固相萃取技术的研究进展及其在环境监测

　　摘要：固相萃取技术是近年来发展较快的样品预处理技术，本文主要阐述了固相萃取技术的基本原理及方法，并且简述了它的发展状况及其在环境监测方面的应用。
　　关键词：固相萃取；固相微萃取；分子印记技术；环境监测
　　l引言
　　现在随着生活水平的日益提高，人们对自己所处的生活环境和卫生要求也越来越高，但是由于环境污染的日趋严重，痕量的待测组分也多存在于复杂的基质中。以前经典的样品前处理方法通常繁琐复杂、操作时间长、选择性差，逐渐满足不了样品前处理的发展要求，一些新的样品前处理技术被逐步应用到这个领域，如固相萃取(SPE)、超临界流体萃取(SFE)、微波辅助提取(MAE)、超声波辅助提取(SAE)、固相微萃取(SPME)、分子印记技术(MIP)等。其中，固相萃取技术,自上世纪70年代后期问世以来,以其高效、可靠及耗用溶剂少等优点，在诸多领域得到了快速的发展。目前，在国外固相萃取技术已逐渐取代了传统的液液萃取而成为样品前处理的可靠而有效的方法，在我国SPE技术的应用也已经逐步的发展起来,在许多领域都有着广泛的应用前景，特别适用于环境检测方面如底泥分析、水质分析、空气质量分析等。[1]
　　2固相萃取的基本原理
　　固相萃取(solidphaseextraction,SPE)是一种基于液固分离萃取原理的样品预处理技术，主要适用于液体样品的处理。它是利用吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附,再与样品的基质和干扰化合物分离,然后用洗脱液洗脱,达到分离或者富集目标化合物的目的。固相萃取的主要过程:(1)活化,除去填料中可能存在的杂质，并使填料溶剂化，提高固相萃取的重现性；(2)吸附,使分析物尽量吸附于吸附剂上；(3)淋洗,以除去吸附于吸附剂上的杂质；(4)洗脱,用合适溶剂尽可能完全地将分析物洗脱下来。固相萃取的基本步骤详见图一。[2，3]
　　
　　                            图一固相萃取的基本步骤
　　3固相萃取装置的进展
　　固相萃取的装置最为普遍的就是SPE柱、SPE盘这两种形式：
　　(1)SPE柱。
　　一般SPE柱就是一根容积为1－6ml的用聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯或不锈钢等制成的柱子。柱下端有一孔径为20μm的烧结筛板，用以支撑吸附剂，在筛板上填装一定量的吸附剂，然后在吸附剂上再加一块筛板，以防止加样品时破坏柱床。一般在两片筛板之间可以填装0.1－1g吸附剂。
　　(2)SPE盘。
　　SPE盘表面上与膜过滤器十分相似。盘式萃取器是含有填料的纯聚四氟乙烯圆片，或坚固并无需支撑载有填料的玻璃纤维片。填料约占SPE盘总量的60－90％，盘的厚度约1mm。
　　SPE柱和盘式萃取器的主要区别在于床厚度与直径之比。对于等重的填料，盘式萃取的载面积比柱式萃取大10倍，因而允许液体试样以较高的流量流过，提高了效率，增大了萃取容量。[4，5]
　　为了能使多个固相萃取小柱同时进行抽真空，近年来Supelco公司提供了12孔径和24孔径的真空多歧管装置，可同时处理多个固相萃取小柱。[6]
　　(4)固相微萃取
　　固相微萃取技术（solidphasemicroextraction，SPME）是在固相萃取的基础上发展起来的一项新的样品预处理技术。它用一个类似气相色谱微量进样器的萃取装置在样品中萃取出待测物后直接与GC或HPLC联用，在进样口将萃取的组分解吸后进行色谱分离与分析检测。
　　与常规的SPE技术相比，SPME操作更加简单、携带更为方便、操作费用也更加低廉，另外克服了SPE回收率低、吸附剂孔道易堵塞的缺点。SPME法从完成萃取到分析的整个过程只需十几分钟。目前已成功用于环境、卫生和生物体液中微量有机成分的测定中。[10，11]
　　4固相萃取常用的吸附剂及其在环境污染物监测中的应用
　　固相萃取实质上是一种液相色谱分离,其主要分离模式与液相色谱也基本相同。一般可分成正相固相萃取、反相固相萃取和离子交换固相萃取三种。
　　在正相固相萃取时,目标物如何保留在吸附剂上，取决于目标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，其中包括了氢键、π-π键相互作用、偶极—偶极相互作用、偶极—诱导偶极相互作用以及其他的极性—极性作用。正相固定相都是极性的,用来保留极性物质,即从非极性物质中萃取极性物质。正相固相萃取柱使用的填料有非键合硅胶、双醇基硅胶、氰基硅胶等。
　　在反相固相萃取时,目标物与吸附剂间的作用是疏水性相互作用，主要是非极性—非极性相互的色散力。反相固定相,用来保留非极性物质,即从极性物质中萃取非极性物质。反相固相萃取柱常用的填料有C18键合硅胶、C8键合硅胶、苯基键合硅胶、活性炭、碳分子筛、石墨化碳黑和多孔石墨碳等。
　　离子交换固相萃所萃取的目标物是带有电荷的化合物，目标物与吸附剂之间主要是通过目标物的带电荷基团与键合硅胶上的带电荷基团的相互静电吸引实现吸附的。离子交换固定相把离子相互作用作为保留机理,所取用的吸附剂也都是带有电荷的离子交换树脂,主要包括强阳离子和强阴离子交换树脂。
　　根据相似相溶原则,当分析物的极性与固定相的极性相似时,可得到分析物的最佳保留,当萃取碳氢化合物(非极性)时,要采用反相柱(非极性)；当分析物极性适中时,正、反固定相均可使用。溶剂强度相对于该固定相应该较弱,弱溶剂会增强分析物在吸附剂上的保留，如果溶剂太强,将得不到保留或保留很弱。[5，6，12，13]
　　决定萃取结果的关键因素是SPE柱内所用萃取剂的性能.表一为目前常用的SPE吸附剂类型，并列出了其在环境污染物监测中的应用对象。
　　
　　表一SPE常用吸附剂一览表
　　　　
　　5固相萃取技术目前的研究进展
　　SPE技术自问世以来，由于其具有操作简单、价廉实用、应用范围广等优点，得到了较快的发展和广泛的应用，美国EPA标准方法中已将其作为常规的样品前处理技术，但是其仍然存在着一些不足之处，如常规吸附剂缺乏选择性，目前主要以离线操作模式为主，等等。针对这些不足，SPE技术目前的研究进展主要有：
　　5.1在线SPE技术。
　　在线SPE又称在线净化和富集技术，可以和HPLC、GC和CE等仪器进行在线联用。与HPLC进行在线分析时，当HPLC在分离、分析一个样品的时候，下一个样被另一个高压泵打入前处理柱，然后通过旋转六通阀阀门用LC的流动相将被分析物的吸附剂冲走并将下个样转移到分析柱分析。在线SPE的重现性和准确性都很高，回收率和检测限也都有很大的改善，而且可以连续进样，降低了样品受污染的几率，且避免了分析人员和有毒样品的接触，现在在线SPE在国内外受到的重视越来越大，正在逐步被发展和推广。[5，7，8]
　　5.2高选择性的分子印记聚合物（MIP）作为SPE吸附剂
　　二十世纪末出现的分子印记聚合物（molecularlyimprintedpolymers，MIPs）技术为克服SPE常规吸附剂的局限性提供了强有力的工具。MIPs技术的基本思想是源于人们对抗体-抗原或酶与底物的专一性的识别，通过人工合成对印记分子具有“预定”选择性的分子识别位的大分子聚合物即为MIPs，又被称为“人工抗体”，其特异性可以和生物抗体相媲美，同时具有一定的机械和化学强度，对酸、碱、有机溶剂、温度和压力均有一定的耐受性，且比生物抗体易于合成和保存，这些使得MIPs成为分子识别理想的化合物。由于MIPs技术具有特异的分子识别能力，可以选择性地同混合物中的某一个或某一族结构相似的化合物相结合，所以非常适合用作高度选择性的固相萃取吸附剂，而SPE技术是目前进行复杂样品预处理最为有效的技术之一，两种技术的结合必将成为纯化、浓缩富集和分析复杂环境样品中痕量污染物的有力手段，因此近年来MIPs在SPE中的应用与日俱增，欧盟就有MICA计划（molecularimprintingtechniquesforefficientmethodsinchemicalanalysis），支持欧盟各国科学家进行MIPs作为SPE吸附剂（molecularlyimprintedsolid-phaseextraction,MISPE）的合作研究工作。目前MISPE已经广泛用于环境样品预处理和浓缩富集，如萃取硝基酚[1]、三嗪类除草剂[2,3]、氯代苯氧酸除草剂[4]等。
　　1. MasqueN,MarceRM,BorrullF,CormackPAG,SherringtonDC.Synthesisandevaluationofamolecularlyimprintedpolymerforselectiveon-linesolid-phaseextractionof4-nitrophenolfromenvironmentalwater.Anal.Chem.,2000,72:4122-4126
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　　3. TurielE,Martin-EstebanA,FemandezP,Perez-CondeC,CamaraC.Molecularrecognitioninapropazine-imprintedpolymeranditsapplicationtothedeterminationoftriazineinenvironmentalsamples.Anal.Chem.,2001,73:5133-5141
　　4. BaggianiC,GiovannoliC,AnfossiL,TozziC.Molecularlyimprintedsolid-phaseextractionsorbentfortheclean-upchlorinatedphenoxyacidsfromaqueoussamples.J.Chromatogr.A,2001,938:35-44
　　
　　6结束语
　　SPE技术是一个快速、有效、简便的方法,作为一个新发展起来的前处理技术，它在很多方面已经逐步走向成熟。通过装置的不断改进，例如，与其它仪器的在线联用、固相微萃取等的发展，使得它的操作过程更加简单、高效，今后通过在装置上的不断创新，相信它能达到更好的效果。还有就是吸附剂的选择，通过分析研究，现在新型的吸附剂越来越多，很大程度上解决了原来SPE的选择性较差的问题，相信通过不断的发展，特别是针对具有特异性的吸附剂的研究，将是SPE的发展方向。
　　
　　参考文献：
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