固相微萃取原理介绍

固相微萃取技术(SPME)及其应用摘要：固相微萃取（SPME）是一种应现代仪器要求而产生的样品前处理新技术。随着人们对其原理和技术发展的深入理解，新型SPME装置的不断应用和发展，SPME已广泛应用于环保及水质处理、临床医药、公安案件处理、国防等。本文对其原理、萃取条件、联用技术的现状进行了综述。关键词：固相微萃取;萃取条件;联用技术;应用;综述TheSolidPhaseMicroExtraction(SPME)AndIt’sApplicationAbstract:Thesolidphasemicroextraction(SPME)isanewkindofmoderninstrumentmethodbeforeoutputsample.Alongwithpeopleastoit'stheprincipledevelopdeepwiththetechniqueintothecomprehension,thenewSPMEequipcontinuouslyappliedwiththedevelopment,SPMEalreadyextensiveandappliedhandleintheenvironmentalprotectionandfluidmatter,theclinicalmedicine,publicsecurityofficial'scasehandle,nationaldefenseetc..Presentthistextastoit'sprinciple,theconditionsofextraction,couplingwithotheranalyticaltechnologiestoproceedstheoverviewed.Keywords:solid-phasemicroextraction;theconditionsofextraction;couplingwithanalyticaltechnologies;application;review固相微萃取（Solid-PhaseMicroextraction，简写为SPME）是近年来国际上兴起的一项试样分析前处理新技术。1990年由加拿大Waterloo大学的Arhturhe和Pawliszyn首创，1993年由美国Supelco公司推出商品化固相微萃取装置，1994年获美国匹兹堡分析仪器会议大奖。固相萃取是目前最好的试样前处理方法之一，具有简单、费用少、易于自动化等一系列优点。而固相微萃取是在固相萃取基础上发展起来的，保留了其所有的优点，摒弃了其需要柱填充物和使用溶剂进行解吸的弊病，它只要一支类似进样器的固相微萃取装置即可完成全部前处理和进样工作。该装置针头内有一伸缩杆，上连有一根熔融石英纤维，其表面涂有色谱固定相，一般情况下熔融石英纤维隐藏于针头内，需要时可推动进样器推杆使石英纤维从针头内伸出。分析时先将试样放入带隔膜塞的固相微萃取专用容器中，如需要同时加入无机盐、衍生剂或对pH值进行调节，还可加热或磁力转子搅拌。固相微萃取分为两步，第一步是萃取，将针头插入试样容器中，推出石英纤维对试样中的分析组分进行萃取；第二步是在进样过程中将针头插入色谱进样器，推出石英纤维中完成解吸、色谱分析等步骤。固相微萃取的萃取方式有两种：一种是石英纤维直接插入试样中进行萃取，适用于气体与液体中的分析组分；另一种是顶空萃取，适用于所有基质的试样中挥发性、半挥发性分析组分。由于以上优点，SPME迅速在药品和生物样品分析、环境监测与分析，食品检测等方面有了一席之地，随着各种联用技术和新型涂层材料的发展和成熟，SPME已不在限于以上所说的几个方面，在医药、生物制药（如脂肪酸的分离测定，生物聚合物如蛋白质的吸附萃取）有了更大的发展，SPME已经成为分析方法中重要的一个领域。1．原理固相微萃取装置非常小巧，状似一只色谱注射器，由手柄和萃取头或纤维头两部分组成，萃取头是一根外套不锈钢细管的1厘米长、涂有不同固定相的熔融石英纤维头，纤维头在不锈钢管内可自由伸缩，用于萃取、吸附样品，手柄用于安装或固定萃取头，可永久使用。SPME的理论发展大致分为两个，一是早期的平衡理论[1]，一是近年发展起来的非平衡理论[2]。平衡理论认为在吸附或吸收的过程中，固-气或固-液相间建立了吸附或吸收平衡，吸附的量为：n=(KVCV＇)／（KV+V＇）（１-1）其中n为分析物吸附在固相涂层上的量，Ｋ为分析物在固相（或气相）和液相之间的平衡常数，Ｖ为固相涂层的体积，Ｃ为分析物在试样溶液中最初的浓度。从公式中可以看出，ｎ是一个与平衡常数、固相涂层的体积、试样体积及分析物在试样溶液中最初的浓度有关的量。在SPME中选用的固相涂层对于萃取的有机成分有较强的亲和力，一个大的Ｋ可以保证有效的富集，提高了分析的灵敏度。通常Ｋ值并不足以大到使分析物都被萃取到固相涂层中，因此SPME仅仅是一种平衡取样的方法。若试样体积不变，在整个浓度区间，ｎ与ｃ呈指数而非线性的关系。仅当ｃ较低时，即平衡处于吸附等温线的线性范围内，公式（１）才成立。若试样溶液有一个足够低的浓度（５０微克每升以下），为了使响应值（n）与c保持线性关系，试样体积也受到限制（如小于5毫升），否则线性响应关系就不在保持。非平衡理论侧认为在一定时间内，由于慢传质过程，平衡未完全达到。考虑到分析物在两相中的扩散过程，它被萃取到固相涂层的量为：n=C﴾1-exp(-A(2mm＇KV+2mm＇V＇)/mVV＇+2m＇KVV＇)﴿(KVV＇/KV+V＇)(1-2)式中Ｋ为分析物在试样介质和涂层之间的平衡常数，Ａ为涂层的表面积，ｍ、ｍ＇分别为分析物在试样和在固相涂层中的质量转移系数（ｍ为扩散系数除以涂层厚度）。在SPME采样时，并不一定要求分析物完全被萃取或一直进行到平衡建立，只要在严格条件下获得可靠且稳定的响应值与浓度之间的线性关系。当吸附（吸收）时间无限长时，则达到平衡后分析物在固相涂层中的量ｎ＇为：ｎ＇＝ＫＶＶ＇／ＫＶ＋Ｖ＇（1-3）此结果和平衡理论是一样的。2固相微萃取技术条件的选择2.1萃取效果影响的因素2.1.1萃取头的选择萃取头是SPME装置的核心，其涂层的性质已经成为SPME方法成功与否的关键。因此对其选择要十分慎重。涂层的选择应该由待测物质的性质决定，一般根据相似相溶原理进行选择，极性大的待测物质选择强极性的涂层，极性小的选择弱极性的涂层材料。小分子或挥发性物质常用厚膜100微米萃取头，较大分子或半挥发性物质采用7微米萃取头，综合考虑分析物的极性和挥发性时，还可以有85微米、65微米、75微米、30微米的极性或非极性萃取头选择。固定相层可以以非键合、键合或部分交联的形式涂敷在石英纤维上，涂层在有机溶剂中的稳定性为：键合相＞部分交联＞非键合相，非键合相在有机溶剂中还有较大的溶胀性。最常用的固相涂层物质是聚甲基硅氧烷（PDMS）和聚丙烯酸酯（PA），前者用于非极性化合物、多环芳烃、芳香烃等，100微米的PDMS适用于分析低沸点的极性物质，7微米的PDMS适用于分析中沸点和高沸点的物质。后者多用于极性化合物如苯酚类化合物。随着SPME的不断发展，新型的涂层材料也不断出现：涂有石墨碳黑的石英纤维用于分析水中和空气中的微量化合物，特点是表面多孔、热稳定性好、不保留水、吸附容量大等；Liu等人将键合有碳八和碳十八液相色谱用硅胶用高温环氧固定在金属丝上，将其用于分析水中的芳香烃化合物和多环芳烃，此涂层表面积大、易于达到吸附平衡、可提高检测灵敏度；公认的性能较好的极性涂层材料Omegamax250在人体血清样、尿样的分析中效果良好，且干扰峰很少，而用此涂层对研碎药片中的雷尼替丁（ranitidine）进行分析，可得到较低的检测限（0.1微克每升），而多孔二乙烯基苯聚合物类涂层材料可用于杂环胺类的诱导变性剂、安非他明等药物的检测，检出限均在1微克每升以上；而Athur、Michalska等人提出以导电聚合物吡咯（PPY）作为涂层材料，得到了许多人的赞同，导电聚合物易于在单体上引入功能基或在其上沉积金属离子和存在多重作用力如π-π作用、偶极作用、酸碱作用等，PPY能[3]在空气中与有机溶剂保持相对稳定，且其单体和衍生物易得，Wu等人以其作为涂层材料成功地对β-受体阻断剂等物质进行分析，证明PPY有较高的萃取效率[4]，PPY也可用于药物如安非他明的检测，甚至是离子型的待测物它也可以进行检测；此外，还有人开发了纤维双液相涂层，它克服了单液相涂层萃取有机化合物范围狭窄的缺点。涂层材料必须满足对待测物有较强萃取能力外，还应在常用的有机溶剂中保持足够的稳定性，实际上的涂层很难两个方面都满足，如PA在使用了10-20次后就因损伤而不能再继续使用，这使得SPME方法的重现性受到一定的制约。涂层材料越厚，对待测物吸附量越大，可降低最低检出限，但同时也会增加平衡萃取时间，减慢分析速度，而非键合相在溶剂中有一定的溶胀性对涂层厚度也应当考虑。2.1.2试样量、容器体积由于固相微萃取是一个固定的萃取过程，为保证萃取的效果需要对试样量，试样容器的体积进行选择。试样量与试样容器的体积对于保证结果有很大关系，试样量与试样容器体积之间存在有匹配关系，试样量增大的情况下，重现性明显变好，检出量提高。2.1.3萃取时间萃取时间是从石英纤维与试样接触到吸附平衡所需要的时间。为保证试验结果重现性良好，应在试验中保持萃取时间一定。影响萃取时间的因素很多，例如分配系数、试样的扩散速度、试样量、容器体积、试样本身基质、温度等。在萃取初始阶段，分析组分很容易且很快富集到石英纤维固定相中，随着时间的延长，富集的速度越来越慢，接近平衡状态时即使时间延长对富集也没有意义了，因此在摸索实验方法时必须做富集—时间曲线，从曲线上找出最佳萃取时间点，即曲线接近平缓的最短时间。一般萃取时间在5～60min以内，但也有特殊情况。2.1.4使用无机盐向液体试样中加入少量氯化钠、硫酸钠等无机盐可增强离子强度，降低极性有机物在水中的溶解度即起到盐析作用，使石英纤维固定相能吸附更多的分析组分。一般情况下可有效提高萃取效率，但并不一定适用于任何组分。2.1.5改变pH值改变pH值同使用无机盐一样能改变分析组分与试样介质、固定相之间的分配系数，对于改善试样中分析成分的吸附是有益的。由于固定相属于非离子型聚合物，故对于吸附中性形式的分析物更有效。调节液体试样的pH值可防止分析组分离子化，提高被固定相吸附的能力。2.1.6衍生化衍生化反应可用于减小酚、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。在固相微萃取中，或向试样中直接加入衍生剂，或将衍生剂先附着在石英纤维固定相涂层上，使衍生化反应得以发生。2.2萃取速度影响因素的选择2.2.1加热加热试样可以加速试样分子运动的速度，尤其能使固体试样的分析组分尽快从试样中释放出来，增加蒸汽压，提高灵敏度，对于顶空分析尤为重要。但过高的温度会降低石英纤维固定相对组分的吸附能力。选择一个合适的温度非常重要。2.2.2磁力转子搅拌、高速匀桨、超声波磁力转子搅拌可促使试样均匀，尽快达到平衡，在很多试验中发现能明显提高萃取效率，且转速越高，达到平衡的速度也越快。使用高匀桨的出发点与磁力转子搅拌是一致的，但高速匀桨的速度远远高于磁力转子搅拌，其效果更好，仅用磁力转子搅拌萃取时间的1/3。使用超声头对试样进行超声更有助于分析组分的吸附，在三者中效果最好，同磁力转子搅拌相比缩短时间90%。由于磁力转子搅拌同高速匀桨、超声波相比所用设备最简单，所以基本上仍使用磁力转子搅拌法。但搅拌法对于某些试样并不适合，需要针对具体试样进行试验。上述所有条件对于改善试样中分析组分的萃取是有作用的，但必须要结合起来才能发挥最大效应。在设计实验方案时需要综合考虑以上各种因素，筛选出最优化法。2.3固定相的处理固相微萃取中的关键部位是石英纤维固定相，靠它对分析组分吸附和解吸，如果曾用过而上面的组分未被解吸掉，则会对以后的分析结果有干扰。每次使用前必须将其插入气相色谱进样器，在250℃左右置1h，以去除上面吸附的干扰物,如果曾