[科普中国]-固相微萃取

简介

固相微萃取技术是基于采用涂有固定相的熔融石英纤维来吸附、富集样品中的待测物质。其中吸附剂萃取技术始于1983年，其最大特点是能在萃取的同时对分析物进行浓缩，目前最常用的固相萃取(SPE)技术就是将吸附剂填充在短管中，当样品溶液或气体通过时，分析物则被吸附萃取，然后再用不同溶剂将各种分析物选择性地洗脱下来。

操作其装置类似于一支气相色谱的微量进样器，萃取头是在一根石英纤维上涂上固相微萃取涂层，外套细不锈钢管以保护石英纤维不被折断，纤维头可在钢管内伸缩。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。固相微萃取技术几乎可以用于气体、液体、生物、固体等样品中各类挥发性或半挥发性物质的分析。发展至今短短的10年时间，已在环境、生物、工业、食品、临床医学等领域的各个方面得到广泛的应用。在发展过程中，主要涉及到探针的固相涂层材料及涂渍技术、萃取方法、联用技术的发展、理论的进一步完善和应用等几个方面2。

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(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。

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1。

特点集取样、萃取、浓缩和进样于一体，操作方便，耗时短，测定快速高效2。

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2。

仪器简单，无需附属设备，适于现场分析，也易于操作2。

灵敏度高，可以实现超痕量分析，可以达到纳克每克级别的检测1。

萃取萃取方式固相微萃取方法分为萃取过程和解吸过程两步 ：1、萃取过程——具有吸附涂层的萃取纤维暴露在样品中进行萃取 。2、解吸过程——将以完成萃取过程的萃取器针头插入气相色谱进样装置的气化室内，使萃取纤维暴露在高温载气中，并使萃取物不断地被解吸下来，进入后序的气相色谱分析3。

固相微萃取有三种基本的萃取模式：直接萃取（Direct Extraction SPME）、顶空萃取(Headspace SPME)和膜保护萃取（membrane-protected SPME）1。

固相微萃取直接萃取

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，气体的自然对流已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，因此须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。

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1。

固相微萃取顶空萃取

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有着快得多的萃取速度。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1。

膜保护萃取

膜保护SPME（图）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1。

影响因素萃取头的种类和膜厚

目前商品化的萃取头有七类，固定相可以以键合型、非键合型、部分交联和高度交联四种形式涂附在石英纤维上。涂层在有机溶剂中的稳定性按以下顺序减小：键合型>部分交联>非键合型。涂层的极性对待测物的选择萃取有很大影响，根据“相似相溶”原理，非极性涂层有利于对非极性或极性小的有机物的分离；极性涂层对极性有机物的分离效果较好。除此之外，涂层的厚度对于分析物的吸附量和平衡时间也有影响，厚的涂层适于挥发性的化合物，而薄涂层在萃取大分子或半挥发性的化合物时更显优势，涂层越厚，吸附量越大，有利于扩大方法的线性范围和提高方法的灵敏度，但是达到平衡则需要更长的时间，但是，萃取涂层的厚度和长度受到萃取纤维支持材料的限制，如常用的石英纤维材料质地较脆，能在其表面涂渍高分子固定相薄膜的种类及数量有限。具体来说，高分子固定相涂层对有机物的萃取和富集是一种动态平衡过程，涂层要对有机分子有较强的选择。

萃取温度

萃取温度对固相微萃取存在着双重作用，温度增加，可以加快待测物的分子扩散速度，有利于尽快达到平衡，但是温度的增加，有使得平衡分配系数K减小、涂层对待测物的吸附量减少，降低了灵敏度，对于HS—SPME来说，还有液上温度，一般来讲，液上温度低有利于吸附。

萃取时间

萃取时间由多方面影响，包括萃取头的种类和膜厚、吸附能力、待测物的在基质与涂层之间的分配系数、扩散速度、基质的多少等。一般说来，分配系数小的物质需要的萃取时间长。为了提高实验的重现性，一般实验时要选择相同的萃取时间。

盐效应和pH的影响

两者在实质上是一样的，都是影响了基质的离子强度，从而影响了待测物在基质和涂层之间的分配系数。盐效应分为“盐溶”和“盐析”两种。盐溶是由于离子强度的增加，增大了待测物在基质中的溶解量，不利于萃取的进行；“盐析”是由于离子强度的增加减少了待测物在基质中的溶解，使K值增大，从而提高了萃取效率。钟海燕等发现在风味物质萃取过程中，可以提高萃取效果，尤其是分子量较大的化合物更为明显。pH的影响是通过调节酸碱度而影响了溶液中的离子强度从而改变了待测物在基质中的溶解性。

搅拌效率的影响

搅拌可以加快基质的传递，从而缩短了萃取时间，特别是对于高分子量和高扩散系数的组分。常用的搅拌方式有：超声波搅拌、电磁搅拌、高速匀浆，采取搅拌方式时一定要注意搅拌的均匀性，不均匀的搅拌比没有搅拌的测定精确度更差。

解吸温度

解吸温度是影响固相微萃取的另一个因素。在一定的温度下，解吸的时间越长，解吸越充分，若解吸不充分，可能对下一次的萃取造成污染。在一定的时间下，温度越高越利于解吸，但是温度过高，会缩短萃取纤维的寿命，一般常选择萃取头的老化温度作为解吸温度。4

产品美国Supelco公司共有22款以PDMS、DVB、PA、CAR四种萃取材料或材料组合制备的固相微萃取产品。分别针对挥发性、半挥发性、极性以及非极性物质的SPME分析3。

青岛贞正分析仪器有限公司共有17款以PDMS、DVB、PA、PES、CAR、SiO2、AL2O3七种萃取材料或材料组合制备的固相微萃取产品。其中双极性涂层针对极性、非极性或两者皆需萃取的物质有着更多的选择空间5。

应用在环境样品检测中的应用

固相微萃取法最早的应用就是在环境样品的检测中，至今其在环境样品的微量元素分析中仍发挥着巨大的作用。应用比较广泛的有固态（如沉积物、土壤等）、液态（饮用水和废水等）及气态（空气、香料和废气等）的样品分析。在固态样品中的应用有在底泥中丁基锡化合物的检测、土壤和沉积物中的有机氯及硝基化合物、污泥等沉积物中脂肪酸类洗涤剂组分和污泥中苯系列及其卤代物等有机化合物的检测等等。

在水体中的应用有在环境水样的1 - 萘酚、2 ，4 - 二硝基苯酚及其他苯系列化合物的分析，丙溴磷、汽油、醇类、锡、砷、铅等有机金属及其他无机金属离子、有机磷和有机氯农药、除草剂、甲基汞、胺类物质、多环芳烃、羟基化合物以及废水中烷烃、脂肪烃、醇类、酯类和挥发性芳香族化合物的检测等等。

在气态样品中的应用有气体中胺类物质、脂肪酸的检测以及和扩散管配合使用，应用于挥发性有机物（苯、甲基环己烷、甲苯、四氯乙烯、氯代苯、乙基苯、对二甲苯、苯乙烯、壬烷和异丙苯等）的检测以及石油烃化合物的检测。

在食品分析中的应用

由于固相微萃取法的特点，该技术刚出现不久，就有人把它应用于食品中微量成分的分析，并且在国内外都得到了广泛的发展。如用于食用醋中有机挥发物的分析，白酒中苯酰类芳香族化合物的分析，白酒中敌敌畏含量的检测，芥末风味的检测，水果中挥发性芳香族化合物、马铃薯中挥发性有机酸、薰火腿中的硝基苯胺等芳香族化合物以及向日葵中挥发性有机物的检测等等。

在药物检测中的应用

固相微萃取技术在药物分析和药物检测上发展迅速，正逐渐成为生理、病理、毒理学上不可缺少的一个检测手段。如在人体体液中抗组胺类化合物的分析，以及应用在血液和尿液中杜冷丁含量的检测，尿液中一些生物碱以及尿液中二氯苯异构体的检测，血液中氰化物、血清中甾类、酚嗪类和苯酚类化合物的检测，体液中有机磷农药以及苯类化合物的检测，唾液中大麻酚和皮质甾类以及人呼吸系统中丙酮成分的检测等等。

在其他领域的应用

针对固相微萃取法的特点，该技术应用于越来越多的实际生产和生活领域上，如应用于纺织品中杀虫剂残留和偶氮染料的检测、蔬菜中残余有机磷农药的检测以及在洗发香波中四氯化碳的检测，而且在烟草行业也得到了广泛的应用，如在成品香烟中香料、香精成分的分析、卷烟烟丝中的香气成分和在烟叶中有机酸含量的分析。567

发展萃取搅拌棒(SBSE)技术在固相微萃取技术基础上发展而来的，相对较新的固相微萃取技术。将萃取搅拌棒作为带有萃取涂层的搅拌子放入待测样品中搅拌一段时间，使待分析组分在样品基质和吸附层之间的分配达到一个平衡，目标化合物就被吸附在萃取涂层上，无需其它的样品制备过程。取出搅拌棒，利用TDS或TDU进行热脱附分析或使用少量溶剂超声脱附。其原理与固相微萃取探针相似，灵敏度可以比固相微萃取探针高100～1000倍，是用来分析痕量有机组分的很有优势的一种技术。

吸附萃取搅拌棒（SBSE）是由内封磁芯石英棒和萃取层两部分组成，是将萃取层套在内封磁芯石英棒外面，与磁力搅拌器搭配使用，使得萃取层随着内封磁芯石英棒旋转搅拌，从而达到吸附富集目标化合物的目的。内封磁芯石英棒可永久使用，萃取层根据材质不同，使用寿命不同。