固相微萃取法（SPME）测定海水中的甲基膦酸

1 前言

化学毒剂是一种大规模杀伤性武器，在战争史中曾造成重大人员伤亡。 在和平时期化学毒剂又成为恐怖分子的有效武器。1995年日本东京的地铁遭受沙林毒剂攻击事件是典型的化学恐怖事例。在工业生产和运输过程中化学品泄漏事故频繁发生，需要紧急救援。无论是对化学恐怖事件或化学品泄漏事故的救援活动，首要的任务是确定化学污染物的种类，以便采取针对性的措施。

沙林等神经毒剂在环境中的稳定性不高，易分解为相应的膦酸酯和甲基膦酸。在环境样品的检测中较少发现神经毒剂原体，更多发现的是它们的降解产物。甲基膦酸是神经毒剂的典型降解产物，在水体中的稳定性很高。因此检测环境水体中的甲基膦酸对于化学救援有重要意义。日本在东京地铁事件的调查中，就是依据检出的沙林降解产物沙林酸和甲基膦酸判定受到了沙林的攻击^{[1, 2]}。通用的水中甲基膦酸的检测程序是：先将水样蒸干，然后将留在残渣中的化合物溶解并衍生，再进行测定。由于海水中含有大量盐类，对样品测试造成严重干扰，这一程序不适用。

 “禁止化学武器组织”（OPCW）曾委托美国埃其伍德军事基地和芬兰化武公约核查研究所共同研究用蒸干衍生法测定泉水和人造海水中的含磷毒剂降解产物（含量为10mg/mL），结果见表1。数据显示，海水中分析物的回收率极低，几乎难以检出。海水中毒剂降解产物的检测成为一个难题。

表1 蒸干衍生法测定人造海水中的含磷毒剂降解产物的结果

样品基质	回收率％
	甲基膦酸乙酯	甲基膦酸异丙酯	甲基膦酸
泉水中	84	86	66
海水中	3	3	2

 

固相微萃取技术（SPME）是一种新型样品预分离富集技术，该技术抗干扰能力强，特别适用于痕量物质的分析，已成为环境样品中有机物快速分析的有效手段。袁铃^[3]详细研究了用SPME技术测定蒸馏水中甲基膦酸的方法；最近肖俊峰等^[4]报道了用固相微萃取法快速富集检测海水中的有机氯农药，但尚未见用SPME分析海水中毒剂和降解产物的报道。一些关于SPME技术萃取水溶液中有机物的研究工作认为，水中加入氯化钠等强电解质增强溶液的离子浓度有利于提高对某些分配系数小的化合物的萃取效率。我们设想，利用SPME的高选择性来萃取海水中的甲基膦酸有可能排除海水中的高浓度盐类的干扰，解决检测甲基膦酸的难题。

2 实验部分

2.1 SPME装置

SPME手柄装置、萃取纤维 65µmPDMS/DVB和50/30µmDVB/CAR/PDMS、电磁搅拌/加热台、搅拌子（3×10mm）、4mL的样品瓶均购自Supelco公司；固相微萃取纤维在使用之前按生产商的推荐规程进行老化预处理，为了确保纤维上不残留干扰化合物，每次萃取前将纤维放在气相色谱的进样口（250℃）处理3分钟。

2.2仪器设备及操作条件

意大利CE公司Trace GC 2000 气相色谱仪，配有FPD-P检测器。使用J&W DB-5色谱柱，30m×0.32mm×0.25μm (长×内径×膜厚)，升温程序为：初始温度40℃，升温速率为10℃/min，升温至260℃；载气为高纯氦气(99.999%)，恒压120kPa，检测器温度150℃，进样口温度250℃。

精密微量移液器购自法国Gilson公司，MA110型微量电子天平（d=0.1mg）购自上海第二天平仪器厂。

2.3 材料与试剂

甲基膦酸（MPA）的标准品，纯度为99%，由本院合成。乙腈（A.R.，北京昌化精细化工厂），使用前进行空白测试。衍生试剂N，O-双三甲基硅三氟乙酰胺（BSTFA）购自Aidrich 公司。海水取自辽宁兴城地区海滨离岸200 m处。

2.4 标准溶液和测试样品的配制

准确称取约36.6 mg (精确至0.1mg)的MPA标准样品，置于10mL的容量瓶中，用乙腈定容，作为标准溶液（C＝3.66 mg/mL）置于冰箱内备用。使用时进一步稀释到所需的浓度。

在10 mL容量瓶中放入约5 mL海水，用精密移液器取所需量的甲基膦酸溶液（1～5 mL）加入瓶中，再用海水定容，摇匀，作为测试样品。

2.5 固相微萃取（SPME）处理过程：

海水样品在测试前先用膜式过滤器除去固体微粒杂质，然后用精密移液器取3mL所需浓度MPA海水溶液置于4mL的SPME专用瓶中，加入磁搅拌子，用带有聚四氟乙烯内衬的盖子密封，置于工作台上。另一萃取瓶中加入0.5 mL衍生试剂BSTFA，将萃取纤维放在衍生试剂的顶空吸附试剂5 min，然后将SPME萃取纤维插入海水样品瓶内，保持SPME纤维完全浸入水中，萃取针套管的其他部分不要与水相接触，防止海水进入萃取针管。萃取过程中电磁搅拌转速n=1000，萃取到所需时间后，再将SPME纤维放入衍生试剂瓶顶空中，进行衍生反应15 min，取出纤维在GC进样口解吸3 min。

3 结果与讨论

3.1 萃取时间的选择

配制MPA浓度为C=29.3ng/µL的海水样品，pH=3.2，样品温度为20℃。使用PDMS/DVB纤维按照2.5中的步骤进行萃取，考查不同的萃取时间对萃取效率的影响，其结果如图1所示。从图中可以看出，10min之前，随着萃取时间延长，萃取效果增加，这说明10 min前吸附尚未达到饱和，超过10min以后，随着萃取时间延长，萃取效果反而下降，原因是衍生产物稳定性较差，达到吸附饱和后在高湿度环境中会逐渐分解。

 

图1 萃取时间对萃取效率的影响（PDMS/DVB纤维，C=29.3ng/µL）

3.2 纤维解吸时间的选择

纤维以与3.1中同样的条件进行萃取后，变化在气相色谱进样口的解吸时间，考查不同的解吸时间对测试结果的影响，其结果如图2所示，从图中可以看出，3 min时纤维上的衍生产物就解吸完全了。由于MPA硅烷化衍生物沸点较低，如在色谱柱头停留时间过长会被载气吹走，损失的量比较明显。应及时启动升温程序，开始色谱分离。

图2 解吸时间对萃取效率的影响

3.3 海水样品pH值的调节

分别用PDMS/DVB纤维和DVB/CAR/PDMS纤维在3.1相同的条件下进行萃取，解吸时间3min，改变海水样品的酸度以考查样品pH值对萃取效率的影响，其结果如图4和图5所示。从图中可以看出，pH值越低萃取效果越好。这是由于酸性条件下大量的H⁺离子抑制了甲基膦酸的电离，使其以分子形态存在，更容易从水相进入低极性的纤维涂层。因SPME纤维使用范围是pH=2～11，未进行更低pH值的实验。两图比较还说明PDMS/DVB纤维萃取效率优于DVB/CAR/PDMS纤维。

图3 海水的pH值对萃取效率的影响(PDMS/DVB纤维)

 

 

图4 海水的pH值对萃取效率的影响(DVB/CAR/PDMS纤维)

3.4 萃取温度的选择

配制海水的MPA样品（C=29.3ng/µL），pH=2.0，使用PDMS/DVB纤维萃取，考查不同的萃取温度对萃取效率的影响，其结果如图6所示，从图中可以看出，随萃取温度升高，萃取的效果下降，在常温下吸附效果最好。这说明温度较高时有利于分析物向水相扩散，而不利于其在纤维涂层中的吸附。

图5萃取温度对萃取效率的影响（20℃-60℃）

 

3.5 最小检出量

以产生色谱峰的信噪比大于3的MPA的浓度作为最小检出量，结果表明，采用SPME涂层衍生方法，测定海水样品中MPA的最小检出量为0.5ng/mL。

4 结论

    用SPME技术能够有效地萃取海水中的甲基膦酸，解决其他样品处理方法难以完成的工作。经优化实验得到最佳测试条件是：调节海水样品到pH＝2，使用65µmPDMS/DVB纤维，萃取温度为20℃，采取顶空吸附衍生试剂5min后，在海水中样品萃取10min，而后再顶空衍生15min的萃取－衍生反应过程，纤维在气相色谱进样口解吸时间为3min。最小检测限可达0.5 ng/mL。

参考文献

1 Nakajima T., Sasaki K., Ozawa H., et al., Urinary metabolites of sarin in a patient of the Matsumoto sarin incident, Arch. Toxicl., 1998(72): 601-603

2 Minami M., Hui D.M., Katsumata M., et al., Method for the analysis of the methylphosphonic asid metabolites of sarin and its ethanol-substituted analogue in urine as applied to the victims of the Tokyo sarin disaster, J. Chromatogr., B, 1997 (695):237-244

3 袁 铃，许大年. 固相微萃取－气相色谱法测定水中的甲基膦酸，分析测试学报，2004 (23)：106－108

4 肖俊峰，郭荣波， 陈吉平，等. 固相微萃取－气相色谱－电子捕获快速富集检测海水中的有机氯农药，分析测试学报，2005(24)：70~73