1、环境分析化学教案第4章剖析课程名称：环境分析化学授课专业：环境科学与工程本节内容：授课班级：海洋学院 级 班授课时间： 教学目的。重点难点授 课 内 容第一节 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 第一节 概 述一、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
2、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。 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）环境分析化学教案第四章 环境样品有机污染物分析的预处理技术授 课 内 容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
3、染物的含量是多少？ 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（2
4、0）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。 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。 授 课 内 容 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
5、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： 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。 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）
6、、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。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。授 课 内 容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。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
7、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。 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：（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。 （3）
8、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。 授 课 内 容（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=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
9、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）。 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
10、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。授 课 内 容SPE使用的不同类型吸附剂及相关应用固相萃取缺点： a. 由于柱径较小，使流速受到限制。 b. 采用
11、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。 授 课 内 容三、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。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
12、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。 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 510 倍固相萃取
13、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。 授 课 内 容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。 SPE常用的洗脱溶剂名 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
14、%乙醚40%甲醇+60%乙腈吡啶 异丁醇乙腈乙酸乙脂 0.730.730.730.630.630.650.670.550.540.500.45 6.210.26.64.35.33.006.204.3 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 0.430.350.320.310.290.270.220.140.0300 5.404.203.404.402.903.002.401.60000.06* 指在硅胶柱上溶剂的洗脱强度。授 课 内 容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
15、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（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
16、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。 授 课 内 容当吸附达到平衡时, 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）得将 c1 及 c2 代入(2)式并整理
17、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。 2. 萃取时间 萃取时间主要是指达平衡所需
18、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。授 课 内 容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解度，使分配系数提高 ； 调节pH值：萃取酸性或碱性化合物时，通过调节样品的pH值，可改善组分的亲脂性，可大大提高萃取效率。 四、固相微萃取法的应用1. 适用性及特点 固相微萃取装置既可用于液态样品的预处理（浸渍萃取或顶空萃取），也可用于固体品的预处理（顶空萃取）和气体样品预处理。 固相微萃
19、取解吸时没有溶剂的注入，分析物很快被热解吸并很快随载气送入色谱柱，分析速度快。液-液萃取、固相萃取和固相微萃取法的比较2. 应用 固相微萃取具有： （1）操作简便、快速、不需用溶剂洗脱； （2）萃取后即可将它直接插入气相色谱（包括GC/MS）的进样室，经热解样品即进入色谱柱，减少了很多中间步骤； （3）测定灵敏度高。迅速又广泛地被应用于环境样品有机污染物的分析中。 包括固态（如沉积物、 土壤等）、 液态（地下水、地表水、饮用水、废水） 气态（空气及废气）中的卤代烃（包括卤代芳烃）、有机氯农药、多环芳烃、胺类化合物等。 第四节 超临界流体萃取 超临界流体萃取 (Supercritial Flui
20、d Extraction，SFE)，在环境样品的预处理方面发展迅速、广泛地被应用。 一、基本原理 超临界流体萃取是利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从环境样品中（固体或液体）萃取出待测组分的分离技术。 处在临界温度和压力以上的物质称为超临界流体，它既不是气体，也不是液体，而是兼有气体和液体性质的流体。临界温度是指在这个温度之上，无论加多大的压力都不能使气体液化的温度。 临界压力是指气体在临界温度之下液化时所需的最低压力。 超临界流体的特点： （1）密度较大，与液体相仿，与溶质分子的作用力很强，很容易溶解其他物质。 （2）粘度较小，接近于气体，传质速度很高。 （3）表面张力小，很容易渗透到样品中
21、去，保持较大的流速。 这些特点使萃取过程在高效、快速中完成。 授 课 内 容改变超临界流体的温度、压力或在超临界流体中加入某些极性有机溶剂，可以改变萃取的选择性和萃取效率。 压力的改变： 低压下溶解度大的物质先被萃取，压力的增加，难溶物质也逐渐从基体中萃取出来。 因此，在程序升压下进行超临界萃取，萃取不同的组分和将不同的组分分离。温度的变化： 它体现影响萃取剂的密度与溶质的蒸气压两个因素。在低温区（仍在临界温度以上），温度升高降低流体密度，而溶质蒸气压增加不多，萃取剂的溶解能力降低，溶质从流体萃取剂中析出； 温度进一步升高到高温区时，萃取剂密度进一步降低，但溶质蒸气压迅速增加起了主要作用，挥发
22、度提高，萃取率不但不减少反而有增大的趋势。 超临界流体萃取剂的选择随萃取对象的不同而不同。通常临界条件较低的物质优先考虑。 用得最多的是二氧化碳：临界值相对较低、化学性质不活泼、无毒、无嗅、无味，不会造成二次污染；纯度高、价格适中；沸点低，容易从萃取后的馏分中除去。（二氧化碳的极性极低，只能用于萃取低极性和非极性的化合物。） 常用超临界萃取剂及其临界值 注：1bar=105 pa萃取剂 乙烯二氧化碳乙烷氧化亚氮丙烯丙烷氨 已烷水临界温度/ 9.331.132.336.591.996.7132.5 234.2374.2 临界压力/bar50.473.848.872.746.2 42.5112.8
23、 30.3 220.5 授 课 内 容二、应用 超临界流体特别适合于萃取烃类及非极性脂溶化合物，如醚、酯、酮等的化合物。 超临界流体能进行族选择性萃取是它的一大优点。如在13.5MPa时用纯CO2先萃取有机氯(OCPs)，然后在40MPa时用加入甲醇添加剂的CO2，又萃取了有机磷(OPPs)，取得了很好的选择性。 CO2是非极性物质，不能用于金属离子的直接萃取，但可将金属离子衍生为金属螯合物后再行萃取。要求衍生后得到的金属螯合物在超临界流体中有较大的溶解度和稳定性。因此，选择合适的螯合剂是关键。 某些环境污染物的SFE工作条件授 课 内 容第五节 加速溶剂萃取和微波萃取一、加速溶剂萃取 加速溶
24、剂萃取 (Accelerated Solvent Extraction，ASE) 就是通过改变萃取条件（温度和压力），以提高萃取效率和加快萃取速度的新型高效的萃取方法。几种萃取方法比较见表。 表 几种萃取方法比较萃取方法索 氏超 声微 波 振 荡自动索氏加速溶剂样品量/g1030305 501010-30溶剂体积/mL 30050030040030300 50 1545溶剂/样品比率163010-136 651.5 二、微波萃取微波萃取（Microwave aided Extraction，MAE）是指在微波能的作用下，用有机溶剂将样品基体中的待测组分溶出的过程。设备简单、高效、快速、试剂用量
25、少，可以同时处理多个样品。 1. 微波萃取步骤 适合于固体或半固体样品，样品制备过程包括：粉碎、与溶剂混合、微波辐射、分离萃取液等步骤。2. 萃取条件的选择 萃取溶剂 极性物质是微波吸能物质，如乙醇、甲醇、丙酮或水等。因非极性溶剂不吸收微波能，所以不能用 100% 的非极性溶剂作微波萃取溶剂。一般可在非极性溶剂中加入一定比例的极性溶剂来使用。 萃取温度 由于制样杯置于密封罐中，内部压力可达 1MPa 以上，因此，溶剂沸点比常压下的溶剂沸点提高许多，从而达到提高萃取效率。 萃取时间（1015min）。 授 课 内 容3. 微波萃取技术的应用 微波萃取技术已应用于土壤、沉积物中多环芳烃、农药残留、有机金属化合物、植物中有效成分、有害物质、霉菌毒素、矿物中金属的萃取以及血清中的药物，生物样品中农药残留的萃取测定。（1）有机污染物的微波萃取 用微波萃取土壤、河泥、海洋沉积物、环境灰尘以及水中的高聚物、多环芳烃、氯化物、苯、除草剂和酚类等有机污染物，一般只需常规萃取方法1/10的溶剂。（2）金属及其化合物的微波萃取 土壤、河泥、沉积物、海洋生物和一些植物样品中重金属元素及有毒元素(如锡、汞、铅、锌、砷等) 都是需要经常监测的项目。微波萃取法富集和分离这些元素或化合物，不仅试剂消耗少、制样快，而且检测灵敏度高。
