固相微萃取原理及使用

1、固相微萃取原理及使用 固相微萃取技术固相微萃取技术(SPME) 固相微萃取原理及使用 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 主要内容主要内容 固相微萃取原理及使用 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。 固相微萃取原理及使用 1989年；Pawliszyn Supelco199

2、3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(solid phase microextraction） 固相微萃取原理及使用 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

3、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。 固相微萃取原理及使用 固相微萃取法（SPME）的原理与固相萃取不同，固相微固相微 萃取不是将待测物全部萃取出来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： C0V2=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

4、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。 固相微萃取原理及使用 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 C1 V1 2） （3） 由于V1V2，式3中C1 V1 2可忽略，整理后得： WS =K C0 V1 （4） 固相微萃

5、取原理及使用 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。 固相微萃取原理及使用 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

6、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。 固相微萃取原理及使用 萃取步骤萃取步骤 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。 固相微萃取原理及使用 萃取方法萃取方法 直接法（直接法（Di-SPME） 适合于气体基质或干净的 水基质 顶空法（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

7、、 污泥、土壤等 膜保护法（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（衍生化法（derivatization SPME） 冷冷SPME法（法（cooled SPME） 固相微萃取原理及使用 固相微萃取原理及使用 萃取温度萃取温度 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 固相微萃取原理及使用 萃取时间萃取时间 不同的待测物达到动态平

8、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。 固相微萃取原理及使用 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 固相微萃取原理及使用 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 溶液溶液pH值值 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

9、本体溶液争夺待萃物的平衡过程极大的偏向吸附涂 层 固相微萃取原理及使用 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 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-tube SPME） 固相微萃取原理及使用 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”。

10、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 固相微萃取原理及使用 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） 固相微萃取原理及使用 固相微萃取原理及使用 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） 固

11、相微萃取原理及使用 Ali Mehdinia, Mir Fazllolah Mousavi, Mojtaba Shamsipur. Nano-structured lead dioxide as a novel stationary phase forsolid-phase microextraction. Journal of Chromatography A 1134 (2006) 固相微萃取原理及使用 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。 定量检测精确度不高；

12、 可重复性不高； 商业可用负载聚合物品种少。 固相微萃取原理及使用 固相微萃取原理及使用 SPME-GC技术 SPME-HPLC技术 SPME-MS技术 SPME/EC联用 固相微萃取原理及使用 固相微萃取与气相色谱技术的联用 SPME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）。 固相微萃取原理及使用 使用SPME-GC

13、 联用分析US EPA 524. 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 固相微萃取原理及使用 固相微萃取与液相色谱技术的联用 SPME-HPLC SPME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与与HPLC联用的关联用的关 键在于键在于SPME的解吸过程是否能与的解吸过程是否能与HPLC 的进样系统匹配的进样系统匹配，即能否使解吸液的体，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积足够

14、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，直接影响分析峰拓宽，使分辨率下降，直接影响分析 的灵敏度。的灵敏度。 固相微萃取原理及使用 capilary coated polymeric material 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。 固相微萃取原理及使用 固相微萃取与液相色谱技术的联用 固相微萃取原理及使用 SPME-HPL

15、C-MRM分析环境水中的雌激素 ESI(-) ,MRM，five 50 pg/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. Mitani et al. / J. Chromatogr. A 1081 (2005) 218224 XDB-C8 (50mm2.1 mm), 0.01% 氨水/乙睛 (60/40), 0.2 mL/min. Supel-Q PLOT(60 cm0.32mm, 厚 12 um) 萃取柱; 40l 样品, 100ul/min,20 次反复萃 取, 搬阀进样。线性范围：10 - 200 pg/ml (r0.9996), 检测

16、限 2.7 to 11.7 pg/ml. 86% 回收率，RSD 0.98.8%. 固相微萃取与液相色谱技术的联用 固相微萃取原理及使用 固相微萃取与质谱技术的联用 固相微萃取原理及使用 Pesticides analysis by SPME/Ion Trap MS 固相微萃取与质谱技术的联用 固相微萃取原理及使用 SPE、SPME的简单比较 待测物被介质萃取 洗脱非待测成分 换洗脱液洗脱待 测成分 待测物被介质萃取 待测成分解吸附 （无须clean-up） SPE SPME 固相微萃取原理及使用 SPE SPME 吸附剂可能吸附 非待测成分 吸附剂一般不吸附 非待测成分 Break-thro

17、ugh 现象 平衡式萃取，无 此现象 封闭式开放式 (micro)SPESPME(micro)SPESPME 固相微萃取原理及使用 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 固相微萃取原理及使用 固相微萃取原理及使用 例1 Direct comparison of solid-phase extraction and solid- phasemicroextraction for the gas chromatographic determination of dibenzylamine in arti

18、ficial saliva leachates from baby bottle teats（G. Niessner, C.W. Klampfl，Analytica Chimica Acta ， 414 (2000)： 133140） SPESPME 固相微萃取原理及使用 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SBS

19、E中的PDMS 萃取固定相体积一般为50250L,比SPME所用固定相量大50500 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. 7413. 5 ng/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。 固相微萃取原理及使用 例3.自制固相微萃取装置- 气相色

20、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45h,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。 固相微萃取原理及使用 2、采样：自制的固相微萃取装置经老化后,

21、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%。 固相微萃取原理及使用 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( Freely Diss

22、olved Concentration) 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

23、要的意义。 固相微萃取原理及使用 1、仪器：高效液相色谱系统(美国安捷伦公司) , 由Agilent 1100 型单元泵和Agilent 1100 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 m CWPTPR (美国Supelco 公司) 。SPME-HPLC 接口由一个 Rheodyne 六通阀和一个60L 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100 mL 萃取瓶中加入搅拌磁子和100 mL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

24、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4 h 后, 收回并 取出萃取头, 插入解吸室进行动态解吸测定。 固相微萃取原理及使用 3、实验结果：。在环境水样常见pH(58) 、缓冲容量(5200 mmol/L) 和盐度(0500 mmol/L) 条件下, 4h 可以达到萃取平衡。 100 mL 样品足以避免样品耗损。 pH 为6. 4 时, 方法的线性范围为0. 1250g/L , 检出限为0. 03g/L , 相对标准偏差(5g/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。 固相微萃取原理及使用

25、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。 固相微萃取原理及使用 1

26、、仪器与试剂：saturn 2200 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75m Carboxen 萃取头(PK/ 3) 2、试验方法：在容积为40mL 的萃取瓶中加入10. 0g NaCl 、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. 07. 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

27、,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。 固相微萃取原理及使用 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5.07.0 ；温 度为60 。 固相微萃取原理及使用 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(85m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10