固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)中的應(yīng)用

一、前言 
　　環(huán)境監(jiān)測實驗是環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等本科生必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。通過環(huán)境監(jiān)測，能及時、、地反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境評價、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)測實驗教學(xué)對環(huán)境的學(xué)生而言是非常重要的。由于環(huán)境樣品復(fù)雜，在進行分析測試前需對樣品進行預(yù)處理，樣品預(yù)處理的效果直接關(guān)系整個監(jiān)測結(jié)果的與否，在環(huán)境監(jiān)測領(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，該過程費時、費力，并且會造成二次污染。由于實驗學(xué)時的限制，在設(shè)計環(huán)境監(jiān)測實驗時，很難將樣品預(yù)處理過程納入正常的教學(xué)活動中來，通常是實驗教師將樣品前處理好后由學(xué)生直接進行分析、測定。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)整個環(huán)境監(jiān)測實驗的全部過程，不利于學(xué)生對本的理解。固相微萃取技術(shù)（Solid phase microextraction，SPME）是近年來出現(xiàn)的一種用來預(yù)處理可揮發(fā)和半揮發(fā)有機物的新技術(shù)，它集萃取、濃縮、解吸于一體[2]，且已應(yīng)用于美國EPA標(biāo)準(zhǔn)中。該技術(shù)難易適中、操作簡單方便、省時，并有*的重復(fù)性，適于應(yīng)用在本科生的實驗教學(xué)中。本文作者及所在研究團隊從事SPME方面的技術(shù)開發(fā)及研究，先后承擔(dān)了多項相關(guān)方向的國家及省部級科研項目，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)測實驗教學(xué)中來，這不但可以使學(xué)生掌握的檢測分析技術(shù)，也可使他們學(xué)會一種樣品前處理的方法，對他們?nèi)蘸蟮墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)都會有很大的幫助。本文分析了將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實驗的可行性，介紹了如何將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實驗中，并舉了幾個實例。同時，提出了一個將科研成果應(yīng)用在實際教學(xué)中的思路，為日后更多的科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化提供了一個可以借鑒的實例。 
　　二、固相微萃取技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)中的可行性 
　　目前，大多數(shù)環(huán)境監(jiān)測的實驗內(nèi)容多選自成熟的國家標(biāo)準(zhǔn)方法，不易與科技成果結(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，短短十幾年的時間，就已經(jīng)取得了非常矚目的研究成果[3，4]，如果將這些的研究成果應(yīng)用于教學(xué)中，不但可以使學(xué)生學(xué)會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)熱情和精神。雖然SPME技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，但是與其他實驗方法相比較，SPME萃取器的價格相對比較昂貴，且如果使用不當(dāng)萃取纖維容易折斷或脫離，阻礙了該方法在本科實驗教學(xué)中的應(yīng)用。但是經(jīng)過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產(chǎn)化，使萃取纖維可以自給自足，不需花費高價購買，這為將該技術(shù)應(yīng)用于本科實驗提供了技術(shù)。SPME技術(shù)一般的采樣時間為3～50分鐘，色譜分析時間只需要6～30分鐘，可以在有限的教學(xué)時間內(nèi)完成采樣及分析的全過程，因此其較適于應(yīng)用在本科生的實驗教學(xué)中。 
　　三、固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)中的運用 
　　1.熟悉原理、了解結(jié)構(gòu)及使用方法。要求學(xué)生通過查閱已發(fā)表的文獻，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。 
　　2.結(jié)合實際、設(shè)計實驗。在學(xué)生學(xué)會使用固相微萃取器之后，結(jié)合SPME的適用范圍來設(shè)計實驗，如水溶液中苯、甲苯及二甲苯類物質(zhì)的檢測，讓學(xué)生掌握該技術(shù)的使用方法和技巧。同時，通過與氣相色譜（Gas chromatography，GC）或氣-質(zhì)聯(lián)用（Gas chromatography-Mass spectrometry，GC-MS）技術(shù)相結(jié)合來完成待測物的檢測和分析工作[8，9]，在學(xué)會使用固相微萃取技術(shù)的同時，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行大氣現(xiàn)場采樣，然后將采集的樣品應(yīng)用GC-MS進行定性分析[10]。或?qū)⑹芪廴镜耐寥乐惖墓腆w樣品進行加熱，采用頂空萃取的方式采樣后再定性分析[11]。學(xué)生也可以對自己感興趣的周邊環(huán)境進行采樣（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，增強其責(zé)任心和使命感。 
　　四、固相微萃取技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)中的實際案例 
　　1.水溶液中苯與甲苯的SPEM-GC檢測。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。通過對水中苯和甲苯的檢測，讓學(xué)生學(xué)會如何對萃取溫度、攪拌速度、萃取時間等因素進行系統(tǒng)研究，優(yōu)化出佳的萃取條件，同時讓學(xué)生分析各因素對萃取結(jié)果的影響，提高學(xué)生查閱資料和分析問題的能力。 
　　實驗條件和方法：（1）儀器與試劑：①氣相色譜（GC2010，島津，日本）配備FID檢測器。②萃取瓶：固相微萃取，25mL，配備聚四氟乙烯密封墊。③燒杯：100mL。④苯、甲苯：分析純（國藥試劑），與蒸餾水以一定比例配制為標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測溶液。（2）色譜條件：色譜柱，RTX-1毛細管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；進樣口和檢測器溫度，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；載氣為氮氣，流量為30mL/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，色度高等會污染萃取纖維的情況時，則采用頂空萃取的方式[14]（圖1（b））。（5）實驗步驟：取5mL待測水溶液于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，使其浸沒在待測溶液中；萃取結(jié)束后，先將萃取纖維旋回保護套中，然后拔出萃取器；將萃取器插入到GC的進樣口中，將萃取纖維旋出，進行分析、測定；改變水浴溫度、萃取時間、攪拌速度、待測液pH值等條件，根據(jù)色譜出峰的情況，找出佳的萃取條件。行標(biāo)準(zhǔn)溶液定性實驗、然后進行未知樣品的定性、定量測定。

2.室內(nèi)或汽車內(nèi)空氣質(zhì)量的SPEM-GC-MS檢測。隨著建筑環(huán)境污染越來越受到重視，人們對自己所居住和生活的環(huán)境中空氣的質(zhì)量也越來越關(guān)心。一般的室內(nèi)（車內(nèi)）空氣質(zhì)量的檢測主要采用一些便攜式儀器進行現(xiàn)場測定，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)過一段時間的采樣、富集后，進行定性、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。 
　　實驗條件和方法：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毛細管柱（30m×0.32mm×0.25μm）；進樣口溫度，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實驗方法：在一個新裝修過的房子或新購置的汽車內(nèi)，把固相微萃取器放置其中，將萃取纖維暴露在空氣中，進行富集采樣；采樣結(jié)束后將萃取器帶回實驗進行分析；將萃取器插入到GC-MS的進樣口中，將萃取纖維旋出，進行樣品熱解吸及質(zhì)譜定性分析；改變萃取時間、解吸時間，根據(jù)色譜出峰的情況，找出佳的萃取條件。對GC-MS圖譜進行分析，找出各個環(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。隨著各種農(nóng)作物中污染物標(biāo)的報道越來越多，人們對土壤污染的關(guān)注也越來越大，再加之土壤污染后治理非常困難，因此對土壤環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測領(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，采用浸泡/萃取的方式，不但費時、費力，且有機溶劑的使用會造成二次的環(huán)境污染。采用SPME的頂空萃取技術(shù)，不用或少用有機溶劑，可以實現(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。 
　　實驗條件和方法：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實驗方法：將受污染的土壤樣品裝入到萃取瓶中，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套中，然后拔出萃取器，進行GC-MS分析；將萃取器插入到GC-MS的進樣口中，將萃取頭旋出，進行質(zhì)譜的定性分析；改變萃取時間、解吸時間，根據(jù)色譜出峰的情況，找出佳的萃取條件。對GC-MS圖譜進行分析，找出污染土壤中揮發(fā)或半揮發(fā)性的有機污染物。 
　　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)測實驗教學(xué)的目的是使學(xué)生在了解和熟悉整個環(huán)境監(jiān)測流程的同時學(xué)會一種新的、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)中已有近十年的時間，在此期間我們根據(jù)SPME的發(fā)展情況，不斷改進授課內(nèi)容和檢測對象，使學(xué)生在學(xué)會該方法的同時充分了解該技術(shù)的發(fā)展動向。部分學(xué)生在日后參與其他老師的科研項目時，主動想到使用該方法來完成實驗分析工作，如某學(xué)生在研究生階段進行光催化印染廢水降解產(chǎn)物研究時，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行水溶液樣品檢測分析的限制，同時也避免了使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用不能定性的缺點；再如某學(xué)生在本科畢業(yè)設(shè)計階段參與了我校老師的電子垃圾廢棄物處理項目的研究，其中的高溫裂解產(chǎn)物為氣態(tài)，很難進行收集和測定，該同學(xué)就想到了使用SPEM方法對該裂解氣體中的有機物進行富集后再定性檢測，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)測教學(xué)中來，在增長學(xué)生知識面的同時，使其學(xué)會了一種新的，卻別于傳統(tǒng)方法的樣品前處理技術(shù)。本實驗易于在3～4個學(xué)時中推廣應(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，增強其社會競爭力，激發(fā)他們的科研興趣。在今后的教學(xué)中，我們還將會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，課本和實際想脫節(jié)的現(xiàn)象，更有利于人才的培養(yǎng)。