固相微萃取技術(shù)及其在炸藥檢測(cè)中的應(yīng)用

劉紅妮 張 婷 嚴(yán) 蕊 楊彩寧

(西安近代化學(xué)研究所，西安，710065)

固相微萃取(Solid Phase Microextraction,簡(jiǎn)稱SPME)技術(shù)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種集采樣、萃取和富集于一體的樣品前處理技術(shù)，其操作簡(jiǎn)單、快速、無有機(jī)溶劑、樣品用量少、靈敏度高。該技術(shù)主要與氣相色譜(GC)和液相色譜(HPLC)聯(lián)用，能快速有效地分析環(huán)境樣品中痕量物質(zhì)。目前SPME在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析及藥物檢測(cè)方面應(yīng)用較多[1-3]，檢測(cè)對(duì)象多為揮發(fā)、半揮發(fā)性有機(jī)化合物，但在炸藥分析方面應(yīng)用的少，應(yīng)用SPME進(jìn)行炸藥蒸氣及環(huán)境樣品中爆炸物分析得到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。以下對(duì)SPME技術(shù)在炸藥檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 SPME的原理

SPME以熔融石英光導(dǎo)纖維或其它材料為基體支持物，利用“相似相溶”的特點(diǎn)，在其表面涂漬不同性質(zhì)的高分子固定相薄層，通過直接或頂空方式對(duì)待測(cè)物進(jìn)行提取、富集、進(jìn)樣和解析。SPME的基本原理和萃取機(jī)制可以描述為待測(cè)物在介質(zhì)相和/或頂空相及萃取纖維相的分配平衡過程，在一定條件下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，涂層吸附的待測(cè)物的量與樣品中的濃度成正比，以此作為定量分析的依據(jù)[4]。在單相、單組分的萃取系統(tǒng)中達(dá)到分配平衡時(shí)，待測(cè)物在萃取纖維涂層中的量可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：n——待測(cè)物在萃取纖維涂層中的量；

Kfs——待測(cè)物在樣品及涂層間的分配系數(shù)；

Vf——萃取涂層的體積；

c0——待測(cè)物的初始濃度；

Vs——樣品體積。

當(dāng)Vs>>KfsVf時(shí)，式(1)可近似地表達(dá)為：

n=KfsVfc0

(2)

也就是說萃取纖維涂層所能吸附的待測(cè)物質(zhì)的量與其初始濃度成正比，即為SPME 的定量基礎(chǔ)[5]。如果考慮頂空萃取方式，則達(dá)平衡時(shí)待測(cè)物在萃取纖維涂層中的量可由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：c0——待測(cè)物的初始濃度；

V1、V2、V3——分別為萃取涂層、溶液(或固相)及頂空的體積；

K1，K2——分別為待測(cè)物質(zhì)在萃取涂層與頂空以及頂空與樣品之間的分配系數(shù)。

在實(shí)際體系中，樣品通常存在多組分，因而K1、K2不僅與同一組分的不同濃度有關(guān)，還與樣品中的其它組分濃度有關(guān)，因而其平衡體系的數(shù)學(xué)表達(dá)式更為復(fù)雜，嚴(yán)格地講，需要進(jìn)行定量校正。但是通常在分析環(huán)境或食品樣品時(shí)，可以假設(shè)不同組分的濃度往往很低，可以忽略彼此的作用。將式(3)與(1)式相比，只在分母上多了K2V3一項(xiàng)，而通過控制頂空體積，可以忽略其對(duì)整個(gè)計(jì)算結(jié)果的影響，因此萃取纖維涂層所吸附的物質(zhì)的量n仍然正比于其起始濃度c0。

2 SPME的操作模式

根據(jù)被分析樣品的物理性質(zhì)和狀態(tài)，進(jìn)行固相微萃取時(shí)可以采取不同的操作方式，常見的操作方式有如下3種：

2.1 固相微萃取直接法

將涂有萃取固定相的石英纖維直接插入樣品基質(zhì)中，目標(biāo)組分直接從樣品基質(zhì)轉(zhuǎn)移到萃取固定相中，能在1 min 內(nèi)迅速達(dá)到萃取平衡，因而常使用直接固相微萃取模式。在實(shí)驗(yàn)室操作過程中，常用攪拌方法來加速分析組分從樣品基質(zhì)中擴(kuò)散到萃取固定相的邊緣。對(duì)于氣體樣品，氣體的自然對(duì)流已經(jīng)足以加速分析組分在兩相之間的平衡；但對(duì)于水樣品而言，組分在水中的擴(kuò)散速度比在氣體中低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此需要混勻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)樣品中組分的快速擴(kuò)散。

2.2 頂空固相微萃取法

把萃取頭置于待分析物樣品的上部空間進(jìn)行萃取的方法稱為固相微萃取頂空法。這種方法只適于被分析物容易逸出樣品進(jìn)入上部空間的揮發(fā)性分析物，對(duì)黏度大的廢水、體液、泥漿或固體樣品，則只能采用上空取樣的頂空固相微萃取模式，萃取從基質(zhì)中釋放到樣品上空的化合物。

2.3 衍生化固相微萃取法

通過衍生化作用來降低極性化合物的極性后進(jìn)行固相微萃取的方法叫做衍生化固相微萃取法，極性化合物通過在其水溶液基質(zhì)中加入衍生劑或?qū)⒗w維涂層浸入適當(dāng)?shù)难苌噭┍谎苌筮M(jìn)行萃取，衍生化后極性分析物極性降低，萃取后更適于色譜分析。

3 SPME的影響因素

3.1 SPME涂層

萃取纖維涂層是影響SPME萃取選擇性及靈敏度的重要部分。通常對(duì)SPME萃取纖維涂層的選擇基于分析物和萃取纖維涂層的極性相容性來確定。目前已商品化的非極性涂層主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS，7,30,100 μm)，極性涂層有聚丙烯酸酯(PA, 85 μm)、聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB, 60, 65 μm)、聚乙二醇/二乙烯基苯(CW/DVB，65，70 μm)、聚乙二醇/模板樹脂(CW/TPR，50 μm)以及極性范圍寬的二乙烯基苯/羧乙基/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS，30，50 μm)和用于萃取衡量揮發(fā)性氣體的聚二甲基硅氧烷/羧乙基(PDMS/CAR，75，8 μm)涂層。商品涂層由于種類有限、選擇性較差、推薦使用溫度普遍較低(200～280℃)、使用壽命短(一般約為40～100次)且價(jià)格昂貴等，大大限制了它的應(yīng)用范圍。所以許多新型涂層材料也隨著SPME的發(fā)展而出現(xiàn)。這些新涂層從使用溫度、耐溶劑性、耐酸堿性、萃取能力、穩(wěn)定性和壽命上都不同程度地拓寬了SPME的使用范圍。

3.2 樣品溫度、離子強(qiáng)度和pH對(duì)萃取的影響

溫度的改變對(duì)微萃取有影響，隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)和亨利常數(shù)增加，但同時(shí)到達(dá)萃取相的分配系數(shù)卻降低。因?yàn)楹嗬?shù)增大、頂空分析物濃度增加、擴(kuò)散系數(shù)增加，使萃取到達(dá)平衡的時(shí)間縮短。但低的分配系數(shù)導(dǎo)致平衡萃取量的降低，所以溫度的選擇要根據(jù)實(shí)際需要綜合考慮。

鹽的加入通常會(huì)改善萃取效率，樣品中加入鹽通常會(huì)降低分析物的溶解性，提高分析物在萃取相的分配系數(shù)，從而提高萃取效率，但萃取效率并不隨著離子強(qiáng)度的增加而不斷增加，較高的離子強(qiáng)度也可能對(duì)萃取帶來很多負(fù)面影響。如極性分析物可能會(huì)與溶液中的鹽離子產(chǎn)生靜電作用等[6]。一般情況下，對(duì)于低分配系數(shù)的化合物，高的離子強(qiáng)度更有利于其萃取。由于pH影響分析物在樣品中的存在形式，因此pH是萃取優(yōu)化中一項(xiàng)重要因素。對(duì)于吸附型纖維涂層來說，只有分子形式的分析物可以被萃取，所以應(yīng)根據(jù)化合物的酸堿性調(diào)節(jié)合適的pH值[7]。

3.3 其它因素的影響

除了上述參數(shù)外，攪拌速率、樣品體積、頂空體積、進(jìn)樣方式、纖維位置、解析溶劑和時(shí)間(或解析溫度或時(shí)間)都會(huì)對(duì)萃取效率產(chǎn)生影響。

4 在炸藥分析中的應(yīng)用

炸藥類物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染不容忽視，由于爆炸殘留物比較復(fù)雜且濃度較低，對(duì)樣品分析方法要求很高，很多產(chǎn)物屬于痕量范圍，必須進(jìn)行濃縮處理才能檢測(cè)，SPME解決了這些問題。實(shí)踐證明SPME在提取環(huán)境樣品中的炸藥化合物時(shí)更有效、省時(shí)、方便。

4.1 在炸藥蒸汽分析中的應(yīng)用

J.R.Almirall等[ 8]用固相微萃取技術(shù)及高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜電子俘獲檢測(cè)器(GC-ECD)、氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)分析高爆性能炸藥，該方法具有準(zhǔn)確、快速、靈敏度高的特點(diǎn)。

在文獻(xiàn)[9]中, 研究人員采用PDMS以及PDMS/DVB樹酯纖維管對(duì)三過氧化三丙酮(TATP)爆炸現(xiàn)場(chǎng)的氣體進(jìn)行吸附采樣, 運(yùn)用SPME技術(shù)對(duì)爆炸現(xiàn)場(chǎng)的TATP 炸藥進(jìn)行回收，采用GC-MS技術(shù)對(duì)回收的TATP 炸藥進(jìn)行有效分析。研究人員采用直接從TATP炸藥上部氣體取樣和用XAD-7離子交換樹脂吸附取樣, 與用SPME技術(shù)取樣的TATP進(jìn)行了對(duì)比分析, 以研究3種取樣情況下儀器的最低探測(cè)值。用Saturn公司的離子捕獲探測(cè)器( ITD ion trap detector) 對(duì)上述3種氣體進(jìn)行分析, 給出了探測(cè)的最低濃度，TATP 炸藥頂部取樣：10 μg/(100 mL); XAD-7離子交換樹脂吸附取樣：320 ng/(100 mL); SPME：6.4 ng/(100 mL)。

楊秀蘭等[10]采用6種不同吸附劑固定相的固相微萃取對(duì)炸藥造型粉在120℃放置所釋放的微量氣體進(jìn)行了萃取吸附選擇性研究，同時(shí)采用75 μm CB/PDMS固相微萃取和氣密針進(jìn)樣對(duì)在75℃條件下放置的炸藥造型粉釋出微量氣體組分進(jìn)行了采樣分析。GC/MS初步定性分析結(jié)果表明，固相微萃取的各種萃取頭對(duì)該炸藥老化過程中釋放的多種微量氣體和有機(jī)揮發(fā)性組分具有選擇性吸附萃取濃縮作用，SPME可將這些微量組分富集濃縮1 000倍以上，是一種有效的檢測(cè)炸藥釋放氣體的手段。

楊秀蘭等[11]采用3種不同吸附性能萃取頭的固相微萃取對(duì)JOB炸藥在自然密封存放和加熱老化一定時(shí)間后所釋放出來的微量氣氛進(jìn)行了萃取吸附研究，采用GC-MS測(cè)試技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了定性分析。研究表明，固相微萃取裝置對(duì)該炸藥老化過程中釋放的微量無機(jī)氣體和有機(jī)揮發(fā)性組分具有選擇性吸附和萃取濃縮作用，峰強(qiáng)度顯示不同老化條件下放出的氣體組分和含量具有不同的結(jié)果。初步探討了老化釋放氣體的機(jī)理，JOB炸藥老化放出的主要是一些合成溶劑、雜質(zhì)等。

余堃等[12]采用SPME、GC、GC/MS 技術(shù), 對(duì)JOB-9003 炸藥及?10 mm×8 mm小藥柱加速老化貯存初期釋出的氣體進(jìn)行了研究。檢測(cè)到的氣體物質(zhì)主要包括JOB-9003 的各組分生產(chǎn)過程中使用的溶劑和原料、JOB-9003 造粒過程中使用的溶劑、JOB-9003 的組分、JOB-9003 釋出物質(zhì)互相反應(yīng)的產(chǎn)物。研究表明, JOB-9003 加速老化貯存初期釋出氣體以生產(chǎn)過程中被封閉在材料中或溶入材料中的氣體為主。隨著貯存溫度的升高和貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，JOB-9003 造型粉及小藥柱釋出的各種氣體組分的濃度大都呈升高的趨勢(shì)。

4.2 在炸藥殘留物分析中的應(yīng)用

Bi.M.Almirall[13]綜述了在易燃液體和爆炸殘留物分析中應(yīng)用的SPME的一些變量因素，包括纖維材料化學(xué)、吸附脫附溫度、吸附脫附時(shí)間、纖維取樣位置等因素，討論了這些因素對(duì)萃取結(jié)果的影響。

L.Sandra[14]等將SPME與HPLC-UV聯(lián)用建立起一種分析硝基芳環(huán)炸藥衍生物的方法，介紹了一種改進(jìn)的連接部位，對(duì)于地表土壤樣品中的炸藥檢測(cè)及定量，確保精確、可重復(fù)性、高效、唯一選擇性和高靈敏度，提高色譜效率。介紹了將目標(biāo)化合物萃取至水相的預(yù)處理步驟，以及影響微萃取的參數(shù)，例如纖維涂層、吸附解吸附時(shí)間、解吸附時(shí)間模式、攪拌速度、NaCl(析出)濃度對(duì)分析物提取的影響和各種溶劑對(duì)SPME纖維的作用。CW/TPR和PDMS-DVB用于提取水相樣品中的待分析物，炸藥的檢測(cè)濃度在0.33 ng/g。分析了日光照射和紫外輻射一個(gè)月對(duì)地表土壤樣品的影響，測(cè)得的降解產(chǎn)物有1,3,5-TNB、1,3-DNB、2,4-DNT、4-硝基甲苯和3-硝基甲苯。研究表明，對(duì)于地表土壤樣品和水相樣品中的炸藥，SPME-HPLC是一個(gè)很有前景的分析方法，已成功應(yīng)用于硝基芳環(huán)化合物的檢測(cè)，例如TNT。

在F.Rivera-Monteil[15]的研究中，SPME既用作沉積萃取物的純化技術(shù)也用作GC-ECD分析前水樣的萃取技術(shù)。SPME/GC-ECD經(jīng)過條件優(yōu)化被應(yīng)用于9種炸藥的痕量分析包括硝基芳族化合物和海水中及海洋沉積物中RDX。通過向水介質(zhì)中加入高濃度鹽(30%)及CW/DVB涂層的應(yīng)用可優(yōu)化萃取效率。方法的檢測(cè)限為：水中0.05～0.81 ng/L，干沉積物1～9 ng/L。除RDX以外，當(dāng)樣品中每種分析物增加到2 ng/L時(shí)海水中示蹤物回收率令人滿意。干沉積物中每種分析物增加到10 ng/L，示蹤物回收率較低，這歸因于在基體中的降解。與SPE相比所需的水樣的體積較小，對(duì)于分析有限體積的沉積物，SPME是一種很有吸引力的方法，而且SPME的應(yīng)用消除了沉積萃取物中干擾物的存在，實(shí)現(xiàn)了直接進(jìn)樣檢測(cè)比較困難的目標(biāo)分析物的測(cè)試。

Gaurav等建立了一種快速、簡(jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確的SPME-HPLC-UV聯(lián)用定量方法[16]，用來檢測(cè)水樣中11種硝基芳族成分，用60 μm的PDMS/DVB樹脂纖維從水基質(zhì)中同時(shí)萃取所有分析物，使其靜態(tài)解吸附在SPME-HPLC接口的解吸附室里，色譜條件為：流動(dòng)相為體積比43∶57的甲醇-水，流速1.3 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm，反相氨基柱用作分離介質(zhì)。TNT和特屈兒的檢測(cè)限分別為0.35、0.54 ng/mL，這種方法已成功應(yīng)用于環(huán)境及工業(yè)源中的水樣分析。

Gaurav等應(yīng)用SPME預(yù)濃縮技術(shù)和HPLC-UV分析技術(shù)[17]，建立了簡(jiǎn)單、靈敏的方法來測(cè)定環(huán)境樣品中的HMX和RDX，水溶性陰離子表面活性劑SDS用來提取土壤樣品中的特屈兒、HMX、RDX，隨后被吸附到SPME纖維上，靜態(tài)解吸附在SPME-HPLC接口的解吸附室，流動(dòng)相為ACN-甲醇-水(體積比為30∶35∶35)，流速為0.5 mL/min)。

楊瑞勤等[18]用酰胺類化合物和氣相色譜固定液制備了一種新型固相萃取膜，用該萃取膜成功分離了沙土中的炸藥TNT，并用GC-MS聯(lián)用技術(shù)對(duì)分離后樣品進(jìn)行了分析。

張麗敏等[19]將SPME應(yīng)用于炸藥殘留物檢驗(yàn)中，討論了樣品基質(zhì)、纖維的穩(wěn)定性，吸附于纖維上炸藥的穩(wěn)定性，存儲(chǔ)纖維的活性等。結(jié)果表明SPME 比丙酮萃取更有利于實(shí)驗(yàn)室使用, 可以作為現(xiàn)場(chǎng)提取樣品的工具。SPME 和目前實(shí)驗(yàn)室普遍使用的提取方法相比有許多先進(jìn)之處：分析快速，對(duì)各種基質(zhì)的炸藥樣品具有選擇性，炸藥樣品被吸附于纖維上具有穩(wěn)定性，增加了乙二醇二硝酸酯(EGDN)的分析性能，不足之處在于纖維易損壞。

5 展望

在環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，分析體系越來越復(fù)雜，人們采用的分析手段也越來越多，作為真正的無溶劑萃取技術(shù)，隨著性能更好的萃取頭涂層材料的出現(xiàn)，以及各種聯(lián)用技術(shù)等的完善，固相微萃取技術(shù)在火炸藥領(lǐng)域會(huì)擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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