一種新型的樣品前處理技術探討

摘 要：作為一種較新的樣品前處理技術，固相微萃取技術(SPME)具有操作簡單、快速，集采樣、萃取、濃縮和進樣于一體等諸多優點，目前已被廣泛應用。闡述了SPME的技術原理、操作流程、影響因素、應用領域和新的進展。關鍵詞：固相微萃取；分配系數

中圖分類號：O文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）09-0375-03

1 固相微萃取

固相微萃取(Solid-phase microextraction，SPME)是一項新型的無溶劑化樣品前處理技術。固相微萃取以特定的固體（一般為纖維狀萃取材料）作為固相提取器將其浸入樣品溶液或頂空提取，然后直接進行GC、HPLC等分析。SPME由Pawliszyn在1989年首次報道，近10年來固相微萃取技術已成功應用于氣體，液體及固體樣品的前處理。

1.1 固相微萃取技術及原理

固相微萃取法是以固相萃取為基礎發展起來的方法，固相微萃取利用了固相萃取吸附的幾何效應，其裝置結構的超微化決定了它能避開經典固相萃取的許多弱點。固相微萃取技術多在一根纖細的熔融石英纖維表面涂布一層聚合物并將其作為萃取介質(萃取頭)，再將萃取頭直接浸入樣品溶液(直接浸沒－固相微萃取方法，簡稱DI－SPME)或采用頂空－固相微萃取方法(HS－SPME)采樣。由于聚合物涂層的種類很多，因而可對樣品組分進行選擇性富集和采集。固相微萃取的原理是一個基于待測物質在樣品及萃取涂層中分配平衡的萃取過程。

固相微萃取利用表面未涂漬或涂漬吸附劑的熔融石英纖維或其它纖維材料作為固定相，當涂漬纖維暴露于樣品時，根據“相似相溶”原理，水中或溶液中的有機物以及揮發性物質，從試樣基質中擴散吸附在萃取纖維上逐漸濃縮富集。萃取時，被測物的分布受其在樣品基質和萃取介質中的分配平衡所控制，被萃取量(n)與其他因素的關系可以用下式描述：

n=kVfC0Vs/（kVf+ Vs）

式中：k為被測物在基質和涂層間的分配系數，Vf和Vs分別為涂層和樣品的體積，C0為被測物在樣品中的濃度。如果樣品體積很大時(Vs>>kVf)上式可以簡化成：

n=kVf C0

萃取的被測物量與樣品的體積無關，而與其濃度呈線性關系，因而從分析結果中得到的萃取纖維表面的吸附量，就能算出被萃取物在樣品中的含量，可方便地進行定量分析。

1.2 固相微萃取操作條件的選擇

萃取頭的構成應由萃取組分的分配系數、極性、沸點等參數來確定，在同一個樣品中，因萃取頭的不同可使其中一個組分得到最佳萃取而使其他組分受到抑制。平衡時間往往由眾多因素所決定，如分配系數、物質擴散速度、樣品基質等。此外，溫度、離子濃度、樣品的攪拌效率和pH值等因素都可影響萃取效率。

1.3 影響固相微萃取萃取率的因素

1.3.1 萃取頭的種類及膜厚

固相微萃取的核心部分－萃取頭材料特性或涂層的種類和厚度對靈敏度的影響最為關鍵，因此，對其選擇要十分慎重。

目前，世界上已有七種商品萃取頭問世，固定相可分為非鍵合型、鍵合型、部分交聯型以及交聯型四種。非鍵合型固定相對于某些水溶性有機溶劑是穩定的，但是當使用非極性有機溶劑時會引起輕度溶脹現象。對于鍵合型固定相，除了某些非極性溶劑以外，對所有的有機溶劑均很穩定。部分交聯型固定相在大多數水溶性有機溶劑和某些非極性有機溶劑中很穩定。高度交聯固定相類似于部分交聯固定相，只不過在同一交聯中心產生了多個交聯鍵。

最常用的也是最早使用的高分子涂層材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PA)。其中，100μm的PDMS適用于分析低沸點、低極性物質，7μm的PDMS適用于分析中沸點及高沸點物質，PA適用于分析強極性物質。以后，又陸續出現了聚酰亞胺、聚乙二醇等涂層材料。混合固定相應用也較廣泛，如聚乙二醇——膜板樹脂，聚乙二醇——二乙烯基苯，聚二甲基硅氧烷——模板樹脂以及環糊精等。為了開發聚合物的導電性質，一些科學家還嘗試用聚砒咯涂層來萃取極性甚至離子型待測物。此外，還開發了纖維雙液相涂層，它可以克服單一液相涂層萃取有機化合物范圍狹窄的缺點，萃取范圍更廣，是目前研究和發展的趨勢和方向。萃取頭涂層越厚，對待測物吸附量越大，可降低最低檢出限。但涂層越厚，所需平衡萃取時間越長，使分析速度減慢。因此，應綜合考慮各種情況。

1.3.2 萃取時間

萃取時間即萃取達到平衡所需的時間由待分析物的分配系數、物質的擴散速率、樣品基質、樣品體積、萃取頭膜厚等因素決定。一般萃取過程均在剛開始時吸附量迅速增加，出現一轉折點后上升就很緩慢。因此，可根據實際操作目的對靈敏度的需求不同，適當縮短萃取時間。

1.3.3 攪拌和加熱

在萃取過程中對樣品進行攪拌和加熱有助于樣品均一化，縮短平衡時間。對頂空固相微萃取(HS－SPME)加熱可提高液面上易揮發有機化合物的濃度，而提高萃取效率。

1.3.4 無機鹽

向樣品中加入(NH4) 2SO4，Na2SO4，NaCl和K2CO3等無機鹽可降低有機化合物與基質的親和力而提高萃取效率。

1.3.5 pH緩沖溶液

萃取酸性或堿性物質時，通過調節樣品的pH值可改善組分的親脂性，從而大大提高萃取效率。

1.4 固相微萃取操作模式

根據被分析樣品的物理性質和狀態，進行固相微萃取時可以采取不同的操作方式，常見的操作方式有如下三種。

1.4.1 固相微萃取直接法

將固相微萃取的纖維頭直接浸入水相或暴露于氣體中進行萃取的方法稱為SPME直接法，對于氣體樣品或較干凈的水樣，能在1min內迅速達到萃取平衡，因而常使用直接固相微萃取模式。

1.4.2 頂空固相微萃取法

把萃取頭置于待分析物樣品的上部空間進行萃取的方法叫做固相微萃取頂空法。這種方法只適于被分析物容易逸出樣品進入上部空間的揮發性分析物，對黏度大的廢水、體液、泥漿或固體樣品，則只能采用上空取樣的頂空固相微萃取模式，萃取從基質中釋放到樣品上空的化合物。

1.4.3 衍生化固相微萃取法

通過衍生化作用來降低極性化合物的極性后進行固相微萃取的方法叫做衍生化固相微萃取法，極性化合物通過在其水溶液基質中加入衍生劑或將纖維涂層浸入適當的衍生化試劑被衍生后進行萃取，衍生化后極性分析物極性降低，萃取后更適于色譜分析。

1.5 固相微萃取與其它分析方法相結合

固相微萃取萃取待測物可與氣相色譜(GC)、液相色譜(LC)等分析分離技術聯用進行分離。使用的檢測器可以是質譜(MS)、氫火焰離子化檢測器(FID)、火焰光度檢測器(EPD)、電子捕獲檢測器(ECD)、原子發射光譜檢測器(AED)、紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)以及離子淌度譜儀等。

1.6 固相微萃取的應用

1.6.1 固相微萃取在有機金屬形態分析中的應用

樣品預處理對于得到準確而又重現性好的分析結果非常重要。在進行形態分析時，為保證樣品中各種形態在樣品預處理過程中不發生變化，一般需要采用較為溫和的消化或浸提的方法將待測有機金屬化合物釋放到液相中，常用的有酸／堿(常用HC1)浸提、微波或超聲波輔助消化、CO2超臨界流體萃取等技術，浸提法簡便但結果的準確性難以考證，后幾種方法需要借助于其它儀器，操作不便，費用較高。固相微萃取用于樣品中金屬及有機金屬形態分析是最近幾年才開始，其應用具有很大的潛力。

將SPME用于有機金屬的分析最早是由Cai Y等人于1994年在第十六屆國際毛細管色譜大會上提出的，將SPME用于魚體和水樣中汞及水體中的有機錫的萃取，降低了測定的檢測限，但精密度差，RSD在24.1～68.8之間。1995年報導了汞及甲基汞中加人四乙基硼化鈉衍生，而后由SPME萃取，GC－MS進行測定的方法。從此，SPME用于各種有機金屬的萃取方法逐漸建立。

Tutschku等研究了環境樣品中有機錫和有機鉛的萃取方法，Tadeusz Gorecki和Janusz Pawliszyn用SPME－GC測定了水中四乙基鉛及無機物。Dumemann等人將SPME用于烷基鉛、汞、錫的分離，樣品被消化和分解后加入四乙基硼化鈉衍生(pH值在4～5)以提高分析物的揮發性，10min后室溫下將SPME萃取頭放在樣品的上部空間。Mester和Pawlisyzn將SPME萃取頭直接浸入樣品溶液，對尿液中的一甲基腫和二甲基腫進行了分析。

1.6.2 在天然產物分析中的應用

對于分析中草藥及中藥材中的揮發性成分來說，SPME是一種很有用的方法。在中藥分析方面，馬長華等人使用固相微萃取技術測定中藥石菖蒲中揮發性成分并鑒定出16種化合物。運用HS－SPME－GC－MS方法可從新鮮的紫蘇中鑒定出20多種揮發性成分。劉百戰等使用HS－SPME－GC－MS方法分離梔子鮮花頭香成分，并鑒定了54種化學成分。Miller等測定了肉桂中的香豆素、醋酸桂皮酯、石竹烯、2－甲氧桂皮醛等成分，以此來確定肉桂類植物的植物學起源及鑒別。Winkle等人使用技術分析了人工麝香的水溶液。使用SPME技術可從冷杉葉中提取揮發性成分，以及蛇麻草中的各種揮發性成分。Schafer等人應用HS－SPME分析了針葉松葉中的蒎烯、樟烯、月桂烯等單萜類成分。應用HS－SPME法可萃取脫氧麻黃堿及其主要代謝產物苯異丙胺，方法快速、靈敏、準確，可避免常用測定方法所遇到的干擾。PDMS纖維可從中藥丸中頂空萃取出17種萜類化合物。

在天然香料分析方面，劉揚岷等用SPME－GC－MS分析白蘭花的香氣成分，分離了114個色譜峰并鑒定了其中的75個成分。An等人使用HS－SPME－GC－MS方法從新鮮的熏衣草中分離測定了香氣成分。Jan等人從青霉菌和尼日爾黑霉菌的表面測定到了經過生物轉化的檸檬醛、香葉醇和橙花醇。

SPME技術可以用于從食品中提取分析組分。SPME技術可檢測曲奇餅上薄荷油的含量，薄荷油中基本的成分是薄荷醇，前處理簡單而干擾較少。Garcl等人對葡萄酒中的酒香組分進行了分析，建立了固相微萃取(SPME)和甲基硅烷化結合新的樣品預處理方法，并應用氣相色譜——質譜聯用技術對葡萄酒中極性有機物進行了分析，對其中的白藜蘆醇苷進行了定量分析，方法簡單快速，靈敏度高。Hmenryk等人用HS－SPME技術(用PA作液相)與靜態頂空法(SHS)對比研究啤酒的香味物質發現，對于低濃度的香味化合物，二種方法都具有較高的可重復性，與啤酒香味的分析結果也高度相關。1996年Coleman用SPME提取mailard反應產物中的香味成分，檢測靈敏度可達ng/L級水平。Clark等采用HS－SPME技術分析了烤煙、白肋煙、馬里蘭煙的頂空揮發物。衍生化法是用于分析極性較強的半揮發、不揮發有機物。Lin等人進行了衍生化SPME－GC聯用萃取水樣中的脂肪酸，待測物為乙酸、丙酸、辛酸等11種脂肪酸，衍生試劑為芘基重氮甲烷。實驗結果為衍生化SPME對含較長碳鏈的(C6～C10)脂肪酸檢測限為pg/L級，對含較短鏈的(C2～C4)的脂肪酸在ng/L級。如果在涂層上完成衍生化反應，則檢測限還可以進一步降低。

1.6.3 在醫學中的應用

隨著SPME與其他分析儀器或分析方法聯用技術的不斷發展和成熟，SPME正逐步在醫藥學分析領域得到廣泛的應用。

（1）基礎醫學中的應用。

隨著固相微萃取技術的廣泛應用，必將會對生理、病理、毒理學等基礎醫學的研究和發展起著較大的推動作用，如應用SPME檢測人體體液中抗組胺類化合物以及細菌代謝產物等。Ralf Eiscrt等采用管內自動SPME－HPLC聯用與強極性萃取涂層和手性涂層分別對多種維生素和手性藥物進行了分析。Lillian等對人體尿液、血液和乳汁中的單環芳香胺(monocycle aromatic amines)及芳香胺(aromaticamine)的代謝產物進行了研究，認為這些檢材可以用作生物監測指標。這必將在預防醫學特別是職業病防治方面發揮重要作用。

（2）在臨床醫學中的應用。

隨著SPME與其他分析儀器或分析方法聯用技術的不斷發展和成熟，SPME正逐步在醫藥學分析領域得到廣泛的應用。

（3）在法醫學中的應用。

由于法醫毒(藥)物分析所用檢材的特殊性和復雜性，自1993年美國Supelco公司推出商品化的SPME裝置后，SPME就很快應用到毒物分析中。Christoph Grote等就曾用SPME－GC－MS通過測定呼出氣體中乙醇含量而可以換算出血液中乙醇含量10min內便可以完成。如果將SPME－GC便攜儀用于酒后駕車肇事現場檢測，必將給交通事故的處理帶來極大的方便。目前，SPME已成功的分析了血液、尿液、臟器組織等生物檢材中的毒鼠強、氰化物、有機磷農藥、乙醇、麻醉劑等。Watanabe等人應用頂空——固相微萃取——氣相色譜——質譜聯用的方法(HS－SPME－GC－MS)分析血液中的5種麻醉劑，該方法已成功地應用到法醫學鑒定中。

1.6.4 SPME在環境分析中的應用

在應用研究領域，大量學者將SPME技術應用于各個分析領域，對大量的待測物質進行了分析測定，得到了令人滿意的分析結果。其中又以其在環境分析中的應用最多，主要有：

在氣態樣品的分析方面：研究者對空氣中的BTEX類化合物，甲醛，胺類物質，石油烴化合物等進行了分析研究。而Gorlo Danuta等人通過利用SPME－GC－MS方法對幾種有機污染物的分析，建立了一種評估室內空氣質量的方法。

在液態樣品的分析方面：主要用于分析水中的有機氯化臺物，BTEX類化合物，脂肪酸及脂肪酸鹽，15種甘油醚，氯苯類化合物，殺蟲劑，環境水樣中的有機磷農藥和除草劑等。我國的李攻科等人利用SPME－GC－MS聯用檢測了赤潮海水中的有機物，研究了其種類和含量的變化規律。陳文銳等人用SPME技術代替傳統的進樣技術，對污染棕桐油中的低濃度二甲苯進行了測定。此外，對水中和沉積物中的有機金屬化合物的分析也有大量報道。

在固態樣品的分析方面：土壤樣品中的氯代苯，對三嗪在沉積物中的吸附系數的測定，固體樣中的鹵代苯，鹵代酚，污泥及沉積物中脂肪酸與洗滌劑組分，紡織品及皮革品中的禁用偶氨染料的測定。

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