固相微萃取

8．1．4．1固相微萃取的原理固相微萃取(solid—phasemicroextraction，SPME)技术是20世纪90年代初期兴起的一项样品前处理与富集技术，它最先由加拿大Waterloo大学Pawliszyn教授的研究小组于1989年首次研制成功，属于非溶剂型选择性萃取法，是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体的分析技术。SPME装置略似进样器，在特制注射器筒内的不锈钢细管顶端分别连接一根穿透针和纤维固定针，针头上连接一根熔融石英纤维，上面涂布一层多聚物固定相，注射器的柱塞控制纤维的进退。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，经过一段时间后，已富集了待测物的纤维可直接转移到仪器(通常是气相色谱仪，即SPME—GC)中，通过一定的方式解吸附，然后进行分离分析。典型的SPME装置如图8一12所示。SPME熔融石英纤维涂布固定相与样品或其顶空充分接触，待测物在两相间分配达到平衡后，两相中待测物浓度关系如下式：N。一KⅥV。C。／(KU+V。)(8—2)式中，N。为固定相中待测物的分子数；K为两相间待测物的分配系数；V。为固定液体积；U为样品体积；c。为样品中待测物浓度。因为U》V。，故式(8—2)可简化为：N。=Ku％(8-3)由式(8-3)可知，固定液吸附待测物分子数与样品中待测物浓度呈线性关系，即样品中待测物浓度越高，SPME吸附萃取的分子数越多。当样品中待测物浓度一定时，萃取分子数主要取决于固定液体积和分配系数。同时，方法的灵敏度和线性范围的大小也取决于这两个参数。固定液厚度越大(即y。越大)，萃取选择性越高(K越大)，则方法的灵敏度越高。由此可见，选择合适的固定液对于萃取结果是很重要的。目前，SPME装置已实现商品化。该装置主要由两部分组成：一部分是作为支撑用的微量注射器底座；另一部分是类似于注射针头形状的熔融石英纤维，其半径一般为15mm，上面涂布着固定体积(／g度为10～100ttm)的聚合物固定液。操作时，只需将熔融石英纤绷插入样品或样品上层气体(即顶空)中，平衡一段时间，使萃取物富集于固定液后，即可取出直接进样至GC或HPLC仪中进行分析。SPME法与其他萃取方法的比较见表8—12第3章固相微萃取仪器与装置固相微萃取(SolidPhaseMicroextraction，SPME)是20世纪90年代初发展起来的一种样品前处理技术。由加拿大Pawliszyn研究小组首次进行了开发研究[1]，美国Supelco公司看好其应用前景，于1993年推出了商品化的SPME装置，此举在分析化学领域引起了极大的反响。1994年权威杂志《Research&Development)}将其评为最优秀的100项新产品之一。与其他的样品前处理技术相比，SPME法具有操作简单方便、分析时间短、样品需要量小、无需萃取溶剂、重现性好、特别适合现场分析等优点[z-5]。目前，固相微萃取主要是利用气相色谱、高效液相色谱等作为后续分析仪器，实现对多种样品的快速分离分析。通过控制萃取纤维的极性、厚度、维持取样时间的稳定以及调节酸碱度、温度等各种萃取参数，可实现对痕量被测组分的高重复性、高准确度的测定。从1990年到2000年十年间，已经有400多篇有关SPME的文献发表，内容涉及环境、食品、天然产物、制药、生物、毒理和法医学等多个方面[6f。现美国环保署(EPA)已采取该技术作为测定水中挥发性化合物(USAEPAmethod524．2)和半挥发性化合物(USAEPAmethod625)的标准方法[川。3．2固相微萃取的基本装置和操作步骤固相微萃取装置类似于色谱微量注射器，由手柄和萃取头两部分构成。萃取头是一根长约lcm、涂有不同固相涂层的熔融石英纤维，石英纤维一端连接不锈钢内芯，外套有细的不锈钢针管，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，萃取头可伸出不锈钢针管。固相微萃取主要是通过萃取头表面的高分子固相涂层，对样品中的有机分子进行萃取和预富集。用于3C和HPLC的商品化SPME装置在手柄的设计上略有不同，如图3-1和图3-2听示。SPME操作步骤简单，主要分为萃取过程和解吸过程两个步骤[8]，如图3-3听示。①萃取过程将萃取器针头插入样品瓶内，压下活塞，使具有吸附涂层的摹取纤维暴露在样品中进行萃取。经一段时间后，拉起活塞，使萃取纤维缩回到起保护作用的不锈钢针头中，然后拔出针头完成萃取过程。②解吸过程将已完成萃取过程的萃取器针头插入分析仪器的进样口，当待测物解吸后，可进行分离和定量检测。SPME与GC联用时，通过将萃取涂层插入进样口进行热解吸；与HPLC联用时，则通过溶剂洗脱，并分为动态和静态两种解吸模式。SPME萃取操作有三种模式[3](如图3—4所示)：一种是将SPME萃取纤维直接插入液体样品中，称为直接SPME法；另一种是将SPME萃取纤维置于液体或固体样品的顶空进行萃取，即顶空SPME法(HeadspaceSolidPhaseMicroextraction，HS-SPME)；还有隔膜保护SPME萃取。其中直接SPME法和顶空SPME法是最常用的模式。进行SPME萃取时，采取何种萃取模式主要根据待测物性质及基体复杂性来定。一般来说，直接SPME法适用于较洁净的液体样品，顶空SPME法的适用范围是样品复杂且有大分子干扰的情况。在后一种情况下，如果采用直接SPME法，干扰物质容易吸附在熔融石英纤维上，影响其吸附性能并在色谱中产生不稳定基线或杂质峰等。顶空SPME避免了上述不良后果，但是当待测物质具有高沸点(大于450℃)时，顶空SPME耗时长且灵敏度低。这是由于待测物沸点越高，越难于挥发，因而顶空中待测物的浓度低，富集倍数低。升高温度有助于加速样品至顶空的整体迁移，但也可能会使顶空与涂层间待测物的分配系数降低。因此，选择直接SPME法还是顶空SPME法需根据实际样品测定需要确定。．3固相微萃取的理论基础及其发展Louch等[9]最早开展了SPME方法的理论基础研究，他们提出了直接SPME法的数学模型，Arthur等[10]在此基础上做了大量工作。固相微萃取是一个基于待测物质在样品及萃取涂层中的分配平衡的萃取过程。对于一个单组分的单相体系，当系统达到平衡时，涂层中所吸附的待测物质的质量托可由下式决定：式中，yf、砜和V。分别为涂层、顶空、样品的体积；Kf。和Kh。为待测物在涂层／样品、顶空／样品两相中的分配系数；CO为待测物在样品中的最初浓度。由式(3—1)可以看出，体系中的Kf。及Vf值是影响方法灵敏度的重要因素。所以在实际中一般采用对待测物具有较强吸附作用的涂层、增加萃取纤维的长度及增加涂层厚度的办法，来提高萃取的富集效果和灵敏度。当样品体积V。≥Kf。Vf时，式(3—1)可近似简写为：以一Kf。Vfco(3-2)式(3—2)为SPME的野外取样提供了理论依据，即可将萃取纤维置于自然环境中直接取样。SPME目前更多地用于包括气一液或气一固两相同时存在的顶空取样系统，Zhang等[11]将上述理论扩展到样品一顶空一涂层的三相体系，并提出了顶空SPME的模型：COVlVzKlKz／q。、以一面瓦形再永万丽¨。’“K1K2V1+K2V3+V2…7K1一cf／c季Kz—f尹／cF式中，行为涂层上吸附的待测物的质量；CO为待测物在样品中的初始浓度；V1、V2、V。分别为涂层、溶液(或固相)、顶空的体积；K1、Kz分别为待测物在涂层与顶空气相中的分配系数及在气相与溶液(或固相)中的分配系数；cT、c尹、c于分别为待测物在涂层、溶液(或固相)、顶空气相中的平衡浓度。式(3-3)的推导从化学热力学平衡态化学势相等的原理不难得出，但是实际体系中往往是多组分共存。因此，K1、Kz不仅与同一组分在不同相内的浓度有关，而且与其他组分的浓度也有关，实际的数学表达式更为复杂。随后Pawl—iszyn等在此基础上进行完善，提出了吸收型涂层的完整理论。Ai发展了非平衡的古撼蕞陆[123平衙和非平街的而密蕞酌硼诊[133四、固相微萃取简介1．固相微萃取的基本原理固相微萃取(solidphasemicroextraction，简称SPME)技术最早于1989年加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授提出的，是在固相萃取(SPE)的基础上发展起来的新型萃取分离技术，具有固相萃取操作简单、成本低廉、无需溶剂等优点，避免了固相萃取中样品高空白及萃取柱易阻塞的特点，是一种简便、快速、选择性高的新型萃取分离技术，可替代大多数常规使用的样品萃取。固相微萃取无需溶剂，实现了真正意义上的固相萃取，适用于挥发性与非挥发性物质的分析，且具有良好的重现性；在离子强度、pH一定的条件下，受基体影响小，其它有机组分对靶组分干扰小；所需样品体积小，仅需l～lomL，且固相微萃取纤维可重复使用。固相微萃取易于实现自动化及与其它分析技术联用，与固相萃取相比所需的设备及资金投入较少。固相微萃取的萃取方式主要与待测物的挥发性、基质和探针固定相涂层的性质有关，可分为直接固相微萃取和顶空固相微萃取两种。对于半挥发性和不挥发性样品一般采用直接固相微萃取法(Direct—SPME)，就是将纤维直接插人样品溶液中进行萃取，达到分配平衡后即可取出进行色谱分析，此种方式萃取时间短，富集速度快，但要求所萃取的基质比较干净，否则有严重的基体干扰。对于挥发性和半挥发性样品一般采用顶空固相微萃取(HS—sPME)方法，就是把固相微萃取的萃取头置于待测样品的上部空间进行萃取，可避免基体干扰和提高分析速度，缩短了样品萃取时间，具有较好的精确度，而且可以适宜地降低检出限，易于测定各种介质中挥发性有机物。顶空固相微萃取法广泛应用于多种类型的样品，包括固态样品、非匀质混悬液等。固相微萃取不是将样品中的待测物全部分离出来，而是依据相似相溶原理，利用固定相功能层有机物对分析组分的吸附作用，使样品中的目标物在功能层和样品基质中达到吸附平衡。当达到分配平衡时，萃取平衡的分配系数K为固相涂层中分析物的质量浓度f0，与样品溶液中分析物的质量浓度10。的比值：式中：10。——萃取前分析物在样品中的质量浓度，mg·L；p——分析物在萃取后样品中的质量浓度，mg·L；p，——分析物在萃取头中的质量浓度，mg·L；V。——萃取头的体积，L；v。——样品的体积，L；K——分析物在萃取头和样品间的分配系数；D'／，——一吸附于萃取头上分析物的质量，mg。分配系数K一般仅取决于萃取头的固定相类型，在一定的浓度范围内是常狮：而对干一帘的苯取头来说，其涂层的体积V，也是固定的，所以萃取涂层中目标物的质量rn，与样品溶液中目标物的初始质量浓度P。之间存在着正比关系，fD0则通过气相色谱测定，这就是固相微萃取的定量依据。可见，可以通过配制一系列P。来测定其相应的17／，，从而获得该分析物的标准工作曲线，根据标准工作曲线测得样品的m，后便可计算样品的浓度。2．固相微萃取的实验设备SPME的装置类似于一个微型注射器，主要由手柄和萃取纤维头两部分构成，纤维头是一根1cm长涂有不同高分子聚合物功能层的熔融石英纤维，装在类似于微量注射器的针管内，针管可以保护纤维头不易折断，如图6—6所示。平时萃取头收在针管内，萃取时针头穿过样品瓶中，压下管芯，使纤维头从针管中伸出，浸入溶液中(浸入方式)或置于易挥发样品的上部空间(顶空方式)，使萃取纤维暴露在样品中进行萃取，萃取吸附时间平均大约2～30min，达到吸附平衡后，再将萃取头收回到针管内，针管从样品瓶中退出。该装置可直接引入气相色谱进样口，推出萃取头，使吸附在纤维头的分析样品热解吸，释放进入气相色谱分析系统，缩回纤维头，移去针管。目前，自动SPME作为分析仪器的进样器，已在一些分析仪器上使用，使样品前处理与仪器分析真正地实现在线联用。图6-6SPME装置图简体；3压杆卡持螺钉；4z形槽；5筒体视窗；6调节针头长度的定位器拉伸弹簧；8密封隔膜；9注射针管；10纤维连接管；11熔融石英纤维固相微萃取的选择性主要取决于高分子功能层材料的性能，不同的涂层对分析物的亲和力不同，按照相