（环境工程专业论文）竹炭固相萃取剂的制备及分离富集典型环境污染物研究.pdf

摘要 由于环境介质比较复杂或待测污染物浓度很低，通常环境样品需要经过前 处理，即分离富集后再进入分析仪器进行准确地测定。固相萃取技术由于富集 效率高、有机溶剂用量少、易于自动化等优点被广泛应用于样品前处理领域。 固相萃取剂是影响固相萃取富集效率最重要的因素之一。竹炭具有较大的比表 面积、发达的孔隙结构和良好的吸附性能，对废水中的一些污染物质有一定的 吸附作用。本文制各了一系列竹炭吸附剂，将其作为固相萃取剂建立了环境样 品中典型污染物的分析方法，并应用于实际环境样品分析。主要进行了以下几 个方面的研究： 1 以竹炭作为固定相制作了固相萃取小柱，用来分离富集水中的溴代阻燃 剂六溴环十二烷，优化了萃取条件，建立了环境样品中六溴环十二烷的检测方 法，该方法基于竹炭固相萃取和快速分辨液相色谱电喷雾串联质谱。在最优条 件下，方法在0 1 1 0 嵋l d 范围内呈现良好的线性关系，方法的检出限和精密 度分别为0 0 0 5 0 0 1 5 烬l d 和4 5 9 7 4 7 。该方法被成功应用于实际环境水样 中痕量六溴环十二烷的检测，实际样品加标回收率为8 8 5 9 8 3 。 2 选用竹炭作为固相萃取剂，并将此固相萃取体系与高效液相色谱紫外检 测器联用，建立了环境水样中三种人工合成的雌激素物质的分析检测方法。实 验详细考察了洗脱液种类和体积、样品流速、样品p h 和体积等几个因素对竹 炭固相萃取体系分离富集性能的影响，结果表明，当洗脱液为8m l 丙酮，样 品流速为4m l m i n - l ，样品p h 和体积分别为2 和5 0 0m l 时，分离富集效率最 好。在此条件下测定了方法的的分析特性参数，根据实验结果可知，该方法的 线性范围为1 1 0 0 嵋l 一，检出限和精密度分别为0 0 3 o 0 6 嵋l 。1 和4 4 6 8 6 5 。 该方法被成功应用于三种实际环境水样的分析，实际样品加标回收率为 8 5 0 9 7 o 。 3 通过控制毛竹的炭化温度( 5 0 0 、7 0 0 、9 0 0o c ) 制备出了三个竹炭样品。 运用扫描电子显微镜( s e m ) 、元素分析、比表面积及孔径分布测试等手段对竹 炭样品进行表征。结果发现竹炭样品表面有大量的微孔的介孔存在，使其有很 高的比表面积。炭化温度对竹炭的微观结构和组成有很大影响，随着炭化温度 的升高，比表面积和孔体积显著增大，含碳量也明显提高。将所制得的竹炭样 品用于水中c r ( v i ) 的吸附研究，结果表明，竹炭对水中c r ( v i ) 有很好的吸附效 果，吸附在1 2 0r a i n 左右达到平衡。l a n g m u i r 等温模型和准二级动力学方程可 以很好的描述整个吸附过程，其c r i ) 最大吸附量为3 8 9 1m g g 一。热动力学研 究表明吸附过程是一个自发和吸热的物理吸附过程。竹炭由于其独特的孔结构 和较高的比表面积，对于去除废水中的c 州i ) 污染物是很有效的吸附材料。 关键词：竹炭，固相萃取，六溴环十二烷，雌激素，铬i ) a b s t r a c t d u et ot h e c o m p l e x i t y o fe n v i r o n m e n t a l s a m p l em a t r i x a n dt h el o w c o n c e n t r a t i o no f a n a l y t e s ，p r e t r e a t r n e n to fs a m p l e sa n dp r e e o n c e n t r a t i o no fa n a l y t e s a r eu s u a l l yi n v o l v e dp r i o rt oi n s t r u m e n ta n a l y s i sf o ra c c u r a t em e a s u r e m e m n e s o l i d - p h a s ee x t r a c d o n ( s p e ) i sw i d e l yu s e di ns a m p l ep r e t r e a t m e n tf i e l do w i n gt o t h eh i 【g he n r i c h m e n te f f i c i e n c y , l o wd o s a g eo fo r g a n i cs o l v e n ta n de a s ya u t o m a t i o n t h ec h o i c eo fa d s o r b e mi so n eo fm o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r s b a m b o oc h a r c o a l i san e we n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm a t e r i a lw i t hl a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，a d v a n c e d p o r es t r u c t u r ea n de x c e l l e n ta d s o r p t i o np r o p e r t yt ot h ep o l l u t a n t si nw a s t e w a t e r h e n s e ，b a m b o oc h a r c o a li ss e l e c t e d 嬲t h er e s e a r c ho b j e c ta n dt h et h e s i sf o c u s e do n i t s a p p l i c a t i o np o t e n t i a l i ns p et e c h n i q u e as e r i e so fb a m b o oc h a r c o a l sw i 也 d i f f e r e mp e r f o r m a n c ew e r ep r e p a r e d u s i n gb a m b o oc h a r c o a l 嬲s p ea d s o r b e n t , t h e a n a l y s i sm e t h o d so ft y p i c a lp o l l u t a n t si ne n v i r o n m e n t a ls a m p l e sw e r ed e v e l o p e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h es p ec a r t r i d g e su s i n gb a m b o oc h a r c o a l 猫s t a t i o n a r yp h a s ew e r ep r e p a r e dt o s e p a r a t i o na n de n r i c h m e n to fb r o m i n a t e df l a m er e t a r d a n t sh e x a b r o m o c y c l o d o d e c a n e d i a s t e r e o m e r s ( h b c d s ) 皿ec o n d i t i o n sa f f e c t i n gt h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c i e sw e r e i n v e s t i g a t e d a n d o p t i m i z e d i n d e t a i l ，a n dt h em e t h o df o rs i m u l t a n e o u s p r e c o n c e n t r a t i o na n ds e n s i t i v ed e t e r m i n a t i o no fh b c d si ne n v i r o n m e n t a lw a t e r s a m p l e sh a sb e e nd e v e l o p e d i tw a sb a s e d0 1 1s p ea n dr a p i dr e s o l u t i o nl i q u i d c h r o m a t o g r a p h y e l e c t r o s p r a y t a n d e mm a s s s p e c t r o m e t r y ( r r l c e s i - m s m s ) u n d e rt 1 1 e o p t i m u mc o n d i t i o n s ，e x p e r i m e n t a ld a t ae x h i b i t e de x c e l l e n tl i n e a r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e np e a ka r e aa n dc o n c e n t r a t i o n so v e rt h er a n g eo fo 1 一l o 嵋l 一 t h el i m i t so fd e t e c t i o na n dp r e c i s i o nw e r ei nt h er a n g eo f0 0 0 5 - 0 015 鹏l 1a n d 4 5 9 - 7 4 7 ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h e t r a c ea n a l y s i so fh b c d si nr e a l w o r l de n v i r o n m e n t a lw a t e rs a m p l e s ，t h er e c o v e r i e s o fs t a n d a r da d d i t i o no b t a i n e dw e r ei nt h er a n g eo f8 8 5 9 8 3 b a m b o oc h a r c o a lw a su s e da ss p ea d s o r b e n ti nt h i sw o r k 硒w e l la st h e a n a l y t i c a lm e t h o db a s e do ns p ec o m b i n e d 、析t l lh i g h - p e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y u l t r a v i o l e td e t e c t o r ( h p l c - u v ) w a se s t a b l i s h e df o rs i m u l t a n e o u s p r e c o n c e n t r a t i o n a n d s e n s i t i v ed e t e r m i n a t i o n o f e s t r o g e n sh e x e s t r o l ， d i e t h y l s t i l b e s t r o l a n dd i e n e s t r o li ne n v i r o n m e n t a lw a t e r s a m p l e s i m p o r t a n t p a r a m e t e r sa f f e c t i n ge x t r a c t i o ne f f i c i e n c i e s ，i n c l u d i n ge l u a n ta n di t sv o l u m e ，f l o w r a t e ，s a m p l ep ha n dv o l u m ew e r ei n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e di nd e t a i l i ti n d i c a t e d t h a tt h eh i g h e s te n r i c h m e n te f f i c i e n c yw a so b t a i n e dw h e n8m la c e t o n ew a ss e l e c t e d 舔e l u e n t , t h es a m p l ef l o wr a t e ，p ha n dv o l u m ew e r e4m l r a i n l ，3a n d5 0 0m l ， r e s p e c t i v e l y u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，a n a l y t i c a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h ep r o p o s e dm e t h o dw e r ed e t e r m i n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el i n e a r r a n g e sw e r e1 10 0 嵋。l 一，t h el i m i t so fd e t e c t i o na n dp r e c i s i o nw e r ei nt h er a n g eo f o 0 3 - o 0 6 嵋l 。1a n d4 4 6 - 8 6 5 ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d f o rt h et r a c ea n a l y s i so ft h e s e e s t r o g e n si n r e a l w o r l d e n v i r o n m e n t a lw a t e rs a m p l e sw i ms a t i s f a c t o r yr e s u l t s ，t h et h er e c o v e r i e so fs t a n d a r d a d d i t i o nw e r e8 5 0 9 7 o t h r e eb a m b o oc h a r c o a ls a m p l e sw e r ep r e p a r e db yc a r b o n i z a t i o no fm o s o b a m b o oa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( 5 0 0 ，7 0 0 ，9 0 0o c ) ma s p r e p a r e ds a m p l e sw e r e c h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , n i t r o g e na d s o r p t i o n - d e s o r p t i o na n d e l e m e n ta n a l y s i s i ti sf o u n d 也a tal a r g en u m b e ro fm i c r o - m e s o p o r o u si nb a m b o o c h a r c o a ls u r f a c e 嬲w e l la sh i g hs u r f a c ea r e a t h ec a r b o n i z a t i o nt e m p e r a t u r eh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to nm i c r o s t m c t u r ea n dc o m p o s i t i o no fb a m b o oc h a r c o a l ：w i t l lt h e c a r b o n i z a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，b e ts p e c i f i cs u r f a c ea r e a sa n dp o r ev o l u m e i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya sw e l l 晒t h ec a r b o nc o n t e n t a d s o r p t i o no fc r f v do n t ot h e a s - p r e p a r e db a m b o oc h a r c o a ls a m p l ef r o ma q u e o u sw a si n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d t h eb a m b o oc h a r c o a ls a m p l e se x h i b i te x c e l l e n ta d s o r p t i o np r o p e r t yt o w a r d sc r ( v i ) i o n si na q u e o u ss o l u t i o n sa n da b o u t12 0m i nt or e a c ha d s o r p t i o ne q u i l i b r i u m t h e a d s o r p t i o nd a t ac a nb e t t e rd e s c r i b e db yl a n g r n u i rm o d e la n dp s e u d o - - s e c o n d - o r d e r e q u a t i o n 、析t l lm a x i m u mm o n o l a y e ra d s o r p t i o nc a p a c i t yo f38 91m g g - 1 t h e b a m b o oc h a r c o a ls a m p l e sa l ef o u n dt ob ee f f e c t i v ea d s o r b e n t sf o rt h er e m o v a lo f c r ( v i ) p o l l u t a n tf r o mw a s t e w a t e r 嬲ar e s u l to fi t su n i q u ep o r o u ss t r u c t t t r ea n dh i g h s p e c i f i cs u r f a c ea r e a s b a m b o oc h a r c o a lm a t e r i a l sa l ee x p e c t e dt ob eu s e f u li n a d s o r p t i o na n ds e p a r a t i o na r e a sf o rr e m o v a lo fp o l l u t a n t sf r o mt h ew a s t e w a t e r k e y w o r d s ：b a m b o oc h a r c o a l ，s p e ，h b c d ，e s t r o g e n , c r ( v i ) 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 环境样品前处理方法概述 环境分析化学是研究环境中污染物的种类、成分，以及对环境介质中化学 污染物进行定性分析和定量分析的一个学科。由于环境是一个综合和复杂的体 系，环境样品种类千差万别，几乎包括了从气态、液态到固态等所有物质的各 种不同形态；其成分又十分复杂，通常一个环境样品包含了几十甚至上百种组 分；各组分的浓度不但很低，而且相互之间的差别很大，从1 0 。3g 到1 0 母g ，甚 至1 0 d 2g ；而且一种物质往往以多种形态存在，有元素态及化合态，化合态中 有无机态和有机态之分，无机态中又以不同价态的形式出现，而有机态中又有 各种异构体或同系物之别：不但如此，更重要的是这些不同的形态表现出来的 环境效应与毒性是截然不同的；此外，环境样品中的一些组分在自然条件下， 受光、热、电磁辐射、徽生物等外界条件的作用，会发生诸如氧化、还原、光 解、水解、生物降解等一系列变化，变得不稳定【l 】。正因为如此，对环境样品 的采集、保存、运输、制备、前处理、分析测试等操作过程中均有一系列特殊 的要求。因而赋予环境分析化学的任务与分析化学其他分支相比更为复杂和艰 巨，要求更高更严格。由于这些特点，环境样品不同于一般样品，通常需要进 行适当的前处理后才可以进行各种仪器分析。否则，非但得不到可靠的数据， 而且还会污染测试系统，影响仪器的性能及使用寿命。所以样品前处理已经成 为环境分析化学中的一个重要组成部份，也是当代分析化学的一个前沿课题。 1 1 1 样品前处理在分析化学中的地位 一个完整的环境样品分析过程包括从样品采集开始到报告结果，样品分析 流程大致可以分为以下五个阶段【2 j ：( 1 ) 样品采集，( 2 ) 样品处理，( 3 ) 分析 测试，( 4 ) 数据处理，( 5 ) 整理报告。根据国际l c g c 杂志对世界1 0 0 多个实 验室进行的统计【3 j ，结果如图1 1 所示。上述五个阶段所需要的时间相关甚远， 各阶段所需时间占整个分析过程总时间的百分比：样品采集占6 o ，样品有机 物提取、净化处理技术占6 1 0 ，分析测试占6 o ，数据处理与报告占2 7 。 其中，样品有机物提取、净化处理所需的时间最长，约占整个分析时间的三分 之二。这是因为在过去几十年中，分析化学的发展集中在研究方法的本身，例 武汉理工大学硕士学位论文 如：如何提高灵敏度、选择性及分析速度；如何应用物理与化学中的理论来发 展新颖的分析方法与技术，以满足高新技术对分析化学提出的更高、更新的目 标与要求。现代的自动化分析仪器使分析工作变得简单、快速，然而，国内许 多拥有现代化分析仪器的实验室却依然使用着古老、繁琐的样品前处理方法， 可以说，样品前处理已经成为现在分析中的瓶颈，严重阻碍了分析工作的进行， 而要提高效率，就必须解决样品前处理的问题。采用高新技术的成果改进分析 仪器的性能、速度、及自动化的程度，却忽视了对样品前处理方法与技术的研 究，从而造成以下不利因素：( 1 ) 目前花费在样品有机物提取净化处理方法与 技术上的时间比样品本身的分析测试所需要的时间多达一个数量级，通常分析 测试一个样品只需要几分钟至几十分钟，而分析前样品有机物的提取、净化处 理的时间可能多达几个小时甚至几十个小时；( 2 ) 样品中有机物提取、净化处 理技术有大量的有机溶剂消耗，特别像二氯甲烷、氯仿等有毒性的溶剂，对环 境及操作者造成二次污染和伤害；( 3 ) 由于消耗大量高纯溶剂，使测试成本大 大增加。基于以上原因，样品前处理方法与技术的研究引起了广大分析化学家 的关注，许多分析化学工作者已经认识到样品前处理的重要性，各种新技术与 新方法的探索与研究已成为当代分析化学的重要课题与发展方向之一。人们不 断研究和改进样品前处理的方法，使之准确、有效、简单、快速。 图1 - 1 样品分析中各阶段所耗费时间比例 f i g 1 - 1t h ep r o p o r t i o no ft i m e c o n s u m i n ga te a c hs e c t i o ni ns a m p l ea n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 对于环境样品的分析，快速、简便、自动化的样品前处理方法不仅可以省 时、省力，而且可以减少由于不同人员的操作及样品多次转移带来的误差，避 免使用大量有机溶剂，可以节省分析成本，对于减少对环境的污染也有深远的 意义。特别是在线样品前处理新技术研究的深入开展，必将对环境分析化学的 发展起到积极的推动作用，并使之达到一个新的高度。 1 1 2 样品前处理的目的 从环境中采集的原始样品，无论是气体、液体或固体样品，几乎都不能未 经处理直接进行仪器分析测定，如样品中待测物质的含量很低，原始样品的基 体干扰很大。特别是许多环境样品以多相非均一态的形式存在，可能是黏滞的 流体、胶体溶液固体，如大气中所含的气溶胶与飘尘，废水中含的乳液、固体 微粒与悬浮物，土壤中含有水分、微生物、砂砾及石块等。另外，随着科学技 术的发展，现代分析化学的分析对象越来越复杂，待检测组分的含量越来越低， 在地球和宇宙科学、环境科学、生命科学、材料科学、医学以及考古学和罪证 分析中，经常需要测定的浓度水平为1 0 。1 2 级或者更低，如果不对原始样品进行 分离和浓缩等前处理步骤就不能得到可靠的仪器测定结果。所以，采集的原始 环境样品必须经过提取、净化等前处理后才能进行仪器分析测定，方能达到以 下目的。 ( 1 ) 提高灵敏度和降低检测限。经过提取、净化处理的环境样品，可以起 到浓缩被测痕量组分的作用，从而提高方法的灵敏度，降低最小检测限。环境 样品中有毒有害物质的浓度很低，难以直接测定，经过样品前处理富集后，就 可用各种仪器分析测定，从而降低测定方法的最低检测限。因为预浓缩样品或 进行衍生化样品中待测组分含量过低，必须进行富集、浓缩后才能达到要求的 最低检测限。 ( 2 ) 提高测试精度。含有大量复杂基质的样品，必须在色谱分析前将其基 质除去，如生物样品大量蛋白质或固相微粒能堵塞色谱通道及色谱柱，应该在 进样分析前分离并加以除去，提高分析方法的灵敏度，否则基质产生的讯号可 以大到部分或完全掩盖痕量被测物的讯号；不能与待测组分实现完全分离的干 扰性杂质会影响色谱分辨率与重现性，如果能通过前处理的方法消除这些干扰 将大大提高色谱分析的分离度、重现性和准确度。 ( 3 ) 提高方法的选择性。通过提取、净化处理技术，可以使一些在通常检 3 武汉理工大学硕士学位论文 测器上没有响应值或者响应值较低的化合物转化为具有很高响应值的化合物， 如3 硝基烃在目前各种检测器上响应均较低，利用衍生化法把它还原为氨基烃， 再经三氟乙酰衍生处理后生成带电负性很强的化合物，它们在电子捕获检测器 ( e c d ) 上具有极高的灵敏度。衍生化通常还用于改变被测物质的性质，提高 被测物的灵敏度，达到改善方法灵敏度与选择性的目的。 ( 4 ) 有利于环境样品的保存和运输。因为环境样品浓度低，采集的量相对 较大，不但保存和运输都不方便，而且可能使被测物质中相对稳定各组分发生 变化，环境样品经提取、狰化处理后就变得容易保存和运输，而且可以使被测 组分保持相对稳定，不易发生变化。 ( 5 ) 延长测试仪器的使用寿命。通过环境样品前处理可以除去对仪器或分 析系统有害的物质，如强酸或强碱性物质、生物大分子等，从而延长仪器的使 用寿命，使分析测定能长期保持在稳定可靠的状态下进行。 1 1 3 环境样品前处理技术的评价准则 选择了合适的样品前处理方法，等于完成了分析工作的一半，这是化学分 析工作者的共同体会，这也说明环境样品前处理的重要性。对于一个具体的环 境样品，究竟如何从众多的方法中去选择合适的呢? 迄今为止，没有哪一种单 一的样品前处理方法能适合于所有情况下的所有样品。即使同一种被测物，由 于所处的环境基质与条件不同，可能要采用不同的前处理方法，所以对于不同 样品中的分析对象都要进行具体分析，找出最佳处理方案。当然，作为评价前 处理方法选择是否合理，一般说来，下列各项准则是必须考虑的： ( 1 ) 能最大限度地除去干扰被测组分的物质。这是衡量前处理方法是否有 效的重要指标，否则即使方法简单、快速也无济于事。 ( 2 ) 被测组分的回收率高。回收率不高通常伴随着测定结果的重复性较差， 不但影响到方法的灵敏度和精确度，最终使低浓度的环境样品无法测定，因为 浓度越低，回收率往往也越差。 ( 3 ) 操作简便、省时。步骤越多的前处理方法，由于多次转移引起样品损 失也越大，导致最终的误差也越大。 ( 4 ) 成本低廉，尽量避免使用昂贵的仪器与试剂。当然，对于目前发展的 一些新型高效、快速、简便、可靠，而自动化程度又很高的样品前处理技术， 如超临界流体萃取与固相萃取等，尽管仪器的价格较为昂贵，但是与其所产生 4 武汉理工大学硕士学位论文 的效益相比，这种投资还是值得的。 ( 5 ) 不对人体及环境产生影响。应尽量少用或不用对环境产生污染或危害 人体健康的试剂，即使不可避免必须应用时，也要回收循环使用，使其危害性 降至最低的限度。 环境样品的前处理技术对于测定结果的准确性和质量控制具有至关重要的 作用。 固相萃取技术简介 固相萃取( s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o n ，s p e ) 是近年发展起来一种样品前处理 技术，由液固萃取和液相色谱技术相结合发展而来，主要用于样品的分离、纯 化和浓缩。具体说来，固相萃取就是利用固体吸附剂填料将液体样品中的目标 化合物吸附，与样品中的基质成分和干扰物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热 解吸附，达到分离和富集目标化合物的目的，大大增强仪器对分析物特别是痕 量分析物的检出能力，提高待测组分的回收率。 1 9 7 9 年，o n g e 等人首次提出了固相萃取的定义【4 】。在问世以来的三十多年 中，固相萃取由于有高效、可靠及消耗溶剂量少等优点，其作为化学分离和纯 化以及样品前处理技术的一个强有力工具得到了蓬勃的发展【5 】。在国外已经逐 渐取代传统的液液萃取( l i q u i d l i q u i de x t r a c t i o n ，l l e ) 方法而成为样品前处 理的可靠而有效的方法，如美国国家环境保护署( e p a ) 将其作为水中农药含 量的标准测定方法【6 7 】。与传统的液液萃取方法相比，s p e 方法具有以下明显的 优势： ， ( 1 ) 在l l e 方法中，经常会发生乳化现象而造成样品损失，而在s p e 中 则不存在类似问题，从而保证了样品中超微量成分的有效回收； ( 2 ) l l e 中的回收率的高低在很大程度上取决于操作人员的熟练程度，对 同样一个方法和样品，不同的操作者所得到的结果可能差异很大，这将影响方 法的推广，也难以进行实验室的质量控制【8 】。而s p e 是基于待测分析物官能团 和s p e 柱固相填料的官能团之间的相互作用力将待测分析物萃取出来的，其方 法重现性好，很容易在实验室之间传递，有利于实现标准化； ( 3 ) s p e 操作简单快速，便于实现操作自动化。s p e 中的样品加载、待测 组分富集、洗脱等步骤都可以通过调节真空泵的压力来控制，也便于样品的批 量处理： 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 相比于l l e 中几十上百毫升的高纯有机溶剂使用量，s p e 的有机溶 剂消耗量要少很多。待测组分被固相萃取柱富集后仅需要少量( 一般为几毫升) 的洗脱液就能完全洗脱下来，表现出对环境和经济的友好； ( 5 ) 富集倍数高。用固相萃取方法富集样品时，可以把大体积的液体样品 中的待测组分富集到几毫升，富集倍数达数十倍至数百倍，而且液体样品中待 测组分的浓度越低，s p e 方法富集倍数高的优势就越明显； ( 6 ) s p e 法有利于样品的富集和纯化，将富集和分离合为一步。根据待测 组分的特点，有针对性地选用柱填料，有选择性地富集特定组分，也可以让干 扰组分保留在固相萃取小柱上，而让待测组分通过，从而达到分离干扰组分和 纯化样品的目的； 目前，固相萃取技术在制药、精细化工、商品检验、生物医学、食品分析、 有机合成、环境和其他领域逐渐取代液液萃取。 1 2 1 原理 固相萃取技术是基于液固相色谱理论，采用选择性吸附和选择性洗脱的方 式对样品进行富集、分离和纯化，是一种包括液相和固相的物理萃取过程，也 可以将其近似的看作一种简单的色谱过程【9 】。在固相萃取中，吸附剂填料作为 固定相，而流动相是萃取过程中的水样或者解吸过程的有机溶剂。 s p e 就是利用选择性吸附与选择性洗脱的液相色谱法分离原理，使液体样 品通过某种吸附剂，保留其中被测物质，再选用适当强度溶剂冲去杂质，然后 用少量溶剂洗脱被测物质，从而达到快速分离净化与浓缩的目的【l o 】。也可选择 性吸附干扰杂质，而让被测物质流出；或同时吸附杂质和被测物质，再使用合 适的溶剂将被测物质选择性洗脱下来。 s p e 的基本原理和h p l c 相同，但目的则完全不同。h p l c 是要在短时间 内将各化合物分离并保持良好的峰形，而s p e 是要从复杂的基液中分离出目标 化合物并将其浓缩，以便进行进一步的分析。因此，传统的s p e 柱填料的颗粒 往往比h p l c 柱的填料颗粒要大得多( s p e 柱中一般大于3 0 岬，而h p l c 柱 中一般为l - 5m n ) 。 s p e 的主要分离模式也与液相色谱相同，可分为正相( 吸附剂极性大于洗 脱液极性) 、反相( 吸附剂极性小于洗脱液极性) 和离子交换。正相s p e ( n p s p e ) 包括一个极性分析物质、中等极性到非极性的溶剂( 如二氯甲烷、丙酮、正戊 6 武汉理工大学硕士学位论文 烷和正己烷) 和一个极性固定相。极性官能团能键合键合硅胶和极性吸附物质， 常用于正相条件。n p s p e 所用的吸附剂都是极性的，如硅胶、硅酸镁、氧化铝 等，主要通过分析物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用 ( 其包括了氢键作用、舻兀相互作用、偶极偶极相互作用和偶极诱导偶极相互 作用等) 来萃取( 保留) 溶剂非极性或弱极性介质中的极性化合物。反相s p e ( i 冲s p e ) 所用的吸附剂通常是非极性或极性较弱的，所萃取的目标化合物通 常是中等极性到非极性的化合物，洗脱溶剂般有甲醇、乙腈及其与水的混合 溶液等，主要通过目标物的碳氢键与硅胶表面的官能团产生非极性的范德华力 或色散力来保留目标化合物。离子交换s p e ( i e s p e ) 所用的吸附剂是带有电 荷的离子交换树脂，通过目标化合物的带电荷基团与键合固定相上的带电荷基 团之间的静电吸引来吸附萃取。 固相萃取可分为在线萃取和离线萃取两类：前者又称在线净化和富集技术， 主要用于h p l c 分析，萃取与色谱分析同步完成；而后者萃取与色谱分析分步 完成，两者在原理上是一致的。固相萃取的基本程序可分为以下四个步骤，如 图1 2 所示。但在实际应用时可根据最后分析方式对样品的要求对这四个步骤 进行适当增加或减少。比如，当使用离子交换原理进行样品萃取时就需要增加 对萃取体系的p h 进行调节的步骤。 图卜2 固相萃取流程的四个步骤( a 萃取柱的预处理；b 样品的加载； c 萃取柱的淋洗；d 目标分析物的洗脱) f i g 1 - 2t h ef o u rs t e p so fs p ep r o c e s s ( a p r e t r e a t m e n to fs p ec a r t r i d g e ；b l o a d i n g s a m p l e ；c w a s h e dt h ec a r t r i d g e ；d e l u t e dt h et a r g e ta n a l y t e s ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 萃取柱的预处理。 为了保证良好的萃取重现性，s p e 柱必需用适当的溶剂进行预处理。一是 为了对固定相进行活化，展开其表面的官能团以增加和分析物作用的表面积： 二是对柱子进行清洗，除去柱子上吸附的对分析有影响的杂质。且必须注意的 是在加样于s p e 柱前预处理好的s p e 柱必需保持湿润。通常使用两种溶剂( 初 溶剂和终溶剂) ：初溶剂用于净化固定相，初溶剂应与洗脱溶剂的洗脱能力一样 强或强于洗脱溶剂，以便除去所有可能与分析物一起洗出的杂质；终溶剂用于 建立一个固定相环境以得到样品分析物的合适保留，故终溶剂应该与样品溶剂 性质相似，若使用的溶剂太强，将会降低回收率【5 1 。 ( 2 ) 样品的加载。 将样品加载于s p e 柱中，用正压或负压使样品通过柱子固定相。样品的流 速必需控制，以保证分析物有足够的时间与固定相发生吸附等作用而被保留住， 一般控制流速为1 - 4m l r a i n l 。 ( 3 ) 萃取柱的淋洗。 用适当的淋洗剂选择性地洗脱共同吸附的杂质而保留分析物于s p e 柱上。 要洗脱掉固定相上不需要的样品组分，所以淋洗溶剂要略强于或等于上样溶剂， 但不能强到能将任何一个分析组分洗脱的程度，淋洗剂的选择也取决于最后的 分析手段。 ( 4 ) 分析物的洗脱。 将分析物用适当溶剂从固定相上洗脱下来，在选择洗脱溶剂时必须考虑以 下几个因素：洗脱剂必需有足够强度，以最小溶剂用量将分析物洗脱下来；但 如果选择的溶剂太强，在洗脱下目标分析物的同时，还会把一些更强保留的不 必要组分洗脱下来。 1 2 2 装置 现在s p e 技术已经大量商品化，市场上可以买到各种构型的s p e 产品。最 普通的形式是s p e 柱( c a r t r i d g e ) ，此外还有s p e 盘( d i s k ) 和固相微萃取( s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，s p m e ) 的形式【1 1 1 。 s p e 柱形状各异，但基本结构如图1 3 所示，主要由柱管、烧结垫和固定 相填料三部分组成。 武汉理工大学硕士学位论文 j 。雾髯。笺 j j 镶黟聚 i 蒙鬻j 丙 聚 ! 鬓雾肇j 爹j 烯叫 乙 滋蒿 柱 固烯 瑚ii融 管 定 黧 l f 蔑 相 戮蓑 漕 一；臻 填 = 羹 麟 料 黝 b 施l暖 随着固相萃取技术在诸多领域的广泛使用，人们对于新型吸附剂的需求就 越来越迫切，对固相萃取吸附剂的研究工作从未停止过，它一直是化学工作者 们的研究热点之一。固相萃取吸附剂主要有以下几大类： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 氧化铝和硅胶等吸附剂 氧化铝、硅胶等是传统的吸附剂，多年来一直用于样品的前处理。这类固 相萃取剂的原理是溶质在吸附剂表面的吸附作用，样品往往溶于己烷、甲苯、 二氯甲烷等有机溶剂。非极性或弱极性的杂质先洗出柱，用适当极性的溶剂洗 脱待分析组分，而强极性的杂质仍保留在柱上。 ( 2 ) 高分子聚合物吸附剂 许多高分子聚合树脂能用于痕量组分的富集和样品纯化，这类非离子型聚 合物的结构均一，重现性好。苯乙烯- - 7 , 烯基苯( s t - d v b ) 聚合树脂通过疏 水作用对非极性水溶性化合物有强吸附力，而且组分随着相对分子质量增大而 在树脂中的保留增强，易离子化的化合物可通过离子抑制办法而产生保留，因 此有可能同时萃取样品中的酸性、中性、碱性药物。另外一种新型的聚合物吸 附剂是聚合二乙烯基苯- n 乙烯吡咯烷酮，该吸附剂兼具亲水基团( 吡咯烷酮基 团) 和疏水基团( - - 乙烯基苯) ，属于反相吸附剂，对极性化合物和非极性化合 物均有较好的保留，具有亲水亲脂平衡( 印_ 一b ) 的特性。 ( 3 ) 离子交换树脂 将各种形式的离子交换树脂引入聚四氟乙烯( p t f e ) 薄膜，得到离子交换 树脂固相萃取剂。它们的作用机制是离子交换，离子交换树脂可除去样品中金 属离子，防止组分的分解，因此常用于萃取样品溶液中的阴阳离子型有机化合 物，如苯酚、苯胺和酞酸酯类等，通常具有较高的选择性。 ( 4 ) 键合硅胶吸附剂 硅胶具有机械强度高、热稳定性与化学稳定性俱佳等优点，常被用作固相 萃取剂的载体。键合硅胶是最近十几年发展起来的固相萃取剂，它们与h p l c 中所用的键合硅胶固定相类似，只是硅胶的平均粒度较大( 3 0 6 0t u n ) 。以球形 硅胶作为基体，在特定条件下让硅胶表面的硅羟基与硅烷化试剂反应，使硅胶 表面被指定的化学官能团覆盖，从而得n t 硅胶键合吸附剂，键合官能团的类 型决定着硅胶键合吸附剂的吸附特性。键合硅胶固相萃取剂的种类很多，所键 合的基团包括c s 、c 1 8 、苯基等非极性或弱极性基团和- n h 2 、c n 、o h 等极性 基团以及c o o h 、一s 0 3 h 等离子型基团。 ( 5 ) 新型吸附剂 当前新型吸附剂的研究主要集中在两个方面：其一是将极性、非极性以及 离子交换基团或高分子树脂混合，研制复合型吸附剂；其二是免疫亲和型吸附 剂及分子印记型吸附剂的研制。新型的固相萃取剂能综合应用多种作用机制， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 大大拓展了固相萃取方法的应用范围。 1 2 4 方法建立 在s p e 原理的讨论中我们已经知道，固相萃取过程的“四步曲：萃取柱 预处理、样品加载、萃取柱淋洗、分析物洗脱。在样品加载和萃取柱淋洗步骤 中，部分目标化合物可能穿透s p e 柱而造成样品损失，而在分析物洗脱步骤中， 分析物可能没有被完全洗脱下来，仍然有部分目标分析物残留在s p e 柱上。最 理想的情况是目标分析物能够1 0 0 地回收到收集的洗脱液中。 从s p e 的操作步骤可以看出，s p e 方法的结果受多个因素的影响，实验条 件是影响其重现性的最主要原因。 在建立s p e 方法之前，首先要了解待测样品的性质及其他有关信息，下面 几项是需要考虑的【l l 】：( 1 ) 样品基质和目标分析物的性质，如：结构、极性、溶 解度和酸碱性等；( 2 ) 样品中目标分析物的浓度