固相微萃取综述PPT课件.ppt

固相微萃取SolidPhaseMicroExtraction 2020 3 24 1 摘要 固相微萃取 SPME 是一种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 本文对其原理 装置 应用和发展的现状进行了综述 固相微萃取技术的发展主要体现在新型涂层材料的出现及其在环境 食品 生物等领域应用的不断深入两个方面 Abstract Solidphasemicroextraction SPME isanewsamplepretreatmentmethod withthein depthunderstandingofthedevelopmentofthistechnology thenewSPMEdevicehasbeenappliedanddeveloped Thispaperhassummarizedtheprogressofitsprinciple equipment applicationanddevelopment Developmentofsolid phasemicroextractiontechniqueismainlyreflectedintheemergenceofnewcoatingmaterialanditsfurtherapplicationintwoaspectsofenvironment food biologicalandotherfields 2020 3 24 2 一 引言 样品预处理是样品分析过程中最关键和最耗时的环节 传统的溶剂萃取是样品预处理常用手段之一 但它具有使用有毒的有机溶剂 操作繁琐 不易与其它分析仪器联用等缺点 近年来 为提高分析速度和减少对环境的污染 人们发展了无溶剂萃取技术 如顶空萃取 HPE 超临界流体萃取 SFE 膜萃取等 它们能有效萃取某些化合物 但其设备复杂 运行成本高 实验条件苛刻 不适于广泛应用 此后出现的固相萃取 SPE 是最常见的吸附萃取 与其它萃取方法比较 有操作简便 经济 适用性强等特点 使用相对较少的溶剂 可以从空气 水 土壤中萃取出有机物 特别是从含水 含气样品中富集有机物 但SPE的萃取柱体易堵塞 膜上的孔易阻滞 而导致穿透性和重现性低 而且常规SPE需要使用少量溶剂作淋洗液 属于多次富集萃取 对超过溶剂沸点的半挥发性化合物萃取无效 2020 3 24 3 固相微萃取 SOLID PHASEMIEROEXTRACTION 简称SPME 是由加拿大WATERLOO大学PAWLISZYN及其合作者于1990年提出的 由SUPELCO公司 美国 1994年推出其商业化产品 该技术从土壤 水 含气 含水样品中有效萃取挥发性有机化合物 半挥发性有机化合物 VOCS 固相微萃取作为一种简单 快速 方便的样品前处理技术 自发明以来仅有二十年的历史 由于其独到的平衡方式及采样思路 近年来受到了国内外学者的普遍关注 并得到了迅速的发展 SPME的优点是完全消除了有机溶剂 使萃取 预富集 进样一次完成 减少了分析时间 且可以自动进样 SPME适用于多种样品 如 农药残留 酚类 多氯联苯 PCBS 多环芳烃 PAHS 脂肪酸 胺类 醛类 苯系物 非离子表面活性剂 食品 药品及生物样品等的预处理 SPME对有机物具有较高的选择性 在分析挥发性与半挥发性有机物上更能显示出其优越性 特别适用于水相基体中超微量有机物的萃取分离 已成为化学分析和仪器分析的强有力的检测手段 近年来 SPME和气相色谱 GC 联用 与高灵敏度的检测器如质谱 MS 电子捕获检测器 ECD 原子发射光谱检测器 AED 结合 可使分析的检出限达到 G L NG L量级 相对标准偏差小于30 线性范围为3 5个数量级 与高效液相色谱 HPLC 和毛细管电泳 CE 结合也有一定进展 2020 3 24 4 二 原理 装置 SPME方法包括吸附和解吸两步 吸附过程中待测物在样品及石英纤维萃取头外涂渍的固定相液膜中平衡分配 遵循相似相溶原理 这一步主要是物理吸附过程 可快速达到平衡 如果使用液态聚合物涂层 当单组分单相体系达到平衡时 涂层上吸附的待测物的量与样品中待测物浓度线性相关 解吸过程随SPME后续分离手段的不同而不同 对于气相色谱 GC 萃取纤维插入进样口后进行热解吸 而对于液相色谱 LC 则是通过溶剂进行洗脱 2020 3 24 5 装置 2020 3 24 6 2020 3 24 7 SPME萃取模式 1 直接萃取 DirectEctractionSPME 直接萃取方法中 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 因此须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 转子搅拌及超声 这些混匀技术一方面加速组分在大体积样品基质中的扩散速度 另一方面减小了萃取固定相外壁形成的一层液膜保护鞘而导致的所谓 损耗区域 效应 2 顶空萃取 HeadspaceSPME 在顶空萃取模式中 萃取过程可以分为两个步骤 被分析组分从液相中先扩散穿透到气相中 被分析组分从气相转移到萃取固定相中 这种改型可以避免萃取固定相受到某些样品基质 比如人体分泌物或尿液 中高分子物质和不挥发性物质的污染 在该萃取过程中 步骤2的萃取速度总体上远远大于步骤 的扩散速度 所以步骤 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 实际上对于挥发性组分而言 在相同的样品混匀条件下 顶空萃取的平衡时间远远小于直接萃取平衡时间 3 膜保护萃取 Membrane protectedSPME 膜保护SPME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 与顶空萃取 相比 该方法对难挥发性物质组分的萃取富集更为有利 另外 由特殊材料制成的保护膜对萃取过程提供了一定的选择性 2020 3 24 8 萃取头 萃取头是固相微萃取装置的核心 1萃取头的选择类似于选择毛细柱或液相柱 主要依据分析物质的分子量 挥发性 与极性 小分子物质或挥发性物质常用厚膜100 m萃取头 较大分子或半挥发性采用7 m萃取头 非极性物质选择非极性固定相 极性物质选择极性固定相 2萃取头的制备技术 1 物理涂渍法将熔融的石英棒在光纤塔内熔化 拉制成细丝 冷却后穿过一个装有固定相溶液的有空容器 再经热处理或紫外灯照射 将固定液固定在石英纤维上 此法制得的萃取头大都存在热稳定性差 抗溶剂冲洗能力弱和使用寿命短等缺点 2 溶胶 凝胶法溶胶 凝胶法克服了物理涂渍法的缺点 它的最大有点是在涂层与石英纤维表面之间形成了较强的化学键 制得的萃取头具有高热稳定性 高耐溶剂性和使用寿命长的特点 另外 由于溶胶 凝胶涂层表面具有多孔结构 提高了萃取容量和萃取效率 目前 已广泛地用于固相微萃取涂层的涂渍 2020 3 24 9 萃取头 3 电化学法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SPME的萃取头 4 直接制备法主要是指以碳素为基体 石墨 活性炭等 的吸附材料 萃取机理是基于石墨 活性炭等的物理吸附作用 因此在消除记忆效应方面要优于商品化装置 尤其适合萃取气相微量有机物 国内方瑞斌等人最先进这方面的研究 并申请了国家专利 2 他们将石墨型碳素基体及其辅导材料混匀 压制并打磨成细棒 经过物理及化学的表面改性处理后作为吸附质 并与微量注射器组装成SPME装置 5 高温环氧树脂固定法将涂层用高温环氧树脂粘在支撑物表面 形成高效的萃取头 操作简单易行 Lee等 17 用高温环氧树脂将反相键合固定相C8 C18粘在金属丝上 形成键合涂层 用来分析水中的多环芳烃 2020 3 24 10 固相微萃取的心脏 涂层 SPME涂层的选择SPME涂层的选择应根据被分析物的性质来确定 根据相似相溶原理 一般极性强的被分析物选择极性较强的涂层 弱极性 非极性的被分析物则选择极性相对较弱或非极性的涂层 此外 涂层的厚度也会影响被分析物的保留和分离 随着涂层厚度的增加 保留和分离的时间也随之增加 所以可通过使用不同厚度的涂层来改变萃取的选择性 纤维涂层的厚度对萃取 解吸过程中被分析物的选择性 萃取时间 样品容量 解吸时间 以及被分析物的贮存 在萃取之后与解吸之前这一段时间内 均有影响 选用的固定相涂层首先要对有机大分子有较强的萃取富集能力 要有较大的分配系数 其次还需要有合适的分子结构 保证被分析物在其中有较快的扩散速度 能在较短的时间内达到分析平衡 并在加热解析时能迅速脱离固定相涂层 而不会造成峰的扩展 同时 由于被分析物是在高温下解析 因此所选涂层还必须有良好的热稳定性 此外 为了提高涂层的萃取选择性 可分别对样品或涂层进行衍生化 2020 3 24 11 固相微萃取的心脏 涂层 涂层的萃取机理在SPME中 涂层萃取分析物存在着两种不同的机理 即吸附和吸收 从微观的角度看 吸附是被分析物分子直接键合到涂层表面 吸收则是分子溶进了涂层的主体内 基于吸附机理的萃取 因其可进行吸附的表面位置有限 因此吸附是竞争过程 而基于吸收机理的萃取 由于两种性质相似的液体可以以任何比例互溶 因此吸收是非竞争过程 被分析物在样品中的浓度与基于吸附机理的涂层所萃取的量之间的关系在较小的范围内呈线性 而基于吸收机理的涂层 其线性范围则较广 相对于吸收过程来说 吸附的机理很多 被分析物分子可以通过范德华力 偶极偶极 静电作用或其他一些弱分子间的作用力与涂层表面相结合 除基于以上两种机理萃取的涂层外 还有基于离子交换机理的涂层 2020 3 24 12 涂层种类介绍 1商品化涂层在固相微萃取中 不同类型的涂层具有不同的选择性 热力学稳定性和极性 最早开发的是带有聚二甲基硅氧烷 PDMS 和聚丙烯酸酯 PA 涂层的萃取头 目前 已有7种商品萃取头问世 这些商品化涂层主要由Supelco公司研制并生产 其萃取头为熔融石英纤维 涂层一般可以分为非极性 中等极性和极性3种涂层 使用不同极性的涂层具有以下优点 增加萃取选择性 用极性相匹配的涂层可增加特殊样品的回收率 可以减少萃取杂质的干扰 可以从有机基体中萃取出极性化合物 除了根据极性对涂层进行分类之外 还可按萃取机理将它们分成两类 即均相的聚合物涂层和多孔颗粒聚合物涂层 前者一般通过吸收来萃取被分析物 而后者则是通过吸附来萃取 其中 PDMS和PA为均相聚合物涂层 而其它的则为多孔颗粒聚合物涂层 对于PDMS和PA的均相聚合物涂层 往往只能通过增加其涂层厚度来增加其萃取总容量 而对于多孔颗粒聚合物涂层 则可通过增加涂层的多孔性来增加萃取容量及提高对被分析物的保留能力 也可以通过增大孔径来增加涂层对被分析物的选择性 表1列出了几种商品化涂层 并对这几种商品化涂层进行了简要说明 2020 3 24 13 2020 3 24 14 涂层种类介绍 2非商品化涂层尽管传统涂层型的SPME纤维涂层呈现蓬勃发展的前景 但它的应用仍有一定的局限性 如现有有机涂层的耐热性较差 限制了解吸温度的范围 吸附质的成本高 吸附量小 制作程序要求严格 使用寿命短等原因使其在推广上受到一定的限制 因此 制备适合较大范围的SPME实验条件 具有较高稳定性 容量相对较大 且在萃取过程中能快速地萃取被分析物 解吸过程中与被分析物能快速地进行分离的涂层 这些是SPME发展的关键 Mangani等报道了使用石墨化碳黑 GBC 作为固定相涂层 从气相或液相中萃取并分析有机污染物 该涂层具有较好的萃取效果 Djozan等将一种活性炭多孔层 PLAC 涂在SPME萃取头上 并与气相色谱联用萃取挥发性有机物 Buszewski等研制出了环氧聚二甲基硅氧烷 PDES 和聚亚胺酯丙烯酸涂层 polyurethaneacrylate PDES适合萃取非极性化合物 萃取时间比聚亚胺丙烯酸涂层短 Lee等则将HPLC的固定相用于SPME涂层上 他们发现纯硅胶很难从水中萃取出非极性化合物 但当硅胶表面键合了C8或C18固定相后则可以从水中吸附非极性化合物 又如Popp等使用一种新的C8涂层 对多种挥发性和中等挥发性的有机物进行了萃取 并与一些商品化涂层进行了比较 发现它对多种化合物都可以萃取 但效率都不是最高的 Chong等使用溶胶凝胶技术 sol gel 将键合了PDMS的溶胶凝胶涂层作为萃取头 萃取了PAHS和烷烃等化合物 均得到了满意的结果 几种非商品化涂层的比较见表2 2020 3 24 15 2020 3 24 16 三 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 2020 3 24 17 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 2020 3 24 18 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 2020 3 24 19 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 2020 3 24 20 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 2020 3 24 21 固相微萃取与液相色谱技术的联用 2020 3 24 22 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 2020 3 24 23 固相微萃取与质谱技术的联用 2020 3 24 24 PesticidesanalysisbySPME IonTrapMS 固相微萃取与质谱技术的联用 2020 3 24 25 四 应用和发展 现代仪器分析技术快速发展 样品分析的困难主要是样品基质背景复杂前处理过程繁琐 耗时长被测成分浓度较低等 而于九十年代兴起并迅速发展固相微萃取 SPME 新技术能成功的解决这些问题而且具有准确 检出限低等特点 因此它在食品 医药 农药残留 环境有机物污染 水质监测 法学等方面的应用十分广泛 并且还在不断地补充和发展 2020 3 24 26 固相微萃取在食品方面的应用 调味品中防腐剂苯甲酸 苯甲酸钠 是食品饮料中常用传统防腐剂之一 过量的使用会对人体造成危害 因此对食品中的苯甲酸含量进行快速而方便的检测是非常重要的一项工作 食品中苯甲酸含量的分析方法最主要的是乙醚提取气相色谱法 国标法 发展 贾金平等在应用固相微萃取方法对苯氯仿等进行研究分析的基础上 自行研制了活性炭体型纤维 使用整根纤维而不仅仅是涂层作为萃取介质 大大增加了吸附量 同时又加强了纤维的强度 成功地弥补了传统涂层型存在的不足 把它应用于酱油中的苯甲酸含量的测定 收到了理想的试验效果 饮用水中有毒物质的检测饮用水中挥发性有机物的分析利用微萃取技术富集污水中的酚类化合物酞酸酯挥发性卤代烃及氯苯类化合物有机氯及有机磷农药邻苯二甲酸酯类化合物二噁英类化合物十分多 检测复杂 困难 氯酚类化合物是环境中广泛存在的有机污染物 其中2 4 二氯酚 DCP 2 4 6 三氯酚 TCP 和五氯酚 PCP 已被列为我国水体中优先控制物和饮用水控制标准国家现行饮用水检测标准方法中样品前处理采用固相萃取 固相微萃取能够高效 灵敏的检测出氯酚类化合物 发展 李碧芳等用自制聚二甲基硅氧烷 二乙烯基苯 PDMS DVB新型固相微萃取膜分离富集珠江水和湖水中邻苯二甲酸酯类化合物 与固相微萃取纤维相比 固相微萃取膜制作成本低使用方便吸附容量大 是一种有发展前景的样品前处理新技术 2020 3 24 27 固相微萃取在农药残留分析中的应用 近年来 由农药残留超标导致的食品安全案例频发 食品 环境以及生物样品中农药残留问题备受关注由于往往不清楚农药来源 加上农药的种类繁多 异构体 同系物 降解物和代谢物等原因 无形中大大增加了农药残留检测分析的难度 至今国内外还没有一种检测方法可以同时定量分析多种类型的农药残留 但固相微萃取在分析农药残留中仍占据着十分重要的角色 有机氯检测大多数OCPs 有机氯农药 的极性较低 易挥发 适合用SPME GC进行检测分析 选用的涂层多为极性较弱的PDMS 但是当分析物浓度低或者有其他农药残留时 极性稍大的PDMS DVB和PA涂层也有应用 Hwang等建立了一种分析中草药制剂中痕量OCPs残留的SPME GC MS方法 选用100 mPDMS涂层检测其中的19种OCPs 检测限达到ng g水平 线性宽 1 200ng g 同时作者比较了SPME与索氏萃取 结果显示用SPME所得检测限都比用索氏萃取法低一个数量级 发展 Zeng等采用溶胶 凝胶法制备了长度为1 5cm 厚度为70 m的羟基甲基苯基硅油涂层应用于蔬菜中有机氯检测 与商用100 mPDMS萃取头相比 该萃取头显示出了更高的萃取效率 分析原因可能归因于萃取头长度 1 5cm 和苯基增强了涂层与分析物之间的 相互作用 2020 3 24 28 固相微萃取在药品和生物样品分析中的应用 应用于SPME方面的生物样品大多数是血液尿液唾液 还有头发等品种多 组成复杂 介质干扰大分析成分与生物样品一般都具有很强的亲和力 且分析成分多为大分子强极性高沸点难挥发热不稳定这对SPME技术具有很大的挑战性 Bermejo等用直接SPMEGCMS测定血液中的美沙酮和EDDP 萃取头为100umPDMS该方法已成功地测定服用美沙酮病人血中的药物浓度 杂质干扰少 与液液萃取相比EDDP有较低的检出限 氨基酸最常用的检测方法是先用荧光标记后 再进行HPLC分离和荧光检测 但Myung等人发展出用SPME2GC2MS检测半胱氨酸 胱氨酸和蛋氨酸的方法 Liao等人已实现了用SPME2微量LC方法萃取和分离蛋白质 纤维涂层是聚丙烯酸 用作阳离子交换剂 该研究小组萃取了100mL含有肌血球蛋白 细胞色素C和溶菌酶的液体样品 在短短的5min 10min内即可达到萃取平衡 之后 pH617的0102mol L的Na3PO4溶液淋洗纤维头 以除去无关的杂质 然后将纤维放入0102mol L的Na3PO4 含015mol LNaCl 溶液中脱附5s 再对上述部分脱附液进行HPLC分析 这个例子向我们展示了SPME分析蛋白质化合物的潜力 2020 3 24 29 总结 SPME技术出现已经十多年 固相微萃取 SPME 集采样浓缩于一体 克服了传统的样品前处理技术的缺点 是一种有利于环境保护的样品预处理方法自从该技术诞生以来备受广大分析工作者和仪器制造商的青睐 应用范围正逐步扩大分析对象从简单的顶空萃取挥发性有机化合物发展到非挥发性有机毒药物 其萃取效率有了明显的提高 应用对象有了明显扩展 应用领域也在日趋增大 其高效 快速 简便的优点已得到人们的共识 随着科技的进步人们对其的要求也在不断地严格 SPME也在不断的自我完善 SPME与样品前处理和后处理等配套技术的联用得到了极大的发展 联用分析技术从单一的GC发展到以GC MS为主的包含HPLCCE分光光度计等多种联用技术SPME在与多种检测技术联用的同时 检测化合物的范围迅速扩大 从而促进了自身的发展另外由于不断开发选择性更高 耐高温和抗侵蚀的涂层 SPME的适用范围将更为广阔 2020 3 24 30 参考文献 1 余泽红 贺小贤 丁勇 常海山 固相微萃取在食品挥发性组分测定方面研究进展 J 粮食与油脂 2010 7 44 46 2 方瑞斌 张维昊 涂学炎 中国发明专利 98106766 2 1998 03 27 3 陈克云 于建伟 孙道林 刘代成 何琴 顶空固相微萃取气相色谱 质谱法测定水中藻源嗅味物质 J 中国给水排水 2011 27 12 94 98 4 陈良壁 曾景