环境分析化学第4章

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(prioritypollutants)。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。溶剂(温度℃)溶剂(温度℃)溶剂(温度℃)水甲醇乙醇丙酮正丙醇正丁醇吡啶1,2-二氯乙烷78.5（25）32.6（25）24.3（25）20.7（25）20.1（25）17.8（20）12.3（25）10.3（25）二氯甲烷乙酸乙脂氯仿溴仿乙醚二硫化碳呋喃9.08（20）6.02（25）4.81（20）4.39（20）4.32（20）2.64（20）2.95（25）甲苯苯四氯化碳环已烷正辛烷正已烷正戊烷2.4（25）2.3（20）2.2（20）2.0（20）2.0（20）1.9（20）1.8（20）四、环境有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。①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。②使热不稳定的有机污染物转化为热稳定性较好的衍生物。③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④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。⑤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。⑥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：①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。②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。③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。④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）、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。RXOHORHX样品-样品-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：3232422RNOHCHNOHORRN+HOOHOCHN样品-样品-样品-样品-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+R3SiX→样品OSiR3+HX常用的硅烷化试剂有：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：RNH2+O=C(R2)→RN=C(R2)+H2ORNH2+S=C=O→RN=C=S+H2O第二节固相萃取固相萃取(solidphaseextraction，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10～50）。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)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、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吸附剂分离机理洗脱溶剂分析物的性质环境分析中应用键合了硅胶的C18和C8反相有机溶剂非极性和弱极性多环芳烃类，多氯联苯类，有机磷和机氯农药类，烷基苯类，邻苯二甲酸酯类，多氯苯胺类，非极性除草剂类，脂肪酸类等多孔苯乙烯-二乙烯基苯共聚物反相有机溶剂非极性到中等极性苯酚，氯代苯酚，苯胺，氯代苯胺，中等极性的除草剂石墨碳反相有机溶剂非极性到相当极性醇类，硝基苯酚类，相当大极性的除草剂离子交换树脂离子交换一定pH值的水溶液阴阳离子型有机物苯酚，次氮基三乙酸，苯胺，邻苯二甲酸类金属配合物吸附剂配体交换配位的水溶液金属配合物特性苯胺衍生物，氨基酸类，2-巯基苯并咪唑，羧酸类二、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5～10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。名称洗脱强度*极性名称洗脱强度极性乙酸水甲醇2-丙醇20%甲醇+80%二氯甲烷20%甲醇+80%乙醚40%甲醇+60%乙腈吡啶异丁醇乙腈乙酸乙脂0.730.730.730.630.630.650.670.550.540.500.456.210.26.64.35.33.006.204.3丙酮四氢呋喃二氯甲烷氯仿乙醚苯甲苯四氯化碳环已烷戊烷正已烷0.430.350.320.310.290.270.220.140.03005.404.203.404.402.903.002.401.60000.06三、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：(a)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微萃取（SolidphaseMicroextraction,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=c1·V1，故