综述近年来固相微萃取的研究进展

综述近年来固相微萃取的研究进展 摘要：固相微萃取是新型的样品预处理方法，,随着对此技术发展的深入理解,新型 SPME 装置不断得到应用和发展。本文介绍了 SPME 的试验方法、原理、涂层的研究、涂渍方式 的发展以及与各种仪器联用的发展情况。 关键词：固相微萃取 固相涂层 综述 1 引言 SPME 是一种新型的无溶剂样品制备技术。,该技术是在固相萃取的基础上发展起来的 一种崭新的萃取分离技术。固相微萃取技术(Solid Phase Micro2Extrac2tion,SPME)是 80 年代 末发展起来,最先由加拿大 Waterloo 大学的 Arthur 和 Pawliszyn 等1提出,1993 年,美国 Supelco 公司推出了商业化的固相微萃取设备。其主要优点是:在无溶剂条件下可一步完成 取样、萃取和浓缩，对环境友好，节省了样品预处理时间;与气相色谱、高效液相色谱等仪 器联用，可快速有效地分析样品中痕量有机物;重复性好，检出限达到 g/L，线性范围可达 3 一 5 个数量级以上2;样品用量少，对待测物的选择性高;操作简便，更适合于现场应急检 测3等。克服了传统的液液萃取、索氏萃取等具有大量使用有机溶剂和样品处理时间长、 难用于挥发性有机物的分析等缺点。SPME 与近年来新发展的样品前处理技术相比也具有 独到之处,如超临界流体萃取装置价格昂贵,不适于水样分析;以溶剂脱附的固相萃取法回收 率低;热脱附的固相萃取法需要专用的加热装置,且固体吸附剂的孔隙易被堵塞4. 固相微萃取技术几乎可以用于气体、液体、生物、固体等样品中各类挥发性或半挥发 性物质的分析. SPME 技术最先应用于环境监测，发展至今短短的 10 年时间,已在环境、生 物、工业、食品、临床医学等领域的各个方面得到广泛的应用5. 在 SPME 发展过程中, 主要涉及到探针的固相涂层材料及涂渍技术、萃取方法、联用技术的发展、SPME 理论的 进一步完善和 SPME 的应用等几个方面. 2 固相微萃取装置 固相微萃取装置(见图 1)主要由两部分组成:一是由 1 cm 长的融熔石英纤维和涂在其表面的 色谱固定液或吸附剂构成的萃取头,二是控制杆。测定时旋转控制杆,推出萃取头,浸于样品 中或置于样品上空进行萃取,待吸附达到平衡后,将萃取头收纳于鞘内,不经任何溶剂洗脱直 接进入气相色谱仪汽化室,再推出萃取头,热解吸后靠流动相将其导入,完成提取、分离、浓 缩、测定。 Fig. 1 Brief diagram of the apparatus for SPME 1.压杆(Plunger) 2.手柄筒(Cylindrical handle) 3.控制杆旋钮(Controlling shaft screw) 4. Z 型支点(Z2slot) 5.透视窗(Viewing window) 6.针头长度定位器(Adjustable needle guide) 7.弹簧(Spring) 8.密封隔膜(Sealing septum) 9.隔膜穿透针(Partition membrane piercing needle) 10.纤维固定管(Fiber fixing tubing) 11.熔融石英纤维(Fused quartz2fiber) 3 固相微萃取的试验方法和原理 3.1 固相微萃取的试验方法 SPME 的试验方法有四种:直接法(Di2SPME);顶空法( HS2SPME);膜保护法(Membrane- 2protected2SPME ) 6;衍生化法(Derivatization SPME)7。 Di-SPME 法:将萃取头直接插入样品中,分析物从样品中直接转移到涂层上。 HS-SPME 法:萃取头停留在样品上方的气相中。这种萃取方式使萃取头免受基质中不挥发的、 大分子量的物质(如腐殖酸或蛋白质)的不利影响。 Membran-protected-SPME:是通过一个选择性的膜将样品与萃取头隔离,膜允许分析物通过而 阻塞干扰物。可实现样品的粗分离,增加选择性,还可保护萃取头,防止被基质污染。 Derivatization-SPME:气相色谱法分离有机金属化合物时为了达到理想的挥发度,往往要进行 衍生化。衍生化过程可以在样品中完成,或在萃取头的涂层上实现。常用的衍生化试剂有:格 林试剂、四乙基硼化钠、硼氢化钠等。通过衍生化作用降低极性化合物的极性,并提高了涂 层/水或涂层/气相的分配系数,待分析物的低极性衍生化产物更适合色谱的分离、检测。 3.2 固相微萃取的定量原理 3.2.1 直接固相微萃取(膜保护法也适用) Louch 等8研究了有机分子在涂层和水溶液中的分配过程动力学,提出了 Di2SPME 方法 的数学模型,即对于单组分单相体系达到平衡时,待测物在涂层上的吸附量与其在样品中的初 始浓度及在两相间的分配系数等因素有关: n =KfsVfC0Vs/(KfsVf+V) 其中,n 为待测物在涂层上的吸附量,Kfs是待测物在涂层和样品间的分配系数,Vf、Vs分别是 涂层和样品的体积。C0为待测物在样品中的初始浓度。可以看出 n 与 C0之间呈线性关系, 通过检测待测物的含量 n,即可推知该其在样品中的初始浓度 C0。当 VsKfsVf,则 n=C0KfsVf,这 时萃取量与样品体积无关,可直接对环境体系进行现场采样分析。 3.2.2 顶空固相微萃取(衍生法也适用) HS-SPME 法是一个三相萃取体系,即固相(涂层)、液相(样品)、气相。Zhang9等研究了 HS- SPME 的扩散体系及其平衡,并建立了数学模型: n =C0V1V2K1K2/（K1K2V1+K2V3+V2) 其中,C0为待测物在样品中的初始浓度,K1、K2分别是待测物在固相与气相、气相与液相 间的分配系数。V1、V2、V3分别是固相、液相和气相的体积。可见,在涂层类型、萃取时间、 萃取温度等操作条件固定的前提下,待测物在萃取涂层中的萃取量与其初始浓度一定范围内 成正比。 4 SPME 涂层材料与涂渍技术的发展 4. 1 SPME 涂层材料的发展 SPME 装置中对萃取起决定作用的是萃取纤维.由于熔融石英纤维具有很好的耐热性及化学 稳定性,所以选择了以它为材质的光纤作为萃取器的萃取纤维支撑体,最初的方法就是直接利 用熔融石英为吸附层10.SPME 的涂层材料大体上可分为两个部分,即有机高分子聚合物涂 层和无机介质涂层材料.有机高分子涂层材料主要用于萃取有机分子及少量无机分子,无机涂 层主要用于萃取无机物质及少量有机物质,除了常用的 GC 固定相,一些高效液相色谱(HPLC) 固定相也可作为 SPME 的涂层材料.SPME 在各个领域的广泛应用,促成了涂层材料的多样化 和涂层技术的不断发展.到目前为止,已实现商品化的以有机高分子聚合物为涂层材料的探针 有:聚二甲基硅氧烷(PDMS, 7、30、65、100m),聚丙烯酸酯(PA, 85m),聚二甲基硅氧烷/二 乙烯基苯(PDMS/DVB, 75m),聚乙二醇/聚二甲基硅氧烷(CW /PDMS, 75m),聚乙二醇/二乙 烯基苯(CW /PVB, 65m),聚乙二醇/模板树脂(DB/TR,50m ). 无机涂层材料作为吸附剂必须符合下列条件:(1)有大的比表面积、丰富的孔径和适宜的 孔结构;(2)不与被吸附剂和介质发生化学反应; (3)在吸附条件下不发生升华和溶解; (4)有良 好的热稳定性和机械强度.已实现商品化的无机涂层材料的探针主要有石墨碳黑和活性炭. 随着 SPME 在各个领域的广泛应用,被萃取化合物的种类越来越多,浓度越来越低,对 SPME 探针的要求也随着增强.除商品化探针外,一些新颖的 SPME 探针已被研制出来并用于 环境、食品、生物等领域中样品的富集与检测. 4. 2 SPME 探针涂渍方式的发展 由于 SPME 受到色谱特别是气相色谱的影响,其涂层技术也必然受到气相色谱涂渍技术 的影响,通常采用的涂层技术有直接涂渍、键合法和交联固化.涂层在有机溶剂中的稳定性遵 循以下规律:键合相部分交联非键合相.只有键合相才与所有有机溶剂相容,非键合相在有 机溶剂中还有较大的溶胀性.而对无机探针来说一般采用吸附和物理沉积.溶胶-凝胶(sol-gel) 技术在材料合成和表面涂料方面有其独到的优越性,它制备简单、方便,可在温和条件下使有 机物附着在无机介质表面,由于化学键合作用使涂层对基质有强烈的黏附性.它首次由 Malik 在 1997 年提出11.这种方法的主要特点是:固相涂层与石英光纤表面形成强烈的化学键,大 大提高了涂层的热稳定性和化学稳定性,扩大了 SPME 探头的使用范围;涂层形成三维多孔网 状结构能大大加快传质速度,减少萃取时间,并且增大表面积,提高萃取能力;形成的有机-无机 聚合物能达到分子水平上的同一性,提高了探头的重现性.目前已有用溶胶-凝胶技术进行石 英纤维探针固定相涂渍的报道,通过溶胶-凝胶法涂渍的端羟基聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇 等涂层相当牢固,它耐高温(最高使用温度达 320)、耐溶剂,使用寿命长12.随着方法的改 进,还出现了萃取相涂渍在毛细管内的管内 SPME( in-tube SPME)15.这些涂层材料各具特色, 在某些方面比商用涂层更具优势,但目前仅处于实验阶段.因此制备高效、高灵敏、高选择性 和热稳定性好的涂层材料一直是该项技术亟待发展的关键. 5 SPME 与分析仪器联用技术的发展 SPME 可以方便与气相色谱联用,GC 的汽化室可用于分析物从纤维上的解吸.当温度上升 时,分析物对纤维的亲和力下降从而释放出来.汽化室较小的体积能够保证解吸下来的分析物 由载气迅速转入色谱柱.对于大多数化合物而言,解吸通常在两分钟内完成.GC 的热解吸受若 干参数的影响,如汽化室的温度和载气的流速等,它们决定了 SPME 的解吸时间.一般,汽化室 温度的设定在可保持纤维涂层稳定的最大温度.最高解析温度有助于减少滞留影响.SPME 与 GC 的联用是应用最普遍的一种方法,这是因为 SPME 与 GC 的联用所需附加设备最少,操作最 为简单,而方法的灵敏度却可以大大提高.目前,相应于 SPME-GC 联用检测器多为质谱(MS)和 氢火焰检测器(FID),除此之外,还有其它一些检测器也被应用于与 SPME-GC 联用检测.Moens 等人用 SPME 方法快速检测有机汞、有机锡、有机铅13,并用气相色谱-等离子体质谱(GC- ICP-MS)进行检测.Arthur 等人通过改装自动进样器实现了 SPME-GC 全程自动化14,它能较 好的控制萃取过程的温度和搅拌,提供了比手动 SPME 装置重现性更好的结果.目前广泛使用 的有机物如某些药物、蛋白质、氨基酸等多半为半挥发性或不挥发性化合物,不能与 GC 联 用进行检测,于是 SPME-HPLC 的联用也就应运而生.它与 GC 联用的不同之处在于解吸过程和 探针的形状,即 HPLC 是通过使用微量溶剂洗涤萃取纤维来解析萃取物并直接进入后续的 HPLC 分析,而非 GC 快速热解吸.在 SPME 和 HPLC 联用中必须解决接口技术,以实现分析物的 解吸. 1995 年 Chen 等提出了一种 SPME-HPLC 接口,此接口替代定量管与流通阀相连15.并 分别用分流和梯度洗脱分离了水中的 PAHs.Boyd 等改进了 Chen 等的装置,采用梯度洗脱分 析了 Triton x-100 中的 16 种烷基乙氧基苯酚16. 1997 年 Eisert 和 Pawliszyn 提出了一种自 动进样的 SPME-HPLC 联用装置-In Tube SPME-HPLC17.在 HPLC 的自动进样阀和取样器之间 的是一根涂有 SPME 固定相涂层的 GC 石英毛细管.当处于进样位置时,针头吸入的样品溶液 中的分析物分配到石英管壁的固定相上,切换到装样位置时,吸入溶剂,将被吸附的组分转移 到样品管中.再切换到进样位置,样品管内的溶液随流动相进入分析柱,进行色谱分析.此装置 的特点是自动进样,避免了峰展宽.Daimon 等还提出一种改进的 SPME-HPLC 接口18.在分析 时,用电加热石英纤维的导管,增加解吸率. 毛细管电泳作为一种微量分离技术,由于其分离速度快、高效和样品用量少等优点,成为 生命科学中有效的分离手段. SPME 与电泳(CE)的联用也已经有了报道,它的优点是可以检测 复杂体系中的高沸点物质.有人用 SPME-CE 测定了酵母核糖体基体中的 75 种蛋白质,其中 80%的 蛋白质被检测出来.采用离线 SPME-CE,Li 等测定了体液中的巴比妥盐19.它们利用涂覆有聚 氯乙烯的不锈钢丝进行固相微萃取,再用几十微升的盐溶液将吸附物反萃取出来,进行 CE 分 析. 1997 年,Nguyen 等首先完成了 SPME-CE 的在线联用20.他们将一端毛细管与 CE 相连,然 后将固相微萃取纤维插入毛细管,利用流动相洗脱被吸组分,带入 CE 毛细管柱中进行分析. Whang 等设计了一个能实现零体积联用的接口21.在外径约 40m 的石英纤维上,涂覆 1m 厚的聚丙烯酸酯,与内径 75m 的毛细管柱直接相连,分析污染物如酚类,对五氯酚的 浓度检测限为 2g/L,比用传统的未经样品预处理的 CE-UV 检测低两个数量级.由此可见, SPME 技术的引入,有利于稀溶液中 CE 分析分析物的富集. 6 结语 固相微萃取作为分析化学研究的一个新的热门课题,已引起人们对它的广泛关注.近几年 来在主要的国际分析化学刊物上发表的论文呈指数增加,但他们多是直接将商用的固相微萃 取探头用于样品的分析,对探头的涂层材料、涂渍方式的研究并不多,有些研究还刚刚起步. 而商用探头涂层种类不多,中厚膜、高容量探头的耐温性还比较差,极性探头对极性较强的有 机物萃取能力并不太好,化学稳定性、使用寿命还较差,而且商用探头售价昂贵,也限制了固 相微萃取方法的应用22.因此,研制新型高选择性、高灵敏度、耐高温的固相微萃取涂层,提 高涂层的富集倍数,拓展固相微萃取的应用范围是固相微萃取方法今后的发展方向. 参考文献： 1 Arthur C L, Pawliszyn J. 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