固相微萃取原理及其在化学分析中的应用.

固相微萃取原理及其在化学分析中的应⽤.
固相微萃取原理及其在化学分析中的应⽤
陈⽼师
（哲博化⼯科技有限公司哲博检测中⼼，浙⼤国家⼤学科技园，杭州310013，
Email：zhebocs@/doc/b614417847.html
）
⾃从1990 年Pawliszyn 等提出了⼀种新的固相萃取技术———固相微萃取( solid phase microextraction , SPME)以来，SPME 已迅速应⽤在各种化学分析领域。

SPME是⼀种基于⽓固吸附(吸收) 和液固吸附(吸收) 平衡的富集⽅法,利⽤分析物对活性固体表⾯(熔融⽯英纤维表⾯的涂层) 有⼀定的吸附(吸收) 亲合⼒⽽达到被分离富集的⽬的。

⾃1994 年SPME 装置商品化以来,该技术取得了较快的发展,除了主要与⽓相⾊谱(GC) 联⽤外,还可与⾼效液相⾊谱(HPLC) 、⽑细管电泳(CE) 以及紫外分光光度(UV)等多种分离分析技术联⽤。

SPME 已开始应⽤于分析⽔、⼟壤、空⽓等环境样品,以及⾎、尿等⽣物样品和⾷品、药物等各个⽅⾯
⼀、固相微萃取及⽓质联⽤技术的原理和优点
SPME技术是根据有机物与溶剂之间的“相似者相溶”的原则,利⽤⽯英纤维表⾯的⾊谱固定相或吸附剂对分析组分的吸附作⽤,将组分从试样基质中萃取出来,并逐渐富集,完成此试样前处理过程1在进样过程中,利⽤⽓相⾊谱进样⼝的⾼温将吸附的组分从固定相中解吸下来,由⾊谱仪进⾏分析。

对于⼀个单组分的单相体系,当被分析有机物在萃取头与萃取体系之间达到平衡时,分析物与萃取头之间有⼀分配系数K,该分配系数与分析物在萃取体系中的量有如下关系:
式中:N 为吸附于萃取头上分析物的量; C0 为萃取前分析物在样品中的浓度; K 为分析物在萃取头和样品间的分配系数; Cs 为分析物在萃取后样品中的浓度; Cf 为分析物在萃取头中的浓度; Vf 为萃取头的体积; Vs 为样品的体积。

可以看出,体系中的K及Vf 值是影响⽅法灵敏度的重要因素。

由于K Vf n Vs ,所以上式近似为N = K C0 Vf , K值取决于萃取头的固定相类型,⽽对⼀特定的萃取头,其体积Vf 是⼀个定值,故N 与C0 之间成线性关系, C0 可由⽓相⾊谱仪测定。

上⾯公式的推导从化学热⼒学平衡态化学势相等的原理可以得出,但是实际体系往往是多组分共存因此,组分的K值不仅与同⼀组分不同相内的含量有关,⽽且与其他组分的含量也有关1实际的数学表达式较为复杂,但由于在所分析样品中的组分的含量⼀般较低,彼此的作⽤可以忽略,因此上式仍有⼀定的代表性,可解释SPME中的各种现象。

⼆、SPME特点
SPME 装置是在⼀⽀长约1 cm 长的熔融⽯英纤维上涂敷⼀层厚度为30～100µm ⾼聚物固定相,如聚甲基硅氧烷或聚丙烯酸酯。

纤维与形如注射器装置的不锈钢柱塞相连,收缩在不锈钢针头之中。

压柱塞从针头中抵出纤维并与试样溶液或顶空接触,使分析物被吸附(吸收) ⽽分配到涂敷层内。

富集在纤维上的分析物,在⽓相⾊谱仪进样⼝通过热解吸(解脱) 到⾊谱柱中。

在HPLC 的情况下,籍助SPME--HPLC的接⼝将吸附在纤维上的分析物传送⾄分析柱。

SPME 的特点是集取样、萃取、富集、进样于⼀⾝。

⼀般的试样预处理⽅法只能完成其中的⼀、⼆步,⽽SPME 根据⾃⾝的特点,集多步为⼀体,简化了试样预处理过程。

SPME 易于操作,是试样与固相涂层直接作⽤,⼏乎不消耗溶剂,降低了成本,保护了环境。

SPME 的速度取决于分析物分配平衡所需的时间,⼀般在2～30 min 内即可达到平衡。

该技术适⽤于微量或痕量组分的富集。

三、固相微萃取的萃取条件
SPME固定相的选择1选⽤何种固定相应综合考虑分析组分在各相中的分配系数、极性与沸点,其基本原则是“相似相溶原理”,可依据所分析物的分⼦量和极性的不同,选取最合适分析组分的固定相1⼩分⼦量或挥发性的化合物通常选
⽤100µmPDMS萃取头;⼤分⼦量或挥发性的化合物通常选⽤30µm或7µmPDMS萃取头;强极性的化合物通常选⽤85µmPA萃取头;极性挥发性的样品(如⼄醇、胺类)选⽤65µmPDMS/DVB萃取头。

SPME的萃取⽅式有两种：⼀种为顶空式,适⽤于所有基质的试样中挥发性、半挥发性分析组分,另⼀种为直接浸⼊式,它仅适⽤于⽓体样品及洁净液体样品的分析。

天然产物的分析⼀般采⽤顶空分析法,它适⽤于所有天然产物中挥发性、半挥发性组分以及衍⽣后挥发性、半挥发性组分,检测限可达pp t级。

萃取时间是从⽯英纤维与试样接触到吸附平衡所需的时间。

影响萃取时间的因素很多,例如分配系数、试样的扩散速度、试样量、容器体积、试样基质、温度等1在萃取过程中,初始阶段,分析组分很容易且很快富集到⽯英固定相中,随着时间延长,富集速度越来越慢,接近平衡状态时即使延长时间,对富集也⽆意义。

因此在摸索⽅法是必须作富集--时间曲线,从曲线上找出最佳萃取时间。

⼀般萃取时间在5～60 min,但也有例外。

SPME萃取体系存在着多种平衡,有的样品不会被完全萃取出来,例如天然产物的萃取。

但这对天然产物的成分分析及相对含量的计算没有影响。

若需要定量分析,只要保证萃取条件完全相同,即可得到准确的定量结果。

实验中可通过加热、增加涂层的厚度、进⾏搅拌、使⽤⽆机盐、改变pH值、进⾏衍⽣化、改变萃取⽅式等⽅法,来提⾼萃取效率。

萃取的选择性主要取决于涂层材料的性能。

按照分析物易被与其极性相似的固相所萃取的原则,选择合适的SPME 涂层。

最常⽤作固相涂层的物质是聚甲基硅氧烷(PDMS) 和聚丙烯酸酯(PA) ,均可⽤于⽓相和液相⾊谱。

前者多应⽤于⾮极性化合物如挥
发性化合物、多环芳烃和芳⾹烃,⽽后者多应⽤于极性化合物如三嗪和苯酚类化合物。

固相层可以⾮键合、键合或部分交联的形式涂敷在⽯英纤维上。

涂层在有机溶剂中的稳定性按以下顺序减⼩:键合相> 部分交联> ⾮键合相。

⾮键合相在有机溶剂中还有较⼤的溶胀性。

将⼀些聚合物,如聚⼆⼄烯基苯和碳分⼦筛,加到涂层中,可以增⼤涂层的表⾯积,改进SPME 的效率。

Supelco 公司⽣产涂敷有各种固定相的商品SPME ⽯英纤维。

除常⽤的聚甲基硅氧烷和聚丙烯酸酯外,还有⼀些部分交联的复合固相涂层材料,如聚⼆甲基硅氧烷/⼆⼄烯基苯(PDMS/DVB) ⽤于芳烃和挥发性化合物,聚⼄⼆醇2⼆⼄烯基苯(CW2DVB) ⽤于极性化合物如醇类化合物,⽽聚⼄⼆醇模板树脂(CWTPR) 则⽤于离⼦化的
表⾯活性剂。

四、⽅法的建⽴
需要强调的是,在SPME 操作中并不⼀定要达到完全的萃取或平衡。

重要的是保持采样条件的⼀致性。

影响采样的因素包括有采样时间、温度、纤维浸⼊深度等。

增加涂层厚度可使更多的的分析物被萃取。

厚的涂层较适合于挥发性化合物的保留,但受传质的影响,解吸速度慢,容易造成残留的试样进⼊以后的分析中。

为了随后进⾏定量分析,必须保持响应值与分析物初始浓度之间的线性关系,试样浓度不能过⾼(如对于挥发性化合物,在50µg/ L 以下) ,试样体积不能过⼤( < 5 mL) ,使萃取处于吸附等温线的线性范围内。

在许多情况下,向试样中加⼊电解质能增加溶液的离⼦强度,从⽽使分析物的溶解度降低,提⾼萃取效率。

NaCl 是经常使⽤的电介质。

同样,改变试样的pH 值对酸、碱性物质的萃取率也有较⼤的影响。

在HPLC 中流动相条件对溶质保留的影响与上述观察到的现象是⼀致的。

搅拌可缩短萃取时间。

但是,不⼀致的搅拌⽐不搅拌进⾏SPME 更差。

五、固相微萃取--⽓质联⽤技术的原理和优点
样品被SPME萃取、富集后,完成前处理过程,然后在⽓相⾊谱质谱联⽤仪( GC2MS)进样⼝解析并进样,样品混和物经⾊谱柱分离,去掉载⽓进⼊质谱仪,在⾼真空的环境中,组分中的分⼦受到能量轰击,分⼦或失去⼀个电⼦成为分⼦离⼦,或被轰为碎⽚离⼦,其中带正电的碎⽚受电场加速进⼊质量分析器,质量分析器可以检测到不同质量离⼦的数量,以数量的质荷⽐对其数量(丰度)作图,即为质谱图。

⾊谱峰所在位置的质谱图,若与谱库中的标准化合物的质谱图匹配率⾼,且保留时间相同,即可鉴定是该组分的化学结构。

所以, SPME2GC2MS是⼀种的新型萃取分离鉴定技术。

物质经SPME前处理后,进⼊⽓相⾊谱仪分离,然后在质谱仪中得到质谱图,经质谱图解析,结合GC的保留时间,来共同定性化合物结构式。

此项技术与传统⽅法⽐较优点在于:⽆需溶剂,简单快速,经济⽆毒害,准确度灵敏度⾼,能⽅便地进⾏联⽤。