固相微萃取

固相微萃取
一、概述
固相微萃取(solid-phase microextraction, SPME)技术是20世纪90年代兴起的一项新颖的样品前处理与富集技术, 最先由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授的研究小组于1989
年首次进行开发研究,属于非溶剂型选择性萃取法，是一个基于待测物质在样品及萃取涂层中平衡的萃取过程。

它以固相萃取为基础，利用了固相萃取吸附的几何微区效应，其装置结构的超微化决定了它能避开经典固相萃取的许多弱点。

将纤维头浸入样品溶液中或顶空气体中一段时间,同时搅拌溶液以加速两相间达到平衡的速度,待平衡后将纤维头取出插入气相色谱汽化室,热解吸涂层上吸附的物质。

被萃取物在汽化室内解吸后,靠流动相将其导入色谱柱,完成提取、分离、浓缩的全过程。

由于聚合物涂层的种类很多，因而可对样品组分进行选择性富集和采集。

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。

二、原理
固相微萃取主要针对有机物进行分析，根据有机物与溶剂之间“相似者相溶”的原则，基于萃取涂层与样品之间的吸附/溶解-解吸平衡而建立起来的集进样、萃取、浓缩功能于一体的技术。

将组分从试样基质中萃取出来，并逐渐富集，完成试样前处理过程。

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W S，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。

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W S= C1•V1，固C1 = W S / V1
由式（1）得：C2= （C0• V2–C1• V1）/ V2
将C1、C2代入式（2）并整理后得：
K= W S• V2/[V1• （C0• V2–C1• V1）]
= W S• V2/（C0• V2• V1–C1 V12）（3）
由于V1«V2，式3中C1• V12可忽略，整理后得：
W S =K• C0• V1（4）
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（0.2-1um）厚得多。

三、装置及步骤方法
1）装置
2）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。

操作方法
直接法：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。

顶空法：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。

膜保护法：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。

联用技术：SPME萃取待测物后可与气相色谱、液相色谱联用进行分离。

使用的检测器可以是质谱（MS）、氢火焰离子化检测器（FID）、火焰光度检测器（FPD）、电子捕获检测器（ECD）、原子发射光谱检测器（AED）等，方法的最低检测限可达ng 甚至pg 水平。

四、条件的选择
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
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。

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
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
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）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
五、应用领域
环境水样
食品、香精、香料
药物中残留溶剂
表面活性剂
法庭样品
血、尿和体液中毒品或药物
聚合物和固样中痕量杂质（顶空方式）
气体硫化物及挥发物（VOC）
金属离子及其螯合分析
六、优缺点及发展前景
优点：操作时间短
样品量小
无需萃取溶剂
适于分析挥发性与非挥发性物质
重现性好
制作成本低
膜面积可调节萃取灵敏度，膜厚可控制萃取平衡的时间和选择性
可以很方便地与其他分析技术联用
操作比SPME更为简单
缺点：装置价格昂贵
涂层种类有限
选择性差
无机离子萃取技术不成熟
收集的信息化合物量少，只能用于化学分析，不足以用来进行生物测定
发展前景：随着SPME-联用技术的发展及SPME本身和萃取方式的改进,经过分析工作者和厂商的努力, SPME与分析仪器联用的适用性也会逐步扩大和成熟。

SPME、联用技术以及理论研究必将会有大的发展,成为环境、医药、生物材料、食品、精细化工、农业等领域实验检测的有力手段。