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1、固相微萃取 Solid Phase Micro Extraction,摘要：固相微萃取 (SPME)是一种新型的样品预处理方法 ,随着对此技术发展的深入理解 ,新型SPME装置不断得到应用和发展。本文对其原理、装置、应用和发展的现状进行了综述。固相微萃取技术的发展主要体现在新型涂层材料的出现及其在环境、食品、生物等领域应用的不断深入两个方面。,Abstract：Solid phase microextraction (SPME) is a new sample pretreatment method, with the in-depth understanding of the develop
2、ment of this technology, the new SPME device has been applied and developed. This paper has summarized the progress of its principle, equipment, application and development. Development of solid-phase microextraction technique is mainly reflected in the emergence of new coating material and its furt
3、her application in two aspects of environment, food, biological and other fields.,一、引言,样品预处理是样品分析过程中最关键和最耗时的环节.传统的溶剂萃取是样品预处理常用手段之一,但它具有使用有毒的有机溶剂、操作繁琐、不易与其它分析仪器联用等缺点.近年来,为提高分析速度和减少对环境的污染,人们发展了无溶剂萃取技术,如顶空萃取(HPE)、超临界流体萃取(SFE)、膜萃取等,它们能有效萃取某些化合物,但其设备复杂,运行成本高,实验条件苛刻,不适于广泛应用.此后出现的固相萃取(SPE),是最常见的吸附萃取.与其它萃取方
4、法比较,有操作简便、经济、适用性强等特点,使用相对较少的溶剂,可以从空气、水、土壤中萃取出有机物,特别是从含水、含气样品中富集有机物,但SPE的萃取柱体易堵塞,膜上的孔易阻滞,而导致穿透性和重现性低,而且常规SPE需要使用少量溶剂作淋洗液,属于多次富集萃取,对超过溶剂沸点的半挥发性化合物萃取无效.,固相微萃取(SOLID-PHASEMIEROEXTRACTION,简称SPME)是由加拿大WATERLOO大学PAWLISZYN及其合作者于1990年提出的,由SUPELCO公司(美国)1994年推出其商业化产品。该技术从土壤、水、含气、含水样品中有效萃取挥发性有机化合物,半挥发性有机化合物(VOC
5、S).固相微萃取作为一种简单、快速、方便的样品前处理技术,自发明以来仅有二十年的历史,由于其独到的平衡方式及采样思路,近年来受到了国内外学者的普遍关注,并得到了迅速的发展。 SPME的优点是完全消除了有机溶剂,使萃取、预富集、进样一次完成,减少了分析时间,且可以自动进样。SPME适用于多种样品,如:农药残留、酚类、多氯联苯(PCBS)、多环芳烃(PAHS)、脂肪酸、胺类、醛类、苯系物、非离子表面活性剂、食品、药品及生物样品等的预处理。SPME对有机物具有较高的选择性,在分析挥发性与半挥发性有机物上更能显示出其优越性,特别适用于水相基体中超微量有机物的萃取分离,已成为化学分析和仪器分析的强有力的
6、检测手段。近年来,SPME和气相色谱(GC)联用,与高灵敏度的检测器如质谱(MS)、电子捕获检测器(ECD)、原子发射光谱检测器(AED)结合,可使分析的检出限达到G/LNG/L量级，相对标准偏差小于30%,线性范围为35个数量级；与高效液相色谱(HPLC)和毛细管电泳(CE)结合也有一定进展。,二、原理装置,SPME方法包括吸附和解吸两步。吸附过程中待测物在样品及石英纤维萃取头外涂渍的固定相液膜中平衡分配，遵循相似相溶原理。这一步主要是物理吸附过程，可快速达到平衡。如果使用液态聚合物涂层，当单组分单相体系达到平衡时，涂层上吸附的待测物的量与样品中待测物浓度线性相关。解吸过程随SPME后续分离
7、手段的不同而不同。对于气相色谱（GC），萃取纤维插入进样口后进行热解吸，而对于液相色谱（LC），则是通过溶剂进行洗脱。,装置,SPME萃取模式 （1）直接萃取（Direct Ectraction SPME） 直接萃取方法中，涂有萃取固定相的石英纤维被直接插入到样品基质中，目标组分直接从样品基质中转移到萃取固定相中。在实验室操作过程中，常用搅拌方法来加速分析组分从样品基质中扩散到萃取固定相的边缘。对于气体样品而言，气体的自然对流已经足以加速分析组分在两相之间的平衡。但是对于水样品来说，组分在水中的扩散速度要比气体中低3-4个数量级，因此须要有效的混匀技术来实现样品中组分的快速扩散。比较常用的混匀
8、技术有：加快样品流速、晃动萃取纤维头或样品容器、转子搅拌及超声。这些混匀技术一方面加速组分在大体积样品基质中的扩散速度，另一方面减小了萃取固定相外壁形成的一层液膜保护鞘而导致的所谓“损耗区域”效应。 （2）顶空萃取(Headspace SPME) 在顶空萃取模式中，萃取过程可以分为两个步骤：、被分析组分从液相中先扩散穿透到气相中；、被分析组分从气相转移到萃取固定相中。这种改型可以避免萃取固定相受到某些样品基质 （比如人体分泌物或尿液）中高分子物质和不挥发性物质的污染。在该萃取过程中，步骤2的萃取速度总体上远远大于步骤的扩散速度，所以步骤成为萃取的控制步骤。因此挥发性组分比半挥发性组分有着快得多
9、的萃取速度。实际上对于挥发性组分而言，在相同的样品混匀条件下，顶空萃取的平衡时间远远小于直接萃取平衡时间。 （3）膜保护萃取（Membrane-protected SPME） 膜保护SPME的主要目的是为了在分析很脏的样品时保护萃取固定相避免受到损伤，与顶空萃取相比，该方法对难挥发性物质组分的萃取富集更为有利。另外，由特殊材料制成的保护膜对萃取过程提供了一定的选择性。,萃取头,萃取头是固相微萃取装置的核心。 1 萃取头的选择 类似于选择毛细柱或液相柱，主要依据分析物质的分子量（挥发性）与极性。小分子物质或挥发性物质常用厚膜100m萃取头，较大分子或半挥发性采用7m萃取头，非极性物质选择非极性固
10、定相，极性物质选择极性固定相。 2 萃取头的制备技术 （1）物理涂渍法 将熔融的石英棒在光纤塔内熔化，拉制成细丝，冷却后穿过一个装有固定相溶液的有空容器，再经热处理或紫外灯照射，将固定液固定在石英纤维上。此法制得的萃取头大都存在热稳定性差、抗溶剂冲洗能力弱和使用寿命短等缺点。 （2）溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法克服了物理涂渍法的缺点。它的最大有点是在涂层与石英纤维表面之间形成了较强的化学键，制得的萃取头具有高热稳定性、高耐溶剂性和使用寿命长的特点。另外，由于溶胶-凝胶涂层表面具有多孔结构，提高了萃取容量和萃取效率。目前，已广泛地用于固相微萃取涂层的涂渍 。,萃取头,（3）电化学法 利用电化学方法
11、可以将涂层直接沉积在导电支撑材料上，常用的方法有电位法和循环伏安法。通常是利用电沉积法将化合物聚合成膜，直接沉积在金属丝上，用作SPME的萃取头。 （4）直接制备法 主要是指以碳素为基体（石墨、活性炭等）的吸附材料。萃取机理是基于石墨、活性炭等的物理吸附作用，因此在消除记忆效应方面要优于商品化装置，尤其适合萃取气相微量有机物。国内方瑞斌等人最先进这方面的研究，并申请了国家专利2。他们将石墨型碳素基体及其辅导材料混匀，压制并打磨成细棒，经过物理及化学的表面改性处理后作为吸附质，并与微量注射器组装成SPME装置。 （5）高温环氧树脂固定法 将涂层用高温环氧树脂粘在支撑物表面，形成高效的萃取头，操作
12、简单易行。Lee等17用高温环氧树脂将反相键合固定相C8、C18粘在金属丝上，形成键合涂层，用来分析水中的多环芳烃。,固相微萃取的心脏涂层,SPME 涂层的选择 SPME涂层的选择应根据被分析物的性质来确定。根据 相似相溶原理, 一般极性强的被分析物选择极性较强的涂层, 弱极性、非极性的被分析物则选择极性相对较弱或非极性的涂层。此外, 涂层的厚度也会影响被分析物的保留和分离。随着涂层厚度的增加, 保留和分离的时间也随之增加, 所以可通过使用不同厚度的涂层来改变萃取的选择性。纤维涂层的厚度对萃取/ 解吸过程中被分析物的选择性、萃取时间、样品容量、解吸时间, 以及被分析物的贮存( 在萃取之后与解吸
13、之前这一段时间内) 均有影响。选用的固定相涂层首先要对有机大分子有较强的萃取富集能力, 要有较大的分配系数; 其次还需要有合适的分子结构, 保证被分析物在其中有较快的扩散速度, 能在较短的时间内达到分析平衡, 并在加热解析时能迅速脱离固定相涂层, 而不会造成峰的扩展。同时, 由于被分析物是在高温下解析, 因此所选涂层还必须有良好的热稳定性。此外, 为了提高涂层的萃取选择性, 可分别对样品或涂层进行衍生化。,固相微萃取的心脏涂层,涂层的萃取机理 在SPME 中, 涂层萃取分析物存在着两种不同的机理, 即吸附和吸收。从微观的角度看, 吸附是被分析物分子直接键合到涂层表面, 吸收则是分子溶进了涂层的
14、主体内。基于吸附机理的萃取, 因其可进行吸附的表面位置有限, 因此吸附是竞争过程; 而基于吸收机理的萃取, 由于两种性质相似的液体可以以任何比例互溶, 因此吸收是非竞争过程。被分析物在样品中的浓度与基于吸附机理的涂层所萃取的量之间的关系在较小的范围内呈线性; 而基于吸收机理的涂层, 其线性范围则较广。相对于吸收过程来说, 吸附的机理很多,被分析物分子可以通过范德华力、偶极 偶极、静电作用或其他一些弱分子间的作用力与涂层表面相结合。除基于以上两种机理萃取的涂层外, 还有基于离子交换机理的涂层。,涂层种类介绍,1 商品化涂层 在固相微萃取中, 不同类型的涂层具有不同的选择性、热力学稳定性和极性。最
15、早开发的是带有聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和聚丙烯酸酯( PA) 涂层的萃取头。目前, 已有 7 种商品萃取头问世。这些商品化涂层主要由 Supelco 公司研制并生产。其萃取头为熔融石英纤维, 涂层一般可以分为非极性、中等极性和极性 3 种涂层。使用不同极性的涂层具有以下优点: 增加萃取选择性, 用极性相匹配的涂层可增加特殊样品的回收率;可以减少萃取杂质的干扰; 可以从有机基体中萃取出极性化合物。除了根据极性对涂层进行分类之外, 还可按萃取机理将它们分成两类, 即均相的聚合物涂层和多孔颗粒聚合物涂层。前者一般通过吸收来萃取被分析物, 而后者则是通过吸附来萃取。其中, PDMS 和PA 为均
16、相聚合物涂层, 而其它的则为多孔颗粒聚合物涂层。对于PDMS 和PA 的均相聚合物涂层, 往往只能通过增加其涂层厚度来增加其萃取总容量。而对于多孔颗粒聚合物涂层, 则可通过增加涂层的多孔性来增加萃取容量及提高对被分析物的保留能力, 也可以通过增大孔径来增加涂层对被分析物的选择性。表 1 列出了几种商品化涂层, 并对这几种商品化涂层进行了简要说明。,涂层种类介绍,2 非商品化涂层 尽管传统涂层型的 SPME 纤维涂层呈现蓬勃发展的前景, 但它的应用仍有一定的局限性, 如现有有机涂层的耐热性较差, 限制了解吸温度的范围; 吸附质的成本高, 吸附量小, 制作程序要求严格, 使用寿命短等原因使其在推广上受到一定的限制。因此, 制备适合较大范围的 SPME 实验条件、具有较高稳定性、容量相对较大、且在萃取过程中能快速地萃取被分析物、解吸过程中与被分析物能快速地进行分离的涂层, 这些是SPME 发展的关键。 Mangani 等报道了使用石墨化碳黑( GBC) 作为固定相涂层, 从气相或液相中萃取并分析有机污染物,该涂层具有较好的萃取效果。Djo
