用于环境污染物质谱分析的可持续预处理技术的进展

《Green Analytical Chemistry》：Advances in sustainable pretreatment techniques for mass spectrometry analysis of environmental pollutants

环境污染监测与质谱联用技术中绿色预处理方法的研究进展。

　　在当今工业化和城市化进程不断加速的背景下，环境污染物的种类和数量急剧增加，对生态系统和人类健康构成了前所未有的威胁。污染物的来源多种多样，包括工业排放、农业活动、城市生活污水以及交通运输等。这些污染物如持久性有机污染物（POPs）、重金属、药物残留、农药和微塑料等，因其化学稳定性以及生物富集能力，能够长期存在于空气、水体和土壤中，并进一步通过食物链影响人类健康。例如，某些有机污染物具有内分泌干扰特性，长期暴露可能引发癌症、神经系统损伤和发育障碍等问题。面对这些挑战，开发高效、精准且环保的检测方法变得尤为关键。

质谱技术（Mass Spectrometry, MS）作为环境分析的重要工具，因其高灵敏度、高选择性和对痕量污染物的定量能力而受到广泛推崇。然而，MS的检测效果高度依赖于样品预处理过程。环境样品通常包含大量干扰物质，如腐殖酸、无机盐和脂类等，这些物质在直接进入质谱系统时会导致严重的基质效应，降低检测灵敏度，并可能造成仪器污染。因此，如何有效去除这些干扰物质，实现目标污染物的高效富集与分离，成为提升MS检测性能的关键环节。

传统预处理方法，如液液萃取（LLE）、索氏萃取（SE）和常规固相萃取（SPE），虽然在环境分析中发挥了重要作用，但它们往往存在高溶剂消耗、操作繁琐、毒性高以及二次污染等问题。这些问题限制了其在现代环境分析中的应用，特别是在对高灵敏度和高选择性要求日益提高的背景下。因此，绿色预处理技术应运而生，成为环境分析领域的重要发展方向。

绿色预处理技术的核心在于减少对传统有机溶剂的依赖，提高操作的环保性与可持续性。这类技术不仅降低了对环境的污染，还显著提升了检测的效率与准确性。近年来，绿色溶剂和绿色吸附材料的创新尤为突出。例如，天然深共融溶剂（NADESs）由氢键供体和受体组成，具有良好的生物降解性、低毒性和可调节的物化性质，适用于多种污染物的提取，如酚类、农药、染料和重金属等。同时，超临界二氧化碳（scCO?）作为一种非毒性、非易燃且可回收的绿色溶剂，因其独特的物理化学性质被广泛应用于样品预处理过程。通过调节温度和压力，scCO?能够有效提取不同极性的污染物，如多环芳烃（PAHs）、农药残留和重金属络合物。

除了绿色溶剂，绿色吸附材料也在环境分析中展现出巨大潜力。例如，基于纤维素的材料因其可再生性、可降解性和低成本等优势，成为研究热点。通过对其结构进行纳米化或功能化处理，这些材料能够更有效地吸附和富集污染物，如重金属、微塑料和有机污染物。此外，金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、可调的孔隙结构和良好的吸附性能，被广泛用于固相萃取和微萃取技术中。分子印迹聚合物（MIPs）则通过模板导向聚合形成特异性识别位点，能够选择性地提取目标污染物，同时减少其他物质的干扰。

在绿色预处理技术的发展过程中，溶剂免技术（如固相微萃取SPME和磁性固相萃取MSPE）成为一大亮点。这些技术通过物理或机械手段实现污染物的分离与富集，避免了有机溶剂的使用，从而降低了环境污染的风险。例如，SPME技术集采样、萃取和富集于一体，特别适用于挥发性和半挥发性有机物的检测。而MSPE则利用磁性吸附材料，在磁场作用下实现快速分离，适用于多种环境样品的分析。

自动化技术的引入进一步提升了绿色预处理方法的效率和精度。通过自动化流程，从样品采集到预处理再到数据输出，整个过程可以实现高度标准化和高效运行。这不仅减少了人为操作带来的误差，还降低了试剂的浪费，提高了检测的可持续性。例如，基于液处理平台的自动化系统能够实现多样品的高效预处理，而旋转盘萃取系统（RDSE）则通过精确的流控技术，实现了绿色溶剂与高效萃取的结合。

绿色预处理技术与质谱的结合，为环境污染物的检测提供了全新的解决方案。质谱技术以其高灵敏度和高分辨率的能力，能够对复杂环境样品中的痕量污染物进行精准识别和定量分析。而绿色预处理则通过去除基质干扰和富集目标污染物，显著提升了质谱的检测性能。例如，某些研究将NADES与MSPE结合，用于土壤和水体中有机氯农药的检测，取得了良好的效果。此外，将新型绿色溶剂与高效萃取技术结合，如基于共价有机框架（COFs）的固相微萃取技术，也显示出其在痕量污染物检测中的巨大潜力。

绿色预处理技术的应用不仅限于实验室研究，还逐步拓展到实际环境监测领域。例如，在水体分析中，使用SPME和MSPE技术可以实现对农药、药物残留和内分泌干扰物的高效检测，同时减少溶剂使用和环境污染。在土壤监测中，绿色预处理技术能够有效提取重金属和有机污染物，为污染评估和生态修复提供可靠的数据支持。而在大气监测中，通过使用SPME纤维和便携式GC–MS设备，可以实现对空气污染物的快速、低耗和现场分析。

然而，绿色预处理技术的广泛应用仍面临一些挑战。首先，技术的环保性是相对的，需要综合考虑其在不同维度上的表现，如毒性、可降解性、可再生性和生命周期成本。其次，设备和试剂成本较高，特别是在规模化应用时，可能会影响其经济可行性。此外，标准化方法的缺乏也限制了这些技术的推广和应用。因此，未来的研究应更加注重多维度的绿色性评估，同时探索更加经济、高效的材料和方法，以实现从实验室到工业应用的顺利过渡。

展望未来，绿色预处理技术与质谱的智能和自动化结合将成为环境分析的重要趋势。通过引入机器人、微流控技术和人工智能，未来的环境监测系统将具备无人值守、实时决策和高精度源识别的能力。这不仅有助于提升检测效率和可靠性，还将为实现“零污染”目标提供坚实的技术支持。随着绿色化学理念的不断深化，环境分析技术也将朝着更加环保、智能和高效的方向发展，为全球环境治理和可持续发展贡献更多力量。