张秦铭1,和 莹1,王 蕾1,王若瑶2,周 弛1,范智超1,于海斌2,郑晓燕2*
1.陕西省环境监测中心站,陕西省环境介质痕量污染物监测预警重点实验室,陕西 西安 710054；
2.中国环境监测总站,北京 100012
摘要：系统回顾了近年来液相微萃取在环境水体新污染物检测中的研究进展,指出单滴微萃取通过采用液滴支撑物、动态或连续流动萃取等策略提高萃取效率;中空纤维液相微萃取通过优化受体相、支撑液膜、纤维类型等提高方法性能,具有高效性、稳定性、选择性的特点;分散液液微萃取主要侧重萃取剂的选择、分散程度及分离方式,因其快速高效特点成为研究热点.液相微萃取技术日趋成熟,在环境水体新污染物检测中有广阔应用前景.建议在环境监测分析方法标准制修订中优先考虑将其应用在超痕量新污染物的分析和现场应急快速检测等方面.
关键词：环境水体；新污染物；单滴微萃取；中空纤维液相微萃取；分散液液微萃取
新污染物主要包括国际公约管控的持久性有机污染物、内分泌干扰物和抗生素等[1-2].由于新污染物环境风险评估不完善以及监管体系不健全[3]等因素,治理面临诸多挑战.新污染物,如药物及个人护理品、工业添加剂和内分泌干扰物等,不断地被排放到环境水体中[4].这些新污染物通常具有生物活性,即使是在极低浓度下也可能对水生生态系统和人类健康产生不利影响.因此,开发高效、灵敏的检测技术对环境水体中新污染物的监测和评估具有重要意义.
传统的液液萃取(LLE)是一种常用的环境水体样品前处理技术,它通过使用不溶于水的有机溶剂从水样中分离和富集目标分析物.经统计,截止2023年12 月5 日,在已颁布的现行有效的环境监测分析方法标准中,共有33个标准采用了液液萃取技术.这些标准涵盖了多环芳烃、氯苯和硝基苯类等芳香烃类化合物,有机磷农药、阿特拉津等杀虫剂及除草剂,硝基酚等酚类化合物,二
、多氯联苯、多溴二苯醚和有机氯农药等持久性有机污染物,以及邻苯二甲酸酯类等化合物.液液萃取所用的有机溶剂通常为二氯甲烷、二硫化碳、甲苯、正己烷等,使用量在十几到几百毫升不等.虽然足够多的溶剂可获得更高的回收率,但该类方法也存在提取过程繁琐,易导致前处理过程损失和交叉污染,且需要大量样品、溶剂等问题,同时对环境和操作者的健康存在潜在风险,这些都限制了其发展.
液相微萃取技术(LPME)是基于LLE 原理的微型化和绿色化样品前处理技术,它利用微量萃取溶剂和少量样品,实现了对新污染物的高效富集和分离,并显著提高了检测的灵敏度和准确度.LPME 主要包括单滴微萃取(SDME)、中空纤维液相微萃取(HF-LPME)和分散液液微萃取(DLLME),上述技术均遵循“绿色化学”[5]原则,环保低耗.本文综述这些技术在环境水体新污染物检测中的应用进展,并提出了该类技术在环境监测工作中的应用建议,为我国的新污染物治理提供参考.
1.1 单滴微萃取技术
SDME 是最早的LPME 技术,在发展初期曾与光度法结合,用于测定水中的目标物[6].1996 年,Jeannot 等[7]将在特氟龙管顶端的正辛烷液滴浸入搅拌的水样中,提取其中的4-甲基苯乙酮,并通过进样针吸取有机相进行气相色谱分析,首次建立了一种测定有机物的SDME 技术.随后,该团队将微萃取与气相色谱进样针相结合,通过微量注射器操作萃取液滴,实现了直接气相色谱分析[8],如图1 所示.在此基础上,根据萃取过程中的相态,SDME 发展成为直接浸入方式和顶空方式.
直接浸入单滴微萃取(DI-SDME)作为最直接的SDME 技术,通过将一个有机溶剂液滴直接浸入样品溶液中进行平衡萃取,因其简便性而被广泛应用于新污染物的检测.单滴微萃取技术在环境水体新污染物检测的应用示例详见表1.Santos等[9]使用甲苯作为萃取剂,并通过优化萃取剂用量、提取时间和搅拌速度等萃取条件,与气相色谱-质谱联用(GC-MS),成功测定了环境水体中的多环芳烃等污染物.然而,萃取液滴的稳定性限制了萃取剂用量,是影响萃取效率的一个关键因素.为获取更高的萃取效率,Bocelli 等[10]开发了动态单滴微萃取技术:将大于单滴液滴体积的有机溶剂装入注射器中,通过机器人不断抽取/排出单滴液滴,回收和更新一部分萃取溶剂,多次小批量萃取目标物,并与液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)在线联用,对废水的对羟基苯甲酸酯类化合物进行了检测,操作方便的同时也获得了较低的检出限.Li 等[11]设计的柱净化-样品连续流动SDME 技术,使水样持续通过萃取液滴表面,增加了水样与萃取剂接触时长,实现了目标物的高效净化、提取和富集,简化了操作并缩短了萃取时间.
顶空-单滴微萃取(HS-SDME)是由有机液滴-顶空-水组成的一种三相萃取技术,最先用于水中痕量的半挥发性有机物或挥发性有机物,如苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯[12].同样受制于液滴稳定性,难以获得更高的萃取效率,Ma等[13]通过塑料膜作为支撑物以获取更大的萃取液滴,使用15 μL甲苯高效萃取水中的氯苯类化合物.同时,Bagherzadeh 等[14]开发的动态HS-SDME,通过向水样中不断通入惰性气体,以动态的方式将目标物带至样品顶空的正十一醇液滴,有效提取了水中的苯系物,展示了该技术在提高萃取效率方面的潜力.此外,基于液滴传感的智能手机与HS-SDME 相结合的小型化装置,为SDME技术在环境水体中的应用提供了新的思路[15].
近年来,离子液体[16]和共晶溶剂[17-18]等新型“绿色”溶剂的应用,为SDME技术带来了环保方面的进步.这些溶剂由于具有更大的粘度和表面张力,与传统有机溶剂相比可形成更大、更稳定的微滴,并可通过离子相互作用或氢键相互作用提取极性和非极性污染物,作为提取溶剂可以得到令人满意的回收率和高富集因子,已成功应用于多环芳烃、紫外线吸收剂等污染物的检测.
综上,SDME 技术在水样中对多类新污染物的检测已取得显著进展.当前研究焦点在于如何提高萃取效率,包括采用新型萃取剂、改进液滴支撑技术、动态或连续流动萃取,以及结合高效分析技术.
随着液相微萃取技术的发展,研究者们针对SDME 的技术瓶颈,诸如搅拌过程中液滴稳定性问题给出了创新的解决方案.Pedersen-Bjergaard 等[21]率先开发的中空纤维液-液-液三相微萃取技术利用了中空纤维的结构稳定性,在激烈搅拌的条件下依然能够保持有效的萃取效率,这为水样中甲基苯丙胺等有机污染物的成功检测开辟了新道路.HFLPME技术在结构上经历了由最初的U型中空纤维到现在广泛使用的直条状中空纤维的转变,这种设计上的进步提升了萃取单元的易用性和效率.萃取过程首先使用有机溶剂浸润中空纤维,形成一个支撑液膜,然后将受体相(萃取剂)注入中空纤维内部并封闭两端,处理过的纤维浸入不断搅拌的供体相中,允许目标物通过有机相进入受体相,实现有效萃取(图2).这种方法不仅解决了SDME的液滴易破坏问题,而且中空纤维的多孔结构能够截留大分子杂质,具备一定选择透过性的分子筛作用;固定在纤维孔的有机溶剂和受体相也可选择性吸附目标化合物,由此在对样品萃取的同时也实现了净化.应用示例见表2.
根据受体相与支撑液膜是否相同,将该技术分为三相或两相体系.当受体相与支撑液膜不互溶时为三相体系.Wang 等[22]分别以0.07mol/L 的NaOH溶液和正辛醇分别作为受体相和支撑液膜,采用三相HF-LPME技术分析了生活污水中硝基酚类化合物.Yang 等[23]建立了一种自动进样-三相HF-LPME技术,将其应用于污水中磺胺类药物的萃取和测定.当受体相与支撑液膜溶剂相同时为两相体系.González-Sálamo 等[24]使用正丁醇作为受体相与支撑液膜,对地表水和污水中邻苯二甲酸酯类进行了测定.除了对单一种类污染物的检测,两相HFLPME还开发了物化性质差别较大的不同家族新污染物的检测.如Salvatierra- stamp 等[25]采用聚丙烯中空纤维,以正辛醇作为受体相与支撑液膜,提取环境水体中属于5个家族的27种新污染物.而Menezes等[26]结合GC-MS 应用两相HF-LPME 测定了水样中有机氯农药、邻苯二甲酰亚胺、有机磷农药、三唑类杀菌剂等众多新污染物,显示了该技术在水样新污染物快速检测中的广泛适用性和良好前景.从上述可知,三相HF-LPME 的受体相和供体相均为水相,支撑液膜为有机溶剂,后者阻挡了前两者的接触,便于分析物在供体相和受体相中状态的调整,从而增加了相互之间的分配系数,更适用于具有电离官能团的酸性和碱性污染物的分析;而两相HF-LPME支撑液膜和受体相均为有机溶剂,一般适用于弱极性化合物的分析.
为实现更高的萃取效率和选择性,研究者们采用了各种创新策略.例如,研究者们制备了一种分子印迹聚合物中空纤维,与HF-LPME 结合,针对特定的分析物,如环境水体中的氟喹诺酮药物,实现了特异性结合和高效萃取[27]. Goh 等[28]开发出一种自动化结合成束中空纤维阵列-LPME 技术,利用纤维阵列增加壁孔体积容量,与超高效液相色谱-串联质谱法联用,实现了全氟化合物的高效、快速自动化检测.Oliveira 等[29]将HF-LPME 与电膜萃取技术相结合,在受体相和供体相中加入电压,加速分析物从供体相到受体相的传输,缩短了萃取时间,提高了分析效率,建立了电膜萃取-毛细管电泳测定河水中噻菌灵和多菌灵的方法.3D 打印技术在中空纤维的设计和制备方面带来了革新,确保了中空纤维尺寸的均匀,以及HF-LPME 与后续分析技术的良好衔接.这些创新不仅降低了人为操作的复杂性,还提升了实验的重现性和提取效率[30].石墨碳纳米材料修饰的中空纤维提高了两相体系HF-LPME对极性较强新污染物的萃取效率[31].另一方面,共晶溶剂的应用进一步证明了HF-LPME技术的“绿色”潜力,这些溶剂因其生物降解性和较低的毒性而被认为是环保的选择,它们在提取水中不同极性新污染物时展现出良好的效果,且方法的精密度和检出限均达到了满意的水平.
总的来说,HF-LPME 技术的不断创新和发展,预示着在环境水体中快速检测新污染物方面的巨大应用前景.随着技术的进步,可以预见,HF-LPME将因其高效性、稳定性、选择性和环境友好性,在环境分析领域应用越来越广.
分散液液微萃取自Rezaee等[37]于2006年开发以来,已成为LPME 中的一项重要创新.该技术利用小体积的有机溶剂作为萃取剂,在分散剂的帮助下迅速分散于水样中,形成大量微小的液滴,增大了萃取界面,从而提高萃取效率和富集倍数. DLLME 通常采用与水不溶的溶剂作为萃取剂,对分析物具有良好的分配系数;分散剂一般选取表面张力较小的,既与萃取剂互溶,又与水互溶的极性溶剂,可有效地将萃取剂以纳米/微米颗粒的形式分布在整个水溶液中,增加萃取剂与样品溶液的接触面积.原理示意图见图3.具体应用示例见表3.
萃取剂在分散剂的作用下会提高其在水中的溶解度,两者的类型和体积相对比例控制了萃取剂悬浊液的形成,进而影响分析物的预浓缩因子.机械振荡[38]、漩涡[39]、超声[40-48]等是最常见的增强萃取剂在样品中分散程度的手段,通过振动进一步提高萃取剂的分散程度,增大目标物与萃取剂之间的接触面积.萃取结束后的萃取剂的收集方式也影响了整个萃取过程所需的时间.通过全面优化萃取剂类型/体积、分散剂类型/体积、混合方式及时长、萃取剂分离方式等多个参数,以最大化萃取效率.Bodur 等[38]通过优化,最终采用300μL 二氯甲烷和1.5mL 甲醇、机械振荡45s、离心分离,利用HPLC对水中乙草胺、甲草胺、异丙草胺和倍硫磷等除草剂进行检测,检出限达到了0.63~1.2ng/L,同时也得到了较宽的线性范围和良好的精密度.多种有机溶剂的组合也作为萃取剂用于DLLME 中.在用GC-ECD 测定饮用水中挥发性卤代烃时,为便于离心分离,避免萃取剂在仪器上的响应对分析物产生的干扰,杜小弟等[49]使用密度大于水的无卤素联苯-联苯醚二元混合溶剂作为萃取剂,获得了较高的萃取效率和极低的检出限;在对偶氮染料芳香胺产物检测时,也使用了氯仿/1,2-二氯乙烷(1:1)的二元混合溶剂作为萃取剂,有效改善了单一溶剂作为萃取剂时回收率低的问题[50].
随着DLLME的发展,一些新型的DLLME技术逐渐面世.在传统DLLME 过程中,使用有机溶剂作为分散剂时通常会降低疏水性目标分析物进入提取溶剂的分配系数,而空气辅助DLMME 和泡腾辅助DLLME 技术可以有效避免这一问题.前者通过注射器不断重复抽吸萃取剂和样品的混合溶液使萃取剂分散;后者是通过添加冰醋酸与样品中的碳酸钠发生反应,产生的二氧化碳将萃取剂分散.两种方法均避免使用有机溶剂作为分散剂,提高了萃取效率[51].另一方面,传统的DLLME 一般使用氯苯、四氯化碳和四氯乙烯等密度高于水、毒性较强的卤代烃作为萃取剂,限制了密度小于水的低密度有机溶剂的使用.因此,一种悬浮固化-DLLME被开发.在该方法中,利用低温易固化(熔点在10~30°C)的低密度溶剂分散萃取后,萃取剂悬浮于样品表面,采用冷冻方式将其固化收集,然后在室温下熔化进行分析[52],一般使用低毒的长链脂肪烃、脂肪醇等作为萃取剂[52-53].该方法对环境水体中多环芳烃[54]、抗真菌药物[55]、拟除虫菊酯类农药[56]、环境激素[53-54,57-59]等污染物进行了测定,扩大DLLME 的溶剂使用范围.另外,萃取结束后的离心分离被认为是传统DLLME 中比较耗时的一个技术环节,Chen 等[60]率先开发了低密度溶剂-溶剂去乳化DLLME 方法,测定了水中的氨基甲酸酯类农药.采用低密度萃取剂,使用分散剂将萃取剂分散后,再将分散剂作为破乳剂加入水中,迅速将乳液澄清成两相,避免了使用离心方式,节省时间.随后,这种低密度溶剂-溶剂去乳化DLLME也应用于环境水体中各种新污染物的测定,如丙烯酰胺[61]、环烷酸[62]、阿特拉津以及药物及个人护理品[63]等.微波辅助破乳的方式也应用到了低密度萃取剂萃取环境水体的三唑类杀菌剂中[64].
为了使DLLME 过程更加绿色环保,共晶溶剂和离子液体也广泛应用于DLLME 过程中.Faraji等[65]采用一种三元疏水共晶溶剂作为萃取剂,实现了水样中2 种硝基酚类化合物的萃取富集.Sereshti等[66]利用增强的疏水型共晶溶剂作为萃取剂,亲水型共晶溶剂作为分散剂,进行了环境水体中抗生素的萃取.Cacho 等[67]使用离子液体提高了有机磷农药的萃取效率,并通过热脱附解析技术实现了高效分析.Yang 等[51]利用包含磁性纳米微球的泡腾片将离子液体分散到环境水体中,磁铁分离富集目标物,对地表水中4 种杀菌剂进行了测定.使用磁性离子液体[68]或磁性共晶溶剂[69]作为萃取剂,萃取结束后可使用磁铁将萃取剂从悬浊液中分离出来,已在环境水体中药物、酚类化合物、杀虫剂、紫外线吸收剂、多环芳烃、农药等分析中得到了成功的应用.
研究人员还将DLLME 与其他技术如固相萃取[70-74]、液液萃取[75]、中空纤维-液相微萃取[76-77]、薄膜微萃取[78]等方法联用,开发出多种富集倍数高、检出限低的新型提取方法,应用于环境水体中药物及个人护理品[70,76],农药及兽药[71,73,78],环境激素[72,74,77]和酚类[75]化合物等新污染物的富集和测定,扩展了DLLME 的适用范围.一些团队还将自动在线装置[79]及双针自动进样系统[80]与DLLME技术结合,减少了人工操作误差,提高了方法精密度.
综上所述,DLLME 因其快速、高效的特点,已广泛应用于水样中新污染物的检测.通过优化萃取剂及其分散效果、分离方式,以及与其他技术联用等多种途径,使DLLME 在选择性和抗干扰能力上得到了显著提升.
与LPME 类似,固相微萃取(SPME)也是一种的“绿色”萃取技术,被广泛应用于食品、司法、生物医学和环境等不同类型样品萃取过程.作为环境水体重要的微萃取技术,SPME 发展较为成熟,而LPME 具有良好的发展潜力.首先,SPME 与气相色谱及气相色谱-质谱法联用时具有优势,目前已形成商品化自动进样设备,操作便利[101].而对于液相色谱及液相色谱-质谱法,研究人员通常使用溶剂离线[102]或者在线[103]的方式解析纤维上的目标物,而后取一定体积解析液上机分析,这扩大了SPME 对非挥发及热不稳定化合物的应用范围,但操作较为繁琐.研究人员在LPME 自动化方面进行了大量工作,开发出多种操作简便、自动化程度高的LPME[10,20,30,79-80].LPME 萃取设备易获取,可与各种分析方法联用,如气相色谱法[14]、气相色谱-质谱法[24]等,在与液相色谱法[22]、液相色谱-质谱法和毛细管电泳法[34]等联用时,无需样品解析,具有很好的适用性.
其次,SPME 的萃取过程多使用商品化的萃取纤维、萃取棒等,但针对不同类型的目标物,商品化的萃取纤维或萃取棒难以获取满意的萃取效率和选择性,需要自行制备选择性和回收率更好地萃取材料[102].LPME 技术为了实现更好地回收率和选择性,通常选用适合的萃取剂[49-50]、制备选择性更好的中空纤维[27]等方式.为了使萃取过程更加“绿色环保”,研究人员使用离子液体、共晶溶剂等新型溶剂作为萃取剂与分散剂,有力提高了LPME 技术的环境友好性.
同时,针对水环境样品新污染物监测,LPME 与SPME 技术相比能够获得高的灵敏度;对于复杂基质样品,HF-LPME 可以更好地分离和富集目标物.例如,使用液相色谱-紫外检测器法测定环境水体中的双酚A 和恩诺沙星,LPME 结合HPLC 检出限为0.01μg/L[74]和1.2ng/L[39],优于SPME 的1.0μg/L[105]和0.22μg/L[102].这是由于SPME 与液相色谱法联用时需要使用较大体积(通常为数百微升)溶剂解析导致样品富集倍数不足所致;环境水样特别是污水样品基质复杂,三相HF-LPME 技术通过支撑液膜,可以有效隔离供体相与受体相,在一定程度上减少干扰物进入受体相[23],具有良好的适用性.
最后,从成本效益分析,SPME 在使用商品化萃取纤维或者纤维棒时,成本相对较高,虽然研究者也可自行制备相应萃取材料以降低成本,但是无论是商品化还是自制的SPME 萃取材料,其使用过程中均易折断.LPME 由于萃取过程使用实验室常备试剂及设备,成本相对较低.总体而言,LPME 与SPME作为痕量污染物常用的微萃取技术,均有较好的适用性和可操作性,但也存在需要持续完善的技术难点,需要研究者在后续工作中持续改进.
与传统的萃取与净化技术相比,LPME 溶剂使用量大大减少,结合“绿色”溶剂的使用,使其更符合绿色分析化学的需求.与众多样品有机污染物前处理技术类似,LPME 已经越来越多的应用于环境水体新污染物分析及评价工作中.
本文有87 篇文献涉及LPME,其中DLLME 相关文献为61 篇,占70.1%,是目前研究的主要方向和热点;HF-LPME 和SDME 分别为15 篇和11 篇,占17.2%和12.6%;就不同类别的新污染物而言,农药兽药、药物及个人护理品类的LPME 应用最为广泛,其次是环境激素类、芳香烃类、酚类、有机酸类和芳香胺类.然而,全氟化合物、壬基酚、五氯酚等关注度较高的新污染物在LPME 的研究中较为缺乏.
在区域水质新污染物监测工作中,LPME 与多种分析技术结合,广泛应用于各类新污染物的现状调查及风险评价中.美国环保署基于LPME 技术,使用少量有机溶剂,开发了水中卤代乙酸[106]及氯化除草剂[107]的分析方法标准,应用于饮用水中痕量新污染物的监测与分析中.同时,科学家还将该类技术应用于水环境中痕量新污染物,如抗癌药物[108]、抑制精神类药物[109]、对羟基苯甲酸酯[110]、双酚类化合物[111]、邻苯二甲酸酯[112]、总石油烃[113]和农药残留[114]的评估调查,在快速、准确且高灵敏度获取监测数据的基础上,通过健康风险[111-114]及生态风险[108-110]评价,给出区域水环境新污染物赋存现状及管控建议,服务于环境管理.
由此可见,LPME 作为一种痕量有机污染物微萃取技术,正被广泛应用于环境水体新污染物监测分析及风险评价工作中.
LPME 是集萃取、富集、浓缩于一体的环境友好型前处理技术,包括SDME、HF-LPME 和DLLME.这些技术各自具有优劣: SDME 操作简单但液滴较不稳定,萃取效率受限; HF-LPME 适用于较大样本量且选择性较强,但处理时间较长;而DLLME 则因其快速高效而受到青睐,尽管对萃取剂的选择有更高要求.优化萃取效率和选择性是当前LPME 发展的重点,其中包括采用新型绿色萃取剂、动态或连续萃取等创新策略.此外,与不同技术的联合应用也是可能的发展方向之一,以实现更精确、高效的新污染物检测.但选择何种技术,还需根据不同目标物的性质及实际检测需求来定.总体而言,LPME 日趋成熟,遵循绿色分析化学原则,为环境水体中新污染物的快速准确检测提供了一种高效、环保的新途径.
针对上述提及的高关注度新污染物,科研工作者可进一步探索LPME 技术的应用潜力.结合高灵敏度的检测手段,发展环境友好、操作简便、成本优势明显的样品富集和净化方法,不仅能够扩大LPME 技术在环境水体新污染物检测的应用范围,而且还有助于推动环境分析领域的绿色化和自动化发展,服务于新污染物环境管理.
在当前环境监测方法标准中,常规溶剂使用量较大,与绿色环保理念尚有不符.因此,建议在新增制修订环境监测分析方法标准时,优先考虑将LPME应用于超痕量新污染物分析和现场快速检测.LPME使用的试剂和样品量较少,设备便携,可大大降低现场检测的难度,尤其适合应急环境监测的需求.而且与传统方法相比,可以显著减少有机废液的产生.开
