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新型高分子固相微萃取头的制备及其在气相 色谱分析中的应用研究 专业：分析化学 硕士生：黄远丽 指导导师：邹世春副教授 摘要 固相微萃取技术是一种集萃取、浓缩、解吸、进样于一体的样品前处理技术， 具有无溶剂、基体干扰小、灵敏度高、操作简便的特点。商品化萃取头不耐有机 溶剂，在目标物浓度高的样品中易出现过饱和以及涂层剥落的现象。整体固相微 萃取头与商品化萃取头相比，具有传质速度快，萃取容量高，耐有机溶剂，没有 流失等优点，利用此类固相微萃取头建立的分析方法，简单、快速、具有非常好 的应用前景。因此开展整体固相微萃取头的制备、性能测试及应用研究具有十分 重要的理论意义和应用价值。 本研究以甲基丙烯酸缩水甘油酯( g l y c i d y lm e t h a c r y l a t e ，g m a ) 为单体，二甲 基丙烯酸乙二醇酯( e t h y r l e n ed i m e t h a c r y l a t e ，e d m a ) 为交联剂，通过共聚反应制 备了新型多孔整体固相微萃取头( g m a e d m ap o r o u sm o n o l i t h i cs p m ef i b e r ) ， 使用红外光谱、电子显微镜、氮吸附法和热机械分析对其结构及物理特征进行了 测试；在研究了萃取头长度、直径及萃取头修饰方式对邻苯二甲酸酯( p a e s ) 萃取效率的影响的基础上，对盐浓度、萃取温度及萃取时间等影响因素进行了条 件优化实验，建立了顶空固相微萃取气相色谱质谱联用测定水体中邻苯二甲酸 酯的方法：方法尝试应用于珠江水中的邻苯二甲酸酯的测定，结果表明，方法对 邻苯二甲酸二丁酯( d b p ) 具有较高的灵敏度，传质快，渗透性好，适用于环境 中水的痕量有机污染物的快速分析。 关键字：萃取头的制备固相微萃取g c m s 邻苯二甲酸酯 i v p r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fn o v e lp o l y m e r f i b e rf o rs o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o nc o u p l e dt og a sc h r o m a t o g r a p h y m a j o r ： n a m e ： a n a l y t i c a lc h e m i s t r y h u a n g y u a n l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f z o us h i c h u n a b s t r a c t s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ( s p m e ) i sw i d e l ye m p l o y e di nt h ed e t e c t i o no fa b r o a dr a n g eo fc h e m i c a l sd u et oi t ss i m p l i c i t y , s e n s i t i v i t y , l o wc o s ta n dl o wr i s ko f c r o s sc o n t a m i n a t i o nd u r i n gt h es a m p l ep r e p a r a t i o n i ti sas o l v e n t f l e ee x t r a c t i o n t e c h n i q u et h a tc o m b i n e ss a m p l ee x t r a c t i o n ，c o n c e n t r a t i o na n ds a m p l ei n t r o d u c t i o n i n t oas i n g l ep r o c e d u r e h o w e v e r ，t h ec o a t i n go fs p m ef i b e rm i g h tb eo v e r l o a d e d w h e ni tc a m ea c r o s ss a m p l e sw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o no fa n a l y t e s ，e v e nm i g h tp e a lo f f w h e nr u ni n t os o m ek i n d so fo r g a n i cs o l v e n t t h en e wp o r o u sm o n o l i t h i cs p m ef i b e r w h i c hw a se a s i l yp r e p a r e dh a dah i g h e re x t r a c t i o nc a p a c i t ya n df a s t e rd e s o r p t i o nr a t e a sar e s u l t ，t h ea n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nt h en o v e lf i b e rw a se a s ya n ds i m p l e t h e p r e p a r a t i o n ，p e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no ft h en e wp o r o u sm o n o l i t h i cs p m ef i b e r a r eo fag r e a ts i g n i f i c a n c et oi t st h e o r ya n da p p l i c a t i o n i nt h i sw o r k ，an o v e lm o n o l i t h i cs p m ef i b e rf o rs o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o nw a s d e v e l o p e db yi n s i t up o l y m e r i z a t i o nw i t hg l y c i d y lm e t h i a c r y l a t e ( g m a ) a sm o n o m e r , e t h y l e n ed i m e t h a c r y l a t e ( e d m a ) a sl i n k i n gr e a g e n t , t h em i x t u r e o fc y c l o h e x a n o l ( c y o h ) a n dd o d e c a n o ( d o o h ) a sp o r o g e na n da z o - b i s i s o b u t r y o n i t r i l e ( a i b n ) a st h e i n i t i a t o r t h ec h e m i c a la n dm i c r o c o s m i cs t r u c t u r e sf o rt h ep o l y m e rm a t e r i a lw e r e v i n v e s t i g a t e d a n dc h a r a c t e r i z e d b yf t - i r , t h es c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e r e s p e c t i v e l y t h ep o r o s i t yw a sm e a s u r e db yn i t r o g e na d s o r p t i o na n dt h et h e r m a l d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e db yd y n a m i ct h e r m o m e c h a n i ca n a l y s i s t h e n e wm o n o l i t h i cs p m ef i b e rw a su s e di nt h eh e a d s p a c es o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n p r o c e d u r e sf o l l o w i n gb yt h eg c m s d e t e c t i o n t h ee x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s i n c l u d i n gt h em o d i f i c a t i o n ，t h el e n g t ha n dt h ed i a m e t e ro ft h ef i b e r , a sw e l la st h e e x t r a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ee x t r a c t i o nt i m ea n dt h es a l tc o n c e n t r a t i o no nt h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c i e sw e r ei n v e s t i g a t e d a l lt h e s ef a c t o r sh a dag r e a ti m p a c to nt h el o a d i n g c a p a b i l i t yo re f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，an e wa n a l y t i c a lm e t h o dw a sp r e s e n t e df o rt h e a n a l y s i so fp h t h a l a t e s ( p a e s ) i np e a r lr i v e rw a t e ru s i n gt h e s e l f - m a d ep o r o u s m o n o l i t h i cg m a e d m af i b e r t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tg m a e d m af i b e rh a da h i g hs e n s i b i l i t yf o rd b p a n dq u i c ke q u i l i b r a t i o nd u et oi t sh i g hp e r m e a b i l i t ya n dl a r g e s u r f a c ea r e a i tw a sb e l i e v e dt h a tt h en e wf i b e rm i g h tb ea v a i l a b l ei nt h ef i e l d sf o rt h e r a p i de x t r a c t i o no ft r a c eo r g a n i cp o l l u t a n t si nm o s to fe n v i r o n m e n t a l w a t e rs a m p l e s k e yw o r d s ：p r e p a r a t i o no fp o l y m e rf i b e r , s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ( s p m e ) ， g c m s ，p a e s v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 鲜逆j 郦 日期蜥月( 日 知识产权保护声明 我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该 成果属于中山大学化学与化学工程学院，受国家知识产权法保护。在 学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均需由导师作 为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何 其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声 明的法律责任由本人承担。 学位诠文作者签名：哨也唧 日期狮月c ，e l 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交 论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或 其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名_ 氯迪唧 日期。中拥日 i i i 1 1 引言 中山大学硕士学位论文 第一章绪论 固相微萃取技术( s p m e ) 是一种集萃取、浓缩、解吸、进样于一体的样品 前处理技术，自二十世纪九十年代加拿大w a t e r l o o 大学的p a w l i s z y n 等首次报道 【1 1 以来，发展迅猛，主要是s p m e 与色谱等仪器联用装置的发展【2 1 、s p m e 材料 开发、s p m e 萃取头新形式的出现以及s p m e 理论的完善。但是商品化萃取头 不耐有机溶剂、萃取容量小，易过饱和，在使用过程中易出现涂层剥落的现象， 于是近年来，有科研工作者将具有高选择性的分子印迹技术【3 】应用到s p m e 中， 提高了萃取头的选择性，避免萃取头在萃取过程中出现过饱和现象，同时提高灵 敏度；此外，s p m e 萃取装置在形式上不再局限于涂层，发展了各种形式的s p m e 萃取头，例如：管内固相微萃取( i n t u b es p m e ) 、分散固相微萃取技术( d i s p e r s i v e s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，d i s p e r s i v e s p m e ) 【4 】、萃取纤维束( p o r o u sm u l t i f i b e r s ) 【5 】、分子印迹整体萃取棒吲以及枪头内合成的整体微萃取头( m o n o l i t h i c m i c r o e x t r a c t i o nt i p s ) 等【7 1 。最新的进展则是p a w l i s z y n 又开创了s p m e 自动化批 处理的先河【引。 固相微萃取技术目前已经成功应用于农药残留9 1 、多氯联苯( p c b s ) o - 1 5 】、 多溴联苯( p b b s ) 【1 6 】、多溴联苯醚( p b d e s ) 【1 7 1 、多环芳烃( p a h s ) 1 8 - 2 2 】、邻 苯二甲酸酯( p a e s ) 2 3 1 、脂肪酸、胺类、醛类、无机金属离子等的测定，也可 以用于有类似特点的领域，如食品、医药、临床、法庭分析等方面，得到的数据 非常有利于研究各分析组分在基体和萃取纤维涂层之间的分配系数【2 4 1 。其中， 邻苯二甲酸酯( p a e s ) 是一类广泛使用的化工原料，大量用作塑料的增塑剂， 以及农药载体、驱虫剂、化妆品、香味品、润滑剂和去泡剂的生产原料等。p a e s 广泛存在于大气、水、土壤、生物乃至人体，成为全球性的重要有机污染物。p a e s 中山大学硕士学位论文 目前被认为是一种环境内分泌干扰物，动物实验表明，p a e s 会引起雌性动物生 殖力下降；胎儿缺陷；新生儿存活率下降；雄性胎儿和婴儿的性器官发育迟缓。 中国饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 5 ) 规定一级饮用水水质标准d e h p 的浓度限量为8 嵋l 。中国污水综合排放标准( g b 8 9 7 6 1 9 9 6 ) 规定d b p 污 水排放一、二、三级标准分别为0 2 、0 4 、2 0 嵋l ；d e h p 的污水排放一、二、 三级标准分别为o 3 、0 6 、2 0 嵋l 。世界卫生组织规定：世界卫生组织饮用 水水质准则规定一级饮用水水质标准d e h p 的浓度限量为8 嵋l 。 邻苯二甲酸二丁酯( d b p ) 与邻苯二甲酸二( 2 乙基已基) 酯( d e h p ) 是 我国地表水环境质量标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 的监测项目。在g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中，推荐 的测定方法为液液萃取气相色谱法，这种方法简便，但所用水样体积大，溶剂 量消耗也大，检出限为( d l d b v = 0 1 “g l 。1 ；d l d e h p = 0 4 喀l 以) 。目前，环境中邻 苯二甲酸酯预富集方法常用的有液一液萃取、固相萃取、索氏提取、超声提取、 超临界流体萃取、微波辅助萃取和固相微萃取；常用的检测方法为气相色谱法 ( g c ) 和高效液相色谱法( h p l c ) ，随着分析技术的发展，色谱联用技术灵敏 准确选择性强，g c m s 及l c m s 成为分析p a e s 的主要手段。固相萃取( s p e ) 技术富集p a l e s ，可降低溶剂消耗，但仍需采集大量水样。而s p m e 无需溶剂， 集富集、进样于一体，操作简便，灵敏度高，而且不容易产生二次污染，近年来 得到了迅猛发展，具有广阔的应用前景。 1 2 固相微萃取技术的发展 自1 9 9 0 年，加拿大w a t e r l o o 大学的a r t h u r 与p a w l i s z y n 2 5 】发明固相微萃取 ( s p m e ) 技术后，紧接着在1 9 9 3 年，美国的s u p e l c o 公司推出商品化的s p m e 装置；1 9 9 5 年，c h e n 和p a w l i s z y n 设计出固相微萃取。高效液相色谱( s p m e h p l c ) 联用接口装置，并由s u p e l c o 公司生产出商品。1 9 9 7 年，e i s e r t 和p a w l i s z y n 设 计出自动进样的s p m e h p l c 联用装置以及管内( i n t u b e ) s p m e h p l c 联用装 置；1 9 9 7 年，n g u y e n 等实现了固相微萃取一毛细管电泳( s p m e c e ) 的在线联 用。此外，s p m e 还可与傅里叶变换红外光谱( f t - i r ) 、紫外吸收光谱( u v ) 、 2 中山大学硕士学位论文 电感耦合等离子体质谱( i c p m s ) 等联用。 s p m e 以固相萃取( s p e ) 为基础，保留了s p e 的全部优点，排除了s p e 需 要柱填充物和使用大量有机溶剂进行解吸的缺点。商品化固相微萃取技术以涂渍 在石英玻璃纤维上的固定相高分子涂层或吸附剂作为吸收吸附介质，对目标分析 物进行萃取和浓缩，然后在气相色谱仪进样口中直接热解吸或用h p l c 流动相 冲洗到液相色谱柱后，进行分离检测，这一技术适合于挥发性和半挥发性有机物。 该项技术保持了传统萃取的优点，还克服了以往萃取技术的不足，简化了操作程 序、省时；不易引入人为误差；所需有机溶剂量小；灵敏度高；费用低以及需要 水样体积小等优点。同时，也存在一些缺点，比如在待测组分浓度过高时，萃取 涂层易出现过饱和、导致涂层脱落、吸附曲线发生弯曲的现象。 1 2 1 固相微萃取原理 s p m e 原理【2 1 是分析组分在样品基质和提取剂之间的分配平衡过程。如果使 用液态聚合物固定液，平衡时，固定液吸附的分析组分的量直接与分析组分在样 品中的浓度相关： k 蠡咋c o k n = 二二。一 如+ k 式中：n 是固定液吸附的分析组分的质量；v f 与v 。分别是固定液与样品溶液的 体积；k 矗是分析组分在两者间的分配系数，c o 是分析组分在样品溶液中的初始 浓度。由于s p m e 使用的固定液对有机化合物均有很强的亲和力，对分析组分 来讲，k 氏值大意味着s p m e 浓缩效果好，灵敏度高。但由于许多情况下，s p m e 并未大到可以完全萃取组分的程度，相反，它是一种平衡取样方法，但通过准确 校正，可用于准确测定分析组分的浓度，如式( 1 1 ) 所示，如果v 。足够大 ( v 。 k 传v f ) ，则固定液萃取组分量为： 即= 如哆c 口一 ( 1 - 2 ) 式( 1 2 ) 表明，此时萃取量与样品溶液体积无关。这一特点使得s p m e 很 适用于野外取样与分析。因为萃取头可暴露与空气中或直接浸入井水、湖水或河 中山大学硕士学位论文 水中，s p m e 将取样、提取、浓缩与进样简化为一个连续的无间断过程，大大减 少了分析时间。s p m e 提取快慢制约因素是分析组分从基质向固定液的传质速 率。在直接s p m e 取样方法中，常常是在充分搅动样品基质的情况下，通过测 定分析组分在固定液中的扩散来确定其传质速率的大小，此时对挥发性大的组分 来说，在1m i n 内可达到平衡。这是因为固定液的厚度非常薄，仅7 - 1 0 0g m 。 浸入式萃取非常适用于气体样品与相对较干净的水样；但如果从固态基质或者带 有油脂、大分子物质、非挥发性物质( 例如腐殖类物质或蛋白) 的基体中取样时， 则需采用顶空式。只要分析组分能够释放进入顶端空间，s p m e 法就可以从任何 基质中萃取有机化合物。在挥发性组分的顶空s p m e 中，搅拌可显著提高待分 析物从基质挥发到气相中的传质速率。搅动样品溶液，可不断形成新的气液作 用界面，加速萃取过程。挥发性组分从气相到萃取头的传质很快，因为其在气相 中的扩散系数很大，结果是挥发性组分经由气相转移至萃取头，远大于液相转移 至萃取头上的扩散系数。如要分析样品中极性较强组分，则需要进行衍生化。衍 生化处理通过在样品基质中加入衍生化试剂，或在萃取头上直接涂上适宜的衍生 化试剂。衍生化后，极性的分析组被衍生化为具有一定挥发性的非极性组分，方 可被非极性类的萃取头萃取。 在s p m e 的定量上，常用的定量方法是外标法、标准加入法和内标法。外标 法是s p m e 定量中最常用的方法，用外标法对环境中、食品中和生物样品进行 分析的文献报道非常多。在内标法定量中通常选取待测组分的氘代试剂，但由于 有些物质的氘代物难以找到，导致内标法中的内标物在选取上存在困难。 1 2 2 影响固相微萃取的因素 s p m e 的影响因素主要是萃取温度。温度直接影响分析组分的蒸发压。对于 热稳定性的组分，通过加热来释放分析组分不失为一种简便、有效的方法。加热 有利于传质，缩短达到平衡所需要的时间。这是由于加热可以帮助分子克服束缚 其保持在原基体中的能量壁垒。p a w l i s z y n 2 6 1 指出，高的温度有利于待测物在基 体中释放出来，但由于待分析在萃取材料上的吸附过程是一个放热过程，吸附系 4 中山大学硕士学位论文 数随着温度的升高而降低，当萃取温度过高时，萃取量会降低，这是动力学吸附 与脱附竞争的结果。因此，对s p m e 就存在最佳温度的问题，如果在萃取的同 时，置萃取头于较低温度气氛中，就可以大大提高萃取系数与灵敏度。通过改进 s p m e 装置，利用液态c 0 2 做冷却剂，样品温度可以升到2 5 0 ，而萃取头的温 度保持在2 0 。c 以下。萃取同时被冷却的萃取头可以捕获更多的分析组分，方法 灵敏度获得提高。 o j a v a n s h i 等自制了分子印迹固相微萃取头，并将其应用于3 种二乙酰吗啡【2 7 】 及8 种三嗪类化合物口8 1 的直接浸入式固相微萃取气相色谱分析，其中包括三聚 氰胺( 1 ，3 ，5 - t r i a z i n e ) 。该实验组制作了3 0 、4 5 和8 0 三个萃取温度条件下的 吸附平衡时间曲线，在3 0 这一较低萃取温度下，待分析物在液相和吸附材料 固相之间的传质慢，因此需要较长的萃取时间才能达到吸附平衡；温度达到8 0 时，待分析物会从液相迅速转移至气相，因而对于直接浸入式萃取而言，吸附量 随着萃取时间的延长逐渐下降；在适中的萃取温度条件下，吸附平衡曲线出现平 台，当萃取时间进一步延长时，可能由于待分析物在吸附材料上发生解吸附的现 象，吸附平衡曲线出现下滑。 影响s p m e 萃取量的另一重要因素是萃取时间。萃取头刚接触待测样品时萃 取头对待分析物的吸附量迅速增加，在出现拐点后趋向吸附解吸平衡，即吸附 量达到一稳定的平台。但在实际的平衡时间对应吸附量的曲线中，经常出现吸附 量在达到平台后下滑的趋势，这可能由于平衡时间过长，体系中的水分子或待测 。组分在萃取材料上出现竞争吸附。因此在实际分析中，需要根据实际操作目的和 对灵敏度的需求，选取适当的平衡时间，选择在平衡状态或非平衡状态下对待测 物进行定量分析。对于特定的吸附材料，小分子量的物质可在吸附材料上快速达 到平衡，如果待测物分子量达到2 0 0 以上，则需要更长的萃取时间才可达到吸附 平衡。 影响s p m e 的因素还有样品中盐的浓度。在样品中力n a ( n h 4 ) 2 s 0 4 、n a e s 0 4 、 n a c i 和k 2 c 0 3 等无机盐可以降低有机物在本体中的溶解性，增加挥发到气相中 的待测物，从而提高分析方法的灵敏度。对于大多数分析物而言，饱和的n a c l 下进入涂层的待分析物的量最大。对于直接浸入式固相微萃取而言，萃取量随着 盐浓度的增加也呈现出递增的趋势，这是由于无机盐加大溶液中的离子强度，加 5 中山大学硕士学位论文 快了分析组分在液相和萃取固定相之间的传质。提高温度或盐浓度能显著提高高 沸点物质的吸附量。 此外，搅拌速度和p h 值也会影响s p m e 过程。增加搅拌速度便于目标分析 物的传质扩散，提高萃取速度，缩短萃取时间。p h 值则影响样品中的酸性或碱 性组分。w e n h s i e nt s a i 等【4 】在硅胶吸附剂表面键合胺或含碳基团，用分散固相 微萃取技术( d i s p e r s i v e s p m e ) 和液相联用，分析了水和牛奶中的四种四环素， 讨论了p h 值的影响。四环素在碱性或酸性的极端环境下很不稳定，因此p h 过 低或过高时，萃取量波动都比较大。由此可见，p h 值是通过影响目标物在基体 中存在的形式，改变目标物和萃取相之间是否发生作用力，直接影响两者间作用 力的类型和大小。 固相微萃取的基本萃取模式有三种：直接萃取( d i r e c te x t r a c t i o ns p m e ， d i s p m e ) 、顶空萃取( h e a d s p a c es p m e ，h s s p m e ) 膜保护萃取 ( m e m b r a n e p r o t e c t e ds p m e ) 。萃取模式直接影响萃取头在s p m e 过程中的表 现。直接浸入式萃取可富集样品中难挥发的组分，项空式萃取富集挥发性好的组 分，膜保护萃取则为s p m e 建立了选择性富集萃取的第一道“关卡 。 直接浸入式固相微萃取中，涂有萃取固定相的石英纤维被直接插入到样品基 质中，目标组分直接从样品基质中转移到萃取固定相中。在实验室操作过程中， 常用搅拌方法来加速分析组分从样品基质中扩散到萃取固定相的边缘。对于气体 样品而言，气体的自然对流已经足以加速分析组分在两相之间的平衡。但是对于 水样品来说，组分在水中的扩散速度要比气体中低3 4 个数量级，因此需要有效 的混匀技术来实现样品中组分的快速扩散。比较常用的混匀技术有：加快样品流 速、晃动萃取纤维头或样品容器、磁子搅拌及超声。 这些混匀技术在加速组分在大体积样品基质中的扩散速度的同时，减小了萃 取固定相外壁形成的一层液膜保护鞘而导致的“损耗区域”效应。 顶空固相微萃取模式中，萃取过程可以分为两个步骤：( 1 ) 待测组分从液 相中扩散穿透到气相中；( 2 ) 待测组分从气相转移到萃取固定相中。这种萃取 方式可以有效避免萃取固定相受到某些样品基质中高分子物质和难挥发性物质 的污染，特别适用于复杂样品的分析，比如人体分泌物、尿液或血液。在顶空式 萃取过程中，步骤( 2 ) 的萃取速度总体上远远大于步骤( 1 ) 的扩散速度，所以 6 中山大学硕士学位论文 步骤( 1 ) 成为萃取的控制步骤。因此挥发性组分比半挥发性组分有着快得多的 萃取速度。对于挥发性组分而言，在相同的搅拌速度下，顶空萃取的平衡时间远 远小于直接萃取平衡时间【2 9 1 。 膜保护s p m e 的主要目的是为了在分析很脏的样品时保护萃取固定相避免 受到损伤，避免萃取固定相出现过饱和的现象。保护膜可以拦阻一些会在萃取固 定相上不可逆吸附的物质，选择性地让一些待测物分子通过，并在萃取固定相上 富集。这就有效地避免萃取固定相出现过饱和的现象，进而延长了萃取头的使用 寿命。与项空式s p m e 相比，该方法对挥发性差的和难挥发性物质组分的萃取 富集更为有利。 同时发展起来的还有搅拌棒吸附萃取( s t i rb a rs o r p t i v e ，s b s e ) 、管内毛细管 萃取( i n - t u b es p m e ) 和固相萃取膜。s b s e 是1 9 9 9 年提出的一种样品前处理技 术，由于其高效、快速、操作方便等特点受到关注，高选择性涂层的研制成为 s b s e 发展的关键。但s b s e 技术在搅拌过程中易出现涂层磨损的现象，实验的 重现性差。 1 2 3 固相微萃取涂层材料的制备及发展 涂层是固相微萃取的“心脏 ，源于气相色谱固定液，后来发展到各种吸附 材料。涂层必需满足以下条件： ( 1 ) 涂层对目标物有一定的萃取富集能力，即有较大的分配系数； ( 2 ) 涂层有合适的分子结构，能使目标物较快地从涂层上解吸下来； ( 3 ) 涂层热稳定性好、耐溶剂、耐酸碱等特性。 目前已商品化的涂层有聚二甲基硅氧烷( p d m s ，7 、3 0 、1 0 0r t m ) ；聚丙烯 酸酯( p a ，8 5 m ) ；聚二甲基硅氧烷- - 乙烯基苯( p d m s d v b ，6 0 、6 5 “m ) ； 聚二甲基硅氧烷羧乙基( p d m s c a r ，7 5 、8 5l a m ) ：二乙烯基苯碳分子筛 ( d v b c a r ，3 0 、5 0l a m ) ；聚乙二醇- - 乙烯基苯( c w d v b ，6 5 、7 0p m ) ；聚 乙二醇模板树脂( c w t p r ，5 0r t m ) ；二乙烯基苯碳分子筛聚二甲基硅氧烷 ( d v b c a r p d m s ，3 0 、5 0p m ) 。其中1 0 0i t m 的p d m s 适用于分析低沸点、低 7 中山大学硕士学位论文 极性物质，7g m 的p d m s 适用于分析中沸点及高沸点物质，p a 使用于分析极性 较强的物质。商品涂层种类有限，选择性较差，推荐使用温度普遍偏低 ( 2 0 0 - - - 2 8 0 。c ) ，使用寿命短，价格高，因而应用受到限制。许多研究者致力于 新型涂层材料的研究，探研非商品化涂层的性质。 涂层材料从早期的单一涂层发展到复合涂层，单一涂层从线性有机聚合物发 展到枝状、环状的大分子。线性聚合物由于具有相当宽的分子量分布，因而耐溶 剂性、重复性差，而枝状、环状的大分子则克服了这些缺点。复合涂层则从有机 复合涂层发展到有机无机复合涂层。有机无机复合涂层具有强的机械强度和耐 酸碱性等优点。复合涂层和单一涂层相比较，萃取范围更广。为了满足各种分析 的需要，将会有更多的新型涂层出现，尤其是高选择性的涂层，例如分子印迹聚 合物。为了获得更高比表面积的吸附材料，研究者致力于具有大比表面积和高吸 附容量的多孔固定相的研究。 因为固相微萃取材料通常处于酸性、碱性或是高极性的溶剂环境中，所以制 备的s p m e 萃取材料需要有较好的化学稳定性。商品化的萃取头在制作涂层的 过程中使用了较多的环氧树脂，导致萃取头在接触某些特定溶剂时易出现溶胀的 现象，最终导致涂层剥落或流失，进而影响了结果的重现性和准确度。这种溶胀 现象在直接浸入式s p m e 或样品中有机溶剂含量比较高时出现得比较频繁。在 固相微萃取技术与液相色谱联用时，则更要注意微萃取材料的溶剂耐受性。在固 相微萃取技术与气相色谱联用时，因为固相微萃取材料需要在气相色谱的高温进 样口内进行热解吸，所以材料的热稳定性也是一重要参数。各种类型的商品化 s p m e 萃取头均有最高使用温度和适合使用的温度范围。这是由于s p m e 萃取头 涂层在高于最高使用温度下热解吸会从熔融纤维上流失或是直接发生热分解。一 般而言，商品化的或是自制的萃取头的最高使用温度在2 5 0 3 0 0 之间。固相微 萃取材料的热稳定性可以通过热重分析或热机械分析来确定其最高使用温度。 此外，固相微萃取材料的长度、厚度或直径决定了吸附材料的体积、表面积、 吸附速率和吸附量。增加涂层的厚度可以增加方法的灵敏度，但是由于萃取是一 个扩散控制的过程，所以涂层厚的萃取头在达到吸附平衡时需要更长的时间。同 时涂层厚的萃取头在获得更高萃取容量和灵敏度的同时，面临着解吸困难的问 题，这就直接反映在进样后的萃取头具有较高的样品残留。 8 中山大学硕士学位论文 萃取材料除了需要有适合的分子结构外，还需要有合适的孔径。对于吸附型 萃取材料而言，其物理吸附过程在较低温度时即可以很快的速度进行。吸附是可 逆的，即在不改变气体和固体表面状态下定量脱附。物理吸附是自发放热过程。 一般来说，任何气体在任何固体上都可发生物理吸附，即物理吸附无选择性。但 是，有时由于孔性固体孔大小的屏蔽作用使得某些气体分子不能进入孔中而表现 出一定的吸附选择性，如分子筛对气体分子的筛分作用。 孔的大小分类最早由d u b i n i n 提出，后为i u p a c 采纳：孔宽度小于2n l n 的 为微孔( m i c r o p o r e s ) ；孔宽度在2 5 0n l n 之间为中孔( m e s o p o r e s ) 孔宽度大于 5 0n n l 为大孔( m a r c o p o r e s ) 。孔径分布是对孔性吸附剂孔体积对孔半径关系的表 征。 赵振国【3 0 垮旨出，微孔宽度与大多数气体分子和有机小分子的大小接近，吸附 分子在微孔中受到周围孔壁的叠加相互作用，使其吸附势能比在平面上和大孔中 的大得多。这种高吸附势能的表现是在微孔中的微分吸附热高，如在相同吸附量 时，正己烷在微孔活性炭上的微分吸附热比在无孔炭黑上的高1 6 倍；在低平衡 压力时微孔吸附剂仍可保持相当大的吸附能力，如以p p o = o 1 7 5 时对苯的吸附能 力为1 ，在p p o = 1 0 4 时，苯在无孔炭黑上的吸附能力降低至0 1 6 ，而在微孔活性 炭上仍为o 5 7 。微孔吸附剂的主要参数不是比表面而是微孔容积( 单位质量吸附 剂的微孔体积) ，微孔直径限制了能被吸附分子的大小，微孔体积决定了最大吸 附量。 中孔的宽度较一般分子大得多。在中孔吸附剂上表面与吸附分子的作用限于 距表面不远的距离内，在表面上可发生单分子层或多分子层吸附。中孔吸附剂最 重要的参数是比表面，它决定了吸附量的大小。而中孔的存在和丰富程度直接影 响比表面值。比孔容和孔径分布也是中孔吸附剂的重要参数，它们常能决定最大 吸附量和影响吸附等温线的形状。 大孔的宽度过大，以至于在这类吸附剂上吸附与在平表面上无异，在大孔中 不发生毛细凝结。一般来说，很少有单纯含大孑l 的吸附剂，大孔只是通向吸附剂 中孔或微孔的通道。少量的大孔吸附剂多用作色谱担体。 m i l t o n 等【3 1 】制备了不同孔隙的c 8 硅胶涂层萃取头，在苯、甲苯、邻二甲苯 和间二甲苯体系的研究发现，与孔隙为3 0n m 的萃取头相比较，孔隙为1 0n m 的 9 中山大学硕士学位论文 萃取头对上述物质具有更高的吸附量。因为多孔物质的比表面积越大，可吸附的 容量就越大。孔径为1 0n n l 的多孔涂层( c 8 键合硅胶颗粒) 的比表面积是1 0 0p m p d m s 涂层萃取头的5 0 0 倍，吸附量是其8 倍，具有更高的方法灵敏度。 d j a v a n s h i r 掣3 2 】自制了各种合成温度条件下的分子印迹固相微萃取头，在将 其应用于8 种三嗪类化合物的分析过程中发现，高分子聚合反应的温度越高，制 得的萃取头吸附容量越大，在气相色谱上获得更大的响应值。条件实验确定最佳 萃取温度为6 5 。c ，即6 5 * c 下获得最高的方法灵敏度，7 0 * c 下制得的m i p 萃取头 灵敏度下降。这可能由于7 0 。c 温度下，高聚物形成的孔径过于致密，进而影响 了可吸附位点的形成及分布。 自固相微萃取出现以来，固相微萃取技术无论是在涂层种类或是制备技术上 都在不断地改进。科研工作者通过改进制备工艺，使萃取头的制作更简便，性质 更稳定。现有商品化萃取头涂层都是非选择性吸附材料，导致目标分析物在色谱 仪器上定性困难。同时商品化萃取头的涂层种类非常有限，化合物的极性是其选 择性的唯一指标。萃取头的稳定性和选择性是发展s p m e 技术的关键。涂层制 备的方法主要有：环氧树脂直接粘附法、溶胶凝胶法和电沉积法。 环氧树脂固定法是将涂层用环氧树脂粘在支撑物表面，操作简单易行，是商用 萃取头通常采取的方法。陆光汉等【3 3 1 将处理过的不锈钢丝用高温环氧树酯粘上 活性炭粉末，再插入n a t i o n 溶液中，重复涂渍，制成了n a t i o n 活性炭涂层萃取 头。 溶胶凝胶技术将萃取相键合到纤维头上可以提高萃取相的耐温并显著延长 使用寿命，能够萃取分析沸点更高的化合物，是s p m e 涂层制备技术上的突破 性进展。该技术采用含有羟基封端的萃取柏和溶胶液反应，形成键合型网络结构， 或者直接与玻璃或石英纤维表面的羟基作用形成键合型涂层，从而提高了涂层的 耐温性。但是，商品极性固相微萃取头涂层普遍存在耐温性能较差的缺点，不能 对沸点较高或极性特强的目标化合物进行快速有效的热脱附。 关亚风等【3 4 】采用溶胶凝胶技术在玻璃或适应纤维表面制备了聚甲基三氟丙 基硅氧烷固相微萃取涂层。该涂层对极性化合物有高萃取效率，尤其能够在复杂 样品中选择性富集富电子极性化合物。吴采樱等【3 5 1 发明了含富勒烯涂层的固相 微萃取头，其中富勒烯合物采用含叠氮侧链的线性聚硅氧烷、羟基富勒烯聚硅氧 1 0 中山大学硕士学位论文 烷和c 6 0 或c 6 0 c 7 0 与聚甲基乙烯基聚硅氧烷共聚体。和同属非极性的商用 p d m s 相比，单位体积涂层上的萃取量要高4 5 倍，对平面与非平面稠环芳烃、 多氯联苯等化合物有分子识别萃取能力。其对5 种萘系物在2 8 0 解吸下使用1 5 0 次，各种化合物萃取量变化的r s d 在0 6 0 - 2 5 3 ，18 0 次后在3 4 2 8 2 6 。 利用电化学方法可以将涂层直接沉积在导电支撑材料上，常用的方法有电位 法和循环伏安法。通常是利用电沉积法将化合物聚合成膜，直接沉积在金属丝上， 用作s p m e 的萃取头。在聚合时，可以改变对应离子或取代单体，形成带不同官 能团的聚合膜，操作更为灵活。导电聚合物具有特殊结构和优异的物理化学特性， 在萃取极性化合物和离子化合物时具有较大的优势。在电化学聚合中，所选择的 对应离子起着至关重要的作用。使用不同的离子，得到的导电聚合物的萃取性能 也不相同。例如吡咯在聚合时，如果选用小的阴离子，制得的聚吡咯具有阴离子 交换特性；如果选用大的阴离子，则制得的聚吡咯具有阳离子交换特性。a l i z a d e h 等【3 6 l 制备了十二烷基磺酸盐掺杂聚吡咯涂层的固相微萃取头，分析了人血浆和 药物样品中的血管紧张素转换酶。 在涂层的制备上出现了许多的亮点，比如引入分子印迹技术或离子液体技 术。分子印迹技术( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r , m i p ) 特别适合于复杂样品中 目标化合物的分析。分子印迹聚合物是一种通过模板分子、功能单体和交联剂相 互作用合成的具有三维空间结构的受体，由模板分子形成的结合位点对目标化合 物( 模板分子) 有特定的识别能力。这是由于模板分子从分子印迹材料中洗脱之 后，形成具有和目标分子互补结构的识别位点，该识别位点对目标分子的官能团、 分子大小互补识别，形成分子间的氢键，实现高选择性吸附萃取。李攻科等1 3 j 以心得安为模板分子的分子印迹聚合物涂层萃取头，该材料是高度交联的多孔材 料，涂层厚度为2 5l a m 。在与h p l c 联用中测定了尿液和血浆中的心得安和心得 乐，线性范围为2 0 1 0 0 0 嵋l ，检出限为3 8 和6 9 嵋l 。 离子液体是室温离子液体的简称，是在室温或室温附近呈液态的由离子构成 的物质，它一般由阴离子和阳离子组成。离子液体的主要研究集中在萃取分离环 境污染物和环境检测中传感器的分析。其中包括液液萃取、固相微萃取、液相 微萃取和半透膜法富集。l i u 等【3 7 】采用离子液体作为一次性涂层物质，通过顶空 固相微萃取技术研究了油漆中苯、甲苯、乙苯和二甲苯。在每次萃取前，s p m e 中山大学硕士学位论文 纤维涂敷离