固相微萃取技术(SPME)

主要内容 概述 SPME的原理 SPME装置及萃取步骤方法 SPME的影响因素 SPME与分析仪器的联用技术 SPME的应用

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。

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 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。

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。

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 ） ] = WS • V2/（ C0 • V2 • V1 – C1 V1 2） （3） 由于V1«V2，式3中C1 • V1 2可忽略，整理后得： WS =K • C0 • V1 （4）

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（0.2-1um）厚得多。

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，通过手柄的推动，萃取头可以伸出不锈钢管。

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。

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） 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） 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

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。

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 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 萃取头的选择 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

涂层介绍 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

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)

四、SPME的影响因素 主要特点 缺点 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

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 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。 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 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。

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SPME-GC互补。 缺点：吸附平衡时间长， 脱附条件不易优化， 萃取头负载材料可用的不多。 capilary coated polymeric material

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 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%. 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

SPE、SPME的简单比较 SPE SPME 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 待测物被介质萃取 待测成分解吸附 （无须clean-up）

SPE SPME 吸附剂可能吸附 非待测成分 吸附剂一般不吸附 Break-through 现象 平衡式萃取，无此现象 封闭式 开放式 ∴(micro)SPE≠SPME

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 solid-phasemicroextraction 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） SPE SPME

例2. 固相萃取搅拌棒萃取-气相色谱分析海水中的多环芳烃 固相微萃取( SPME) 是一种无溶剂萃取技术,对PAHs的富集倍数一般在103 以内,但是定量重复性较差。固相萃取搅拌棒( SBSE)是在SPME基础上发展的一种新技术,萃取时吸附搅拌棒自身完成搅拌,可避免SPME中搅拌子对PAHs的竞争吸附;同时,由于SBSE中的PDMS萃取固定相体积一般为50～250μL,比SPME所用固定相量大50～500倍,表面积也提高100倍,因此提高萃取量50倍以上,更适合痕量有机物的萃取富集。 　 利用固相萃取搅拌棒( SBSE)萃取海水中的多环芳烃,然后用热解吸脱附-气相色谱分析。研究了萃取时间、添加NaCl浓度对萃取效率的影响。实验结果表明, SBSE方法对16种多环芳烃的萃取回收率分别在33. 5%～122. 4%之间;对标准样品的检出限为2. 74～13. 5 ng/L;方法RSD为3. 8% ～13. 1%。用此方法测定了大连海岸海水中的多环芳烃含量。

例3.自制固相微萃取装置- 气相色谱法测定空气中痕量苯 1、萃取头：自制的固相微萃取装置: 选取日本产的2HSAKURA 的2H0.3mm 的自动铅笔芯作萃取头。因为铅笔芯本身就是石墨化活性炭纤维, 它是优良的固体吸附剂, 可以吸附多种气体和有机物质, 并且它的吸附作用是范德华力作用的结果, 不会跟有机物相互作用。同时, 使用寿命较长。 具体的处理方法如下：将铅笔芯放入50%的HF溶液中浸泡24h后,取出冲洗；放入马弗炉中高温( 500℃)煅烧4～5h,取出用水冲洗。经过一系列处理后,萃取头通过一次性注射器的针孔,用强力胶固定在推杆上,能自由伸缩，待用。

2、采样：自制的固相微萃取装置经老化后, 直接对一新装饰的房间(一星期内无人居住)进行现场吸附取样, 室内温度20℃, 湿度60%。 3、结果和讨论：对影响SPME的因素(空气柱、萃取时间、解吸时间和温度)进行了讨论；对所建立的方法进行了系统评价,结果表明：建立的方法对空气中苯的测定具有良好的线性关系( 相关系数R=0.9998), 检出限为0.01mg/L,3个含量点的相对标准偏差在允许的范围7%以内, 回收率为98.18%。

例4. 固相微萃取-高效液相色谱联用测定环境水样中双酚A 的自由溶解态浓度（胡霞林等，分析实验室，2006，25（7）：14-17） 　 自由溶解态浓度( Freely Dissolved Concentration) 是自由溶解在水相, 而不与任何介质或系统组分结合的物质的浓度。它不仅与分析物的总浓度有关, 而且与基体介质浓度和容量, 及其对分析物的亲和力相关。研究表明, 化合物的自由溶解态浓度是其在环境中迁移和分配, 以及在生物中累积的驱动力, 是解释化合物的可给性的关键参数。因此, 自由溶解态浓度的测定越来越受到环境科学工作者的重视, 并已经发展了多种分析方法。 双酚A(BPA) 是一种内分泌干扰物, 它的长期低剂量暴露对生物的影响是当今环境化学研究的热点问题之一, 测定环境中BPA 的自由溶解态浓度, 对其环境化学行为研究和风险评价具有十分重要的意义。

1、仪器：高效液相色谱系统(美国安捷伦公司) , 由Agilent 1100 型单元泵和Agilent 1100 型荧光检测器组成； SPME-HPLC 接口、手动57331 型固相微萃取纤维手柄、商品固相微萃取纤维50 μm CWPTPR (美国Supelco 公司) 。SPME-HPLC 接口由一个Rheodyne 六通阀和一个60μL 解吸室构成, 该解吸室取代了一般液相色谱仪中的进样环。 2、实验方法：在100 mL 萃取瓶中加入搅拌磁子和100 mL分析液, 盖上带有聚四氟乙烯隔膜的有孔盖子，将SPME 不锈钢针管插入瓶中, 推出萃取头, 调节萃取头的位置, 使搅拌磁子在搅拌时不会损伤萃取头, 且萃取头完全浸入溶液中。萃取4 h 后, 收回并取出萃取头, 插入解吸室进行动态解吸测定。

3、实验结果：。在环境水样常见pH(5～8) 、缓冲容量(5～200 mmol/L) 和盐度(0～500 mmol/L) 条件下, 4h 可以达到萃取平衡。100 mL 样品足以避免样品耗损。 pH 为6. 4 时, 方法的线性范围为0. 1～250μg/L , 检出限为0. 03μg/L , 相对标准偏差(5μg/L , n = 3) 为1. 1 %。采用本方法测定了污水处理厂排水口的双酚A 的自由溶解态浓度。

例5.固相微萃取- 气相色谱- 质谱联机测定饮用水中的嗅、味化合物 　 近年来饮用水的水质问题已成为国内外研究的热点。原水水质不断恶化与不断提高的出水水质之间的矛盾日益突出。我国生活饮用水卫生标准中对水的嗅、味做了规定，但是对产生嗅、味的化合物没有做出具体说明。虽然某些嗅、味的来源与工业污水或消毒工艺的副产品有关,但用户的意见主要是自然发生的嗅、味,特别是土腥味和霉烂味。 针对产生嗅、味的化合物进行分析,确认带有土腥味和霉烂味的两种主要化合物是土味素(geosmin)和2 - 甲基异冰片(MIB) 。这些有机物是放线菌和兰- 绿藻的代谢产物,嗅阈浓度很低。

1、仪器与试剂：saturn 2200 瓦里安GC - MS 气相色谱- 质谱联机；采用电子流轰击离子化( EI) 和离子阱检测器(EITM) ；PC - 420 型SPME 固相微萃取操作平台；微型磁转子(美国SUPELCO 公司) ，SPME 装置的萃取头为75μm Carboxen 萃取头(PK/ 3) 2、试验方法：在容积为40mL 的萃取瓶中加入10. 0g NaCl 、一个转子和30mL 样品溶液或待测水样,立即用带有硅橡胶垫的瓶盖封闭。如果水样的pH 值不在5. 0～7. 0 之间，用稀HCl 或稀NaOH 预先调整。将固相微萃取装置的不锈钢针管插入瓶中，设定温度为60 ℃,调节转速为1500r/min，,推出萃取头，调节萃取头的位置, 使其接近液面, 但不能浸入溶液。30min 后收起萃取头,拔出针管,迅速插入气相色谱汽化室内进行热解析，并进行GC - MS 分析。

3、结论：本文采用SPME - GC - MS 方法对饮用水中的嗅、味化合物进行分析，方法简便,检出限低，并打出最佳的检测条件:萃取头涂层为arboxen ；顶空萃取法的萃取量为浸入式的2 倍;萃取平衡时间30min ；搅拌速度为1500r/min ；pH 值为5.0～7.0 ；温度为60 ℃。

例6. 固相微萃取-气相色谱/质谱( SPME-GC/MS) 联用分析海水中痕量有机磷农药 1、实验方法：取8ml萃取液置于15ml萃取瓶中, 加入磁力搅拌子(长约1cm, 直径约3mm) , 用顶端带有孔和聚四氟乙烯隔垫的盖子密封, 电磁搅拌, 将SPME萃取纤维(85μm厚涂层的聚丙烯酸酯) 直接插入萃取瓶中, 保持涂层完全进入水相, 萃取针套管的其它部分不与萃取液接触, 防止水进入萃取针管. 在室温下萃取30min , 将SPME直接插入GC进样口热解吸10min, 用GC-MS进行定性与定量分析。 该法简便、高效、无需有机溶剂，适合于海洋水体中痕量有机磷农药的分析。

2、SPME条件的选择： 萃取涂层：聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和聚丙烯酸酯( PA) 两种萃取头由于极性不同, 对有机磷杀虫剂的萃取效果也不同. 研究表明: 各有机磷化合物对应的PA 的响应值普遍高于PDMS , 这是因为OPPs为极性化合物, 与极性PA 涂层有较大的吸引力。 由于PA 对甲基对硫磷和毒死蜱有更好的萃取效率, 因此, 选择PA萃取涂层。两种萃取纤维对于乐果基本表现不出富集效果。 萃取时间：根据SPME的非平衡理论, 在达到SPME萃取平衡之前, 如保持操作条件一致, 纤维上待测物的含量正比于其在水相的初始浓度, 因此, 可进行定量分析。由于敌敌畏易水解, 且随温度升高, 分解速度加快, 综合考虑灵敏度和分析速度, 选择30min萃取时间, 在室温20 ±2℃下进行实验。

图1. SPME萃取的海水空白GC-MS图 图7. SPME萃取添加有机磷混标的天然海水GC-MS图

例7. 固相微萃取GC-MS快速分析火场残留物中的汽油成分 火场残留物如碳灰、烧残物等通常经过样品预处理后进行分析鉴定。传统的样品预处理方法往往操作繁琐、费时、重复性差，而且往往需要用大量有机溶剂，不利于分析人员的身体健康，对环境也造成一定污染。 通过控制SPME萃取头固定相的极性、取样时间、萃取温度等萃取参数，可实现对火场残留物汽油成分的高重复性、高准确性的测定，最小检测限可达ppm级。

1、实验仪器： 2、样品采集：

将93号汽油2滴滴入500g砂土中，采用100um聚二甲氧基硅氧烷萃取头，按前述样品采样方法进行采样测定，获得相应的总离子流色谱图，图1，鉴定了其中13种化合物。 分别取两个火灾现场进行分析。火灾现场残留物分别按前述样品采集方法进行采样测定，获得相应的总离子流图，图2、图3，将其与汽油标样的总离子流图（图1）进行对比。 3、结论：

七、SPME的发展前景 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。

The End!