固相微萃取(SPME)技术

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1、固相微萃取技术 前言 试样的预处理是样品分析中至关重要的一环 传统的样品预处理方法往往手续复杂 耗时 具有溶剂消耗量少 对样品污染少 预处理时间短等优点的固相萃取技术已广泛地应用于环境的监测与分析中 成为一种常规分析方法 固相萃取 SPE 及固相微萃取 SPME 技术简介 一 背景环境样品分析中所涉及的环境和生物等样品基体复杂 且待测元素和物质在样品中的含量一般都很低 所以往往需要对样品进行分离预富集 其要求一般为 高的富集效率 分离富集过程中需保持真实样品中各物质之间的平衡 尽可能消除杂质或溶剂的影响 减小基体效应 传统溶剂法的问题 有机溶剂用量大 富集倍数低 操作繁琐 费时 分析物的损失和

2、污染 二 固相微萃取 SPME 和固相萃取 SPE 固相微萃取 SolidPhaseMicroextraction SPME 是在固相萃取 SolidPhaseExtraction SPE 基础上发展起来的一种新型萃取分离技术 固相微萃取 SPME 是由加拿大Waterloo大学Pawliszyn于1990年提出 ArthurCl PawliszynJ Anal Chem 1990 62 2145 美国Supelco公司于1993年推出了商品化的固相微萃取装置 由于该法既不使用溶剂 也不需要复杂的仪器设备 它一经出现就得到迅速的发展 三 固相萃取 SPE 固相萃取 SolidPhaseExtr

3、action SPE 是由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来的 其广泛应用起始于1978年美国Waters公司首先将商品sep pak投放市场 它是一种填充固定相的短色谱柱 用于浓缩被测组分或除去干扰物质 SPE是一个柱色谱分离过程 分离机理 固定相和溶剂的选择等方面与高效液相色谱 HPLC 有许多相似之处 不同之处是 SPE柱的填料粒径 40 m 要比HPLC 3 10 m 大 由于短的柱床和大的填料粒径 因此其柱效很低 一般为10 50塔板 1 用途 分离效率低的SPE技术主要用于处理试样 其目的为 1 从试样中除去对以后分析有干扰的物质 2 富集痕量组分 提高分析灵敏度 3 变换试样

4、溶剂 使之与分析方法相适应 4 原位衍生 5 试样脱盐 6 便于试样的储存和运送 2 固相萃取的基本原理 固相萃取的原理与液相色谱分离过程相仿 是一种吸附剂萃取 主要用于液体样品的处理 A 当试样通过装有合适的固定相时 被测组分由于与固定相作用力较强而被吸附留在柱上 并因吸附作用力的不同而彼此分离 样品基质及其他成分与固定相作用力较弱而随水流出萃取柱 B 被萃取组分用少量的选择性溶剂洗脱 因此 SPE技术不仅用于 清洗 样品 除去干扰成分 而且可以使组分分离 达到浓缩或纯化的目的 3 固相萃取的装置固相萃取的装置主要分柱型和盘型两种 体材料通常是用医用级聚丙烯 在两片聚丙烯筛板之间填装吸附剂

5、也可选用玻璃 纯聚四氟乙烯 PTFE 作为柱体材料 吸附剂最多使用的是C18相 该吸附剂疏水性强 在水相中对大多数有机物显示保留 此外 也使用其他具有不同选择性和保留性质的吸附剂 如 C8 氰基 苯基 双纯基填料 活性碳 硅胶 氧化铝 硅酸镁 高分子聚合物 离子交换树脂 排阻色谱吸附剂 亲和色谱吸附剂等 常用洗脱溶剂有 甲醇 水 乙酸 丙醇 异丁醇 乙酸乙酯 氯仿 二氯甲烷 乙醚 苯 甲苯 四氯化碳 环己烷 正己烷等 4 SPE的操作步骤及方法的建立 SPE操作步骤包括有柱预处理 加样 洗去干扰物和回收分析物四个步骤 1 柱预处理以反相C18SPE柱的预处理为例 先使数毫升的甲醇通过萃取柱 再

6、用水或缓冲溶液顶替滞留在柱中的甲醇 柱预处理有两个目的 除去填料中可能存在的杂质 使填料溶剂化 提高固相萃取的重现性 填料未经预处理或未被溶剂润湿 能引起溶质过早穿透 影响回收率 2 加样预处理后 试样溶液被加至并通过SPE柱 在该步骤 分析物被保留在吸附剂上 加到萃取柱上的试样量取决于萃取柱尺寸 填料量 和类型 在试样溶剂中试样组分的保留性质和试样中分析物及基质组分的浓度 3 除去干扰杂质用中等强度的溶剂 将干扰组分洗脱下来 同时保持分析物仍留在柱上 对反相萃取柱 清洗溶剂是合适浓度有机溶剂的水或缓冲溶液 通过调节清洗溶剂的强度和体积 尽可能地除去能被洗脱的杂质 4 分析物的洗脱和收集这一步

7、骤的目的是将分析物完全洗脱并收集在最小体积的馏分中 同时使比分析物更强保留的杂质尽可能多地留在SPE柱上 5 SPE的应用 1 SPE在环境样品中的主要应用是对环境水样的预处理 如 盘式SPE的使用 可使1L水的处理时间缩短到10min 与通常的液 液萃取相比 减少了大量的时间和劳动强度 减少使用大量的有机溶剂 降低了对人体和环境的影响 环境水样从野外采集后 由于条件限制不能马上分析 需存放在冰箱内送往实验室 造成运输 保存的极大困难 而固相萃取技术可以在野外直接萃取水样 将萃取后的介质送往实验室 这样 不但极大地缩小了样品体积 方便运输 而且污染物吸附在固相介质上比存放在冰箱的水样中更为稳定

8、 2 除环境水样外 SPE也被用于大气样品的前处理 用于萃取大气污染物 美国EPA使用SPE技术净化和富集的部分方法 多环芳烃多环芳烃是在自然界中广泛存在的一类有机污染物 其中某些化合物具有相当强的致畸 致癌或致突变作用 它们现在水体中都广泛存在 而且含量低 种类多 对其进行快速 准确的定性定量一直是分析化学及环境分析化学的前沿研究领域 与经典的液 液萃取 LLE 相比 固相萃取具有节省时间 溶剂用量少 不易乳化等特点 例1 用固相萃取技术富集水中的多环芳烃 贾瑞宝等 色谱 1997 15 6 524 526 1 固相萃取条件 将填料为C18的富集小柱 500mg 天津开发区色谱技术公司 先用

9、2mL二氯甲烷清洗柱床 抽空流出液 再依次通过5mL甲醇和5mL水 在柱子被抽空前接上盛有100mL水样的碘量瓶 以5mL min的抽速上样 待水样全部抽完后 用5mL蒸馏水清洗柱体 并维持真空10min 最后用合适的溶剂洗脱被分析组分 2 色谱条件 在室温下 以1mL min的甲醇 水 90 10 作流动相进行等度淋洗 荧光检测器使用各组分的最佳激发 发射波长 nm 菲 280 380 荧蒽 365 462 苯并 a 芘 297 405 茚并 1 2 3 2cd 芘 300 500 3 结果与讨论 本文主要研究了不同强度和不同用量的淋洗剂及在水样中加入有机改性剂对固相萃取水中多环芳烃回收率的

10、影响 研究发现 二氯甲烷和苯作淋洗剂时回收效果较好 淋洗剂用量超过1 5mL时 对多环芳烃的回收率没有明显的影响 向自来水样品中加入20 的甲醇或乙醇 可明显改善大环结构的多环芳烃的回收率 农药有机磷类 氨基甲酸酯类和拟除虫菊酯类农药是目前国内常用的三大类农药 在生产 运输和使用过程中可能引起中毒或环境污染 中毒事件也屡有发生 建立多类农药同时通过固相萃取和气相色谱进行分析 对于毒物分析 临床急救都具有实际意义 为系统分析有机农药提供一种简便 快速的固相提取方法 例2 固相萃取法提取净化生物检材中三类农药的实验研究 孙静等 环境化学 1995 14 3 221 225 1 固相萃取柱 GDX

11、403 PT系列小柱 500mg C18固相柱 MT型样品净化富集柱 250mg 2 样品 四种氨基甲酸酯类农药 六种有机磷类农药 五种拟除虫菊酯类农药分别在水样和血清样中 4 主要结论A在对水样中的三类农药的处理过程中 从回收率看 GDX 403柱和C18柱比较并无差异 可任意选择 B在GDX 403柱的情况下 水样中对有机磷类农药 比较了6种洗脱剂 苯最差 其余5种均可以 但以氯仿效果最好 C方法适合于水样和血样中上述三类农药的检测 多氯有机化物以往分析环境水样中微量有机物时 根据污染物的极性 挥发性和高温稳定性等选择GC或HPLC进行分析 但水样必须经过分离 富集 纯化等前处理 例如 常

12、采用液 液萃取 蒸馏 结晶 过滤 预沉淀 离心等方法 这些步骤烦琐 耗时 约占整个分析过程的三分之二时间 也是不同实验室间误差的主要来源 使用固相萃取技术则克服了上述前处理的缺点 该技术设备简单 价廉 使用溶剂少 可高效率 有选择性地分离和富集不同的样品 例3 固相萃取技术在水体有机物分析中的应用 董玉瑛等 环境科学进展 1999 7 4 84 90 分析 1 实验方法 用甲醇活化了的SPE C18 柱富集1L水样中PCOCs 控制流速在1L h 提取结束时将柱用氮气吹干后 分别以二氯甲烷 二氯甲烷 正己烷 1 1 各5ml进行洗脱 控制流速2ml min 洗脱液经无水硫酸钠脱水后 进行旋转蒸

13、发 浓缩约至0 5ml时 加入150 l壬烷 再继续旋转蒸发浓缩约至200 l 改用N2缓慢吹至100 l左右 加入含有五氯甲苯 PCT 和十氯联苯 DCB 两种内标物的混合液10 l 浓度为 10ng l 充分均匀后 转入小样品瓶中 进行GC分析 2 仪器条件 GC ECD条件 色谱柱 HP 5毛细管色谱柱 30m 0 25mm 温度 气化室温度为220 检测器温度为280 柱温开始为60 然后以12 min升至140 再以8 min升温至280 并保持5min 无分流进样 载气为He 补偿气体为N2 流速2 0ml min 柱 10Pasi 进样量 1 l 3 结果 根据条件实验建立了同时

14、分析22种PCOCs的方法 测定的PCOCs包括6种被认为具有强致癌活性的多氯联苯化合物 16种有机氯农药 OCPs HCH DDT DDE DDD OCS HE等 其浓度变化范围在0 1 6 0ng L之间 组分的回收率大多在60 以上 本方法具有简便 快速 精确和灵敏等优点 酚类酚类不仅是医药 染料 化工的中间体 而且还可作杀虫剂和农药 如五氯酚是木材的防腐剂 饮用水氯化处理产生卤代酚等 由于酚类化合物毒性较大 美国EPA已将11种酚类化合物列入优先监测的有机污染物 采用固相萃取 SPE 水中ng级的酚类化合物 结合HPLC 紫外检测器分析 无需衍生化即可使苯酚等11种酚类化合物获得良好的

15、分离 例4 固相分离衍生剂气相色谱法高灵敏度测定酚类化合物 陶钢等 现代科学仪器 1999 1 2 77 78 1 固相萃取柱 C18 500mg 2 采样制样方法 取水样100ml 如有大量沉淀或悬浮物 则过滤 仔细加入固体NaOH使水样pH 12 以10ml二氯甲烷洗涤两次后备用 3 实验方法 空气中卤代烃环境空气中的有机化合物具有痕量 复杂 多组分等特点 由于受分析方法检测限的限制 往往不能直接测定 以往的溶剂吸附法 难以达到高灵敏度已不经常应用 而冷凝法由于水蒸汽的凝结影响使用也不能普遍推广 目前常采用活性碳 硅胶 多孔性有机聚合物等固相萃取剂填充小柱 玻璃柱 长6 10cm 内径3

16、5mm 两端用玻璃棉填充 两端密封后供采样用 例5 毛细管气相色谱法测定环境空气中的氯仿 张莘民等 中国环境监测 2000 16 1 26 27 1 固相萃取柱 采样管 10cm 6mm 内装13g活性炭 两端填装玻璃棉 活性炭 分析纯 20 40目 在马福炉内于350 灼烧3h 放冷后备用 2 仪器 HP 6890型气相色谱仪 电子捕获检测器 Ni源 HP23365化学工作站 HP25弹性石英毛细管柱 30m 0132mm 0125um 大气采样器 应用2020型大气采样器 3 采样方法 在被测厂的周围设置了5个采样点 连续采集六天 每天四次 分别在每天的2时 7时 14时 19时进行采样 一次采集40min 流速为0 5L min 一次采样体积为20L空气 4 结论 使用SPE结合毛细管柱GC ECD可以检测环境空气中的微量氯仿 由于采用程序升温 使溶剂峰和氯仿峰可以完全进行分离 而且具有较好的精密度 本法也同样可用于污染源排放到空气中氯仿的测定 例6 环境水样中邻苯二甲酸酯固相膜萃取预富集方法 戴树桂等 中国环境科学 2000 20 2 146 149 固相膜是继固相柱萃取后发展