固相微萃取.docx

1、固相微萃取8141 固相微萃取的原理 固相微萃取(solidphase microextraction，SPME)技术是20世纪90年代初期兴起的一项样品前处理与富集技术，它最先由加拿大Waterloo大学Pawliszyn教授的研究小组于1989年首次研制成功，属于非溶剂型选择性萃取法，是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体的分析技术。 SPME装置略似进样器，在特制注射器筒内的不锈钢细管顶端分别连接一根穿透针和纤维固定针，针头上连接一根熔融石英纤维，上面涂布一层多聚物固定相，注射器的柱塞控制纤维的进退。当纤维暴露在样品中时，涂层可从液态气态基质中吸附萃取待测物，经过一段时间后，已富集了待测物

2、的纤维可直接转移到仪器(通常是气相色谱仪，即SPMEGC)中，通过一定的方式解吸附，然后进行分离分析。典型的SPME装置如图8一12所示。 SPME熔融石英纤维涂布固定相与样品或其顶空充分接触，待测物在两相间分配达到平衡后，两相中待测物浓度关系如下式： N。一KV。C。(KU+V。) (82)式中，N。为固定相中待测物的分子数；K为两相间待测物的分配系数；V。为固定液体积；U为样品体积；c。为样品中待测物浓度。 因为UV。，故式(82)可简化为： N。=Ku (8-3) 由式(8-3)可知，固定液吸附待测物分子数与样品中待测物浓度呈线性关系，即样品中待测物浓度越高，SPME吸附萃取的分子数越多

3、。当样品中待测物浓度一定时，萃取分子数主要取决于固定液体积和分配系数。同时，方法的灵敏度和线性范围的大小也取决于这两个参数。固定液厚度越大(即y。越大)，萃取选择性越高(K越大)，则方法的灵敏度越高。由此可见，选择合适的固定液对于萃取结果是很重要的。 目前，SPME装置已实现商品化。该装置主要由两部分组成：一部分是作为支撑用的微量注射器底座；另一部分是类似于注射针头形状的熔融石英纤维，其半径一般为15mm，上面涂布着固定体积(g度为10100ttm)的聚合物固定液。操作时，只需将熔融石英纤绷插入样品或样品上层气体(即顶空)中，平衡一段时间，使萃取物富集于固定液后，即可取出直接进样至GC或HPL

4、C仪中进行分析。SPME法与其他萃取方法的比较见表812第3章 固相微萃取仪器与装置 固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)是20世纪90年代初发展起来的一种样品前处理技术。由加拿大Pawliszyn研究小组首次进行了开发研究1，美国Supelco公司看好其应用前景，于1993年推出了商品化的SPME装置，此举在分析化学领域引起了极大的反响。1994年权威杂志Research&Development)将其评为最优秀的100项新产品之一。与其他的样品前处理技术相比，SPME法具有操作简单方便、分析时间短、样品需要量小、无需萃取溶剂、重现性好、特别适合现场分

5、析等优点z-5。 目前，固相微萃取主要是利用气相色谱、高效液相色谱等作为后续分析仪器，实现对多种样品的快速分离分析。通过控制萃取纤维的极性、厚度、维持取样时间的稳定以及调节酸碱度、温度等各种萃取参数，可实现对痕量被测组分的高重复性、高准确度的测定。从1990年到2000年十年间，已经有400多篇有关SPME的文献发表，内容涉及环境、食品、天然产物、制药、生物、毒理和法医学等多个方面6f。现美国环保署(EPA)已采取该技术作为测定水中挥发性化合物(USA EPA method 5242)和半挥发性化合物(USA EPA method 625)的标准方法川。32 固相微萃取的基本装置和操作步骤 固

6、相微萃取装置类似于色谱微量注射器，由手柄和萃取头两部分构成。萃取头是一根长约lcm、涂有不同固相涂层的熔融石英纤维，石英纤维一端连接不锈钢内芯，外套有细的不锈钢针管，以保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，萃取头可伸出不锈钢针管。固相微萃取主要是通过萃取头表面的高分子固相涂层，对样品中的有机分子进行萃取和预富集。用于3C和HPLC的商品化SPME装置在手柄的设计上略有不同，如图3-1和图3-2听示。 SPME操作步骤简单，主要分为萃取过程和解吸过程两个步骤8，如图3-3听示。 萃取过程将萃取器针头插入样品瓶内，压下活塞，使具有吸附涂层的摹取纤维暴露在样品中进行萃取。经

7、一段时间后，拉起活塞，使萃取纤维缩回到起保护作用的不锈钢针头中，然后拔出针头完成萃取过程。 解吸过程将已完成萃取过程的萃取器针头插入分析仪器的进样口，当待测物解吸后，可进行分离和定量检测。SPME与GC联用时，通过将萃取涂层插入进样口进行热解吸；与HPLC联用时，则通过溶剂洗脱，并分为动态和静态两种解吸模式。 SPME萃取操作有三种模式3(如图34所示)：一种是将SPME萃取纤维直接插入液体样品中，称为直接SPME法；另一种是将SPME萃取纤维置于液体或固体样品的顶空进行萃取，即顶空SPME法(Headspace Solid Phase Microextraction，HS-SPME)；还有隔

8、膜保护SPME萃取。其中直接SPME法和顶空SPME法是最常用的模式。进行SPME萃取时，采取何种萃取模式主要根据待测物性质及基体复杂性来定。一般来说，直接SPME法适用于较洁净的液体样品，顶空SPME法的适用范围是样品复杂且有大分子干扰的情况。在后一种情况下，如果采用直接SPME法，干扰物质容易吸附在熔融石英纤维上，影响其吸附性能并在色谱中产生不稳定基线或杂质峰等。顶空SPME避免了上述不良后果，但是当待测物质具有高沸点(大于450)时，顶空SPME耗时长且灵敏度低。这是由于待测物沸点越高，越难于挥发，因而顶空中待测物的浓度低，富集倍数低。升高温度有助于加速样品至顶空的整体迁移，但也可能会使

9、顶空与涂层间待测物的分配系数降低。因此，选择直接SPME法还是顶空SPME法需根据实际样品测定需要确定。3 固相微萃取的理论基础及其发展 Louch等9最早开展了SPME方法的理论基础研究，他们提出了直接SPME法的数学模型，Arthur等10在此基础上做了大量工作。固相微萃取是一个基于待测物质在样品及萃取涂层中的分配平衡的萃取过程。对于一个单组分的单相体系，当系统达到平衡时，涂层中所吸附的待测物质的质量托可由下式决定：式中，yf、砜和V。分别为涂层、顶空、样品的体积；Kf。和Kh。为待测物在涂层样品、顶空样品两相中的分配系数；CO为待测物在样品中的最初浓度。 由式(31)可以看出，体系中的K

10、f。及Vf值是影响方法灵敏度的重要因素。所以在实际中一般采用对待测物具有较强吸附作用的涂层、增加萃取纤维的长度及增加涂层厚度的办法，来提高萃取的富集效果和灵敏度。当样品体积V。Kf。Vf时，式(31)可近似简写为： 以一Kf。Vfco (3-2)式(32)为SPME的野外取样提供了理论依据，即可将萃取纤维置于自然环境中直接取样。 SPME目前更多地用于包括气一液或气一固两相同时存在的顶空取样系统，Zhang等11将上述理论扩展到样品一顶空一涂层的三相体系，并提出了顶空SPME的模型： COVlVzKlKz q。、 以一面瓦形再永万丽 。 “ K1K2V1+K2V3+V2 7 K1一cfc季 K

11、zf尹cF 式中，行为涂层上吸附的待测物的质量；CO为待测物在样品中的初始浓度；V1、V2、V。分别为涂层、溶液(或固相)、顶空的体积；K1、Kz分别为待测物在涂层与顶空气相中的分配系数及在气相与溶液(或固相)中的分配系数；cT、c尹、c于分别为待测物在涂层、溶液(或固相)、顶空气相中的平衡浓度。 式(3-3)的推导从化学热力学平衡态化学势相等的原理不难得出，但是实际体系中往往是多组分共存。因此，K1、Kz不仅与同一组分在不同相内的浓度有关，而且与其他组分的浓度也有关，实际的数学表达式更为复杂。随后Pawliszyn等在此基础上进行完善，提出了吸收型涂层的完整理论。Ai发展了非平衡的古撼蕞陆1

12、23 平衙和非平街的而密蕞酌硼诊133四、固相微萃取简介 1固相微萃取的基本原理 固相微萃取(solid phase micro extraction，简称SPME)技术最早于1989年加拿大Waterloo大学的Pawliszyn教授提出的，是在固相萃取(SPE)的基础上发展起来的新型萃取分离技术，具有固相萃取操作简单、成本低廉、无需溶剂等优点，避免了固相萃取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，可替代大多数常规使用的样品萃取。固相微萃取无需溶剂，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；在离子强度、pH一定的

13、条件下，受基体影响小，其它有机组分对靶组分干扰小；所需样品体积小，仅需llo mL，且固相微萃取纤维可重复使用。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。 固相微萃取的萃取方式主要与待测物的挥发性、基质和探针固定相涂层的性质有关，可分为直接固相微萃取和顶空固相微萃取两种。对于半挥发性和不挥发性样品一般采用直接固相微萃取法(DirectSPME)，就是将纤维直接插人样品溶液中进行萃取，达到分配平衡后即可取出进行色谱分析，此种方式萃取时间短，富集速度快，但要求所萃取的基质比较干净，否则有严重的基体干扰。对于挥发性和半挥发性样品一般采用顶空固相微萃取(HS

14、sPME)方法，就是把固相微萃取的萃取头置于待测样品的上部空间进行萃取，可避免基体干扰和提高分析速度，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。顶空固相微萃取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。 固相微萃取不是将样品中的待测物全部分离出来，而是依据相似相溶原理，利用固定相功能层有机物对分析组分的吸附作用，使样品中的目标物在功能层和样品基质中达到吸附平衡。当达到分配平衡时，萃取平衡的分配系数K为固相涂层中分析物的质量浓度f0，与样品溶液中分析物的质量浓度10。的比值：式中：10。萃取前分析物在样品中的质量浓度，mgL；

15、p分析物在萃取后样品中的质量浓度，mgL ； p，分析物在萃取头中的质量浓度，mgL ； V。萃取头的体积，L； v。样品的体积，L； K分析物在萃取头和样品间的分配系数； D，一吸附于萃取头上分析物的质量，mg。 分配系数K一般仅取决于萃取头的固定相类型，在一定的浓度范围内是常狮：而对干一帘的苯取头来说，其涂层的体积V，也是固定的，所以萃取涂层中目标物的质量rn，与样品溶液中目标物的初始质量浓度P。之间存在着正比关系，fD0则通过气相色谱测定，这就是固相微萃取的定量依据。可见，可以通过配制一系列P。来测定其相应的17，从而获得该分析物的标准工作曲线，根据标准工作曲线测得样品的m，后便可计算样

16、品的浓度。 2固相微萃取的实验设备 SPME的装置类似于一个微型注射器，主要由手柄和萃取纤维头两部分构成，纤维头是一根1 cm长涂有不同高分子聚合物功能层的熔融石英纤维，装在类似于微量注射器的针管内，针管可以保护纤维头不易折断，如图66所示。平时萃取头收在针管内，萃取时针头穿过样品瓶中，压下管芯，使纤维头从针管中伸出，浸入溶液中(浸入方式)或置于易挥发样品的上部空间(顶空方式)，使萃取纤维暴露在样品中进行萃取，萃取吸附时间平均大约230 min，达到吸附平衡后，再将萃取头收回到针管内，针管从样品瓶中退出。该装置可直接引入气相色谱进样口，推出萃取头，使吸附在纤维头的分析样品热解吸，释放进入气相色

17、谱分析系统，缩回纤维头，移去针管。目前，自动SPME作为分析仪器的进样器，已在一些分析仪器上使用，使样品前处理与仪器分析真正地实现在线联用。 图6-6 SPME装置图简体；3压杆卡持螺钉；4 z形槽；5筒体视窗；6调节针头长度的定位器拉伸弹簧；8密封隔膜；9注射针管；10纤维连接管；11熔融石英纤维固相微萃取的选择性主要取决于高分子功能层材料的性能，不同的涂层对分析物的亲和力不同，按照相似相溶的原则，分析物容易被极性相似的固相萃取剂所萃取来选择合适的SPME涂层。最常用也是最早使用的固相涂层的材料是聚甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)和聚丙烯酸酯(polyacry

18、late，PA)，前者多应用于非极性及弱极性化合物如挥发性化合物、多环芳烃和芳香烃，而后者多应用于极性化合物如酚类、羧酸类和三嗪类化合物。涂层材料可以以非键合、键合或部分交联的形式涂敷在石英纤维上，涂层材料在有机溶剂中的稳定性按以下顺序减小：键合相部分交联非键合相。将一些聚合物，如聚二乙烯基苯和碳分子筛，加到涂层中，可以增大涂层的表面积，改进SPME的效率。 除常用的聚甲基硅氧烷和聚丙烯酸酯外，还有一些部分交联的复合固相涂层材料，如聚二甲基硅氧烷一二乙烯基苯(PDMSDVB)用于芳烃和挥发性化合物，聚乙二醇一二乙烯基苯(CW DVB)用于极性化合物如醇类化合物，而聚乙二醇一模板树脂(CWTPR

19、)则用于离子化的表面活性剂等。固相微萃取技术用于分析未知浓度的有机化合物含量时的操作流程见图67。 I萃取平衡翼竺虿旦登度sPME取头气相色谱仪热解析色谱分析，得。待测物溶液 。 l 根据待钡0样的17l。和 根据不同的m， 工作曲线，得浓度 绘制工作曲线图6-7 固相微萃取操作流程图 3影响SPME萃取的因素 SPME的影响因素主要包括两个方面，对分析灵敏度的影响和对分析速度的影响。 (1)涂层的性质及厚度在选择涂层时，根据相似相溶原理，一般分析极性化合物宜选取极性强的涂层材料，非极性化合物宜选取非极性涂层材料。涂层厚度对分析物的固相吸附量和平衡时间都有影响，涂层越厚，固相吸附量越大，灵敏度

20、亦越高；但涂层越厚，达到分析平均的时间越长，解析平衡时间也越长，分析速度慢，因此应综合以上因素选择合适的涂层厚度。总的看来，涂层厚度对分析灵敏度影响较大，对分析速度影响较小。 (2)萃取时间的影响 萃取时间即萃取达到平衡所需的时间，由待分析物的分配系数、物质的扩散速度、样品基质、样品体积、萃取头膜厚等因素决定，是影响涂层萃取量的一个重要因素。在未达到分析平衡前，涂层萃取量随时间变化而改变，直至达到分配平衡，一般来讲，萃取时间应达到分配平衡时间后再进行分析，也可根据实际操作目的对灵敏度的不同需求，适当缩短萃取时间。实际萃取时间可由吸附量一萃取时间曲线来决定。萃取过程一开始，吸附量迅速增加，而接近

21、平衡时，速度变得非常缓慢。一般选择有较大萃取量且萃取时间不太长作为实际萃取时间。顶空式SPME所需萃取时间比浸入式要少，通常只需几分钟即可使萃取量与原始浓度的比值达到最大。而浸入式SPME萃取时间多为半个小时，特别是极性分子，它们与水分子作用力强，在水中扩散较慢，萃取时间相对较长。 (3)萃取温度的影响 萃取温度是影响分析速度的一个重要因素，一方面温度升高，分析物扩散速度增大，蒸气压也随之增大，有利于提高分析速度。另一方面温度升高，会使分析物的分配系数减小，固相吸附量减少。所以在使用SPME方法时应根据样品的性质确定最佳萃取温度，一般萃取温度为4080。 (4)搅拌的影响 搅拌是影响SPME分

22、析速度的重要因素。样品经搅拌后可以促进萃取并减少萃取时间，特别对于高相对分子质量和高扩散系数的组分。一般搅拌形式有磁力搅拌、高速匀浆、超声波等方式，采取搅拌方式时一定要注意搅拌的均匀性，不均匀的搅拌比没有搅拌的测定精确度更差。DirectSPME中，在不搅拌和搅拌不足的情况下，分析物在液相扩散速度较慢，更主要的是在纤维表面附有一层静态水膜，分析物通过该水膜进入固相的速度很慢。有效的搅拌可加速分析物的扩散速度并降低静态水膜的干扰，从而可大大提高分析速度。 (5)盐的作用和pH的影响 萃取前于样品中添加无机盐(NaCI，Na：SO。等)，水溶液的离子强度增大，有机物的溶解度减小产生盐析，分配系数提

23、高，从而达到增加萃取头固定相对分析组分的吸附，可提高分析的灵敏度。一般添加无机盐适用于顶空方式，对于浸入方式，盐分容易损坏萃取头。另外控制pH的大小也能改变有机物在水中的溶解度，通过调节至合适的pH，可使有机物在水中溶解度减小，从而增大分配系数，提高分析的灵敏度，但是pH过高或过低都会影响固定相涂层的使用寿命。除以上因素外，还可通过如衍生化方法、样品中加入适量有机溶剂、内冷SPME纤维、内部加热SPME纤维等方法改善SPME灵敏度，提高分析速度。322固相萃取技术与固相微萃取技术 对水中POPs类物质富集时，目前应用较多的是SPE法。它是由液一I和柱一液相色谱技术相结合发展起来的一种萃取环境样

24、品中有机污染物能在很多情况下，SPE已取代了传统的LLE技术。目前，市场上可买到各i的SPE产品，最普遍使用的是SPE柱(cartridge)，此外还有SPE盘(mSPME等形式的产品。 SPME是在SPE基础上发展起来的，此方法不是将待测物全部分离而是通过样品与固相涂层之间的平衡来达到分离有机污染物的目的。萃取品时，将涂渍了聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚丙烯酸脂(PA)的熔融j导纤维浸入样品中，样品中的待测物通过扩散原理被吸附在PDMS或f当吸附达到平衡后，将石英光导纤维导入气相色谱仪的进样室，待测物受；并随载气进入色谱系统，然后进行分离测定，吸附量与样品中待测物的原!成正比。对于不同的待测

25、物，要选择不同类型的吸附涂层，如POPs类的：有机污染物常选用PDMS涂层(非极性)，而对于其他酚类及其衍生物农i质则选用PA涂层(极性)。涂层的厚度则根据需要进行调节；薄膜越厚，吸附量越大，检测灵敏度也越高，但薄膜太厚会导致挥发性有机物进入固?到平衡的时间越长，分析速度则越慢。 SPME有两种操作方法：直接固相萃取法(DSPME)和顶空固相j(HSSPME)。DSPME是将涂渍了PDMS和PA涂层的石英光导纤维直j样品中，对靶化合物进行萃取，这种方法适用于气体、液体基质样品的HS-SPME是将表面涂渍了PDMS或PA涂层的石英光导纤维置于样品的】间萃取，不与样品直接接触，它是就气相中的待测物

26、与涂层平衡分配而开发的一种技术，这种方法适合于任何基质样品中POPs的萃取，包括大气、水、废水、泥土、土壤中挥发和半挥发性有机物的分析，甚至在温度较低时也能得到检测限低于10叫的满意结果。近年来，SPME在环境样品中POPs的分析测定中应用的越来越广泛(Criado et a12004，Ahmed 2003)。余刚 牛军峰 黄俊等编著 郝吉明主编,持久性有机污染物：新的全球性环境问题,科学出版社,2005年04月第1版,第36页4761主要涂层整理剂 (1)聚丙烯酸酯涂层胶聚丙烯酸酯涂层胶(简称PA)，即通常所说的PA涂层胶，是目前国内涂层厂家通用的涂层剂品种。由于PA涂层胶成本较低，目前生产

27、和销售量很大。聚丙烯酸酯类织物涂层胶是目前常用的涂层胶之一，它的优点是耐日光、耐候性好，不易泛黄；透明度、共容性好，有利于生产有色涂层产品；耐洗性好；黏着力强；成本较低。其缺点是弹性差，易折皱；表面光洁度差；手感难以调节适度。最初的聚丙烯酸酯类涂层胶属于单纯防水型，通过不断改进，目前的品种具有防水、透湿、阻燃等多种功能。 溶剂型涂层整理剂：N一(口一三氯一口一羟乙基)丙烯酰胺20份和丙烯酸丁酯80份在200份醋酸乙酯中进行聚合，将得到的共聚物溶液100份与适当用量的交联剂混合，然后将此混合液在锦纶织物上涂层、干燥(90C，10min)。据测试，使用该涂层整理剂的织物手感柔软，耐水压性能可达10

28、6kPa(1080mmH，O)。 为克服溶剂型产品的缺点，乳液型丙烯酸酯共聚物涂层剂应运而生，固含量高于前者，一般为4060，相对分子质量为10万50万。由于采用乳液聚合，所以其中的乳化剂在烘干成膜过程中在乳粒之间集合、浓缩，干：噪后仍具有亲水性，不仅影响涂层整理剂与织物间的黏合，而且迁移到皮膜表面的乳化剂还会导致加工织物漏水和吸尘。为此，在聚合时应尽量降低乳化剂的用量，最好使用反应性或非皂类乳化剂。此外，乳液型产品与织物的黏合性低，成膜不如溶剂型产品那样致密，但可在此类涂层剂中拼用氨基树脂等交联剂加以改善。 乳液型涂层整理剂：将丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯、羟甲基丙烯酰胺与乳化剂及

29、保护胶体在50乳化30min，得到白色混合单体乳化液。取13体积的乳化液置于反应器中，投入适量的过硫酸钾引发剂，逐步升温至80，当反应至白色乳液出现荧光时，将余下的23乳化液在90min内滴加完毕，并适量添加引发剂，逐步升温至8590，保温10min，冷却出料。 在此类涂层整理剂的组成中，丙烯酸丁酯和丙烯酸乙酯的含量较大，例如大日本油墨公司的涂层胶P1120，其丁酯和乙酯的含量约为90，两者之间的比例约为40：50，此外还有10的丙烯腈。这两种丙烯酸酯为疏水性强的软单体，含量增加会提高涂层剂的拒水性和黏合性，使皮膜柔软，但过量则使涂层织物耐水压低，手感发黏，这与皮膜太软和强度低下有关。作为硬单

30、体，除甲基丙烯酸甲酯之外，还有极性较高的丙烯腈、丙烯酰胺等，虽其具有一定的亲水性，对拒水性不利，但对提高耐干洗性和耐水压性有一定效果。这主要是它们借助静电引力和凝聚力等物理因素及交联等化学因素，提高了皮膜强度及其与织物的黏着力的结果。这种聚丙烯酸类涂层整理剂，由于通气透湿性差，大多用来制作雨衣或伞布。 水溶性丙烯酸酯涂层剂：是由丙烯酸酯和丙烯腈、丙烯酰胺几类单体共聚而成，丙烯酸甲酯和乙酯为主要单体。改变其种类和比例可改变涂层剂的玻璃化温度t，即软硬，丙烯酰膣举重佐县榀供奁联甚团的茧伙前蛮苴品种和用骨可增加丘|：瞄分子闻夺联彦殛茸与甚布的结合牢度。合成中设法提高大分子的相对分子质量和交联度，可增加涂膜弹性和模量，从而提高涂膜耐水压等一系列物理性能指标。也可以通过成品复合和加助剂改性，如不同玻璃化温度的涂层胶可进行复合。还可添加不同性能的助剂进行改性。 作为多功能性涂层剂，目前，聚丙烯酸酯涂层胶已从过去单纯的防水透湿型发展到多个品种，甚至还兼有几种性能的多功能产品。其中，阻燃涂层胶发展最快，其制备方法主要有三种：一是选用阻燃性单体共聚，二是在聚丙烯酸酯乳液中添加阻燃协效剂和阻燃剂。此类产品有美国white公司的Caliban FR P一44和P一53，其阻燃剂均为十溴二苯基化合物与氧化锑的复合物，阻燃性好，国内也有阻燃涂层产品；三是将用于电磁屏蔽的阻燃金属涂层织