固相微萃取技术

固相萃取的分类
• 按照操作的不同,固相萃取可分为离线萃 取和在线萃取。
• 离线萃取是指萃取过程完成后再使用一 些分析手段进行分析;在线萃取出现于 80年代,萃取和分析同步完成,可靠性、 重现性、以及操作性能和工作效率都得 到很大程度的提高。
四、固相萃取的操作步骤
• 典型的固相萃取一般分为四个基本步骤： 1、吸附剂的选择 • 目标物的最佳保留（即最佳吸附）取决于目标 物极性与吸附剂极性的相似程度，两者极性越 相似，则保留越好（即吸附越好）。 • 选择固相萃取中的固定相吸附剂时，要尽量选 择与目标物极性和样品溶剂极性相似的吸附剂。 • 当目标物极性适中时，正、反相固相萃取都可 使用。 • 吸附剂的选择还受样品溶剂洗脱强度的制约。
SPME 萃取头的选择依据
固定相的处理
• 固相微萃取中的关键部位是石英纤维固 定相, 靠它来对分析组分吸附和解吸, 如 果曾用过但上面的组分未被解吸掉则会 对以后的分析结果有干扰。每次使用前 必须将其插入气相色谱进样器, 在250℃ 左右置1h 以去除上面吸附的干扰物, 如 果曾分析过衍生化组分则需要放置更长 时间。
反相固相萃取
• 反相固相萃取所用的吸附剂和目标化合 物通常是非极性的或较弱极性的，反相 萃取过程中目标物质的碳氢键与吸附剂 表面官能团产生非极性作用(包括范德华 力或色散力),使得极性溶剂中的非极性 以及弱极性的物质在吸附剂表面吸附、 富集。
离子交换固相萃取
• 离子交换固相萃取又可分为强阳离子固 相萃取和强阴离子固相萃取两种,作用机 理都是目标物质的带电荷基团同吸附剂 表面的带电基团发生离子静电吸引,从而 实现吸附分离。
固相微萃取的装置
SPME装置略似进样器,典型的SPME装置见右图。特制 不锈钢穿透针A为中空结构，纤维固定针B和萃取纤维C 能在其中移动，熔融石英纤维C上面涂布用于萃取的固 定相，柱塞D控制固定针B的移动使纤维C伸出或退回穿 透针中。当纤维暴露在样品中时，涂层可从液态-气态 基质中吸附萃取待测物。吸附完毕后，萃取纤维C退回 到穿透针中被保护起来，己富集了待测物的纤维可直接 转移到仪器(气相色谱仪，液相色谱仪等)进样口，通过 仪器进样口的能量解吸附，然后进行分离分析。
• 可见，在涂层类型、萃取时间、萃取温度等操作 条件固定的前提下，待测物在萃取涂层中的萃取 量与其初始浓度一定范围内成正比。
表1 固相微萃取方式的比较
Fig.1 SPME Metheds
膜保护萃取（membraneprotected SPME）
• 膜保护S P M E 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H S -SPME 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。
固相微萃取过程
• 固相微萃取在食品分析中的应用已经很广泛，如在挥发性 N- 亚硝胺测定中，其操作的一般过程如下： • 1）固体样品取2.5g 左右，切碎，用一定浓度的NaCl 溶液 定容到一定体积后，装入萃取小瓶，利用磁力搅拌器搅拌， 或者使用超声波震荡，并同时加热到25℃～50℃，平衡 一段时间后，将老化后的S P M E 针管穿透样品瓶隔垫， 插入瓶中。 • 2）推手柄杆使纤维头伸出针管，纤维头置于样品上部空 间（顶空方式），萃取时间约15min。 • 3 ）缩回纤维头，然后将针管退出样品瓶。 • 4）萃取完成后，将SPME 针管插入GC 仪进样口，推手柄 杆，伸出纤维头，热解析萃取物，进入色谱柱，缩回纤维 头，移去针管，完成进样，进行色谱分析。
将液态或溶解后的固态样品倒入活化后的固相萃 取柱，然后利用抽真空，加压或离心的方法使样品 流经吸附剂进行吸附。
4、洗涤和洗脱
• 先用较弱的溶剂将弱保留的干扰化合物 洗掉，再用较强的溶剂将目标物洗脱下 来加以收集。
• 方法:真空或离心 • 将淋洗液或洗脱液流过吸附剂．在多数情况下， 使目标物保留在吸附剂上，最后用强溶剂洗脱， 更有利于样品的净化． • 在选择对目标物吸附很弱或不吸附，而对干扰 化合物有较强吸附的吸附剂时，可先让目标物 淋洗下来加以收集，让干扰化合物保留在吸附 剂上，从而实现两者的分离。
固相萃取技术概述
一、固相萃取的原理
• 固相萃取(Solid Phase Extraction,SPE）就 是利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物 吸附，与样品的基体和干扰化合物分离，然后 再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富 集目标化合物的目的。
二、固相萃取的优点
(1) 简单、快速和简化了样品预处理操作步骤 , 缩短了预处理时间。 (2) 处理过的样品易于贮藏、运输 ,便于实验室 间进行质控。 (3) 操作条件温和,适应的pH范围广。 (4) 不出现乳化现象 ,提高了分离效率。 (5) 仅用少量的有机溶剂 ,降低了成本。 (6) 易于与其他仪器联用 ,实现自动化在线分析。
优点:萃取、净化、浓缩、进样功能于一体,具有操作简单、 所需时间短、无需溶剂、用样量少、选择性强、容易实现自 动化以及易于与色谱、电泳等高效分离检测手段联用等 与SPE法相比，SPME法具有萃取相用量更少、对待测物的 选择性更高、溶质更易洗脱等特点
原理
SPME的萃取机制就是待测物的样品基质和萃取介 质（涂层）间的分配。固相微萃取装置由在微量进 样器中插入一段涂有萃取相的石英纤维构成，当萃 取达到平衡时，进入萃取相的分析物的量为：
五、固相萃取应用
• 固相萃取可用于环境化学、食品、医药 卫生、临床化学、生物化学、法医学等 领域中复杂目标物样品微量或痕量的分 离、富集和分析，具有非常广泛的应用。
固相微萃取(Solid phase MicroExtraction SPME)
固相微萃取是在固相萃取基础上发展起来的,吸收了固相 萃取的优点,摒弃了其需要柱填充物和使用溶剂洗脱解吸附 的弊病,只要一支类似进样器的固相微萃取装置即可完成全 部前处理,通过色谱进样口提供能量完成解吸附和进样 。
• 萃取头是整个SPME 装置的核心，不同固定相所构成的萃取头对物质 萃取吸附能力不同。萃取头的选择包括2 个方面，固定相及其厚度的 选择。 • 萃取头的选择由欲萃取组分的分配系数、极性、沸点等参数共同确定。 一般而言，挥发性越好的样品，需要的薄膜厚度越大，而薄的固定涂 膜较适于半挥发性及不挥发性物质。显然厚膜可以萃取更多的物质， 可有效吸附高沸点组分，但解吸所需的时间也较长。 • SPME 在各个领域的广泛应用，促成了涂层材料的多样化和涂层技术 的不断发展。到目前为止，已实现商品化的以有机高分子聚合物为涂 层材料的探针有：聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷/ 二乙烯基苯、聚乙二醇/ 聚二甲基硅氧烷、C A R / 聚二甲基硅氧烷 等。开发更多的复合涂层材料也是当前研究的热点之一。 • 根据所分析物的分子量和极性选择：小分子量或挥发性的化合物通常 选用1 0 0 u m P D M S 萃取头；大分子量或挥发性的化合物通常选 用30um 或7 u m P D M S 萃取头；强极性的化合物通常选用 85umPA 萃取头；极性挥发性的样品（如乙醇、胺类等）选用 65umPDMS/DVB 萃取头。
N=KfsV1CoV2/（KfsV1+V2）
其中，Co为萃取前分析物在样品中的浓度；Kfs为分 析物在萃取相和试样间的分配系数； V1 为萃取相 的体积；V2为样品的体积。
SPME对有机物的萃取符合“相似相溶”原 则，不同的涂层萃取不同的待测物。非极性 涂层如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，对非极性物 质如烃类效果良好；极性涂层如聚丙烯酸脂 (PA)，对极性物质如苯酚和羧酸类的吸附非 常有效；但在直接SPME中，极性涂层如要 从水中萃取极性化合物，它对待测物的亲和 力必须大于水对待测物的亲和力，否则效果 很差。
影响固相微萃取萃取率的因素
• 萃取头的种类及膜厚 • 萃取时间 萃取时间即萃取达到平衡所需的时 间由待分析物的分配系数、物质的扩散 速率、样品基质、样品体积、萃取头膜 厚等因素决定。一般萃取过程均在刚开 始时吸附量迅速增加,出现一转折点后上 升就很缓慢。因此,可根据实际操作目的 对灵敏度的需求不同,适当缩短萃取时间。
• 搅拌和加热 在萃取过程中对样品进行搅拌和加热有助于样品均一化,缩短平衡 时间。对顶空固相微萃取( HS - SPME) 加热可提高液面上易挥 发有机化合物的浓度,而提高萃取效率。 • 无机盐 向样品中加入(NH4 ) 2SO4 ,Na2SO4 ,NaCl 和K2 CO3等无机盐可 降低有机化合物与基质的亲和力而提高萃取效率。 • p H 缓冲溶液 萃取酸性或碱性物质时,通过调节样品的p H 值可改善组分的亲脂 性,从而大大提高萃取效率。
顶空萃取（HS-SPME）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 在顶空萃取模式中，萃取过程可以分为两个步骤： ①被分析组分从液相中先扩散穿透到气相中；② 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①的扩散速度，所以步骤① 成为萃取的控制步骤。因此挥发性组分比半挥发 性组分萃取速度快。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。
• HS-SPME 法是一个三相萃取体系，即固相(涂层)、 液相(样品)、气相。Zhang & Pawliszyn 等研究了 HS-SPME 的扩散体系及其平衡，并建立了数学 模型：
• n =C0V1V2K1K2 ／(K1K2V1+K2V3+V2)
其中，n 为被萃取组分的绝对量，C0 为待测物在样品中 的初始浓度，K1、K2 分别是待测物在固相与气相、气相与 液相间的分配系数。V1、V2、V3 分别是固相、液相和气相 的体积。
2、吸附剂的活化
在萃取样品之前要用适当的溶剂淋洗固相萃 取柱，使吸附剂保持湿润，有利于吸附剂和目 标物质相互作用,提高回收率。 对于正相固相萃取采用的极性吸附剂，通常 用目标物所在的有机溶剂（样品基体）进行淋 洗；对于反相固相萃取采用的弱极性或非极性 吸附剂，通常用水溶性有机溶剂进行淋洗活化。
3、上样
• 在选择固相萃取分离模式和吸附剂时，要考虑 以下几点：
①目标物在极性或非极性溶剂中的溶解度； ②目标物有无可能离子化，从而决定是否采用离子交 换固相萃取； ③目标物有无可能与吸附剂形成共价键，如果能形成 共价键，再洗脱时有可能会遇到麻烦； ④非目标物与目标物在吸附剂上的竞争程度，这关系 到目标物与干扰化合物能否很好地分离。
S P M E 有三种基本的萃取模 式：
• 直接萃取（Direct Extraction SPME） • 顶空萃取(Headspace SPME) • 膜保护萃取（membrane-protected SPME）
直接萃取（Direct Extraction 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 然对流己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，因此需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、转子搅拌及超声混匀。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。
三、 固相萃取的分类
• 按照选用吸附剂的不同,固相萃取可分为 正相固相萃取、反相固相萃取和离子交 换固相萃取。
正相固相萃取
• 正相固相萃取所用的吸附剂是极性的，目标化 合物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团 之间相互作用，从而使溶解于非极性溶剂中的 极性物质在吸附剂表面吸附、富集。 • 其极性作用包括了氢键、π-π键相互作用、偶 极-偶极相互作用和偶极-诱导偶极作用等。