固相微萃取(樣品預處理技術)

固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)技術是1989年由加拿大Waterloo大學Paw linszyn及其合作者Arthur等提出的。最初研究者將該技術套用於環境化學分析（水、土壤、大氣等），隨著研究的深入和方法本身的不斷完善及裝置的改進，現在已逐步擴展到食品、天然產物、醫藥衛生、臨床化學、生物化學、毒理和法醫學等諸多領域。

固相微萃取克服了傳統樣品前處理技術的缺陷，集採樣、萃取、濃縮、進樣於一體，大大加快了分析檢測的速度。其顯著的技術優勢正受到環境、食品、醫藥行業分析人員的普遍關注，並大力推廣套用。

基本介紹

• 中文名：固相微萃取
• 外文名：solid-phase microextraction, SPME
• 行業：分析化學樣品前處理
• 套用領域：環境、食品、醫療的痕量物質分析
• 作用：樣品預處理技術
• 特點：快速、高效、簡便、無需溶劑等

簡介

固相微萃取技術是基於採用塗有固定相的熔融石英纖維來吸附、富集樣品中的待測物質。其中吸附劑萃取技術始於1983年，其最大特點是能在萃取的同時對分析物進行濃縮，目前最常用的固相萃取(SPE)技術就是將吸附劑填充在短管中，當樣品溶液或氣體通過時，分析物則被吸附萃取，然後再用不同溶劑將各種分析物選擇性地洗脫下來。

操作

其裝置類似於一支氣相色譜的微量進樣器，萃取頭是在一根石英纖維上塗上固相微萃取塗層，外套細不鏽鋼管以保護石英纖維不被折斷，纖維頭可在鋼管內伸縮。將纖維頭浸入樣品溶液中或頂空氣體中一段時間，同時攪拌溶液以加速兩相間達到平衡的速度，待平衡後將纖維頭取出插入氣相色譜汽化室，熱解吸塗層上吸附的物質。被萃取物在汽化室內解吸後，靠流動相將其導入色譜柱，完成提取、分離、濃縮的全過程。固相微萃取技術幾乎可以用於氣體、液體、生物、固體等樣品中各類揮發性或半揮發性物質的分析。發展至今短短的10年時間，已在環境、生物、工業、食品、臨床醫學等領域的各個方面得到廣泛的套用。在發展過程中，主要涉及到探針的固相塗層材料及塗漬技術、萃取方法、聯用技術的發展、理論的進一步完善和套用等幾個方面。

固相微萃取

原理

以熔融石英光導纖維或其它材料為基體支持物，採取“相似相溶”的特點，在其表面塗漬不同性質的高分子固定相薄層，通過直接或頂空方式，對待測物進行提取、富集、進樣和解析。然後將富集了待測物的纖維直接轉移到儀器(GC或HPLC)中，通過一定的方式解吸附(一般是熱解吸，或溶劑解吸)，然後進行分離分析。

固相微萃取法（SPME）的原理與固相萃取不同，固相微萃取不是將待測物全部萃取出來，其原理是建立在待測物在固定相和水相之間達成的平衡分配基礎上。

特點

集取樣、萃取、濃縮和進樣於一體，操作方便，耗時短，測定快速高效。

無需任何有機溶劑，是真正意義上的固相萃取，避免了對環境的二次污染。

儀器簡單，無需附屬設備，適於現場分析，也易於操作。

靈敏度高，可以實現超痕量分析，可以達到納克每克級別的檢測。

萃取

萃取方式

固相微萃取方法分為萃取過程和解吸過程兩步 ：

1、萃取過程——具有吸附塗層的萃取纖維暴露在樣品中進行萃取 。

2、解吸過程——將以完成萃取過程的萃取器針頭插入氣相色譜進樣裝置的氣化室內，使萃取纖維暴露在高溫載氣中，並使萃取物不斷地被解吸下來，進入後序的氣相色譜分析。

固相微萃取有三種基本的萃取模式：直接萃取（Direct Extraction SPME）、頂空萃取(Headspace SPME)和膜保護萃取（membrane-protected SPME）。

固相微萃取直接萃取

直接萃取方法中，塗有萃取固定相的石英纖維被直接插入到樣品基質中，目標組分直接從樣品基質中轉移到萃取固定相中。在實驗室操作過程中，常用攪拌方法來加速分析組分從樣品基質中擴散到萃取固定相的邊緣。對於氣體樣品而言，氣體的自然對流已經足以加速分析組分在兩相之間的平衡。但是對於水樣品來說，組分在水中的擴散速度要比氣體中低3-4個數量級，因此須要有效的混勻技術來實現樣品中組分的快速擴散。比較常用的混勻技術有：加快樣品流速、晃動萃取纖維頭或樣品容器、轉子攪拌及超聲。

這些混勻技術一方面加速組分在大體積樣品基質中的擴散速度，另一方面減小了萃取固定相外壁形成的一層液膜保護鞘而導致的所謂“損耗區域”效應。

固相微萃取頂空萃取

在頂空萃取模式中，萃取過程可以分為兩個步驟：

1、被分析組分從液相中先擴散穿透到氣相中；

2、被分析組分從氣相轉移到萃取固定相中。這種改型可以避免萃取固定相受到某些樣品基質 （比如人體分泌物或尿液）中高分子物質和不揮發性物質的污染。

在該萃取過程中，步驟2的萃取速度總體上遠遠大於步驟1的擴散速度，所以步驟1成為萃取的控制步驟。因此揮發性組分比半揮發性組分有著快得多的萃取速度。實際上對於揮發性組分而言，在相同的樣品混勻條件下，頂空萃取的平衡時間遠遠小於直接萃取平衡時間。

膜保護萃取

膜保護SPME（圖）的主要目的是為了在分析很髒的樣品時保護萃取固定相避免受到損傷，與頂空萃取SPME相比，該方法對難揮發性物質組分的萃取富集更為有利。另外，由特殊材料製成的保護膜對萃取過程提供了一定的選擇性。

影響因素

萃取頭的種類和膜厚

目前商品化的萃取頭有七類，固定相可以以鍵合型、非鍵合型、部分交聯和高度交聯四種形式塗附在石英纖維上。塗層在有機溶劑中的穩定性按以下順序減小：鍵合型>部分交聯>非鍵合型。塗層的極性對待測物的選擇萃取有很大影響，根據“相似相溶”原理，非極性塗層有利於對非極性或極性小的有機物的分離；極性塗層對極性有機物的分離效果較好。除此之外，塗層的厚度對於分析物的吸附量和平衡時間也有影響，厚的塗層適於揮發性的化合物，而薄塗層在萃取大分子或半揮發性的化合物時更顯優勢，塗層越厚，吸附量越大，有利於擴大方法的線性範圍和提高方法的靈敏度，但是達到平衡則需要更長的時間，但是，萃取塗層的厚度和長度受到萃取纖維支持材料的限制，如常用的石英纖維材料質地較脆，能在其表面塗漬高分子固定相薄膜的種類及數量有限。具體來說，高分子固定相塗層對有機物的萃取和富集是一種動態平衡過程，塗層要對有機分子有較強的選擇。

萃取溫度

萃取溫度對固相微萃取存在著雙重作用，溫度增加，可以加快待測物的分子擴散速度，有利於儘快達到平衡，但是溫度的增加，有使得平衡分配係數K減小、塗層對待測物的吸附量減少，降低了靈敏度，對於HS—SPME來說，還有液上溫度，一般來講，液上溫度低有利於吸附。

萃取時間

萃取時間由多方面影響，包括萃取頭的種類和膜厚、吸附能力、待測物的在基質與塗層之間的分配係數、擴散速度、基質的多少等。一般說來，分配係數小的物質需要的萃取時間長。為了提高實驗的重現性，一般實驗時要選擇相同的萃取時間。

鹽效應和pH的影響

兩者在實質上是一樣的，都是影響了基質的離子強度，從而影響了待測物在基質和塗層之間的分配係數。鹽效應分為“鹽溶”和“鹽析”兩種。鹽溶是由於離子強度的增加，增大了待測物在基質中的溶解量，不利於萃取的進行；“鹽析”是由於離子強度的增加減少了待測物在基質中的溶解，使K值增大，從而提高了萃取效率。鐘海燕等發現在風味物質萃取過程中，可以提高萃取效果，尤其是分子量較大的化合物更為明顯。pH的影響是通過調節酸鹼度而影響了溶液中的離子強度從而改變了待測物在基質中的溶解性。

攪拌效率的影響

攪拌可以加快基質的傳遞，從而縮短了萃取時間，特別是對於高分子量和高擴散係數的組分。常用的攪拌方式有：超音波攪拌、電磁攪拌、高速勻漿，採取攪拌方式時一定要注意攪拌的均勻性，不均勻的攪拌比沒有攪拌的測定精確度更差。

解吸溫度

解吸溫度是影響固相微萃取的另一個因素。在一定的溫度下，解吸的時間越長，解吸越充分，若解吸不充分，可能對下一次的萃取造成污染。在一定的時間下，溫度越高越利於解吸，但是溫度過高，會縮短萃取纖維的壽命，一般常選擇萃取頭的老化溫度作為解吸溫度。

產品

美國Supelco公司共有22款以PDMS、DVB、PA、CAR四種萃取材料或材料組合製備的固相微萃取產品。分別針對揮發性、半揮發性、極性以及非極性物質的SPME分析。

青島貞正分析儀器有限公司共有17款以PDMS、DVB、PA、PES、CAR、SiO2、AL2O3七種萃取材料或材料組合製備的固相微萃取產品。其中雙極性塗層針對極性、非極性或兩者皆需萃取的物質有著更多的選擇空間。

套用

在環境樣品檢測中的套用

固相微萃取法最早的套用就是在環境樣品的檢測中，至今其在環境樣品的微量元素分析中仍發揮著巨大的作用。套用比較廣泛的有固態（如沉積物、土壤等）、液態（飲用水和廢水等）及氣態（空氣、香料和廢氣等）的樣品分析。在固態樣品中的套用有在底泥中丁基錫化合物的檢測、土壤和沉積物中的有機氯及硝基化合物、污泥等沉積物中脂肪酸類洗滌劑組分和污泥中苯系列及其鹵代物等有機化合物的檢測等等。

在水體中的套用有在環境水樣的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、醇類、錫、砷、鉛等有機金屬及其他無機金屬離子、有機磷和有機氯農藥、除草劑、甲基汞、胺類物質、多環芳烴、羥基化合物以及廢水中烷烴、脂肪烴、醇類、酯類和揮發性芳香族化合物的檢測等等。

在氣態樣品中的套用有氣體中胺類物質、脂肪酸的檢測以及和擴散管配合使用，套用於揮發性有機物（苯、甲基環己烷、甲苯、四氯乙烯、氯代苯、乙基苯、對二甲苯、苯乙烯、壬烷和異丙苯等）的檢測以及石油烴化合物的檢測。

在食品分析中的套用

由於固相微萃取法的特點，該技術剛出現不久，就有人把它套用於食品中微量成分的分析，並且在國內外都得到了廣泛的發展。如用於食用醋中有機揮發物的分析，白酒中苯醯類芳香族化合物的分析，白酒中敵敵畏含量的檢測，芥末風味的檢測，水果中揮發性芳香族化合物、馬鈴薯中揮發性有機酸、薰火腿中的硝基苯胺等芳香族化合物以及向日葵中揮發性有機物的檢測等等。

在藥物檢測中的套用

固相微萃取技術在藥物分析和藥物檢測上發展迅速，正逐漸成為生理、病理、毒理學上不可缺少的一個檢測手段。如在人體體液中抗組胺類化合物的分析，以及套用在血液和尿液中杜冷丁含量的檢測，尿液中一些生物鹼以及尿液中二氯苯異構體的檢測，血液中氰化物、血清中甾類、酚嗪類和苯酚類化合物的檢測，體液中有機磷農藥以及苯類化合物的檢測，唾液中大麻酚和皮質甾類以及人呼吸系統中丙酮成分的檢測等等。

在其他領域的套用

針對固相微萃取法的特點，該技術套用于越來越多的實際生產和生活領域上，如套用於紡織品中殺蟲劑殘留和偶氮染料的檢測、蔬菜中殘餘有機磷農藥的檢測以及在洗髮香波中四氯化碳的檢測，而且在菸草行業也得到了廣泛的套用，如在成品香菸中香料、香精成分的分析、捲菸菸絲中的香氣成分和在菸葉中有機酸含量的分析。

發展

萃取攪拌棒(SBSE)技術在固相微萃取技術基礎上發展而來的，相對較新的固相微萃取技術。將萃取攪拌棒作為帶有萃取塗層的攪拌子放入待測樣品中攪拌一段時間，使待分析組分在樣品基質和吸附層之間的分配達到一個平衡，目標化合物就被吸附在萃取塗層上，無需其它的樣品製備過程。取出攪拌棒，利用TDS或TDU進行熱脫附分析或使用少量溶劑超聲脫附。其原理與固相微萃取探針相似，靈敏度可以比固相微萃取探針高100～1000倍，是用來分析痕量有機組分的很有優勢的一種技術。

吸附萃取攪拌棒（SBSE）是由內封磁芯石英棒和萃取層兩部分組成，是將萃取層套在內封磁芯石英棒外面，與磁力攪拌器搭配使用，使得萃取層隨著內封磁芯石英棒旋轉攪拌，從而達到吸附富集目標化合物的目的。內封磁芯石英棒可永久使用，萃取層根據材質不同，使用壽命不同。