固相微萃取原理及使用

固相微萃取技术 SPME 概述SPME的原理SPME装置及萃取步骤方法SPME的影响因素SPME与分析仪器的联用技术SPME的应用SPME的发展前景 主要内容 与固相萃取技术相比其特点 固相微萃取操作更筒单 携带更方便 操作费用也更加低廉 另外克服了固相萃取回收率低 吸附剂孔道易堵塞的缺点 因此成为目前所采用的试样预处理中应用最为广泛的方法之一 SPME已开始应用于分析水 土壤 空气等环境样品的分析 一 概述 一 概述 1989年 PawliszynSupelco1993年推出了商品化的SPME装置1995年Pawliszyn等 空气中苯系物分析 SPME在气相色谱中快速进样装置 萃取丝内用CO2冷却装置1997年Pawliszyn等 测定病人呼吸气中一些成分的SPME萃取装置2001年Pawliszyn等 便携式SPME装置2004年Pawliszyn等 加装聚四氟乙烯密封盖的便携式现场测试用SPME装置2007年 96个SPME微阱盘自动化进样装置 固相微萃取 solidphasemicroextraction 二 SPME的原理 以熔融石英光导纤维或其它材料为基体支持物 采取 相似相溶 的特点 在其表面涂渍不同性质的高分子固定相薄层 通过直接或顶空方式 对待测物进行提取 富集 进样和解析 然后将富集了待测物的纤维直接转移到仪器 一般是GC 或HPLC 中 通过一定的方式解吸附 一般是热解吸 或溶剂解吸 然后进行分离分析 固相微萃取法 SPME 的原理与固相萃取不同 固相微萃取不是将待测物全部萃取出来 其原理是建立在待测物在固定相和水相之间达成的平衡分配基础上 设固定相所吸附的待测物的量为WS 因待测物总量在萃取前后不变 固得到 C0 V2 C1 V1 C2 V2 1 式中 C0是待测物在水样中的原始浓度 C1 C2分别为待测物达到平衡后在固定相和水相中的浓度 V1 V2分别为固定相液膜和水样的体积 二 SPME的原理 吸附达到平衡时 待测物在固定相与水样间的分配系数K有如下关系 K C1 C2 2 平衡时固相吸附待测物的量WS C1 V1 固C1 WS V1由式 1 得 C2 C0 V2 C1 V1 V2将C1 C2代入式 2 并整理后得 K WS V2 V1 C0 V2 C1 V1 WS V2 C0 V2 V1 C1V12 3 由于V1 V2 式3中C1 V12可忽略 整理后得 WS K C0 V1 4 二 SPME的原理 由式 4 WS K C0 V1 可知WS与C0呈线性关系 并与K和呈正比 决定K值的主要因素是萃取头固定相的类型 因此 对某一种或某一类化合物来说选择一个特异的萃取固定相十分重要 萃取头固定液膜越厚 WS越大 由于萃取物全部进入色谱柱 一个微小的固定液体积即可满足分析要求 通常液膜厚度为5 100um 这一已比一般毛细管柱的液膜厚度 0 2 1um 厚得多 二 SPME的原理 该装置类似微量注射器 由手柄和萃取头 纤维头 两部分组成 萃取头是一根长约1cm 涂有不同固定相涂层的溶融石英纤维 石英纤维一端连接不锈钢内芯 外套细的不绣钢针管 以保护石英纤维不被折断 手柄用于安装和固定萃取头 通过手柄的推动 萃取头可以伸出不锈钢管 三 SPME装置及萃取步骤方法 萃取步骤SPME方法是通过萃取头上的固定相涂层对样品中的待测物进行萃取和预富集 SPME操作包括三个步骤 A涂有固定相的萃取头插入样品或位于样品上方 B待测物在固定相涂层与样品间进行分配直至平衡 C将萃取头插入分析仪器的进样口 通过一定的方式解析后进行分离分析 三 SPME装置及萃取步骤方法 萃取方法直接法 Di SPME 适合于气体基质或干净的水基质顶空法 HS SPME 适合于任何基质 尤其是直接SPME无法处理的脏水 油脂 血液 污泥 土壤等膜保护法 membrane protected SPME 通过一个选择性的高分子材料膜将试样与萃取头分离 以实现间接萃取 膜的作用是保护萃取头使其不被基质污染 同时提高萃取的选择性 衍生化法 derivatizationSPME 冷SPME法 cooledSPME 三 SPME装置及萃取步骤方法 四 SPME的影响因素 萃取温度温度是直接影响分配系数的重要参数升高温度会促进挥发性化合物到达顶空及萃取纤维表面 然而SPME表面吸附过程一般为放热反应 低温适合于反应进行 萃取时间不同的待测物达到动态平衡的时间长短 取决于物质的传递速率和待测物本身的性质 萃取纤维的种类等因素 挥发性强的化合物在较短时间内即可达到分配平衡 而挥发性弱的待测物质则需要相对较长的平衡时间 四 SPME的影响因素 搅拌强度增加传质速率 提高吸附萃取速度 缩短达到平衡的时间磁力搅拌 高速匀浆 超声波 采取超声振动就比电磁搅拌达到平衡的时间大大缩短 四 SPME的影响因素 盐效应盐析手段 加NaCl或Na2SO4 可提高本体溶液的离子强度 使极性有机待萃物 非离子 在吸附涂层中的K值增加 提高萃取灵敏度溶液pH值对不同酸离解常数的有机弱酸碱选择性萃取 溶液酸度应该使待萃物呈非聚合单分子游离态 使涂层与本体溶液争夺待萃物的平衡过程极大的偏向吸附涂层 四 SPME的影响因素 衍生化减小酚 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 SPME前衍生和SPME后衍生萃取头的选择固定液涂渍在一根熔融石英 或其他材料 细丝表面构成萃取头内部涂有固定相的细管或毛细管 这种设备称为管内SPME in tubeSPME 四 SPME的影响因素 四 SPME的影响因素 涂层SPME萃取过程依赖于分析物在涂层和样品两相中的分配系数 因此萃取的选择性取决于涂层材料的特性 故涂层材料是SPME技术的核心 涂层的选择和设计可以基于色谱经验 一般来说 不同种类的分析物要选择不同性质的涂层材料 选择的基本原则是 相似相溶 选择涂层时应注意 对有机分子有较强的萃取富集能力合适的分子结构 有较快的扩散速度良好的热稳定性 商品化涂层一般可以分为非极性 中等极性和极性3种涂层非商品化涂层到目前为止 科研工作者已开发了多种具有优良性能的涂层 涂层的体积 厚与薄 也决定方法的灵敏度 涂层所使用的主要材料 聚二甲氧基硅烷 PDMS 二乙烯基苯 DVB 聚乙二醇 CW 聚丙烯酸酯 PA 涂层介绍 四 SPME的影响因素 其他非商品化涂层溶胶 凝胶技术 Sol Gel TPA 3 氨丙基三乙氧基硅烷 和DDP 二乙氧基二苯硅烷 纳米结构二氧化铅 附着于铂丝上 四 SPME的影响因素 AliMehdinia MirFazllolahMousavi MojtabaShamsipur Nano structuredleaddioxideasanovelstationaryphaseforsolid phasemicroextraction JournalofChromatographyA1134 2006 四 SPME的影响因素 主要特点集取样 萃取 浓缩和进样于一体 操作方便 测定快速高效 无需任何有机溶剂 是真正意义上的固相萃取 避免了对环境的二次污染 仪器简单 适于现场分析 也易于操作 缺点定量检测精确度不高 可重复性不高 商业可用负载聚合物品种少 四 SPME的影响因素 四 SPME的影响因素 五 SPME与分析仪器的联用技术 SPME GC技术SPME HPLC技术SPME MS技术SPME EC联用 固相微萃取与气相色谱技术的联用 SPME GCSPME与GC联用是研究最早也是目前发展得最成熟的技术 这一领域的研究目前主要集中在接口研制 萃取头的制备 采用顶空法 headspace 吸附具有挥发性或半挥发性的化合物 再在GC的气化室里脱附气化进行分析 缺点 适用的范围较窄 挥发 半挥发物 20 不能分析生物大分子 对温度敏感的物质 如蛋白质 使用SPME GC联用分析USEPA524 2方法规定的挥发性气体样品的情况 利用该方法有效地分离出了60种化合物 固相微萃取与气相色谱技术的联用 固相微萃取与液相色谱技术的联用 SPME HPLCSPME技术也已成功地与HPLC联用并应用于非挥发性 离子型金属化合物形态分析 这为在GC条件下难以分析的试样中半挥发性和非挥发性待测物的分析提供了可能性 SPME与HPLC联用的关键在于SPME的解吸过程是否能与HPLC的进样系统匹配 即能否使解吸液的体积足够小 以避免在进样后产生明显的柱外效应或出现超负荷现象而导致色谱峰拓宽 使分辨率下降 直接影响分析的灵敏度 固相微萃取与液相色谱技术的联用 萃取头直接接触样品 等到吸附平衡后 在送入到进样器内进行脱附后分析 这种联用技术正好和SPME GC互补 缺点 吸附平衡时间长 脱附条件不易优化 萃取头负载材料可用的不多 固相微萃取与液相色谱技术的联用 SPME HPLC MRM分析环境水中的雌激素 ESI MRM five50pg mL雌激素标样雌激素酮 17 雌二醇 雌激素三醇 乙炔基雌二醇和二乙基已烯雌酚K Mitanietal J Chromatogr A1081 2005 218 224 XDB C8 50mm 2 1mm 0 01 氨水 乙睛 60 40 0 2mL min Supel QPLOT 60cm 0 32mm 厚12um 萃取柱 40 l样品 100ul min 20次反复萃取 搬阀进样 线性范围 10 200pg ml r 0 9996 检测限2 7to11 7pg ml 86 回收率 RSD0 9 8 8 固相微萃取与液相色谱技术的联用 固相微萃取与质谱技术的联用 PesticidesanalysisbySPME IonTrapMS 固相微萃取与质谱技术的联用 SPE SPME的简单比较 SPESPME SPESPME micro SPE SPME 六 SPME的应用 在环境水 气中痕 微量有机物吸萃分析在食品添加剂中香味成分的分析应用在法医 临床检验中的分析应用在金属离子及其螯合分析中的应用 六 SPME的应用 例1Directcomparisonofsolid phaseextractionandsolid phasemicroextractionforthegaschromatographicdeterminationofdibenzylamineinartificialsalivaleachatesfrombabybottleteats G Niessner C W Klampfl AnalyticaChimicaActa 414 2000 133 140 SPE SPME 六 SPME的应用 例2 固相萃取搅拌棒萃取 气相色谱分析海水中的多环芳烃固相微萃取 SPME 是一种无溶剂萃取技术 对PAHs的富集倍数一般在103以内 但是定量重复性较差 固相萃取搅拌棒 SBSE 是在SPME基础上发展的一种新技术 萃取时吸附搅拌棒自身完成搅拌 可避免SPME中搅拌子对PAHs的竞争吸附 同时 由于SBSE中的PDMS萃取固定相体积一般为50 250 L 比SPME所用固定相量大50 500倍 表面积也提高100倍 因此提高萃取量50倍以上 更适合痕量有机物的萃取富集 利用固相萃取搅拌棒 SBSE 萃取海水中的多环芳烃 然后用热解吸脱附 气相色谱分析 研究了萃取时间 添加NaCl浓度对萃取效率的影响 实验结果表明 SBSE方法对16种多环芳烃的萃取回收率分别在33 5 122 4 之间 对标准样品的检出限为2 74 13 5ng L 方法RSD为3 8 13 1 用此方法测定了大连海岸海水中的多环芳烃含量 例3 自制固相微萃取装置 气相色谱法测定空气中痕量苯1 萃取头 自制的固相微萃取装置 选取日本产的2HSAKURA的2H0 3mm的自动铅笔芯作萃取头 因为铅笔芯本身就是石墨化活性炭纤维 它是优良的固体吸附剂 可以吸附多种气体和有机物质 并且它的吸附作用是范德华力作用的结果 不会跟有机物相互作用 同时 使用寿命较长 具体的处理方法如下 将铅笔芯放入50 的HF溶液中浸泡24h后 取出冲洗 放入马弗炉中高温 500 煅烧4 5h 取出用水冲洗 经过一系列处理后 萃取头通过一次性注射器的针孔 用强力胶固定在推杆上 能自由伸缩 待用 2 采样 自制的固相微萃取装置经老化后 直接对一新装饰的房间 一星期内无人居住 进行现场吸附取样 室内温度20 湿度60 3 结果和讨论 对影响SPME的因素 空气柱 萃取时间 解吸时间和温度 进行了讨论 对所建立的方法进行了系统评价 结果表明 建立的方法对空气中苯的测定具有良好的线性关系 相关系数R 0 9998 检出限为0 01mg L 3个含量点的相对标准偏差在允许的范围7 以内 回收率为98 18 例4 固相微萃取 高效液相色谱联用测定环境水样中双酚A的自由溶解态浓度 胡霞林等 分析实验室 2006 25 7 14 17 自由溶解态浓度 FreelyDissolvedConcentration 是自由溶解在水相 而不与任何介质或系统组分结合的物质的浓度 它不仅与分析物的总浓度有关 而且与基体介质浓度和容量 及其对分析物的亲和力相关 研究表明 化合物的自由溶解态浓度是其在环境中迁移和分配 以及在生物中累积的驱动力 是解释化合物的可给性的关键参数 因此 自由溶解态浓度的测定越来越受到环境科学工作者的重视 并已经发展了多种分析方法 双酚A BPA 是一种内分泌干扰物 它的长期低剂量暴露对生物的影响是当今环境化学研究的热点问题之一 测定环境中BPA的自由溶解态浓度 对其环境化学行为研究和风险评价具有十分重要的意义 1 仪器 高效液相色谱系统 美国安捷伦公司 由Agilent1100型单元泵和Agilent1100型荧光检测器组成 SPME HPLC接口 手动57331型固相微萃取纤维手柄 商品固相微萃取纤维50 mCWPTPR 美国Supelco公司 SPME HPLC接口由一个Rheodyne六通阀和一个60 L解吸室构成 该解吸室取代了一般液相色谱仪中的进样环 2 实验方法 在100mL萃取瓶中加入搅拌磁子和100mL分析液 盖上带有聚四氟乙烯隔膜的有孔盖子 将SPME不锈钢针管插入瓶中 推出萃取头 调节萃取头的位置 使搅拌磁子在搅拌时不会损伤萃取头 且萃取头完全浸入溶液中 萃取4h后 收回并取出萃取头 插入解吸室进行动态解吸测定 3 实验结果 在环境水样常见pH 5 8 缓冲容量 5 200mmol L 和盐度 0 500mmol L 条件下 4h可以达到萃取平衡 100mL样品足以避免样品耗损 pH为6 4时 方法的线性范围为0 1 250 g L 检出限为0 03 g L 相对标准偏差 5 g L n 3 为1 1 采用本方法测定了污水处理厂排水口的双酚A的自由溶解态浓度 例5 固相微萃取 气相色谱 质谱联机测定饮用水中的嗅 味化合物近年来饮用水的水质问题已成为国内外研究的热点 原水水质不断恶化与不断提高的出水水质之间的矛盾日益突出 我国生活饮用水卫生标准中对水的嗅 味做了规定 但是对产生嗅 味的化合物没有做出具体说明 虽然某些嗅 味的来源与工业污水或消毒工艺的副产品有关 但用户的意见主要是自然发生的嗅 味 特别是土腥味和霉烂味 针对产生嗅 味的化合物进行分析 确认带有土腥味和霉烂味的两种主要化合物是土味素 geosmin 和2 甲基异冰片 MIB 这些有机物是放线菌和兰 绿藻的代谢产物 嗅阈浓度很低 1 仪器与试剂 saturn2200瓦里安GC MS气相色谱 质谱联机 采用电子流轰击离子化 EI 和离子阱检测器 EITM PC 420型SPME固相微萃取操作平台 微型磁转子 美国SUPELCO公司 SPME装置的萃取头为75 mCarboxen萃取头 PK 3 2 试验方法 在容积为40mL的萃取瓶中加入10 0gNaCl 一个转子和30mL样品溶液或待测水样 立即用带有硅橡胶垫的瓶盖封闭 如果水样的pH值不在5 0 7 0之间 用稀HCl或稀NaOH预先调整 将固相微萃取装置的不锈钢针管插入瓶中 设定温度为60 调节转速为1500r min 推出萃取头 调节萃取头的位置 使其接近液面 但不能浸入溶液 30min后收起萃取头 拔出针管 迅速插入气相色谱汽化室内进行热解析 并进行GC MS分析 3 结论 本文采用SPME GC MS方法对饮用水中的嗅 味化合物进行分析 方法简便 检出限低 并打出最佳的检测条件 萃取头涂层为arboxen 顶空萃取法的萃取量为浸入式的2倍 萃取平衡时间30min 搅拌速度为1500r min pH值为5 0 7 0 温度为60 例6 固相微萃取 气相色谱 质谱 SPME GC MS 联用分析海水中痕量有机磷农药1 实验方法 取8ml萃取液置于15ml萃取瓶中 加入磁力搅拌子 长约1cm 直径约3mm 用顶端带有孔和聚四氟乙烯隔垫的盖子密封 电磁搅拌 将SPME萃取纤维 85 m厚涂层的聚丙烯酸酯 直接插入萃取瓶中 保持涂层完全进入水相 萃取针套管的其它部分不与萃取液接触 防止水进入萃取针管 在室温下萃取30min 将SPME直接插入GC进样口热解吸10min 用GC MS进行定性与定量分析 该法简便 高效 无需有机溶剂 适合于海洋水体中痕量有机磷农药的分析 2 SPME条件的选择 萃取涂层 聚二甲基硅氧烷 PDMS 和聚丙烯酸酯 PA 两种萃取头由于极性不同 对有机磷杀虫剂的萃取效果也不同 研究表明 各有机磷化合物对