本科仪器分析实验设计与实践：固相微萃取-液相色谱检测环境水体中的多环芳烃

doi:10.3724/SP.J.1123.2024.11024

摘要/Abstract

摘要：

从环境科学专业特点出发，结合科研课题，设计了一项可用于本科教学的仪器分析开放型实验。该实验根据多环芳烃（PAHs）分子结构特点，以9-乙烯基蒽和苯乙烯为混合功能单体，利用“原位”聚合技术合成基于整体材料的固相微萃取（SPME）纤维束，并将其作为萃取介质，在优化条件下，结合高效液相色谱法（HPLC）检测环境水样中的PAHs。本实验设计并构建了一个完整的仪器分析实验流程，具体主要包括SPME纤维束的制备和表征、萃取实验条件优化、实际水样前处理和HPLC分析检测等。在教师引导下，学生开展实验前期相关知识学习、实验中期提升实验操作技能、实验后期分析数据并撰写研究报告。通过该课程全流程学习，不仅激发了学生的学习兴趣，还可培养其科学思维，提高分析和解决问题的能力，为培养新时代环境科学专业高素质人才奠定基础。

关键词: 本科实验教学, 固相微萃取, 仪器分析, 多环芳烃, 液相色谱

Abstract:

A research-project-based open instrumental-analysis experiment was designed for undergraduate teaching led by the attributes of an environmental science major. In this experiment， porous monolithic fibers are in-situ synthesized from 9-vinylanthracene and styrene （as a monomer mixture） based on the molecular characteristics of studied polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）， and then used as an extractant for solid-phase microextraction （SPME）. A method for reliably monitoring PAHs in environmental water samples was developed by combining SPME with high performance liquid chromatography （HPLC）. Students designed and constructed a complete experimental instrumental-analysis process， which included preparing and characterizing the monolith fibers， optimizing the SPME conditions， preparing environmental water samples， and analysis by HPLC. Guided by teachers， undergraduates learned relevant knowledge prior to performing the experiment， improved their operating skills during the experiment， analyzed data， and wrote research reports during the latter stage of the course. Undergraduates' interest is stimulated by completing the experiment， while scientific thinking， analysis， and problem-solving abilities are concurrently improved and cultivated. The present course also lays the foundation for cultivating future high-quality environmental-science talents.

Key words: undergraduate experimental teaching, solid-phase microextraction （SPME）, instrumental analysis, polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）, liquid chromatography （LC）

中图分类号:

O658

刘珺, 吴江毅, 李锦涛, 陈能汪, 黄晓佳. 本科仪器分析实验设计与实践：固相微萃取-液相色谱检测环境水体中的多环芳烃[J]. 色谱, 2025, 43(10): 1177-1183.

LIU Jun, WU Jiangyi, LI Jintao, CHEN Nengwang, HUANG Xiaojia. Design and practice of undergraduate instrumental analysis experiment： analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in environmental water by solid-phase microextraction- liquid chromatography[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2025, 43(10): 1177-1183.

图/表 11

图1 原位聚合反应示意图AIBN： azobisisobutyronitrile； DMSO： dimethyl sulfoxide.

Fig. 1 Schematic diagram of in-situ polymerization reaction

图2 自制（a）单根整体纤维和（b）纤维束实物图

Fig. 2 Photos of home-made （a） single monolithic fiber and （b） multi-monolithic fibers

图3 自制整体纤维的FT-IR谱图

Fig. 3 FT-IR spectrum of home-made monolithic fiber

图4 整体纤维放大（a）34倍和（b）20 000倍的SEM图

Fig. 4 SEM images of monolithic fiber at （a） 34× magnification and （b） 20 000× magnification

图5 吸附时间对PAHs萃取性能的影响Nap： naphthalene； Flu： fluorene； Ana： acenaphthene； Phe： phenanthrene； Flt： fluoranthene； Pyr： pyrene； Chr： chrysene.

Fig. 5 Effect of adsorption time on the extraction performance of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）

图6 解吸时间对PAHs洗脱性能的影响

Fig. 6 Effect of desorption time on the eluting performance of PAHs

图7 离子强度对PAHs萃取性能的影响

Fig. 7 Effect of the ionic strength on the extraction performance of PAHs

表1 7种PAHs的线性范围、相关系数、富集倍数、检出限、定量限和精密度

Table 1 Linear ranges， correlation coefficients （R2）， enrichment factors （EFs）， LODs， LOQs， and precisions of the seven PAHs

Compound	Linear range/（μg/L）	R²	EF	LOD/（μg/L）	LOQ/（μg/L）	RSDs/% （n=5）
Compound	Linear range/（μg/L）	R²	EF	LOD/（μg/L）	LOQ/（μg/L）	Intra-day	Inter-day
Nap	0.20‒100	0.9974	94	0.039	0.13	4.1	1.4
Flu	0.20‒100	0.9916	113	0.048	0.16	6.2	2.3
Ana	0.20‒100	0.9920	126	0.048	0.16	4.6	1.4
Phe	0.20‒100	0.9918	106	0.032	0.11	5.3	3.1
Flt	0.20‒100	0.9960	109	0.021	0.070	2.2	2.0
Pyr	0.20‒100	0.9901	61	0.049	0.16	5.2	4.2
Chr	1.0‒100	0.9920	84	0.089	0.30	8.3	3.9

表2 湖水样品中7种多环芳烃在3个水平下的加标回收率（n=5）

Table 2 Recoveries of the seven PAHs in lake samples spiked at three levels （n=5）

Compound	1.0 μg/L		10 μg/L		50 μg/L
Compound	Recovery/%	RSD/%	Recovery/%	RSD/%	Recovery/%	RSD/%
Nap	80.4	8.5	93.9	3.4	97.7	3.4
Flu	90.5	2.0	93.0	2.2	101	2.2
Ana	97.6	6.1	103	4.4	111	4.4
Phe	79.5	2.9	85.2	3.0	99.4	3.0
Flt	104	1.1	104	3.5	102	3.5
Pyr	96.1	8.8	104	3.6	101	3.6
Chr	99.5	7.4	91.2	8.0	84.1	1.2

图8 （a）实际湖水样品和（b）加标（10 μg/L）湖水样品经SPME后的色谱图

Fig. 8 Chromatograms of （a） a real lake water sample and （b） a spiked （10 μg/L） lake water sample after SPME

图9 仪器分析实验教学安排

Fig. 9 Teaching arrangement for the instrumental-analysis experiment

参考文献

[1]	Liu Y Y， Wang P， Liu Q， et al. Research and Exploration in Laboratory， 2019， 38（10）： 198
[1]	柳玉英，王平，刘青，等. 实验室研究与探索， 2019， 38（10）： 198
[2]	Zheng H J， Xu H， Jia Q. University Chemistry， 2023， 39（1）： 119
[2]	郑海娇，许海，贾琼. 大学化学， 2023， 39（1）： 119
[3]	Li X R， Yan H， Long X. Chinese Journal of Chemical Education， 2023， 44（14）： 81
[3]	李小蓉，闫浩，龙旭. 化学教育（中英文）， 2023， 44（14）： 81
[4]	Li F， Cao Q E， Ling J， et al. Journal of Yunnan University， 2020， 42（S1）： 18
[4]	李菲，曹秋娥，凌剑，等. 云南大学学报（自然科学版）， 2020， 42（S1）： 18
[5]	Li M L， Liu H L， Chen H， et al. Research and Exploration in Laboratory， 2015， 34（4）： 189
[5]	李明利，刘海玲，陈皓，等. 实验室研究与探索， 2015， 34（4）： 189
[6]	Liu J， Tian W C， Wu F， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2024， 42（10）： 1006
[6]	刘锦，田文锠，吴帆，等. 色谱， 2024， 42（10）： 1006
[7]	Liu Z， Su Y， Yang D W， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2024， 42（11）： 1094
[7]	刘壮，苏瑛，杨东伟，等. 色谱， 2024， 42（11）： 1094
[8]	Jia Q， Ma J T， Xu H. Chinese Journal of Chemical Education， 2021， 42（24）： 54
[8]	贾琼，马玖彤，许海. 化学教育（中英文）， 2021， 42（24）： 54
[9]	Zhang J， Xu L， Zhang W P， et al. Research and Exploration in Laboratory， 2023， 42（7）： 156
[9]	张娟，许力，张文鹏，等. 实验室研究与探索， 2023， 42（7）： 156
[10]	Wu X Y， Yao L L， Li S Y， et al. Environmental Chemistry， 2025， 44（1）： 1
[10]	武啸言，姚林林，李诗宇，等. 环境化学， 2025， 44（1）： 1
[11]	Wen J L， Li Y， Li Y. Journal of Lake Sciences， 2024， 36（4）： 1082
[11]	温佳乐，李岩，李晔. 湖泊科学， 2024， 36（4）： 1082
[12]	Mallah M A， Li C X， Mallah M A， et al. Chemosphere， 2022， 296： 133948
[13]	Xu J Q， Zheng J， Tian J Y， et al. TrAC-Trends Anal Chem， 2013， 47： 68
[14]	Zhang W M， Li Q Q， Fang M， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2022， 40（11）： 1022
[14]	张文敏，李青青，方敏，等. 色谱， 2022， 40（11）： 1022
[15]	Yan L F， Lǚ Y， Shao L， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2014， 32（12）： 1295
[15]	颜丽芬，吕研，邵琳，等. 色谱， 2014， 32（12）： 1295
[16]	Liu H X， Yang C L， Rao H H， et al. Journal of Instrumental Analysis， 2023， 42（12）： 1573
[16]	刘海霞，杨彩玲，饶红红，等. 分析测试学报， 2023， 42（12）： 1573
[17]	Li Y， Liu Y， Sun X W， et al. Environmental Chemistry， 2015， 34（8）： 1460
[17]	李荫，柳叶，孙晓伟，等. 环境化学， 2015， 34（8）： 1460
[18]	Zhu J Y， Li L Z， Zhu X H， et al. Environmental Monitoring in China， 2019， 35（3）： 8
[18]	朱俊彦，李良忠，朱晓辉，等. 中国环境监测， 2019， 35（3）： 8
[19]	Liao K R， Mei M， Li H N， et al. J Sep Sci， 2016， 39： 566e575
[20]	Zhang Z R， Mei M， Huang Y M， et al. J Sep Sci， 2017， 40： 733e743
[21]	Chen H X， Lu M， Huang X J. J Chromatogr A， 2022， 1675： 463144
[22]	Chen H X， Wu J Y， Xiong Q B， et al. Microchem J， 2023， 189： 108575