司法毒物鑒定中SPME技術的應用

林穎悅 張 玉 陳家暢

河南文正檢測技術有限公司，河南 鄭州 450048

樣品預處理是分離科學中至關重要的部分，特別是在生物樣本的分離分析中，更是處于關鍵的地位。由于傳統的樣品前處理技術具有諸多限制，已無法再適應目前對于萃取的有關要求。如有機溶劑用量大，富集倍數較小，而且必須采用毒性較強和沸點較低的溶液，其固定與安全性將無法得到有效的保證。此外，在提純流程中很容易產生乳化問題，提純率低，重現性差，而且操作過程很復雜耗時，甚至于還會對分析物質造成不必要的損耗與破壞。而且由于無法同步完成批量試樣的預處理工作，有能夠提供使用的固相萃取吸附劑品種很有限，使用領域狹小等一些較嚴重的問題缺陷［1］。

一、固相微萃取（SPME）技術概述

（一）固相微萃取（SPME）技術的發展歷程

固相微萃取（SPME）技術，由固相萃取（SPE）演變而來。1989年，Pawliszyn教授與Arthur等人最先研發出了固相微萃取（SPME）技術，固相微萃取（SPME）技術是一項新型的樣本前處理技術，具備操作簡便高效的優勢。因此，該技術在20世紀90年代得到了廣泛使用［2］。相對于SPME技術實現了多個操作的集成，包括采樣、萃取、濃縮、進樣、解析等環節。將SPME技術與傳統的取樣預處理技術做對比，顯而易見的，SPME在操作上更加簡易、耗費時間上更少，并且檢測的效率以及分析靈敏度更高（測限可以滿足μg/L～ng/L水平）。此外，SPME技術在檢測過程中不用添加任何有機溶劑，更不需要額外的設備。因此，SPME技術所需設備更加簡易，也更綠色環保。同時，SPME技術所需設備能夠輕松實現與自動化GC、GC/MS、LC/MS/MS等儀器的聯用，對于待檢測樣品，只要求很小的體積就可以，也沒有對充分萃取和完全平衡的強制要求。諸多優點，使得該技術很快變成了行業內的主流樣品全處理技術，在保健食品、醫藥分析、環境監測、法庭科學等應用領域都能看見該技術的身影。

（二）固相微萃取的工作原理

首先借助吸收效應，將在萃取纖維頭表面的固定物質相對目標組分從基體中萃取出，并逐步富集，進而進行化學與氣相色譜（GC）、有效液相分離色譜（HPLC）及氣相色譜－質譜（GC-MC）聯用，從而完成后續樣品的分析檢測。

在法庭科學范圍內，因為刑事案件的偵破需要，往往要求對在作案當場發生的大量毒物、毒品和微量物證（火藥殘渣、助燃劑殘渣、人類氣息）、生物檢材（鮮血、尿液、毛發、唾液、胃內容物等中的藥品）進行檢測分析。由于在任何的工作地點中都有產生多種干擾成分的可能性。所以，選擇一項好的分離技術，也是保證鑒別結論準確的重要條件之一。對比過去的刑事案件化驗中所使用的分離技術液液萃取法、固相萃取法等，由于這種技術的使用比較費人、費時、費力，而且使用了大量溶劑，容易污染工作環境，對作業人員身體健康也產生了一定影響。同時，對萃取液進行濃縮后，會很容易產生目的物質損失，使檢測結果的正確水平也遭到了很大的影響。而SPME技術則可大大提高樣本的分離效果、目標分析物質的純化率，以及分析結論的準確性，因而可為刑事犯罪的偵查提供更準確的指向。

二、固相微萃取裝置及主要操作方式

（一）固相微萃取裝置

固相微萃取設備主要由手柄和萃取頭所組成，萃取頭通常為一條長度一厘米的熔融石英絲，外面則是涂有各種性質的固定相涂層。石英絲安裝在一個不銹鋼軸上，主要是用來確保石英絲不被打斷，而不銹鋼軸則和萃取樣機直接連接。而固相微萃取的基本原理則是建立在萃取探頭所吸附的待檢測物質與樣品的溶劑相或氣體相之間達成的平衡分配基礎上的。先選擇富集試樣中的待檢測物質，再采用熱解吸附或溶劑解吸附的方法，將待測物分離并遷移到檢測設備中進行研究。固相微萃取設備在萃取試樣時要首先將石英絲縮回針管內，用針管伸入取樣盒的隔墊，隨后再將涂有固定相涂層的探針顯露于試樣或頂空間，在萃取規定時間后將探針縮回到針管內，從取樣盒中抽出針管，隨后再將萃取頭伸入解析設備的進樣口，在經過解溶以后再開始分離分析。相較于一般固相含量萃取的吸附劑萃取流程，為了給數據的真實性和結果的再現性提供保障，保證萃取時間、萃取溫度以及萃取頭浸入深度的統一性，對于固相微萃取流程來說是十分關鍵的。在實際使用時，因分析物質通過萃取涂層表面的水膜達到萃取涂層的速率較慢，人們往往用超聲振動、磁力攪動的方法加快這一進程。

（二）萃取操作方式的主要類別

SPME技術在萃取操作過程中，當下比較主流的方法大致包括直接浸入萃取式（不揮發組分）、頂空萃取式（易揮發組分）和膜保護萃取式（雜質干擾多的組分）三種類別。

1.直接萃取模式。直接萃取模式（Directimmersion，DI-SPME），即涂有萃取固化相的石英纖維被徑直伸入到試樣基體中，將目標組分徑直從試樣基體中遷移到萃取固化相中。直接萃取模式主要適合對不易揮發性的待測物以及較清潔的樣品基質進行分析。

2.頂空萃取模式。頂空萃取模式（Headspace，HS-SPME），首先是將被解析組織成分先從液相滲透到氣相中，再將被解析組織成分從氣相遷移到提純的固定相中。實際操作過程中，要將萃取物纖維和待測的樣品按照一上一下的順序擺放，然后借助待測樣品的容易揮發性質，從頂空瓶上面將其吸收。頂空萃取模式能夠減少化學雜質影響和對復雜基質干擾，主要適合對易揮發性的待測物以及較復雜的樣品基質進行分析。

3.膜保護萃取。作為一個較新的分離技術，固相微萃取膜技術主要是利用定向合成的方式，把固相微萃取技術的吸附性與膜分離技術的選擇性，進行有機結合。故膜保護萃取技術能夠兼具固相微萃取技術的吸附性與膜分離技術的選擇性。而這種方式多用于將具有復雜性、多樣性、微量性以及未知性的物質進行分離。

在具體的試驗過程中，對易揮發的被測試物質既可以直接萃取又可以頂空萃取的，則通常選擇頂空萃取。因為頂空萃取時分析產物就能夠更快彌散到萃取相上，和直接萃取時一樣也可以更快獲得萃取平衡，并能夠更有效降低解析影響，因而增加了萃取頭的壽命；難揮發性的物料，通常使用直接萃取法；而針對主要存在于液體當中的分析物料，直接萃取方法相較頂空萃取更為靈敏。

三、SPME的涂層材料發展及聯用技術

（一）SPME的萃取涂層發展

涂層材料的結構特性和設計方案是固相微萃取技術研發的核心，材質的構造和特性影響著SPME萃取的可能性和適用范圍，也在極大程度上決定著整體研究結論的正確性和敏感度。當下商品萃取頭的種類非常少，也很難滿足市場需要，尤其是對于某些產品選擇性需要特別大的萃取，傳統萃取頭已不適合。

商品化涂層的問世，在較大程度上推動了固相微萃取頭在食品、環保、藥品、法醫等方面的廣泛應用。為了很好地解決當下萃取頭的一些缺點與不足，如機械性能較差，熱固定性表現差，選擇性有限，對急性機制中的極性物質萃取利用率低下，以及價格高昂等缺陷，對于還面臨著熱固定性和機械性能較差、化學選擇性較差、對急性機制中的極性物質萃取利用率低下、價格昂貴等各種問題，業內的研究重點聚焦于SPME涂層材料的研發。目前被用于研發涂層的材料豐富，包含分子印跡聚合物、離子液體、各類碳納米材料、無機納米材料、各種金屬及有機框架物質等新材料。

其中，聚合離子液體在近年來，受到許多研究學者的重視。聚合離子液體是一類新興SPME涂層材質，其熱固定性好、蒸氣壓低、水解功能強。通常情況下，是借助水溶膠－凝膠法完成聚合離子液體SPME涂層物質的制備。

經過試驗比較表明，由聚合離子液體制成的SPME涂層有良好的熱固定性，其用途廣泛、萃取速率較快，不易受到基體中不揮發性化合物的污染，減少了背景吸附和基質影響，增長了萃取頭的使用壽命，減少了平衡時間。當前，業內有學者將含有離子液極性基團的三烷氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷作為前提，利用氣溶膠凝膠法，生產了一類含鍵合離子液和苯基雙功能基的SPME涂層，該SPME涂層具有多孔結構且離子液不易散失。并且該涂層能在大于300℃的溫度環境中使用。對萃取條件進行優選后，通過頂空固相微萃取技術結合GC/FID的方法，測得了水樣中五種多環芳烴的檢出限為0.002～0μg/L，且相關系數分析的平方均等于0.9973。除此之外，目前業內另一種較為新穎的技術，是基于聚吡咯（PPY）涂層毛細管的管內固相微萃取技術。已有學者利用該技術，對內過渡元素和芳香族化合物的萃取過程開展了深入研究。試驗結果表明，PPY涂層相較于商業用毛細管涂層，具備更好的萃取效能，特別是針對多環芳香族化合物和極性芳香族化合物。而通過調節涂層厚度也能夠調節萃取效能和選擇性，同時該涂抹料也可以進行對水樣中極性和非極性芳烴的同時萃取研究。而另一種利用循環伏安法制備的新型聚吡咯－離子液體涂層，附著于不銹鋼絲表面，能夠將五種不同的苯類化合物作為目標分析物。該涂層區別于傳統的聚二甲基硅氧烷材質，由于其適應的溫度可以高達285℃，且具備優異的化學固定性，因此該涂層表現出了更好的萃取效果。

（二）SPME的聯合使用方法

當下一般是為了SPME與GC、HPLC等藥品的聯合使用，但近些年來又有一些聯合使用方法相繼問世。一般有：SPME－分光光度法、SPME－紅外光譜法（IR）、SPME－電解分析、SPME－毛細管電泳（CE）、SPME-ICP-MS、SPME－微波輔助萃取（MAE）-GC等。覆纖維對四環素類和分子物質構成相同的土霉素、多西環素、金霉素等表現了獨特的選擇性。由于各種生產科學技術的進一步發展，很多上述涂層以外的新涂層生產技術也正在源源不斷地涌現，如電沉積法、黏合劑法、膜輔助生產法等。不過在萃取性能、萃取效果、熱固定性、價格等方面仍存在著許多缺陷，新涂層技術還必須進一步開發。

四、固相微萃取在法醫毒物鑒定中的應用

對法醫毒物進行分析，主要是以能破壞人類生命或正常活動的毒物為主要研究對象。以分析化學為理論基礎，并借助現代儀器，對這類研究對象做出定量與定性評價，對我國社會主義法治建設而言具有實質性的作用。本文中所研究的毒物，是指凡是可以經由化學或物理化學影響而破壞主體的正常活動，從而導致人類身體內部器官等出現功能障礙或器質性病變甚至導致死亡的物質。在對有關法醫毒物和其代謝成分進行收集的過程中，因為所涉及目標物質的濃度一般較低，且可以獲得的檢材數量一般也較小，還有部分分析實驗結果具備不可逆性等特征。因此，在法醫毒物數據分析中對采集樣本加以分離純化，是其數據分析流程中最為關鍵的一個階段。同時更是必須耗費許多人力物力以及時間去深入研究和進一步發展的最關鍵的重要環節之一。法醫毒物研究領域內，使用頻率最高的提純辦法是快速溶劑萃取、固相微萃取、高固相含量萃取、液液萃取和模板拆除后吸附萃取等技術。在上述技術中，由于固相微萃取技術具備的所需試樣小、無須溶劑、應用范圍廣泛、再現性強等一系列優勢，已被大量用到了法醫毒物的實際檢驗應用當中。當下，我國國內盡管仍未形成系統的法醫毒物分析系統，但是固相微萃取技術因為特有的專一性、高靈敏度以及高精度等優勢在法醫分析方法體系中占有著關鍵的地位，同時由于新SPME涂層材料的問世及其對萃取條件優化等的進一步發展，也有助于提高對目標物質的萃取效果、提純選擇性以及檢測精度。［3］

五、結束語

固相微萃取技術作為一個新興的樣品前處理技術，集合了采樣、萃取、濃縮、進樣多個環節。由于該技術很好地解決了在傳統前處理過程中花費時間過大、要用到大量的表面活性劑、造成嚴重的環境污染等問題，因此獲得了許多研究工作者的認可。固相微萃取技術的適用范圍也在逐步擴大，研究范圍由原有的揮發性有機物質逐步延伸至非揮發性無機毒（藥）物質，萃取效果與萃取選擇性也得到了顯著的改善。同時，伴隨現代科技的日益完善，固相微萃取技術同樣得到了進一步的發展完善，堅信固相微萃取技術將會在法醫毒物領域得到更加廣泛的運用。