固相萃取简介

固相萃取简介XXX概述多环芳烃(PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs)是指两个或两个以上的苯环以稠环和非稠环形式连接的化合物，是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的半挥发性碳氢化合物,迄今已发现有200多种PAHs,其中一些PAHs不仅具有强烈的毒性 致癌、致畸变和致突变性，还有促进致癌作用I】。美国环保局已把16种多环芳烃列入优先控制有毒有机污染物黑名单中，在我国国家环保局第一批公布的68种优先污染物中，PAHs有7种⑶。固相萃取(SpooledPhaseExtraction,SPE)是一个包括液相和固相的物理萃取过程。在固相萃取中，固相对分析物的吸附力比溶解分析物的溶剂更大。当水样通过吸附剂床时，分析物浓缩在其表面,其它样品成分则通过吸附剂床，通过只吸附分析物而不吸附其它样品成分的吸附剂，可以得到高纯度和浓缩的分析物。与传统的液液萃取相比，固相萃取避免了乳化现象，方法重现性好，选择性强、分离时间短、富集倍数高、精密度和准确度较高以及有机溶剂消耗低等突出的优点［3］。固相萃取技术自20世纪70年代后期问世以来，由于其高效、可靠及耗用溶剂量少等优点，广泛应用于空气、水样、蔬菜及生物样品中痕量有机化合物的萃取，已逐渐取代传统的液一液萃取，而成为样品预处理的可靠、有效方法⑷。样品预处理方法选择必需遵循的原则：在进行样品预处理的过程中，为保证效果的有效性和可靠性，在选择预处理方法时必须遵守一定的准则：所选方法应能有效的除去测定的干扰成份；测定组分的回收率要高；操作简便，省时，对环境不造成污染，对人体健康不产生影响。避免使用贵重试剂，做到物美价廉。选择方法必需达到准确、结果可靠，空白、标准曲线、标准样需经过多个实验室分析人员检验合格方能推广使用。固相萃取简介3.1基本原理固相萃取技术是基于液相色谱原理的一种分离、纯化方法。其吸附剂为固定相，根据固相萃取剂对液相待测物的吸附作用，当待测物通过萃取剂时，其中某些痕量物质(目标物)就被吸附在萃取剂上。然后采用适宜的选择性溶剂将其洗脱下来，即可得到富集、纯化的目标物［6］。3.2分类目前，按SPE装置的几何构型可分为SPE柱、SPE盘以及后来发展起来的固相微萃取(SPME)。3.2.1SPE柱SPE柱的使用最为普遍,简单的SPE柱就是一根直径为数毫米的小玻璃柱，或聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等塑料，或不锈钢制成的柱子。柱下端有一孔径为20〃m的烧结筛板，用

以支撑吸附剂，吸附剂的常用装填量约100〜500mg。SPE柱虽然使用方便，应用范围广，但仍存在一些问题，如：（1）由于柱管径较窄，限制了流速增大，通常只能在1〜10ml/min范围内使用；（2）采用40pm左右的定相填料，若用较大流速会产生动力学效应，妨碍了某些组分有效地富集；（3）对于相对较脏的样品如环境废水，含生物样品及悬浮颗粒的水样，在流过固相短柱时很容易堵塞，使水样流速降低甚至完全堵塞水样，增加了样品处理时间；（4）40pm颗粒的填充柱很容易产生裂隙，使短柱分离浓缩效率下降容］。图1中列出了几种利用SPE柱检测环境水样中多环芳烃的具有代表性的方法⑵。表1利用ME柱魅蒯环境水打中弟外芳谿的方法树｝■i'ml门前陵顷也样纳匣魄DgR5I>〔013]C1B5鲍水HP1DIDA•-ILD0-D3-22D912?-100.i&78-i68IJ]CLE4-3挺水1甑版㈱meILDLB--34491-14.3J.?-U.S1习■JII罚£异山的，1CS异向苹，哨点m・*异代响啊反沌巾社祀::crlmi*有1'J^ 导云riK^1卫生案V玉亟幡件5%向胡咪F、阵L， 帘甜ri：i"HP1.&UV1-1U119!fi]&4Jj.ni我心普履：」旅』15%呷¥•务甄饶胃■h.1000c卜「•披4"F阕M皿mow5-5S717-US11.?-4iI'JCSJim5'1酢.水(1:1).5mL-inhi氧甲K-MS10-2(*Eft4-1】3T-fl/115ClIMNaOH解HKC:S2.21Id?49 .抄32…lOt71甫策亦)；CC一陡6■-]J6iIS]爆蜘西祖#略，m顼基买化"呻液JD汩|席.代溶城m1HP1PJLD：«-MSHFLCi031•顷;GC.lt1伽19]pH逾畦。1ijh |「蚱.危彼化铜乙前匕酎'初1垸5孰■■痈机20匕酸EB5.短甲建GC-MS20-jm51-nt1.如、•51?&EID]伏用4：』i貌代地勤邯演虻尾曲rs4-5meTLD2施4顼EH]"45inn（ft孔鬻眼Ji过并中日齐折!：ia：i1甲5J.'*W：5)HUE?PADap--驰sST--1111.z.L3.2.2SPE盘SPE的另一种形式是SPE盘，表观上它与膜过滤器十分相似。盘式萃取器是含有填料的聚四氟乙烯（PTFE）圆片或载有填料的玻璃纤维片，后者较坚固，无须支撑。填料约占SPE盘总量的60%〜90%，盘的厚度约1mm。由于填料颗粒紧密地嵌在盘片内，在萃取时无沟流形成。SPE柱和盘式萃取器的主要区别在于床厚度/直径（LPd）比。Majors等比较了SPE盘和SPE柱的特点，对于等重的填料，盘式萃取的截面积比SPE柱的截面积大约10倍，因而允许液体试样以较高的流速通过oSPE盘的这个特点适合从水中富集痕量的污染物，1L纯净的地表水通过直径为50mm的SPE盘仅需15〜20min9。目前盘状的固相萃取剂可分为三大类：（1）由聚四氟乙烯网络包含了化学键合的硅胶或高聚物颗粒填料。填料含量占90%，聚四氟乙烯只占10%0（2）由聚氯乙烯网络包含了带离子交换基团或其它亲合基团的硅胶，如由FMC公司生产的Anti2Disk膜厚lmm，由聚氯乙烯与硅胶组成，膜的孔穴平均流通直径为1〃m，流速可达20~80ml/min。(3)衍生化膜。它不同于前两种，固定相并非包合在膜中，而是膜本身经化学反应键合了各种官能团。如二乙胺基乙烯基、季胺基、磺酸丙基等ma。SPE膜的缺点在于萃取膜不能再生利用。图2列出了几种利用SPE膜检测环境水样中多环芳烃的具有代表性的方法。曷利用SPT脱抢虚耳境水样中多环方始方法治化闵横速l.ml.mi>Fl:惺格物眼4ELp1)[馈⑴pH鱼调至C2,林匹5咧也CIS国甲加破巳机L)而&too己懊巳的国甲靠GC-MS1940-叫7/圈斧也:氯甲垸，甲辞.gmSPEF.5LETP1M【】3]K：■曾&ns咻.耽;乾膜巡T原甲坑蜥味光本4D：荧光74-2-112.92L■-N3pH宜由辛鼠的纤班沌也(?谚.©B-xc:氧甲貌浦用,甲,律ID-15Cll5DB-Kt:抽宜心甲印-三湖.:制位GC-MS0-4-2dJ4-fr-fi-2.5[151C18•.煎甲堤甲蚂50也真空二SU「垃GC-MS0-fl»5^115-161-B3B310-伽皿琴is?aasC181三己烷、甲”.上SO-LOOGC-MSas-4u44-1W.2*4〜%，2[17]CIS甲解制净木物真皂C3CMS70-120项【推1扫.•疏幡的QL-10-50皿0.<2.CIS小乙酷■.制平蜿(1⑴一甲酊.期互空洪L0乱为E陂ZJS.甄甲照,1}GC-WSi!：pp1级no-id木■f<153.3操作步骤不同类型的填料,SPE操作方法略有不同.现以使用C18固相萃取柱为例，其操作过程如下：固相萃取柱的活化首先用选择性溶剂将固相萃取柱吸附剂润湿备用。萃取柱的活化过程非常重要，会对方法的精密度和准确度产生很大影响，如果在活化的过程中萃取柱变干，必须重新进行活化；样品的吸附萃取将待测样品加入小柱，使其完全通过吸附柱，再加入适当的洗涤溶剂从固相萃取柱上除去其他不需要的组份，弃去废液；固相萃取柱的洗脱这一步骤的目的是将待测物完全洗脱并收集在最小体积的级分中，最后用洗脱液把保留在固相萃取柱上需要测定的组份淋洗下来，一并滴流至收集管中。在洗脱时，应注重少量多次的原则；提取液的脱水与浓缩提取液中可能含有水分，在干净的移液管底部放置少许玻璃棉，其上填入5~10cm高的无水硫酸钠(5〜7g)制成简易的干燥柱，进行提取液脱水。然后将提取液放在40°C的水浴锅上用氮气吹脱浓缩至0.5ml~1ml(也可用K-D浓缩器浓缩提取液)，转移至容量瓶中备用⑹。固相萃取的基本操作步骤如图3所示。

图3固相萃取操作示意图3.4固相萃取的影响因素(以农药残留分析为例)3.4.1吸附剂由于环境样品多为水溶液，SPE吸附剂多选用反相吸附材料。农药极性由弱极性到强极性，酸碱性由酸性到碱性不一而同，要找到适合所有农药的吸附剂几乎是不可能的，多组分农药残留分析一般以最大程度吸附各种农药作为选择吸附剂的标准。应用于环境中农药残留分析的SPE吸附剂主要有以下几种，常见吸附剂的性能参数见图4。吸附剂制造商类型孔径/A表面积Cm-/GC1BSi^jelcoCig60500ENVI-CibSvitpekoCis70511Oads.HLBWatersPS-DVB-NVP55800XAD-2SitpelcoPS-DVB90300Bond-HutENVVananPS-DVB450500EmpoiediskJT.BakerPS-DVB350LiCliolutENMerckPS-DVBSO1200PRP-1HamiltonPS-DVB75415ENVI-CarbSiipeko碳基吸附剂100C-arbogrfiph4Alltech碳基吸附剂210PGCThermo腰基吸附剂120t>图4SPE常见吸附剂键合硅胶类吸附剂键合硅胶吸附剂是目前应用最为广泛的固相萃取固定相。键合硅胶的表面积一般50〜500m2/g，表面孔径大多在5〜50nm间。一般碳链长，固定相含碳量高，固定相极性小；碳链短，固定相极性大。含腈基、氨基、磺酸基的固定相极性较大，除作为正相吸附剂外，少数情况下用作反相吸附剂，用于极性ci8键合硅胶是最常用的反相吸附剂，已被广泛应用于有机磷、有机氯、氨基甲酸酯、及三嗪类的分析。用三甲基硅烷等硅烷化试剂与固定相上残留的硅醇基反应，以使残留硅醇基被封闭或惰性化称为“封端”。“封端”可避免残留硅醇基与醇类、胺类农药以氢键键合方式发生的次级吸附。然而，烷基链上带羟基的未封端ci8键合硅胶(C18/OH)对于极性农药的萃取效果优于封端后硅胶，这是因为未封端的矽烷基与极性农药间存在氢键等二极作用，从而使极性农药的保留更好。研究结果表明，C18键合硅胶对于logkw>2的非极性和中等极性农药有机物的富集是有效的。 '有机聚合物吸附剂近年来，随着有机聚合材料的发展，有机聚合物用于固相萃取的研究日益增多。有机聚合物吸附剂多为苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(PS-DVB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PA)、苯乙烯-二乙烯基苯-乙烯基乙苯共聚物(PS-DVB-EVB)、苯乙烯-二乙烯基苯-乙烯毗咯烷酮(PS-DVB-NVP)等。有机聚合物吸附剂具有比键合硅胶更大的表面积，一般300〜1200m2/g。实验证明，有机聚合类吸附剂较键合硅胶类吸附剂性能稳定，对农残类化合物包括极性较大的氨基甲酸酯类农药、氯化苯氧基乙酸类除草剂吸附更完全，回收率更高。与键合硅胶吸附剂类似，有机聚合物吸附剂也可通过傅氏反应引入功能基团达到吸附剂的功能化修饰。对于极性较小农药的萃取，引入非极性的叔丁基可使吸附剂的保留因子增大，获得较好的萃取效果；相反，对于极性较大的农药，引入极性基团，如乙酰基、磺酸基、羧基、羧甲基等，萃取效果明显改善。通过化学反应在疏水性基体表面引进适当数量的亲水性基团，可达到表面亲水性修饰。研究表明，表面亲水性修饰后的吸附剂不需活化处理即能达到很好的萃取效果。碳基吸附剂碳基吸附剂种类繁多，比表面积大，对农药类有机物，尤其是极性有机物具有良好的吸附萃取效果。常见的碳基吸附剂有活性炭、分子筛、多孔石墨炭等。多孔石墨炭(PGC)是一种基于疏水性作用和电子作用的新型碳基吸附剂，这种多重作用机理使其广泛适用于从非极性到极性的众多化合物，尤其对于具有平面分子结构且含极性基团和大n键、孤对电子的农药分析物具有强的吸附能力。研究表明，对于极性较大的杀虫剂、除草剂等农药，PGC效果优于C18键合硅胶和PS-DVB等有机聚合吸附剂。其他新型碳基吸附剂有C60富勒烯、多壁碳纳米管等，但由于此类碳基吸附剂价格昂贵，目前应用受到一定的限制。吸附剂的选择一般根据农药分析物的k值进行选择，但每次不一定选择k最大的材料作为吸附剂。一般，若某农药的k约为100「则选用C18键合硅胶；若k很小且分析要求浓缩倍数很高，则选用有机聚合物；>吸附剂；若需萃取极性很大的农药分析物，则选用有机聚合物吸附剂或PGC等碳基吸附剂。3.4.2保留体积SPE是分析物在液相样品与固相吸附剂间的分配过程，这就意味着，萃取过程中要求保留因子kw越大越好;洗脱过程中要求保留因子kw越小越好。当通过样品体积达到一定值时，样品中分析物会穿透流出，回收率急剧下降。穿透体积Vb是指滤液中的分析物浓度为原样品溶液中分析物浓度1%时的样品溶液的总流出体积，可通过理论计算得出，如下式：TOC\o"1-5"\h\z"*史)x(i+kj (1)Vr=V0x(l+0 ⑵Vb=Vr-2矣' (3)其中，0v为标准偏差；V为分析物的保留体积；V0为固相萃取柱死体积，其值可由吸附剂空隙率(£)和柱床体积(V)根据公式V0=V£进行估算，C18填充固相萃取柱的死体积约0.54cm3；N为SPE柱理论塔板数，一般商品化固相萃取柱的理论塔板数大约为20；k为分析物的保留因子，中等极性农药如莠去津除草剂的(logk)为2.7，由公式(1)、(2)和(3)可预测C18SPE柱对该农药的穿透体积约为130mL。穿透体积的预测对于样品体积的确定具有指导意义，进而决定了采样容器的选择和分析物的检测限。值得注意的是，上述公式对穿透体积的理论预测只适用于logkw>2的非极性和中等极性农药在C18填充固相萃取柱和PS-DVB等有机聚合物吸附剂上的萃取，对于极性农药则不适用。有机聚合物吸附剂和碳基吸附剂对农药的穿透体积均高于C18填充柱的穿透体积。穿透体积Vb是SPE技术的关键因素，极性化合物的穿透体积较小，这就使得样品中极性较大农药的痕量检测十分困难，当分析物为极性有机物时，多采用保留能力较强的有机聚合物吸附剂或PGC等碳基吸附剂作为SPE填料。3.4.3洗脱溶剂洗脱溶剂的选择与分析物性质和吸附剂特性密切相关。理想的洗脱溶剂应具备以下两个要求：溶剂强度足够大，即使用该洗脱溶剂时分析物的保留因子k尽可能小。对大多数农药化合物而言，乙腈是比甲醇或二氯甲烷更好的洗脱溶剂。 W溶剂应与后续的检测方法相适应。另外应考虑洗脱溶剂的纯度、黏度、反应性与检测器是否匹配，当二者不匹配时，可考虑置换溶剂。但置换溶剂操作繁琐，且过程中涉及的氮吹蒸发等操作可使有机磷农药、芳香族苯氧丙酸等化合物分解，易引起分析物损失，因此洗脱溶剂应慎重选择以尽量避免置换溶剂步骤。若选用单一溶剂洗脱效果不理想时，可考虑使用混合溶剂进行洗脱。C18键合硅胶对非极性、中等极性农药分析物的洗脱，按四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、乙腈、甲醇顺序依次困难；而对于极性农药而言，则按此顺序，洗脱能力依次增强。有机聚合物吸附剂也可使用上述有机溶剂进行洗脱，但由于此类吸附剂保留能力增强，洗脱时往往使用更多的溶剂，这就降低了富集倍数。对以上两种吸附剂效果良好的乙月青、甲醇等有机溶剂对于碳基吸附剂上分析物的洗脱效果往往不甚良好，采用二氯甲烷或四氢呋喃则可获得较好的洗脱效果。为了取得更好的洗脱效果，最好采用反冲法进行洗脱，因为此类吸附剂对分析物的保留能力很强，若采用正相洗脱法，则费时费力tn：。固相微萃取固相微萃取作为以固相萃取为基础的新型萃取技术，在保留了SPE的优点情况下，避免了SPE中样品高空白及萃取柱易阻塞的特点，是一种简便、快速、选择性高的新型萃取分离技术。它无需溶剂，实现了真正意义上的固相萃取，适用于挥发性与非挥发性物质的分析，且具有良好的重现性，固相微萃取易于实现自动化及与其它分析技术联用，与固相萃取相比所需的设备及资金投入较少。用SPME方法富集样品，有以下两种方式：直接SPME法：即将萃取头直接浸入样品中，当待测物与固定相之间充分分配至平衡时，即可取出进样分析。此种方式萃取时间短，富集速度快；顶空SPME法：此法并不使纤维与样品直接接触，而是将纤维停留在顶空，于气相中使待测物富集于固定相后供分析，缩短了样品萃取时间，具有较好的精确度，而且可以适宜地降低检出限，易于测定各种介质中挥发性有机物。顶空SPME法广泛应用于多种类型的样品，包括固态样品、非匀质混悬液等。SPME已广泛地使用在水中各种有机污染物的分析中。当样品中有大分子干扰时，第二种方法的富集效果优于第一种方法。SPME发展初期实现了与GC的联用，随着研究的不断深入，SPME现已逐渐完善了SPME-MS、SPME-HPLC、SPME/EC联用技术，除用于环境样品分析，应用范围已逐步发展到食品、医药卫生、生物化学、临床化学、生理及毒理学、法医学等领域，而且在临床、刑事鉴定、天然产物、生命科学中有广泛的应用前景。对工业生产流程中的质量控制、有毒或腐蚀性物质的取样，固相微萃取法是一种简便的理想选择［io：，还可以用于食品和饮料的香味分析［6］。图5列出了SPME技术在环境样品预处理中的应用。既相蔑费日质LHH董硼丽血msj■祯6水中轴翔pm席骤下]中帕掀描皤砌热拂懈峭词节出至2如图5SPME萃取分离出的环境样品中的待测物展望随着人们对环境问题的日益重视，环境研究的日益深入，PAHs的关注程度也在逐渐增高，因此，PAHs的前处理技术也逐渐成为了研究者的焦点问题。作为已经走过了20年的研究方法，固相萃取技术也愈发成熟，应用范围也愈发广泛。但是固相萃取技术仍有许多不足，如复杂样品的杂质干扰，萃取柱的堵塞，固定相的选择性不足等等，尚需进一步改进和提高。作为SPE的延伸，SPME技术不需使用有