环境分析化学第4章

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1、第一节 概 述 第二节 固相萃取 第三节 固相微萃取 第四节 超临界流体萃取 第五节 加速溶剂萃取和微波萃取,第四章 环境样品有机污染物分析的预处理技术,一、优先污染物与优先监测 进入环境的有毒化学品约一万种，致癌、致畸和致突变的化学物质有上千种。 对众多污染物进行分级排序，从中筛选出潜在危险大的作为控制对象，提出一份控制名单，这一筛选过程就是数学上的优选过程，而把优先选择的有毒污染物称为环境优先污染物，简称为优先污染物 (priority pollutants)。对优先污染物进行的监测称为优先监测。 二、环境有机污染物分析的必要性 在优先污染物中，有毒有机物所占的比例很大。如美国 129 种

2、优先污染物中，有机染物占 114 种。,第一节 概 述,三、环境有机污染物分析的一般步骤与方法,1. 采样与制样 包括：样品的采集与保存、样品的制备。 2. 提取与富集 用各种有机溶剂，将有机污染物从提取的介质中洗涤下来，或提取出来。 溶解度遵循“相似相溶”的规律。（见下页表） 3. 定性与定量分析 需要解决两个问题： （1）确定所分析的环境样品中“目标成分”是否存在，或者样品中有那些有机污染物; （2）“目标成分”或所含有机污染物的含量是多少？,三、环境有机污染物分析的一般步骤与方法,有机溶剂的极性可用介电常数来衡量。介电常数大，其极性也大。常用的有机溶剂的介电常数()列于下表。,四、环境有

3、机污染物衍生化,衍生化的目的：通过衍生化反应得到的衍生物有利于复杂的有机污染物分离、测定或鉴定。通过衍生化可以起到下列几个作用。 使挥发性太高或太低的有机污染物转化为挥发性适度的衍生物。, 使热不稳定的有机污染物转化为热稳定性较好的衍生物。 通过衍生化后，改变被分析的有机污染物在色谱、质谱、分光光度或电分析化学中的行为。,四、环境有机污染物衍生化, 使原来对于某种检测器无响应信号，或响应信号很弱的有机污染物，转化为有相应信号或增强响应信号的衍生物。 使原来不能用某些分析方法测定的有机污染物，经衍生化后，可用某些分析方法则定。 使某些性质相近的有机污染物，不能用一般的分离方法分离而影响进行选择测

4、定，通过衍生化后，由于衍生物的性质不同，而得到有效的分离。,1. 气相色谱用的衍生物 气相色谱分析，对衍生物的要求从以下几方面考虑： 使挥发性极低的化合物转化为挥发性较高的衍生物，以利于分析。 如有机污染物的热稳定性差，则要把它衍生为热稳定性较合适的衍生物。 原来性质极相近，难以分离的化合物如光学异构体，要衍生为性质相差较大的衍生物，以利于分离、分析。 所有的衍生物应增加可检测性。,四、环境有机污染物衍生化,四、环境有机污染物衍生化,2. 高效液相色谱分析用的衍生物 与气相色谱相比，高效液相色谱检测手段要少得多。 气相色谱：热导检测器（TCD）、红外检测器（IRD）、电子捕获检测器（ECD）、

5、火焰离子化检测器（FID）、氮磷检测器（NPD）、质谱检测器（MSD）。 高效液相色谱目前用得较多的是紫外和荧光检测器。如果有机污染物没有紫外吸收或不产生荧光，就必须通过衍生反应，转化为可被相应检测器检测的衍生物，使分析成为可能。,四、环境有机污染物衍生化,3. 质谱分析用的衍生物 与气相色谱分析用衍生物要求相同，使待测的组分具有合适的挥发性与热稳定性。当用质谱进行有机物的分子结构分析时，还要考虑衍生物是否能提供更多有关分子结构的信息。,4. 电分析化学用的衍生物 通过适当的衍生化反应，将没有电活性的有机污染物转化为具有电活性的衍生物。,四、环境有机污染物衍生化,5. 气相色谱分析衍生物类型与

6、衍生化试剂 （1）烷基衍生物 含有OH、COOH、 SH、 NH 和 CONH等基团化合物的烷基化，是用烷基取代这些基团中的活泼氢，所得烷基衍生物的极性较低，制备这类衍生物所用的反应主要是亲核取代反应，以下式表示： X为卤素或另外易断开的基团，衍生物为醚、酯、硫醚、羧酸酯、烷基酸胺。,四、环境有机污染物衍生化,对于酸性OH，另外一些常用的烷基化试剂有四烷基氢氧化铵，重氮甲烷等。它们与样品发生的烷基化反应可表示如下：,四、环境有机污染物衍生化,（2） 硅烷基衍生化 用硅烷基取代OH、SH 和NH 基上活泼氢，可得硅烷基衍生物，反应表示如下： 样品OH + R3SiX 样品OSiR3 + HX 常

7、用的硅烷化试剂有：三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷等。硅烷基衍生物对空气中的水分相当敏感，常在使用前于密闭的容器内制备。,四、环境有机污染物衍生化,（3）酰基衍生物 对于极性基团, 如 OH、NH 的衍生化，酰化也是常用的衍生化反应。常用的衍生试剂有酸酐、酰卤等。 用酸酐和酰卤进行酰化反应会产生副产物酸。对于气相色谱分析，必须将酸除去，以防止破坏柱效。为此，以酸酐为试剂的酰化反应通常在吡啶、四氢呋喃和另外一些能接受酸的溶剂中进行。 （4）由缩合反应生成的衍生物 此处的缩合反应是指因失水，两个分子互相结合的反应。如： RNH2 + O=C(R2) RN=C(R2) + H2O RNH2 + S=C=

8、O RN=C=S + H2O,第二节 固相萃取,固相萃取 (solid phase extraction，SPE) 由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来。它是一种填充固定相的短色谱柱，用以浓缩被测组分或除去干扰物质。 SPE 是一个柱色谱分离过程，分离机理、固定相和溶剂的选择等方面与高效液相色谱（HPLC）有许多相似之处。SPE 柱的填料粒径（40 m）较大，柱效就很低（塔板数1050）。,第二节 固相萃取,SPE 技术主要应用于处理试样，达到的目的是： (a) 从试样中除去对以后分析有干扰的物质； (b) 富集痕量组分，提高分析灵敏度； (c) 变换试样溶剂，使之与分析方法相匹配； (d

9、) 试样脱盐； (e) 便于试样的储存和运送。 其中主要的作用是富集和净化。,一、固相萃取的基本原理,“吸附剂萃取”：试样通过装有合适的固定相时，由于被测组分与固定相作用力较强，被吸附留在柱上，并因吸附作用力的不同而彼此分离，样品基质及其他成分与固定相作用力较弱而随水流出萃取柱。被萃取的组分，用少量的选择性溶剂洗脱，因此，它不仅用于“清洗”样品，除去干扰成分，而且可以使组分分级，达到浓缩或纯化的作用。,二、固相萃取的装置,固相萃取装置分为柱型和盘型两种。 使用最多的吸附剂是C18相。该种吸附剂疏水性强，在水相中对大多数有机物显示保留。 其他吸附剂，如 C8、氨基、苯基、双醇基填料、活性炭、硅胶

10、、 氧化铝、硅酸镁、高分子聚合物、离子交换树脂等。,二、固相萃取的装置,表 SPE使用的不同类型吸附剂及相关应用,二、固相萃取的装置,固相萃取缺点： a. 由于柱径较小，使流速受到限制。 b. 采用 40 m 左右的固定相填料，若采用较大的流速会妨碍某些组分有效地收集； c. 对于相对较脏的样品，如各种污水，含生物样品及悬浮微粒的水样，很容易将柱堵塞，增加样品处理时间； d. 40 m 颗粒的填充柱，容易造成填充不均匀，出现缝隙，降低柱效。,三、固相萃取方法的建立,操作步骤包括柱预处理、加样、洗去干扰物和回收分析物4个步骤。,1. 柱预处理 反相 C18 固相萃取柱的预处理，先使数毫升的甲醇通

11、过萃取柱，再用水或缓冲液顶替滞留在柱中的甲醇。 目的：除去填料中可能存在的杂质； 使填料溶剂化，提高固相萃取的重现性。,三、固相萃取方法的建立,2. 加样 预处理后，试样溶液被加至并通过固相萃取柱。为了防止分析物的流失，试样溶剂强度不宜过高。 为克服加样过程中分析物的流失，可以采用弱溶剂稀释试样、减少试样体积、增加柱中的填料量和选择对分析物有较强保留的吸附剂等手段。 固相萃取柱选定后，应进行穿透实验。进行穿透实验时，分析物的浓度应为实际试样中预期的最大浓度。最后选定的试样体积要小于上述测定值，以防止在清洗杂质时分析物受损失。,三、固相萃取方法的建立,3. 除去干扰杂质 用中等强度的溶剂，将干扰

12、组分洗脱下来，同时保持分析物仍留在柱上。 对反相萃取柱，清洗溶剂是含适当浓度有机溶剂的水或缓冲溶液。通过调节清洗溶剂的强度和体积，尽可能多地除去能被洗脱的杂质。 为了决定最佳清洗溶剂的浓度和体积，加试样于固相萃取柱上，用 510 倍固相萃取柱床体积的溶剂清洗，依次收集和分析流出液，得到清洗溶剂对分析物洗脱廓形。依次增加清洗溶剂强度，根据不同强度下分析物的洗脱廓形，决定清洗溶剂合适的强度和体积。,三、固相萃取方法的建立,4. 分析物的洗脱和收集 将分析物完全洗脱并收集在最小体积的级分中，同时使比分析物更强保留的杂质尽可能多地仍留在固相萃取柱上。 洗脱溶剂的强度是至关重要的。 较强的溶剂能够使分析

13、物洗脱并收集在一个小体积的级分中，但有较多的强保留杂质同时被洗脱下来。 较弱的溶剂洗脱，分析物级分的体积较大，但含较少的杂质。,表 SPE常用的洗脱溶剂,* 指在硅胶柱上溶剂的洗脱强度。,三、固相萃取方法的建立,固相萃取柱的操作过程的每一步，都可能影响到分析的重现性。提高重现性的方法有： 使用内标法，加入适当的内标物质作参比； (b) 加入样品的量适当，不超出穿透量； (c) 选择合适的洗涤液和洗脱液, 避免待测组分流失。 了解试样基质和待测组分的性质，如结构、极性、酸碱性、溶解度、大致的浓度范围等，对选择和确定预处理方法和条件都是有帮助的。,第三节 固相微萃取,一、固相微萃取装置的构造 固相

14、微萃取（Solid phase Microextraction, SPME）装置主要由两部分组成： 一部分是涂在 1cm 长的熔融石英细丝表面的聚合物（一般是气相色谱的固定液）构成萃取头（fiber），固定在不锈钢的活塞上； 另一部分就是手柄 (holder)，不锈钢的活塞就安装在手柄里，可以推动萃取头进出手柄。,二、固相微萃取法原理,固相微萃取的原理与 SPE 不同，固相微萃取不是将待测物全部萃取出来，其原理是建立在待测物在固定相和水相之间达成平衡分配的基础上。 设固定相所吸附的待测物的量为Ws，因待测物总量在萃取前后不变，故得到： c0 V2 = c1 V1 + c2 V2 （1） c0是

15、待测物在水样中的原始浓度；cl、c2 分别为待测物达到吸附平衡后在固定相和水样中的浓度；V1 和 V2 分别为固定相液膜和水样的体积。,当吸附达到平衡时, 待测物在固定相与水样间的分配系数 K 有如下关系： K=c1/c2 （2） 平衡时固相吸附待测物的量Ws=c1V1，故c1=Ws/V1 由式（1）得,二、固相微萃取法原理,二、固相微萃取法原理,将 c1 及 c2 代入(2)式并整理后得: 由于 Vl V2，上式中 c1V12 可忽略，整理后得： Ws = K c0 V1 由上式可知，Ws 与 c0 呈线性关系，并与 K 和 V1 呈正比。,三、固相微萃取法萃取条件的选择,1. 萃取头 萃取

16、头应由萃取组分的分配系数、极性、沸点等参数来确定。目前常用的萃取头有如下几种： 聚二甲基硅氧烷类 厚膜 (100 m) 适于分析水溶液中低沸点、低极性的物质，如苯类，有机合成农药等。 薄膜 (7 m) 适于分析中等沸点和高沸点的物质，如苯甲酸酯，多环芳烃等。 聚丙烯酸酯类 适于分离酚等强极性化合物。 活性炭萃取头 适于分析极低沸点的强亲脂性物质。,三、固相微萃取法萃取条件的选择,2. 萃取时间 萃取时间主要是指达平衡所需要的时间。 实际上没有必要等到完全平衡，萃取时间为520min 即可。但萃取时间要保持一定，以提高分析的重现性。,3. 改善萃取效果的方法 搅拌：可促进样品均一化和加快物质的扩散速度, 有利于萃取平衡的建立 ； 加温：一般加温5090（顶空固相微萃取 ） ； 加无机盐：至饱和可降低有机化合物的溶