固相微萃取技术在环境监测中的应用

赵丽君

（山西科利华环境检测有限公司，山西 长治 047100）

0 引言

对于监测样本进行色谱分析的过程中，前处理是提高监测精确性的关键步骤。然而传统的萃取技术包括气液萃取、固相萃取以及液液萃取等在萃取工艺上都存在着一定的缺陷：萃取时间较长，操作较为繁琐，而且需要大量有机溶剂成本较高又容易对检测人员的身体健康造成危害，对周围环境也会带来一定的污染。基于上述萃取工艺缺陷寻求一种操作简单、用量少甚至无需使用溶剂、萃取效率较高的萃取工艺十分关键，而固相微萃取技术则基本可以满足这些要求。固相微萃取技术是基于固相萃取技术之上的一种新型样品预处理技术，在操作上更为简洁、萃取成本更低、萃取器械也更容易携带，已广泛应用于水、土壤以及大气等环境监测领域。

1 固相微萃取技术

1.1 技术流程及特点

固相微萃取技术是一种样品预处理技术，具体装置与微量进样器原理近似，它的核心部位是1cm 长的材质为熔融石英纤维的萃取头，在石英纤维上涂有固定相涂层来对待测物质进行吸附或富集。在石英纤维萃取头的外侧有不锈钢管进行保护，萃取头可在钢管内自由移动。使用过程中将萃取头浸入待检测样品或悬置于上空一段时间，并通过搅动溶液来加快两相之间的稳定速率。待两相稳定后萃取头取出，同时将萃取头插入气相色谱气化室，对涂层上富集到的样品进行解吸，解析后的样品将导入色谱柱中从而完成提取浓缩过程。使用固相微萃取技术较传统萃取技术相比样品将于固相涂层直接接触，减少了溶剂用量，基本不会对外界环境造成污染，而且达到稳定的时间也更短，基本可在半小时内达到平衡状态。固相微萃取技术基于其简洁偏于携带的操作特点，更适合现场监测分析过程，对于样品监测量大、操作用时短的常规环境监测过程也十分适用。

1.2 萃取方式

固相微萃取技术按照与样品的接触方式基本分为以下三大类：悬置萃取类、隔膜处理类以及溶液浸取类。

1）悬置萃取类。这类萃取方法是将萃取头置于液相上方，通过待测化合物向气相转移的过程中接触到固相涂层上，达到待测化合物的三相平衡状态。该方法萃取速度的决定因素为萃取头石英纤维的吸附性以及初始浓度，当涂层类型、萃取时间以及外界环境一致时，待测物浓度越高萃取速率越快。

2）隔膜处理类。当待测化合物污染程度高或化合物为难挥发有机物时，可通过采用隔膜处理的方式进行萃取，将石英纤维上的固相涂层与样品隔开，用隔膜吸附待测化合物。这类萃取方式对高分子化合物的吸附能力较差，因此可以很好地处理一些污染程度较高的水质分析等问题。

3）溶液浸取类。溶液浸取的方式对样品进行萃取是直接将萃取头浸入待测溶液中，待待测溶液中的各组分流入固相纤维中并达到平衡状态后，即可完成萃取工作。其中吸附到的组分含量与其在溶液中的浓度成正比。

2 固相微萃取技术在环境监测领域的应用

固相微萃取技术随着近年来对不断发展，萃取头纤维涂层的材质不断更新完善，萃取效果越来越便捷精确，在环境监测过程中也得到了广泛的应用。

2.1 空气污染物的分析应用

对空气污染物进行成分分析主要是对一些有机污染物的含量进行检测，这些有机污染物的存在形式有气态及固态颗粒两种，会因为人的呼吸或饮水、饮食等方式吸收而损害到身体健康。传统采集这些空气污染物的方法是通过吸收管或活性炭进行吸附，吸附效果较差而且会耗费很长的时间。通过固相微萃取技术进行空气污染物萃取时，仅需将该装置置于待测气体环境中，通过自身涂层对待测组分进行富集即可。固相微萃取装置对挥发或半挥发物质的富集效果较好，同时对待测物的富集效果往往会受到风速、风向以及萃取时间的影响，通过对这些因素进行控制，可加快萃取装置的富集速率[1]。

2.2 土壤污染物组分监测中的应用

土壤污染物或沉积物的组分较为复杂，在构成上主要包括水、矿物成分以及气体等，而且土壤污染物的来源也较复杂，分工业废水废料污染、生活用水污染等。因此对土壤污染物组分进行监测过程中所用的萃取方式通常选用悬置萃取的方式，可有效对挥发性有机物进行富集萃取。对难挥发性有机物则若将固相微萃取装置置于土壤内部，会对纤维涂层造成损害，影响到纤维涂层的适用年限，因此可将采集到的土壤样品融于溶液中形成水合物，通过对水合物进行处理提取出所需监测的有机组分，再进行后续的萃取操作，加快萃取速率。

2.3 水污染监测中的应用

水污染物的组分与前两者相比成分更为复杂，包括固体、金属离子以及各类溶解性有机物，因此对水污染物的成分监测工作带来了很大的难度。同时，对水污染物进行成分检测的过程中选用传统的液相萃取方式，对样本溶液的需求量较大，而且需要进行多次萃取操作，造成的劳动量较大且耗时长；而选用固相萃取法则会带来高额的萃取成本，萃取的有机物难以完全洗脱；应用固相微萃取技术，可采用溶液浸取类或悬置类的萃取方式对水中的有机物进行富集，灵敏度较高，可以确保检测成分的高效精密萃取[2]。

3 应用实例

以空气环境监测为例，通过对空气中各挥发性有机物含量进行检测，检测结果如表1 所示。可以看出，挥发性有机物中的醇类以及芳香烃的含量较高，苯乙烯的含量甚至高达1/3。

表1 大气中常见挥发性有机物含量表

同时，利用固相微萃取技术联合气相色谱分析的方式对空气中的各有机物组分进行精确分析，具体含量如下表2 所示[3]。

表2 固相微萃取技术与气相色谱联合检测样品质量分数 单位：%

从表2 中的挥发性有机物质量分数检测结果可以看出，固相微萃取技术在空气环境监测过程中是通过对各污染物组分的相对浓度值进行测定，从而达到对空气中各污染物组分质量分数进行分析的结果。同时基于空气中各监测组分浓度波动性较大的影响，利用固相微萃取技术可很好地对有机物组分进行富集，从而更为精确的获取到各有机物组分的实际浓度，可更加精确地获取到空气环境中的各组分数据。同时在监测过程中可依据实际需要灵活的选用悬置式萃取或隔膜萃取等多种萃取方式，控制好萃取时间以及各类外界因素，避免对空气环境监测结果带来影响，充分发挥出固相微萃取技术在空气环境监测中的作用。对于固相微萃取技术的检测精度在于液膜以及石英纤维的长度选取，因此在实际环境监测过程中可依据实际检测样品对石英纤维以及涂层厚度进行灵活调整，通常石英纤维厚度在1.5 cm 左右，液膜厚度在10～100 pm 左右可显著提升固相微萃取技术的萃取效率。

4 结语

固相微萃取技术作为一种新型的无溶剂萃取工艺，与传统萃取技术相比有着更高的萃取精度，操作简单精确度高，可以实现对空气、土壤以及水体等环境进行挥发、半挥发性物质的有效检测。以空气环境监测为例对固相微萃取技术进行有机物成分检测试验可以看出，固相微萃取技术在空气环境组分检测过程中精确度较高，同时检测精度会受到萃取头纤维涂层的影响，通常情况下选用1.5 cm 左右的石英纤维厚度以及10～100 pm 的液膜厚度可发挥出固相微萃取技术的最优萃取效果。