据其质荷比（m/z）进行质谱分析。

2.2.2 操作流程

首先，样品需要进行适当的预处理，包括提取、浓缩和净化，以获得目标有机物的高纯度样品。其次，样品溶液被注入气相色谱仪，其中包含气相色谱柱。在柱中，化合物会根据其相互作用和亲和性以不同速度进行分离。这种分离过程称为色谱分离，其结果是各种化合物按照不同的保留时间出现在色谱图上。再次，从气相色谱柱中出来的化合物进入质谱仪器，通常是质谱（MS）或质谱/质谱（MS/MS）。在质谱中，化合物被离子化，通常使用电子撞击或化学电离方法，生成带电离子。然后，这些离子根据其质荷比（m/z）进行质谱分析，生成质谱图。最后，生成的质谱图包含质子信号的强度和质荷比，可以通过计算机软件进行处理和解释。这些数据用于鉴定和定量样品中的有机化合物。

2.3 光谱学方法

2.3.1 紫外-可见光谱

在紫外-可见光谱中，一束可见光和紫外光通过待测样品，光经样品后，检测器测量出样品吸收或透射的光强。根据不同化合物对不同波长光的吸收程度，可以获得样品的吸收光谱。紫外-可见光谱的原理是基于分子内的电子跃迁，当分子吸收特定波长的光子能量时，电子跃迁到激发态，产生吸收峰。这些吸收峰的位置和强度可以提供关于分子结构和浓度的信息。

紫外光谱通常涵盖200～400 nm的波长范围，而可见光谱则涵盖400～750 nm的波长范围。不同的有机化合物具有不同的吸收特性，因此紫外-可见光谱可以用于鉴定和定量微量有机物。例如，在制药领域，药物分子通常在紫外光区域具有特定的吸收峰，因而可以用于药物含量的测定。在环境监测中，紫外-可见光谱也常用于检测水中的有机物污染物，如有机溶解物和色素等。

紫外-可见光谱的优点包括非破坏性、快速、简便，可以适用于多种样品类型。然而该方法的应用通常受到样品复杂性和浓度范围的限制，所以对于微量有机物的检测，需要高灵敏度和高分辨率的光谱仪器。

2.3.2 荧光光谱

荧光光谱的应用领域非常广泛，特别适用于微量有机物的检测。荧光光谱的高选择性和极高的灵敏度使其在生物化学、生物医学、环境监测和食品科学中得到了广泛应用。例如，在生物学研究中，荧光标记的分子（如荧光标记的抗体或核酸探针）可用于检测和定量生物分子，如蛋白质、DNA和RNA。在环境监测中，荧光探针和染料可以用于检测水中、土壤中的污染物以及大气中的有机化合物。此外，荧光光谱还在药物研究和制药工业中扮演重要角色，可用于药物的分析、药物相互作用的研究以及药物的药代动力学研究。在食品科学中，荧光光谱也可以用于检测食品中的添加剂、色素等，从而控制食品质量。

2.3.3 红外光谱

红外光谱在微量有机物的检测中具有广泛地应用，可用于分析液体、气体和固体样品中的有机化合物，通常覆盖了从4 000～400 cm-1的波数范围。在制药工业中，红外光谱可用于检测药品的质量和成分，包括药物、药物配方和药物中的杂质等。在环境监测中，红外光谱可用于检测大气中的有机污染物、土壤中的有机物和水中的微量有机化合物等。红外光谱还在化学合成、材料科学和食品科学中得到了广泛应用。例如，在化学合成中，可用于跟踪反应进程、鉴定中间体和检测产物。在材料科学中，红外光谱可用于分析材料的组成和性质，如聚合物、涂层和表面修饰等。在食品科学中，红外光谱被用于检测食品中的脂肪、蛋白质、糖类等成分，以及食品质量的控制和认证[5]。

3 结语

综上所述，水体中微量有机物的高效富集与检测技术在环境保护中发挥着重要作用。未来技术人员应继续致力于相关技术的研发和应用，以应对不断增加的水污染挑战，确保清洁、安全的水资源可供未来世代使用。只有通过科学方法和创新技术，才能够有效实现可持续的水资源管理和环境保护目标[6]，满足可持续发展的经济增长模式。