固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王亞林　賈金平　張宏波

摘要：本文分析了將固相微萃取技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，介紹了如何將該技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并列舉了一些實(shí)例，總結(jié)了教學(xué)中取得的成果。同時(shí)，提出了一個(gè)將科研成果應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)中的思路，為日后更多的科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化提供了一個(gè)可以借鑒的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：固相微萃??；氣相色譜；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用；科研成果；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）13-0246-03

一、前言

環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)是環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)本科生必修的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)，能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，為環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境治理和環(huán)境科學(xué)研究提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。因此，環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)環(huán)境專業(yè)的學(xué)生而言是非常重要的。由于環(huán)境樣品復(fù)雜，在進(jìn)行分析測(cè)試前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，樣品預(yù)處理的效果直接關(guān)系整個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與否，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域占有特殊的地位。傳統(tǒng)預(yù)處理方法一般是蒸餾、濃縮、萃取、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以及再濃縮等，該過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，并且會(huì)造成二次污染。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，在設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，很難將樣品預(yù)處理過(guò)程納入正常的教學(xué)活動(dòng)中來(lái)，通常是實(shí)驗(yàn)教師將樣品前處理好后由學(xué)生直接進(jìn)行分析、測(cè)定。這樣的教學(xué)方法，顯然不能使學(xué)生充分了解和學(xué)習(xí)整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程，不利于學(xué)生對(duì)本專業(yè)的理解。固相微萃取技術(shù)（Solid phase microextraction，SPME）是近年來(lái)出現(xiàn)的一種用來(lái)預(yù)處理可揮發(fā)和半揮發(fā)有機(jī)物的新技術(shù)，它集萃取、濃縮、解吸于一體[2]，且已應(yīng)用于美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)中。該技術(shù)難易適中、操作簡(jiǎn)單方便、省時(shí)，并有極好的重復(fù)性，適于應(yīng)用在本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文作者及所在研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事SPME方面的技術(shù)開發(fā)及研究，先后承擔(dān)了多項(xiàng)相關(guān)方向的國(guó)家及省部級(jí)科研項(xiàng)目，并發(fā)表了多篇文章。在此基礎(chǔ)上，我們提出了將該技術(shù)應(yīng)用于本科生的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，這不但可以使學(xué)生掌握前沿的檢測(cè)分析技術(shù)，也可使他們學(xué)會(huì)一種樣品前處理的方法，對(duì)他們?nèi)蘸蟮墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)都會(huì)有很大的幫助。本文分析了將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的可行性，介紹了如何將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，并舉了幾個(gè)實(shí)例。同時(shí)，提出了一個(gè)將科研成果應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)中的思路，為日后更多的科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化提供了一個(gè)可以借鑒的實(shí)例。

二、固相微萃取技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的可行性

目前，大多數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多選自成熟的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，不易與最新科技成果結(jié)合，缺少新穎性。SPME技術(shù)是一種新的樣品預(yù)處理方法，有許多學(xué)者在從事相關(guān)方向的研究，短短十幾年的時(shí)間，就已經(jīng)取得了非常矚目的研究成果[3，4]，如果將這些最新的研究成果應(yīng)用于教學(xué)中，不但可以使學(xué)生學(xué)會(huì)了解和掌握一種新的技術(shù)的方法，同學(xué)可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新精神。雖然SPME技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，但是與其他實(shí)驗(yàn)方法相比較，SPME萃取器的價(jià)格相對(duì)比較昂貴，且如果使用不當(dāng)萃取纖維極其容易折斷或脫離，阻礙了該方法在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。但是經(jīng)過(guò)本課題組研究人員的多年努力，自主研制了活性炭吸附型纖維[5-7]，并將固相微萃取器國(guó)產(chǎn)化，使萃取纖維可以自給自足，不需花費(fèi)高價(jià)購(gòu)買，這為將該技術(shù)應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)保證。SPME技術(shù)一般的采樣時(shí)間為3～50分鐘，色譜分析時(shí)間只需要6～30分鐘，可以在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成采樣及分析的全過(guò)程，因此其較適于應(yīng)用在本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

三、固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

1.熟悉原理、了解結(jié)構(gòu)及使用方法。要求學(xué)生通過(guò)查閱已發(fā)表的文獻(xiàn)，了解SPME技術(shù)的原理、使用方法、儀器結(jié)構(gòu)、萃取纖維的種類及該方法的適用范圍等基礎(chǔ)知識(shí)。

2.結(jié)合實(shí)際、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生學(xué)會(huì)使用固相微萃取器之后，結(jié)合SPME的適用范圍來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如水溶液中苯、甲苯及二甲苯類物質(zhì)的檢測(cè)，讓學(xué)生掌握該技術(shù)的使用方法和技巧。同時(shí)，通過(guò)與氣相色譜（Gas chromatography，GC）或氣-質(zhì)聯(lián)用（Gas chromatography-Mass spectrometry，GC-MS）技術(shù)相結(jié)合來(lái)完成待測(cè)物的檢測(cè)和分析工作[8，9]，在學(xué)會(huì)使用固相微萃取技術(shù)的同時(shí)，復(fù)習(xí)和鞏固了色譜類儀器的使用方法。

3.走出課堂，了解環(huán)境。由于SPME技術(shù)不僅可以用于水質(zhì)分析中，也可直接將萃取纖維暴露于空氣中進(jìn)行大氣現(xiàn)場(chǎng)采樣，然后將采集的樣品應(yīng)用GC-MS進(jìn)行定性分析[10]。或?qū)⑹芪廴镜耐寥乐惖墓腆w樣品進(jìn)行加熱，采用頂空萃取的方式采樣后再定性分析[11]。學(xué)生也可以對(duì)自己感興趣的周邊環(huán)境進(jìn)行采樣（如新裝修的房子、污染的水體及土壤等），從中了解我們周圍的環(huán)境中存在哪些危害，增強(qiáng)其專業(yè)責(zé)任心和使命感。

四、固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際案例

1.水溶液中苯與甲苯的SPEM-GC檢測(cè)。苯與甲苯是常規(guī)的環(huán)境污染物，廣泛存在于大氣、水體以及土壤中。通過(guò)對(duì)水中苯和甲苯的檢測(cè)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何對(duì)萃取溫度、攪拌速度、萃取時(shí)間等因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，優(yōu)化出最佳的萃取條件，同時(shí)讓學(xué)生分析各因素對(duì)萃取結(jié)果的影響，提高學(xué)生查閱資料和分析問題的能力。

實(shí)驗(yàn)條件和方法：（1）儀器與試劑：①氣相色譜（GC2010，島津，日本）配備FID檢測(cè)器。②萃取瓶：固相微萃取專用，25mL，配備聚四氟乙烯密封墊。③燒杯：100mL。④苯、甲苯：分析純（國(guó)藥試劑），與蒸餾水以一定比例配制為標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液。（2）色譜條件：色譜柱，RTX-1毛細(xì)管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；進(jìn)樣口和檢測(cè)器溫度，均為200℃；色譜柱程序升溫，初始溫度80℃，以10℃/min升至150℃，保持2min；分流比為1：15；載氣為氮?dú)?，流量?0mL/min；氫氣流量，40 mL/min；空氣流量400mL/min；尾吹流量30mL/min。（3）固相微萃取器，自制帶活性炭纖維頭的固相微萃取器。（4）萃取裝置，見圖1，如果水樣干凈，可采用浸入式萃取法[13]（圖1（a））；當(dāng)水樣存在混濁，色度高等會(huì)污染萃取纖維的情況時(shí)，則采用頂空萃取的方式[14]（圖1（b））。（5）實(shí)驗(yàn)步驟：取5mL待測(cè)水溶液于25mL萃取瓶中，用聚四氟乙烯墊密封后將萃取瓶置于圖2的水浴中；使用直接萃取法（適用于較潔凈的待測(cè)樣品），將固相微萃取器插入萃取瓶中，然后旋轉(zhuǎn)出萃取頭，使其浸沒在待測(cè)溶液中；萃取結(jié)束后，先將萃取纖維旋回保護(hù)套中，然后拔出萃取器；將萃取器插入到GC的進(jìn)樣口中，將萃取纖維旋出，進(jìn)行分析、測(cè)定；改變水浴溫度、萃取時(shí)間、攪拌速度、待測(cè)液pH值等條件，根據(jù)色譜出峰的情況，找出最佳的萃取條件。先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液定性實(shí)驗(yàn)、然后進(jìn)行未知樣品的定性、定量測(cè)定。endprint

2.室內(nèi)或汽車內(nèi)空氣質(zhì)量的SPEM-GC-MS檢測(cè)。隨著建筑環(huán)境污染越來(lái)越受到重視，人們對(duì)自己所居住和生活的環(huán)境中空氣的質(zhì)量也越來(lái)越關(guān)心。一般的室內(nèi)（車內(nèi)）空氣質(zhì)量的檢測(cè)主要采用一些便攜式儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，但由于這些儀器普遍比較昂貴且靈敏度差，只適用于室內(nèi)污染較重的環(huán)境質(zhì)量分析。而固相微萃取技術(shù)可以直接將萃取纖維暴露于空氣中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的采樣、富集后，進(jìn)行定性、定量分析。不但成本較低，且攜帶方便，靈敏度高，適用于大多數(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)條件和方法：①儀器與試劑：氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（GCMS-QP2010，島津，日本）。②色譜及質(zhì)譜條件：色譜柱，RTX-5毛細(xì)管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；進(jìn)樣口溫度，250℃；傳輸線溫度為200℃；離子源溫度為200℃。色譜柱程序升溫，初始溫度80℃，以10℃/min升至150℃，保持2min，再以10℃/min升至250℃，保持2min；不分流進(jìn)樣；載氣為氦氣，柱流量為1mL/min；m/z為30-650。③固相微萃取器：同四.1。④實(shí)驗(yàn)方法：在一個(gè)新裝修過(guò)的房子或新購(gòu)置的汽車內(nèi)，把固相微萃取器放置其中，將萃取纖維暴露在空氣中，進(jìn)行富集采樣；采樣結(jié)束后將萃取器帶回實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析；將萃取器插入到GC-MS的進(jìn)樣口中，將萃取纖維旋出，進(jìn)行樣品熱解吸及質(zhì)譜定性分析；改變萃取時(shí)間、解吸時(shí)間，根據(jù)色譜出峰的情況，找出最佳的萃取條件。對(duì)GC-MS圖譜進(jìn)行分析，找出各個(gè)環(huán)境中存在的可揮發(fā)或半揮發(fā)的污染物質(zhì)。

3.土壤環(huán)境質(zhì)量的SPEM-GC-MS檢測(cè)。隨著各種農(nóng)作物中污染物超標(biāo)的報(bào)道越來(lái)越多，人們對(duì)土壤污染的關(guān)注也越來(lái)越大，再加之土壤污染后治理非常困難，因此對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的土壤中揮發(fā)或半揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)，采用浸泡/萃取的方式，不但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且有機(jī)溶劑的使用會(huì)造成二次的環(huán)境污染。采用SPME的頂空萃取技術(shù)，不用或少用有機(jī)溶劑，可以實(shí)現(xiàn)土壤樣品中揮發(fā)或半揮發(fā)性物質(zhì)的快速、安全及環(huán)保檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)條件和方法：①儀器與試劑：氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（GCMS-QP2010，島津，日本）。②色譜及質(zhì)譜條件：同4.2③固相微萃取器：同4.1.④萃取裝置，見圖2（b），采用頂空萃取法。⑤實(shí)驗(yàn)方法：將受污染的土壤樣品裝入到專用萃取瓶中，用聚四氟乙烯墊密封后將萃取瓶放置于水浴或油浴中（按解吸溫度選取）；使用頂空萃取法，將固相微萃取器插入萃取瓶中，然后旋轉(zhuǎn)出萃取纖維，使其暴露在土壤上方的空氣中；萃取結(jié)束后，先將萃取纖維旋回保護(hù)套中，然后拔出萃取器，進(jìn)行GC-MS分析；將萃取器插入到GC-MS的進(jìn)樣口中，將萃取頭旋出，進(jìn)行質(zhì)譜的定性分析；改變萃取時(shí)間、解吸時(shí)間，根據(jù)色譜出峰的情況，找出最佳的萃取條件。對(duì)GC-MS圖譜進(jìn)行分析，找出污染土壤中揮發(fā)或半揮發(fā)性的有機(jī)污染物。

4.已取得的教學(xué)成果。將SPME技術(shù)引入本科生環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生在了解和熟悉整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)流程的同時(shí)學(xué)會(huì)一種新的、區(qū)別于傳統(tǒng)的樣品預(yù)處理方法，并可以將之應(yīng)用在他們今后的科研和工作去。我校將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中已有近十年的時(shí)間，在此期間我們根據(jù)SPME的發(fā)展情況，不斷改進(jìn)授課內(nèi)容和檢測(cè)對(duì)象，使學(xué)生在學(xué)會(huì)該方法的同時(shí)充分了解該技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。部分學(xué)生在日后參與其他老師的科研項(xiàng)目時(shí)，主動(dòng)想到使用該方法來(lái)完成實(shí)驗(yàn)分析工作，如某學(xué)生在研究生階段進(jìn)行光催化印染廢水降解產(chǎn)物研究時(shí)，就想到可以用固相微萃取技術(shù)將親水性的小分子物質(zhì)富集在萃取纖維上，這樣就克服了氣相色譜不能進(jìn)行水溶液樣品檢測(cè)分析的限制，同時(shí)也避免了使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用不能準(zhǔn)確定性的缺點(diǎn)；再如某學(xué)生在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段參與了我校老師的電子垃圾廢棄物處理項(xiàng)目的研究，其中的高溫裂解產(chǎn)物為氣態(tài)，很難進(jìn)行收集和測(cè)定，該同學(xué)就想到了使用SPEM方法對(duì)該裂解氣體中的有機(jī)物進(jìn)行富集后再定性檢測(cè)，真正做到了學(xué)以致用。

五、結(jié)論與展望

將固相微萃取技術(shù)引入到了本科的環(huán)境監(jiān)測(cè)教學(xué)中來(lái)，在增長(zhǎng)學(xué)生知識(shí)面的同時(shí)，使其學(xué)會(huì)了一種新的，卻別于傳統(tǒng)方法的樣品前處理技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)易于在3～4個(gè)學(xué)時(shí)中推廣應(yīng)用。這種將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)的模式，可以開闊學(xué)生的眼界，增強(qiáng)其社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，激發(fā)他們的科研興趣。在今后的教學(xué)中，我們還將會(huì)努力把更多的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，避免傳統(tǒng)教學(xué)中，課本和實(shí)際想脫節(jié)的現(xiàn)象，更有利于人才的培養(yǎng)。

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