1、固相微萃取原理及其在化学分析中的应用陈老师（哲博化工科技有限公司哲博检测中心，浙大国家大学科技园，杭州310013，Email ：）自从1990 年Pawliszyn 等提出了一种新的固相萃取技术 固相微萃取( solid phase microextraction , SPME)以来，SPME已迅速应用在各种化学分析领域。SPME是一种基于气固吸附 (吸收) 和液固吸附(吸收) 平衡的富集方法,利用分析物对活性固体表面(熔融石英纤维表面的涂层) 有一定的吸附(吸收) 亲合力而达到被分离富集的目的。自1994 年SPME 装置商品化以来,该技术取得了较快的发展,除了主要与气相色谱(GC) 联用
2、外,还可与高效液相色谱(HPLC) 、毛细管电泳(CE) 以及紫外分光光度(UV) 等多种分离分析技术联用。 SPME 已开始应用于分析水、土壤、空气等环境样品,以及血、尿等生物样品和食品、药物等各个方面一、固相微萃取及气质联用技术的原理和优点SPME技术是根据有机物与溶剂之间的 “相似者相溶 ”的原则,利用石英纤维表面的色谱固定相或吸附剂对分析组分的吸附作用,将组分从试样基质中萃取出来,并逐渐富集,完成此试样前处理过程1在进样过程中,利用气相色谱进样口的高温将吸附的组分从固定相中解吸下来,由色谱仪进行分析。对于一个单组分的单相体系,当被分析有机物在萃取头与萃取体系之间达到平衡时,分析物与萃取
3、头之间有一分配系数K,该分配系数与分析物在萃取体系中的量有如下关系:式中:N 为吸附于萃取头上分析物的量; C0 为萃取前分析物在样品中的浓度; K为分析物在萃取头和样品间的分配系数; Cs 为分析物在萃取后样品中的浓度 ; Cf 为分析物在萃取头中的浓度; Vf 为萃取头的体积; Vs 为样品的体积。可以看出,体系中的K及Vf 值是影响方法灵敏度的重要因素。由于K Vf n Vs ,所以上式近似为N = K C0 Vf , K值取决于萃取头的固定相类型,而对一特定的萃取头,其体积Vf 是一个定值,故N 与C0 之间成线性关系, C0 可由气相色谱仪测定。上面公式的推导从化学热力学平衡态化学势
4、相等的原理可以得出,但是实际体系往往是多组分共存因此,组分的K值不仅与同一组分不同相内的含量有关,而且与其他组分的含量也有关1实际的数学表达式较为复杂,但由于在所分析样品中的组分的含量一般较低,彼此的作用可以忽略,因此上式仍有一定的代表性,可解释SPME中的各种现象。二、SPME特点SPME 装置是在一支长约1 cm 长的熔融石英纤维上涂敷一层厚度为30100m 高聚物固定相,如聚甲基硅氧烷或聚丙烯酸酯。纤维与形如注射器装置的不锈钢柱塞相连,收缩在不锈钢针头之中。压柱塞从针头中抵出纤维并与试样溶液或顶空接触,使分析物被吸附(吸收) 而分配到涂敷层内。富集在纤维上的分析物,在气相色谱仪进样口通过
5、热解吸(解脱) 到色谱柱中。在HPLC 的情况下,籍助SPME-HPLC的接口将吸附在纤维上的分析物传送至分析柱。SPME 的特点是集取样、萃取、富集、进样于一身。一般的试样预处理方法只能完成其中的一、二步,而SPME 根据自身的特点 ,集多步为一体 ,简化了试样预处理过程。SPME易于操作,是试样与固相涂层直接作用 ,几乎不消耗溶剂 ,降低了成本,保护了环境。SPME 的速度取决于分析物分配平衡所需的时间,一般在230 min 内即可达到平衡。该技术适用于微量或痕量组分的富集。三、固相微萃取的萃取条件SPME固定相的选择1选用何种固定相应综合考虑分析组分在各相中的分配系数、极性与沸点,其基本
6、原则是“相似相溶原理”,可依据所分析物的分子量和极性的不同,选取最合适分析组分的固定相1小分子量或挥发性的化合物通常选用100mPDMS 萃取头;大分子量或挥发性的化合物通常选用30m 或7mPDMS萃取头 ;强极性的化合物通常选用 85mPA萃取头; 极性挥发性的样品(如乙醇、胺类) 选用65mPDMS/DVB 萃取头。SPME 的萃取方式有两种：一种为顶空式,适用于所有基质的试样中挥发性、半挥发性分析组分,另一种为直接浸入式,它仅适用于气体样品及洁净液体样品的分析。天然产物的分析一般采用顶空分析法,它适用于所有天然产物中挥发性、半挥发性组分以及衍生后挥发性、半挥发性组分,检测限可达pp t
7、级。萃取时间是从石英纤维与试样接触到吸附平衡所需的时间。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、试样基质、温度等1在萃取过程中,初始阶段,分析组分很容易且很快富集到石英固定相中,随着时间延长,富集速度越来越慢,接近平衡状态时即使延长时间,对富集也无意义。因此在摸索方法是必须作富集-时间曲线,从曲线上找出最佳萃取时间。一般萃取时间在560 min,但也有例外。SPME萃取体系存在着多种平衡,有的样品不会被完全萃取出来,例如天然产物的萃取。但这对天然产物的成分分析及相对含量的计算没有影响。若需要定量分析,只要保证萃取条件完全相同,即可得到准确的定量结果。实验中可通过
8、加热、增加涂层的厚度、进行搅拌、使用无机盐、改变pH值、进行衍生化、改变萃取方式等方法 ,来提高萃取效率。萃取的选择性主要取决于涂层材料的性能。按照分析物易被与其极性相似的固相所萃取的原则,选择合适的SPME 涂层。最常用作固相涂层的物质是聚甲基硅氧烷(PDMS) 和聚丙烯酸酯 (PA) ,均可用于气相和液相色谱。前者多应用于非极性化合物如挥发性化合物、多环芳烃和芳香烃,而后者多应用于极性化合物如三嗪和苯酚类化合物。固相层可以非键合、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按以下顺序减小: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。将一些聚合物,如聚
9、二乙烯基苯和碳分子筛,加到涂层中,可以增大涂层的表面积,改进SPME 的效率。Supelco 公司生产涂敷有各种固定相的商品SPME 石英纤维。除常用的聚甲基硅氧烷和聚丙烯酸酯外,还有一些部分交联的复合固相涂层材料,如聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯(PDMS/DVB) 用于芳烃和挥发性化合物,聚乙二醇2二乙烯基苯(CW2DVB) 用于极性化合物如醇类化合物,而聚乙二醇模板树脂(CWTPR) 则用于离子化的表面活性剂。四、方法的建立需要强调的是,在SPME 操作中并不一定要达到完全的萃取或平衡。重要的是保持采样条件的一致性。影响采样的因素包括有采样时间、温度、纤维浸入深度等。增加涂层厚度可使更多的的
10、分析物被萃取。厚的涂层较适合于挥发性化合物的保留,但受传质的影响,解吸速度慢,容易造成残留的试样进入以后的分析中。为了随后进行定量分析,必须保持响应值与分析物初始浓度之间的线性关系,试样浓度不能过高(如对于挥发性化合物,在50g/ L 以下) ,试样体积不能过大( 5 mL) ,使萃取处于吸附等温线的线性范围内。在许多情况下,向试样中加入电解质能增加溶液的离子强度,从而使分析物的溶解度降低,提高萃取效率。NaCl 是经常使用的电介质。同样,改变试样的pH 值对酸、碱性物质的萃取率也有较大的影响。在HPLC 中流动相条件对溶质保留的影响与上述观察到的现象是一致的。搅拌可缩短萃取时间。但是,不一致
11、的搅拌比不搅拌进行SPME 更差。五、固相微萃取-气质联用技术的原理和优点样品被SPME萃取、富集后 ,完成前处理过程,然后在气相色谱质谱联用仪 ( GC2MS)进样口解析并进样,样品混和物经色谱柱分离 ,去掉载气进入质谱仪,在高真空的环境中,组分中的分子受到能量轰击,分子或失去一个电子成为分子离子,或被轰为碎片离子,其中带正电的碎片受电场加速进入质量分析器,质量分析器可以检测到不同质量离子的数量,以数量的质荷比对其数量(丰度)作图,即为质谱图。色谱峰所在位置的质谱图,若与谱库中的标准化合物的质谱图匹配率高,且保留时间相同,即可鉴定是该组分的化学结构。所以, SPME2GC2MS是一种的新型萃取分离鉴定技术。物质经SPME 前处理后,进入气相色谱仪分离 ,然后在质谱仪中得到质谱图,经质谱图解析,结合GC的保留时间,来共同定性化合物结构式。此项技术与传统方法比较优点在于:无需溶剂,简单快速,经济无毒害 ,准确度灵敏度高,能方便地进行联用。
