固相微萃取原理及使用

四、SPME的影响因素
主要特点
• 集取样、萃取、浓缩和进样于一体，操作方便， 测定快速高效。 • 无需任何有机溶剂，是真正意义上的固相萃取， 避免了对环境的二次污染。 • 仪器简单，适于现场分析，也易于操作。
缺点
• 定量检测精确度不高； • 可重复性不高； • 商业可用负载聚合物品种少。
四、SPME的影响因素
固相微萃取技术(SPME)
主要内容
一．概述 二．SPME的原理 三．SPME装置及萃取步骤方法 四．SPME的影响因素 五．SPME与分析仪器的联用技术 六．SPME的应用 七．SPME的发展前景
一、概述
与固相萃取技术相比其特点： 固相微萃取操作更筒单、 携带更方便、操作费用也更 加低廉，另外克服了固相萃 取回收率低、吸附剂孔道易 堵塞的缺点，因此成为目前 所采用的试样预处理中应用 最为广泛的方法之一。SPME 已开始应用于分析水、土壤、 空气等环境样品的分析。
固相微萃取与液相色谱技术的联用
萃取头直接接触样品，等到吸附 平衡后，在送入到进样器内进行脱附 后分析。 这种联用技术正好和SPMEGC互补。
缺点：吸附平衡时间长， 脱附条件不易优化，
capilary coated polymeric material
萃取头负载材料可用的不多。
固相微萃取与液相色谱技术的联用
六、SPME的应用
• • • • 在环境水、气中痕、微量有机物吸萃分析 在食品添加剂中香味成分的分析应用 在法医、临床检验中的分析应用 在金属离子及其螯合分析中的应用
六、SPME的应用
六、SPME的应用
例1 Direct comparison of solid-phase extraction and solidphasemicroextraction for the gas chromatographic determination of dibenzylamine in artificial saliva leachates from baby bottle teats（G. Niessner, C.W. Klampfl，Analytica Chimica Acta ， 414 (2000)： 133–140）
一、概述
固相微萃取(solid phase microextraction）
• 1989年；Pawliszyn • Supelco1993年推出了商品化的SPME装置 • 1995年Pawliszyn等；空气中苯系物分析；SPME在气相 色谱中快速进样装置； 萃取丝内用CO2冷却装置 • 1997年Pawliszyn等；测定病人呼吸气中一些成分的 SPME萃取装置
五、SPME与分析仪器的联用技术 • SPME-GC技术
• SPME-HPLC技术
• SPME-MS技术 • SPME/EC联用
固相微萃取与气相色谱技术的联用
SPME-GC SPME与GC联用是研究最早也是目前 发展得最成熟的技术。这一领域的研究目 前主要集中在接口研制、萃取头的制备。 采用顶空法（headspace），吸附具有 挥发性或半挥发性的化合物；再在GC的气 化室里脱附气化进行分析。
ESI(-) ,MRM，five 50 pg/mL 雌激素标样
雌激素酮, 17-雌二醇,雌激素三醇, 乙炔基雌二醇 和二乙基已烯雌酚
K. Mitani et al. / J. Chromatogr. A 1081 (2005) 218–224
固相微萃取与质谱技术的联用
固相微萃取与质谱技术的联用
Pesticides analysis by SPME/Ion Trap MS
二、SPME的原理
固相微萃取法（SPME）的原理与固相萃取不同，固相微 萃取不是将待测物全部萃取出来，其原理是建立在待测物在固 定相和水相之间达成的平衡分配基础上。 设固定相所吸附的待测物的量为WS，因待测物总量在萃取 前后不变 ，固得到：
C0•V2=C1 •V1+C2 •V2
（1）
式中， C0是待测物在水样中的原始浓度； C1 、 C2分别为 待测物达到平衡后在固定相和水相中的浓度； V1 、 V2分别为 固定相液膜和水样的体积。
缺点：适用的范围较窄；挥发/半挥发物（ 20%）；不能分析生物大分子；对温度敏
感的物质（如蛋白质）。
固相微萃取与气相色谱技术的联用
使用SPME-GC 联用分析US EPA 524. 2 方法规 定的挥发性气体样品的情况
利用该方法有 效地分离出了 60 种化合物
固相微萃取与液相色谱技术的联用
SPME-HPLC
• 2001年Pawliszyn等；便携式SPME装置
• 2004年Pawliszyn等；加装聚四氟乙烯密封盖的便携式现 场测试用SPME装置
• 2007年；96个SPME微阱盘自动化进样装置
二、SPME的原理
以熔融石英光导纤维或其它材料为基体支持物，采 取“相似相溶”的特点，在其表面涂渍不同性质的高分 子固定相薄层，通过直接或顶空方式，对待测物进行提 取、富集、进样和解析。 然后将富集了待测物的纤维直接转移到仪器(一般是 GC，或HPLC)中，通过一定的方式解吸附(一般是热解 吸，或溶剂解吸)，然后进行分离分析。
四、SPME的影响因素
其他非商品化涂层 • 溶胶-凝胶技术(Sol-Gel) TPA（3-氨丙基三乙氧基硅烷）和DDP （二乙氧基二苯硅烷） • 纳米结构二氧化铅（附着于铂丝上）
四、SPME的影响因素
Ali Mehdinia, Mir Fazllolah Mousavi, Mojtaba Shamsipur. Nano-structured lead dioxide as a novel stationary phase forsolid-phase microextraction. Journal of Chromatography A 1134 (2006)
三、SPME装置及萃取步骤方法
萃取方法
• 直接法（Di-SPME） 适合于气体基质或干净的 水基质
• 顶空法（HS-SPME） 适合于任何基质，尤其是直接SPME无法处理的脏水、油脂、血液、 污泥、土壤等 • 膜保护法（membrane-protected-SPME） 通过一个选择性的高分子材料膜将试 样与萃取头分离，以实现间接萃取，膜的 作用是保护萃取头使其不被基质污染， 同时提高萃取的选择性。 • 衍生化法（derivatization SPME）
四、SPME的影响因素
搅拌强度
• 增加传质速率,提高吸附萃取速度,缩短达到平衡的 时间 • 磁力搅拌，高速匀浆，超声波。采取超声振动就 比电磁搅拌达到平衡的时间大大缩短
四、SPME的影响因素
盐效应
• 盐析手段(加NaCl或Na2SO4)可提高本体溶液的离子 强度,使极性有机待萃物(非离子)在吸附涂层中的K值 增加,提高萃取灵敏度
= WS • V2/（ C0 • V2 • V1 – C1 V1 2）
由于V1« V2，式3中C1 • V1 2可忽略，整理后得： WS =K • C0 • V1 （4）
（3）
二、SPME的原理
由式（4）： WS =K • C0 • V1 ，可知WS与C0呈线性关系，并 与K和呈正比。决定K值的主要因素是萃取头固定相的类型，因 此，对某一种或某一类化合物来说选择一个特异的萃取固定相 十分重要。萃取头固定液膜越厚， WS越大。由于萃取物全部进 入色谱柱，一个微小的固定液体积即可满足分析要求。通常液 膜厚度为5-100um，这一已比一般毛细管柱的液膜厚度（0.21um）厚得多。
SPME技术也已成功地与HPLC联用 并应用于非挥发性/离子型金属化合物形 态分析，这为在GC条件下难以分析的试 样中半挥发性和非挥发性待测物的分析 提供了可能性。SPME与HPLC联用的关 键在于SPME的解吸过程是否能与HPLC 的进样系统匹配，即能否使解吸液的体 积足够小，以避免在进样后产生明显的 柱外效应或出现超负荷现象而导致色谱 峰拓宽，使分辨率下降，直接影响分析 的灵敏度。
三、SPME装置及萃取步骤方法
萃取步骤
SPME方法是通过萃取头上的固定相涂层对样品中的待测物进行萃 取和预富集。SPME操作包括三个步骤：A涂有固定相的萃取头插 入样品或位于样品上方；B待测物在固定相涂层与样品间进行分配 直至平衡；C将萃取头插入分析仪器的进样口，通过一定的方式解 析后进行分离分析。
二、SPME的原理
吸附达到平衡时，待测物在固定相与水样间的分配系数K 有如下关系：
K= C1 / C2
（2）
平衡时固相吸附待测物的量WS= C1 •V1，固C1 = WS / V1 由式（1）得： C2= （ C0 • V2– C1 • V1 ） / V2 将C1、 C2代入式（2）并整理后得： K= WS • V2/[V1• （ C0 • V2 – C1 • V1 ） ]
溶液pH值
• 对不同酸离解常数的有机弱酸碱选择性萃取。溶液 酸度应该使待萃物呈非聚合单分子游离态,使涂层与 本体溶液争夺待萃物的平衡过程极大的偏向吸附涂 层
四、SPME的影响因素
衍生化
• 减小酚、脂肪酸等极性化合物的极性，提高挥发 性，增强被固定相吸附的能力。 • SPME前衍生和SPME后衍生
萃取头的选择
• 固定液涂渍在一根熔融石英(或其他材料)细丝表面 构成萃取头 • 内部涂有固定相的细管或毛细管，这种设备称为 管内SPME(in-tube SPME）
四、SPME的影响因素
涂层
SPME萃取过程依赖于分析物在涂层和样品两相中的分配 系数，因此萃取的选择性取决于涂层材料的特性，故涂层材料 是SPME技术的核心。 涂层的选择和设计可以基于色谱经验，一般来说，不同种 类的分析物要选择不同性质的涂层材料，选择的基本原则是 “相似相溶”。选择涂层时应注意： • 对有机分子有较强的萃取富集能力 • 合适的分子结构，有较快的扩散速度 • 良好的热稳定性
三、SPME装置及萃取步骤方法
该装置类似微量注射器， 由手柄和萃取头（纤维头）两 部分组成。萃取头是一根长约 1cm、涂有不同固定相涂层的 溶融石英纤维，石英纤维一端 连接不锈钢内芯，外套细的不 绣钢针管（以保护石英纤维不 被折断）。手柄用于安装和固 定萃取头
涂层的体积（厚与薄）也决定方法的灵敏度。 涂层所使用的主要材料： 聚二甲氧基硅烷（PDMS）、二乙烯基苯（DVB）、聚乙二醇 （CW）、聚丙烯酸酯（PA） 商品化涂层 一般可以分为非极性、中等极性和极性3种涂层 非商品化涂层 到目前为止,科研工作者已开发了多种具有优良性能的涂层
四、SPME的影响因素
• 冷SPME法（cooled SPME）
四、SPME的影响因素
萃取温度
• 温度是直接影响分配系数的重要参数 • 升高温度会促进挥发性化合物到达顶空及萃取纤 维表面，然而SPME表面吸附过程一般为放热反应， 低温适合于反应进行
四、SPME的影响因素
萃取时间
• 不同的待测物达到动态平衡的时间长短,取决于物 质的传递速率和待测物本身的性质、萃取纤维的 种类等因素。 • 挥发性强的化合物在较短时间内即可达到分配平 衡，而挥发性弱的待测物质则需要相对较长的平 衡时间。
SPE、SPME的简单比较
SPE
待测物被介质萃取 洗脱非待测成分 换洗脱液洗脱待 测成分
SPME
待测物被介质萃取
待测成分解吸附 （无须clean-up）
SPE
吸附剂可能吸附 非待测成分 Break-through 现象 封闭式
SPME
吸附剂一般不吸附 非待测成分 平衡式萃取，无 此现象 开放式
∴(micro)SPE≠SPME
固相微萃取与液相色谱技术的联用
SPME-HPLC-MRM分析环境水中的雌激素
XDB-C8 (50mm×2.1 mm), 0.01% 氨水/乙睛 (60/40), 0.2 mL/min. Supel-Q PLOT(60 cm×0.32mm, 厚 12 um) 萃取柱; 40μl 样品, 100ul/min,20 次反复萃 取, 搬阀进样。线性范围：10 200 pg/ml (r≥0.9996), 检测限 2.7 to 11.7 pg/ml. 86% 回收率，RSD 0.9–8.8%.