固相微萃取原理及使用ppt課件

固相微萃取技術(SPME),概述SPME的原理SPME裝置及萃取步驟方法SPME的影響因素SPME與分析儀器的聯(lián)用技術SPME的應用SPME的發(fā)展前景,主要內容,與固相萃取技術相比其特點：固相微萃取操作更筒單、攜帶更方便、操作費用也更加低廉，另外克服了固相萃取回收率低、吸附劑孔道易堵塞的缺點，因此成為目前所采用的試樣預處理中應用最為廣泛的方法之一。SPME已開始應用于分析水、土壤、空氣等環(huán)境樣品的分析。,一、概述,一、概述,1989年；PawliszynSupelco1993年推出了商品化的SPME裝置1995年Pawliszyn等；空氣中苯系物分析；SPME在氣相色譜中快速進樣裝置；萃取絲內用CO2冷卻裝置1997年Pawliszyn等；測定病人呼吸氣中一些成分的SPME萃取裝置2001年Pawliszyn等；便攜式SPME裝置2004年Pawliszyn等；加裝聚四氟乙烯密封蓋的便攜式現場測試用SPME裝置2007年；96個SPME微阱盤自動化進樣裝置,固相微萃取(solidphasemicroextraction）,二、SPME的原理,以熔融石英光導纖維或其它材料為基體支持物，采取“相似相溶”的特點，在其表面涂漬不同性質的高分子固定相薄層，通過直接或頂空方式，對待測物進行提取、富集、進樣和解析。然后將富集了待測物的纖維直接轉移到儀器(一般是GC，或HPLC)中，通過一定的方式解吸附(一般是熱解吸，或溶劑解吸)，然后進行分離分析。,固相微萃取法（SPME）的原理與固相萃取不同，固相微萃取不是將待測物全部萃取出來，其原理是建立在待測物在固定相和水相之間達成的平衡分配基礎上。設固定相所吸附的待測物的量為WS，因待測物總量在萃取前后不變，固得到：C0V2=C1V1+C2V2（1）式中，C0是待測物在水樣中的原始濃度；C1、C2分別為待測物達到平衡后在固定相和水相中的濃度；V1、V2分別為固定相液膜和水樣的體積。,二、SPME的原理,吸附達到平衡時，待測物在固定相與水樣間的分配系數K有如下關系：K=C1/C2（2）平衡時固相吸附待測物的量WS=C1V1，固C1=WS/V1由式（1）得：C2=（C0V2C1V1）/V2將C1、C2代入式（2）并整理后得：K=WSV2/V1（C0V2C1V1）=WSV2/（C0V2V1C1V12）（3）由于V1V2，式3中C1V12可忽略，整理后得：WS=KC0V1（4）,二、SPME的原理,由式（4）：WS=KC0V1，可知WS與C0呈線性關系，并與K和呈正比。決定K值的主要因素是萃取頭固定相的類型，因此，對某一種或某一類化合物來說選擇一個特異的萃取固定相十分重要。萃取頭固定液膜越厚，WS越大。由于萃取物全部進入色譜柱，一個微小的固定液體積即可滿足分析要求。通常液膜厚度為5-100um，這一已比一般毛細管柱的液膜厚度（0.2-1um）厚得多。,二、SPME的原理,該裝置類似微量注射器，由手柄和萃取頭（纖維頭）兩部分組成。萃取頭是一根長約1cm、涂有不同固定相涂層的溶融石英纖維，石英纖維一端連接不銹鋼內芯，外套細的不繡鋼針管（以保護石英纖維不被折斷）。手柄用于安裝和固定萃取頭，通過手柄的推動，萃取頭可以伸出不銹鋼管。,三、SPME裝置及萃取步驟方法,萃取步驟SPME方法是通過萃取頭上的固定相涂層對樣品中的待測物進行萃取和預富集。SPME操作包括三個步驟：A涂有固定相的萃取頭插入樣品或位于樣品上方；B待測物在固定相涂層與樣品間進行分配直至平衡；C將萃取頭插入分析儀器的進樣口，通過一定的方式解析后進行分離分析。,三、SPME裝置及萃取步驟方法,萃取方法直接法（Di-SPME）適合于氣體基質或干凈的水基質頂空法（HS-SPME）適合于任何基質，尤其是直接SPME無法處理的臟水、油脂、血液、污泥、土壤等膜保護法（membrane-protected-SPME）通過一個選擇性的高分子材料膜將試樣與萃取頭分離，以實現間接萃取，膜的作用是保護萃取頭使其不被基質污染，同時提高萃取的選擇性。衍生化法（derivatizationSPME）冷SPME法（cooledSPME）,三、SPME裝置及萃取步驟方法,四、SPME的影響因素,萃取溫度溫度是直接影響分配系數的重要參數升高溫度會促進揮發(fā)性化合物到達頂空及萃取纖維表面，然而SPME表面吸附過程一般為放熱反應，低溫適合于反應進行,萃取時間不同的待測物達到動態(tài)平衡的時間長短,取決于物質的傳遞速率和待測物本身的性質、萃取纖維的種類等因素。揮發(fā)性強的化合物在較短時間內即可達到分配平衡，而揮發(fā)性弱的待測物質則需要相對較長的平衡時間。,四、SPME的影響因素,攪拌強度增加傳質速率,提高吸附萃取速度,縮短達到平衡的時間磁力攪拌，高速勻漿，超聲波。采取超聲振動就比電磁攪拌達到平衡的時間大大縮短,四、SPME的影響因素,鹽效應鹽析手段(加NaCl或Na2SO4)可提高本體溶液的離子強度,使極性有機待萃物(非離子)在吸附涂層中的K值增加,提高萃取靈敏度溶液pH值對不同酸離解常數的有機弱酸堿選擇性萃取。溶液酸度應該使待萃物呈非聚合單分子游離態(tài),使涂層與本體溶液爭奪待萃物的平衡過程極大的偏向吸附涂層,四、SPME的影響因素,衍生化減小酚、脂肪酸等極性化合物的極性，提高揮發(fā)性，增強被固定相吸附的能力。SPME前衍生和SPME后衍生萃取頭的選擇固定液涂漬在一根熔融石英(或其他材料)細絲表面構成萃取頭內部涂有固定相的細管或毛細管，這種設備稱為管內SPME(in-tubeSPME）,四、SPME的影響因素,四、SPME的影響因素,涂層SPME萃取過程依賴于分析物在涂層和樣品兩相中的分配系數，因此萃取的選擇性取決于涂層材料的特性，故涂層材料是SPME技術的核心。涂層的選擇和設計可以基于色譜經驗，一般來說，不同種類的分析物要選擇不同性質的涂層材料，選擇的基本原則是“相似相溶”。選擇涂層時應注意：對有機分子有較強的萃取富集能力合適的分子結構，有較快的擴散速度良好的熱穩(wěn)定性,商品化涂層一般可以分為非極性、中等極性和極性3種涂層非商品化涂層到目前為止,科研工作者已開發(fā)了多種具有優(yōu)良性能的涂層,涂層的體積（厚與?。┮矝Q定方法的靈敏度。涂層所使用的主要材料：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）,涂層介紹,四、SPME的影響因素,其他非商品化涂層溶膠-凝膠技術(Sol-Gel)TPA（3-氨丙基三乙氧基硅烷）和DDP（二乙氧基二苯硅烷）納米結構二氧化鉛（附著于鉑絲上）,四、SPME的影響因素,AliMehdinia,MirFazllolahMousavi,MojtabaShamsipur.Nano-structuredleaddioxideasanovelstationaryphaseforsolid-phasemicroextraction.JournalofChromatographyA1134(2006),四、SPME的影響因素,主要特點集取樣、萃取、濃縮和進樣于一體，操作方便，測定快速高效。無需任何有機溶劑，是真正意義上的固相萃取，避免了對環(huán)境的二次污染。儀器簡單，適于現場分析，也易于操作。缺點定量檢測精確度不高；可重復性不高；商業(yè)可用負載聚合物品種少。,四、SPME的影響因素,四、SPME的影響因素,五、SPME與分析儀器的聯(lián)用技術,SPME-GC技術SPME-HPLC技術SPME-MS技術SPME/EC聯(lián)用,固相微萃取與氣相色譜技術的聯(lián)用,SPME-GCSPME與GC聯(lián)用是研究最早也是目前發(fā)展得最成熟的技術。這一領域的研究目前主要集中在接口研制、萃取頭的制備。采用頂空法（headspace），吸附具有揮發(fā)性或半揮發(fā)性的化合物；再在GC的氣化室里脫附氣化進行分析。缺點：適用的范圍較窄；揮發(fā)/半揮發(fā)物（20%）；不能分析生物大分子；對溫度敏感的物質（如蛋白質）。,使用SPME-GC聯(lián)用分析USEPA524.2方法規(guī)定的揮發(fā)性氣體樣品的情況,利用該方法有效地分離出了60種化合物,固相微萃取與氣相色譜技術的聯(lián)用,固相微萃取與液相色譜技術的聯(lián)用,SPME-HPLCSPME技術也已成功地與HPLC聯(lián)用并應用于非揮發(fā)性/離子型金屬化合物形態(tài)分析，這為在GC條件下難以分析的試樣中半揮發(fā)性和非揮發(fā)性待測物的分析提供了可能性。SPME與HPLC聯(lián)用的關鍵在于SPME的解吸過程是否能與HPLC的進樣系統(tǒng)匹配，即能否使解吸液的體積足夠小，以避免在進樣后產生明顯的柱外效應或出現超負荷現象而導致色譜峰拓寬，使分辨率下降，直接影響分析的靈敏度。,固相微萃取與液相色譜技術的聯(lián)用,萃取頭直接接觸樣品，等到吸附平衡后，在送入到進樣器內進行脫附后分析。這種聯(lián)用技術正好和SPME-GC互補。缺點：吸附平衡時間長，脫附條件不易優(yōu)化，萃取頭負載材料可用的不多。,固相微萃取與液相色譜技術的聯(lián)用,SPME-HPLC-MRM分析環(huán)境水中的雌激素,ESI(-),MRM，five50pg/mL雌激素標樣雌激素酮,17-雌二醇,雌激素三醇,乙炔基雌二醇和二乙基已烯雌酚K.Mitanietal./J.Chromatogr.A1081(2005)218224,XDB-C8(50mm2.1mm),0.01%氨水/乙睛(60/40),0.2mL/min.Supel-QPLOT(60cm0.32mm,厚12um)萃取柱;40l樣品,100ul/min,20次反復萃取,搬閥進樣。線性范圍：10-200pg/ml(r0.9996),檢測限2.7to11.7pg/ml.86%回收率，RSD0.98.8%.,固相微萃取與液相色譜技術的聯(lián)用,固相微萃取與質譜技術的聯(lián)用,PesticidesanalysisbySPME/IonTrapMS,固相微萃取與質譜技術的聯(lián)用,SPE、SPME的簡單比較,SPESPME,SPESPME,(micro)SPESPME,六、SPME的應用,在環(huán)境水、氣中痕、微量有機物吸萃分析在食品添加劑中香味成分的分析應用在法醫(yī)、臨床檢驗中的分析應用在金屬離子及其螯合分析中的應用,六、SPME的應用,例1Directcomparisonofsolid-phaseextractionandsolid-phasemicroextractionforthegaschromatographicdeterminationofdibenzylamineinartificialsalivaleachatesfrombabybottleteats（G.Niessner,C.W.Klampfl，AnalyticaChimicaActa，414(2000)：133140）,SPE,SPME,六、SPME的應用,例2.固相萃取攪拌棒萃取-氣相色譜分析海水中的多環(huán)芳烴固相微萃取(SPME)是一種無溶劑萃取技術,對PAHs的富集倍數一般在103以內,但是定量重復性較差。固相萃取攪拌棒(SBSE)是在SPME基礎上發(fā)展的一種新技術,萃取時吸附攪拌棒自身完成攪拌,可避免SPME中攪拌子對PAHs的競爭吸附;同時,由于SBSE中的PDMS萃取固定相體積一般為50250L,比SPME所用固定相量大50500倍,表面積也提高100倍,因此提高萃取量50倍以上,更適合痕量有機物的萃取富集。利用固相萃取攪拌棒(SBSE)萃取海水中的多環(huán)芳烴,然后用熱解吸脫附-氣相色譜分析。研究了萃取時間、添加NaCl濃度對萃取效率的影響。實驗結果表明,SBSE方法對16種多環(huán)芳烴的萃取回收率分別在33.5%122.4%之間;對標準樣品的檢出限為2.7413.5ng/L;方法RSD為3.8%13.1%。用此方法測定了大連海岸海水中的多環(huán)芳烴含量。,例3.自制固相微萃取裝置-氣相色譜法測定空氣中痕量苯1、萃取頭：自制的固相微萃取裝置:選取日本產的2HSAKURA的2H0.3mm的自動鉛筆芯作萃取頭。因為鉛筆芯本身就是石墨化活性炭纖維,它是優(yōu)良的固體吸附劑,可以吸附多種氣體和有機物質,并且它的吸附作用是范德華力作用的結果,不會跟有機物相互作用。同時,使用壽命較長。具體的處理方法如下：將鉛筆芯放入50%的HF溶液中浸泡24h后,取出沖洗；放入馬弗爐中高溫(500)煅燒45h,取出用水沖洗。經過一系列處理后,萃取頭通過一次性注射器的針孔,用強力膠固定在推桿上,能自由伸縮，待用。,2、采樣：自制的固相微萃取裝置經老化后,直接對一新裝飾的房間(一星期內無人居住)進行現場吸附取樣,室內溫度20,濕度60%。,3、結果和討論：對影響SPME的因素(空氣柱、萃取時間、解吸時間和溫度)進行了討論；對所建立的方法進行了系統(tǒng)評價,結果表明：建立的方法對空氣中苯的測定具有良好的線性關系(相關系數R=0.9998),檢出限為0.01mg/L,3個含量點的相對標準偏差在允許的范圍7%以內,回收率為98.18%。,例4.固相微萃取-高效液相色譜聯(lián)用測定環(huán)境水樣中雙酚A的自由溶解態(tài)濃度（胡霞林等，分析實驗室，2006，25（7）：14-17）自由溶解態(tài)濃度(FreelyDissolvedConcentration)是自由溶解在水相,而不與任何介質或系統(tǒng)組分結合的物質的濃度。它不僅與分析物的總濃度有關,而且與基體介質濃度和容量,及其對分析物的親和力相關。研究表明,化合物的自由溶解態(tài)濃度是其在環(huán)境中遷移和分配,以及在生物中累積的驅動力,是解釋化合物的可給性的關鍵參數。因此,自由溶解態(tài)濃度的測定越來越受到環(huán)境科學工作者的重視,并已經發(fā)展了多種分析方法。雙酚A(BPA)是一種內分泌干擾物,它的長期低劑量暴露對生物的影響是當今環(huán)境化學研究的熱點問題之一,測定環(huán)境中BPA的自由溶解態(tài)濃度,對其環(huán)境化學行為研究和風險評價具有十分重要的意義。,1、儀器：高效液相色譜系統(tǒng)(美國安捷倫公司),由Agilent1100型單元泵和Agilent1100型熒光檢測器組成；SPME-HPLC接口、手動57331型固相微萃取纖維手柄、商品固相微萃取纖維50mCWPTPR(美國Supelco公司)。SPME-HPLC接口由一個Rheodyne六通閥和一個60L解吸室構成,該解吸室取代了一般液相色譜儀中的進樣環(huán)。2、實驗方法：在100mL萃取瓶中加入攪拌磁子和100mL分析液,蓋上帶有聚四氟乙烯隔膜的有孔蓋子，將SPME不銹鋼針管插入瓶中,推出萃取頭,調節(jié)萃取頭的位置,使攪拌磁子在攪拌時不會損傷萃取頭,且萃取頭完全浸入溶液中。萃取4h后,收回并取出萃取頭,插入解吸室進行動態(tài)解吸測定。,3、實驗結果：。在環(huán)境水樣常見pH(58)、緩沖容量(5200mmol/L)和鹽度(0500mmol/L)條件下,4h可以達到萃取平衡。100mL樣品足以避免樣品耗損。pH為6.4時,方法的線性范圍為0.1250g/L,檢出限為0.03g/L,相對標準偏差(5g/L,n=3)為1.1%。采用本方法測定了污水處理廠排水口的雙酚A的自由溶解態(tài)濃度。,例5.固相微萃取-氣相色譜-質譜聯(lián)機測定飲用水中的嗅、味化合物近年來飲用水的水質問題已成為國內外研究的熱點。原水水質不斷惡化與不斷提高的出水水質之間的矛盾日益突出。我國生活飲用水衛(wèi)生標準中對水的嗅、味做了規(guī)定，但是對產生嗅、味的化合物沒有做出具體說明。雖然某些嗅、味的來源與工業(yè)污水或消毒工藝的副產品有關,但用戶的意見主要是自然發(fā)生的嗅、味,特別是土腥味和霉爛味。針對產生嗅、味的化合物進行分析,確認帶有土腥味和霉爛味的兩種主要化合物是土味素(geosmin)和2-甲基異冰片(MIB)。這些有機物是放線菌和蘭-綠藻的代謝產物,嗅閾濃度很低。,1、儀器與試劑：saturn2200瓦里安GC-MS氣相色譜-質譜聯(lián)機；采用電子流轟擊離子化(EI)和離子阱檢測器(EITM)；PC-420型SPME固相微萃取操作平臺；微型磁轉子(美國SUPELCO公司)，SPME裝置的萃取頭為75mCarboxen萃取頭(PK/3)2、試驗方法：在容積為40mL的萃取瓶中加入10.0gNaCl、一個轉子和30mL樣品溶液或待測水樣,立即用帶有硅橡膠墊的瓶蓋封閉。如果水樣的pH值不在5.07.0之間，用稀HCl或稀NaOH預先調整。將固相微萃取裝置的不銹鋼針管插入瓶中，設定溫度為60,調節(jié)轉速為1500r/min，,推出萃取頭，調節(jié)萃取頭的位置,使其接近液面,但不能浸入溶液。30min后收起萃取頭,拔出針管,迅速插入氣相色譜汽化室內進行熱解析，并進行GC-MS分析。,3、結論：本文采用SPME-GC-MS方法對飲用水中的嗅、味化合物進行分析，方法簡便,檢出限低，并打出最佳的檢測條件:萃取頭涂層為arboxen；頂空萃取法的萃取量為浸入式的2倍;萃取平衡時間30min；攪拌速度為1500r/min；pH值為5.07.0；溫度為60。,例6.固相微萃取-氣相色譜/質譜(SPME-GC/MS)聯(lián)用分析海水中痕量有機磷農藥1、實驗方法：取8ml萃取液置于15ml萃取瓶中,加入磁力攪拌子(長約1cm,直徑約3mm),用頂端帶有孔和聚四氟乙烯隔墊的蓋子密封,電磁攪拌,將SPME萃取纖維(85m厚涂層的聚丙烯酸酯)直接插入萃取瓶中,保持涂層完全進入水相,萃取針套管的其它部分不與萃取液接觸,防止水進入萃取針管.在室溫下萃取30min,將SPME直接插入GC進樣口熱解吸10min,用GC-MS進行定性與定量分析。該法簡便、高效、無需有機溶劑，適合于海洋水體中痕量有機磷農藥的分析。,2、SPME條件的選擇：萃取涂層：聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚丙烯酸酯(PA)兩種萃取頭由于極性不同,對有機磷殺蟲劑的萃取效果也不同.研究表明:各有機磷化合物對應的PA