固相微萃取原理及使用-課件

固相微萃取原理及使用概述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(shù)SPME的應(yīng)用SPME的發(fā)展前景主要內(nèi)容與固相萃取技術(shù)相比其特點(diǎn)：固相微萃取操作更筒單、攜帶更方便、操作費(fèi)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(diǎn)，因此成為目前所采用的試樣預(yù)處理中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。SPME已開始應(yīng)用于分析水、土壤、空氣等環(huán)境樣品的分析。一、概述固相微萃取原理及使用1989年；PawliszynSupelco1993年推出了商品化的SPME裝置1995年P(guān)awliszyn等；空氣中苯系物分析；SPME在氣相色譜中快速進(jìn)樣裝置；

萃取絲內(nèi)用CO2冷卻裝置1997年P(guān)awliszyn等；測(cè)定病人呼吸氣中一些成分的SPME萃取裝置2001年P(guān)awliszyn等；便攜式SPME裝置2004年P(guān)awliszyn等；加裝聚四氟乙烯密封蓋的便攜式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用SPME裝置2007年；96個(gè)SPME微阱盤自動(dòng)化進(jìn)樣裝置固相微萃取(solidphasemicroextraction）固相微萃取原理及使用

以熔融石英光導(dǎo)纖維或其它材料為基體支持物，采取“相似相溶”的特點(diǎn)，在其表面涂漬不同性質(zhì)的高分子固定相薄層，通過直接或頂空方式，對(duì)待測(cè)物進(jìn)行提取、富集、進(jìn)樣和解析。然后將富集了待測(cè)物的纖維直接轉(zhuǎn)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(jìn)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(cè)物全部萃取出來，其原理是建立在待測(cè)物在固定相和水相之間達(dá)成的平衡分配基礎(chǔ)上。設(shè)固定相所吸附的待測(cè)物的量為WS，因待測(cè)物總量在萃取前后不變，固得到：

C0?V2=C1?V1+C2?V2

（1）式中，C0是待測(cè)物在水樣中的原始濃度；C1

、C2分別為待測(cè)物達(dá)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(dá)到平衡時(shí)，待測(cè)物在固定相與水樣間的分配系數(shù)K有如下關(guān)系：

K=C1/C2

（2）平衡時(shí)固相吸附待測(cè)物的量WS=C1?V1，固C1=WS/V1由式（1）得：C2=（C0?V2–C1?V1

）/V2將C1、C2代入式（2）并整理后得：

K=WS?V2/[V1?（C0?V2–C1?V1

）]=WS?V2/（C0?V2?V1–C1V1

2）（3）由于V1?V2，式3中C1?V1

2可忽略，整理后得：

WS=K?C0?V1

（4）二、SPME的原理由式（4）：WS=K?C0?V1

，可知WS與C0呈線性關(guān)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(duì)某一種或某一類化合物來說選擇一個(gè)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(jìn)入色譜柱，一個(gè)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(xì)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(zhǎng)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(nèi)芯，外套細(xì)的不繡鋼針管（以保護(hù)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(dòng)，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(duì)樣品中的待測(cè)物進(jìn)行萃取和預(yù)富集。SPME操作包括三個(gè)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(cè)物在固定相涂層與樣品間進(jìn)行分配直至平衡；C將萃取頭插入分析儀器的進(jìn)樣口，通過一定的方式解析后進(jìn)行分離分析。固相微萃取原理及使用萃取方法直接法（Di-SPME）適合于氣體基質(zhì)或干凈的水基質(zhì)頂空法（HS-SPME）適合于任何基質(zhì)，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(hù)法（membrane-protected-SPME）通過一個(gè)選擇性的高分子材料膜將試樣與萃取頭分離，以實(shí)現(xiàn)間接萃取，膜的作用是保護(hù)萃取頭使其不被基質(zhì)污染，同時(shí)提高萃取的選擇性。衍生化法（derivatizationSPME）冷SPME法（cooledSPME）固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用萃取溫度溫度是直接影響分配系數(shù)的重要參數(shù)升高溫度會(huì)促進(jìn)揮發(fā)性化合物到達(dá)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(yīng)，低溫適合于反應(yīng)進(jìn)行萃取時(shí)間不同的待測(cè)物達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間長(zhǎng)短,取決于物質(zhì)的傳遞速率和待測(cè)物本身的性質(zhì)、萃取纖維的種類等因素。揮發(fā)性強(qiáng)的化合物在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到分配平衡，而揮發(fā)性弱的待測(cè)物質(zhì)則需要相對(duì)較長(zhǎng)的平衡時(shí)間。固相微萃取原理及使用攪拌強(qiáng)度增加傳質(zhì)速率,提高吸附萃取速度,縮短達(dá)到平衡的時(shí)間磁力攪拌，高速勻漿，超聲波。采取超聲振動(dòng)就比電磁攪拌達(dá)到平衡的時(shí)間大大縮短固相微萃取原理及使用鹽效應(yīng)鹽析手段(加NaCl或Na2SO4)可提高本體溶液的離子強(qiáng)度,使極性有機(jī)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(duì)不同酸離解常數(shù)的有機(jī)弱酸堿選擇性萃取。溶液酸度應(yīng)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(zhēng)奪待萃物的平衡過程極大的偏向吸附涂層固相微萃取原理及使用衍生化減小酚、脂肪酸等極性化合物的極性，提高揮發(fā)性，增強(qiáng)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(xì)絲表面構(gòu)成萃取頭內(nèi)部涂有固定相的細(xì)管或毛細(xì)管，這種設(shè)備稱為管內(nèi)SPME(in-tubeSPME）固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用涂層

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(shù)，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(shù)的核心。涂層的選擇和設(shè)計(jì)可以基于色譜經(jīng)驗(yàn)，一般來說，不同種類的分析物要選擇不同性質(zhì)的涂層材料，選擇的基本原則是“相似相溶”。選擇涂層時(shí)應(yīng)注意：對(duì)有機(jī)分子有較強(qiáng)的萃取富集能力合適的分子結(jié)構(gòu)，有較快的擴(kuò)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）涂層介紹固相微萃取原理及使用其他非商品化涂層溶膠-凝膠技術(shù)(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(jié)構(gòu)二氧化鉛（附著于鉑絲上）固相微萃取原理及使用AliMehdinia,MirFazllolahMousavi,MojtabaShamsipur.Nano-structuredleaddioxideasanovelstationaryphaseforsolid-phasemicroextraction.JournalofChromatographyA1134(2006)固相微萃取原理及使用主要特點(diǎn)集取樣、萃取、濃縮和進(jìn)樣于一體，操作方便，測(cè)定快速高效。無需任何有機(jī)溶劑，是真正意義上的固相萃取，避免了對(duì)環(huán)境的二次污染。儀器簡(jiǎn)單，適于現(xiàn)場(chǎng)分析，也易于操作。缺點(diǎn)定量檢測(cè)精確度不高；可重復(fù)性不高；商業(yè)可用負(fù)載聚合物品種少。固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用

SPME-GC技術(shù)SPME-HPLC技術(shù)SPME-MS技術(shù)SPME/EC聯(lián)用固相微萃取原理及使用SPME-GC

SPME與GC聯(lián)用是研究最早也是目前發(fā)展得最成熟的技術(shù)。這一領(lǐng)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(jìn)行分析。缺點(diǎn)：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(duì)溫度敏感的物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）。

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(shù)的聯(lián)用固相微萃取原理及使用SPME-HPLCSPME技術(shù)也已成功地與HPLC聯(lián)用并應(yīng)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(cè)物的分析提供了可能性。SPME與HPLC聯(lián)用的關(guān)鍵在于SPME的解吸過程是否能與HPLC的進(jìn)樣系統(tǒng)匹配，即能否使解吸液的體積足夠小，以避免在進(jìn)樣后產(chǎn)生明顯的柱外效應(yīng)或出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象而導(dǎo)致色譜峰拓寬，使分辨率下降，直接影響分析的靈敏度。capilarycoatedpolymericmaterial固相微萃取原理及使用萃取頭直接接觸樣品，等到吸附平衡后，在送入到進(jìn)樣器內(nèi)進(jìn)行脫附后分析。

這種聯(lián)用技術(shù)正好和SPME-GC互補(bǔ)。缺點(diǎn)：吸附平衡時(shí)間長(zhǎng)，脫附條件不易優(yōu)化，萃取頭負(fù)載材料可用的不多。固相微萃取原理及使用固相微萃取原理及使用ESI(-),MRM，five50pg/mL雌激素標(biāo)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)218–224XDB-C8(50mm×2.1mm),0.01%氨水/乙睛(60/40),0.2mL/min.Supel-QPLOT(60cm×0.32mm,厚12um)萃取柱;40μl樣品,100ul/min,20次反復(fù)萃取,搬閥進(jìn)樣。線性范圍：10-200pg/ml(r≥0.9996),檢測(cè)限2.7to11.7pg/ml.86%回收率，RSD0.9–8.8%.固相微萃取與液相色譜技術(shù)的聯(lián)用固相微萃取與質(zhì)譜技術(shù)的聯(lián)用PesticidesanalysisbySPME/IonTrapMS固相微萃取與質(zhì)譜技術(shù)的聯(lián)用SPE、SPME的簡(jiǎn)單比較待測(cè)物被介質(zhì)萃取洗脫非待測(cè)成分換洗脫液洗脫待測(cè)成分待測(cè)物被介質(zhì)萃取待測(cè)成分解吸附（無須clean-up）SPESPMESPESPME吸附劑可能吸附非待測(cè)成分吸附劑一般不吸附非待測(cè)成分Break-through現(xiàn)象平衡式萃取，無此現(xiàn)象封閉式開放式∴(micro)SPE≠SPME固相微萃取原理及使用在環(huán)境水、氣中痕、微量有機(jī)物吸萃分析在食品添加劑中香味成分的分析應(yīng)用在法醫(yī)、臨床檢驗(yàn)中的分析應(yīng)用在金屬離子及其螯合分析中的應(yīng)用固相微萃取原理及使用例1Directcomparisonofsolid-phaseextractionandsolid-phasemicroextractionforthegaschromatographicdeterminationofdibenzylamineinartificialsalivaleachatesfrombabybottleteats（G.Niessner,C.W.Klampfl，AnalyticaChimicaActa

，414(2000)：133–140）SPESPME六、SPME的應(yīng)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(shù),對(duì)PAHs的富集倍數(shù)一般在103

以內(nèi),但是定量重復(fù)性較差。固相萃取攪拌棒(SBSE)是在SPME基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新技術(shù),萃取時(shí)吸附攪拌棒自身完成攪拌,可避免SPME中攪拌子對(duì)PAHs的競(jìng)爭(zhēng)吸附;同時(shí),由于SBSE中的PDMS萃取固定相體積一般為50～250μL,比SPME所用固定相量大50～500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(jī)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(shí)間、添加NaCl濃度對(duì)萃取效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SBSE方法對(duì)16種多環(huán)芳烴的萃取回收率分別在33.5%～122.4%之間;對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢出限為2.74～13.5ng/L;方法RSD為3.8%～13.1%。用此方法測(cè)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(cè)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(chǎn)的2HSAKURA的2H0.3mm的自動(dòng)鉛筆芯作萃取頭。因?yàn)殂U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(jī)物質(zhì),并且它的吸附作用是范德華力作用的結(jié)果,不會(huì)跟有機(jī)物相互作用。同時(shí),使用壽命較長(zhǎng)。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4～5h,取出用水沖洗。經(jīng)過一系列處理后,萃取頭通過一次性注射器的針孔,用強(qiáng)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(jīng)老化后,直接對(duì)一新裝飾的房間(一星期內(nèi)無人居住)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吸附取樣,室內(nèi)溫度20℃,濕度60%。3、結(jié)果和討論：對(duì)影響SPME的因素(空氣柱、萃取時(shí)間、解吸時(shí)間和溫度)進(jìn)行了討論；對(duì)所建立的方法進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià),結(jié)果表明：建立的方法對(duì)空氣中苯的測(cè)定具有良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R=0.9998),檢出限為0.01mg/L,3個(gè)含量點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在允許的范圍7%以內(nèi),回收率為98.18%。例4.固相微萃取-高效液相色譜聯(lián)用測(cè)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(shí)驗(yàn)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(zhì)或系統(tǒng)組分結(jié)合的物質(zhì)的濃度。它不僅與分析物的總濃度有關(guān),而且與基體介質(zhì)濃度和容量,及其對(duì)分析物的親和力相關(guān)。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(qū)動(dòng)力,是解釋化合物的可給性的關(guān)鍵參數(shù)。因此,自由溶解態(tài)濃度的測(cè)定越來越受到環(huán)境科學(xué)工作者的重視,并已經(jīng)發(fā)展了多種分析方法。雙酚A(BPA)是一種內(nèi)分泌干擾物,它的長(zhǎng)期低劑量暴露對(duì)生物的影響是當(dāng)今環(huán)境化學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一,測(cè)定環(huán)境中BPA的自由溶解態(tài)濃度,對(duì)其環(huán)境化學(xué)行為研究和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(cè)器組成；SPME-HPLC接口、手動(dòng)57331型固相微萃取纖維手柄、商品固相微萃取纖維50μmCWPTPR(美國Supelco公司)。SPME-HPLC接口由一個(gè)Rheodyne六通閥和一個(gè)60μL解吸室構(gòu)成,該解吸室取代了一般液相色譜儀中的進(jìn)樣環(huán)。2、實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)萃取頭的位置,使攪拌磁子在攪拌時(shí)不會(huì)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(jìn)行動(dòng)態(tài)解吸測(cè)定。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：。在環(huán)境水樣常見pH(5～8)、緩沖容量(5～200mmol/L)和鹽度(0～500mmol/L)條件下,4h可以達(dá)到萃取平衡。100mL樣品足以避免樣品耗損。

pH為6.4時(shí),方法的線性范圍為0.1～250μg/L,檢出限為0.03μg/L,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(5μg/L,n=3)為1.1%。采用本方法測(cè)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(zhì)譜聯(lián)機(jī)測(cè)定飲用水中的嗅、味化合物近年來飲用水的水質(zhì)問題已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。原水水質(zhì)不斷惡化與不斷提高的出水水質(zhì)之間的矛盾日益突出。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水的嗅、味做了規(guī)定，但是對(duì)產(chǎn)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(chǎn)品有關(guān),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?fàn)€味。針對(duì)產(chǎn)生嗅、味的化合物進(jìn)行分析,確認(rèn)帶有土腥味和霉?fàn)€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(jī)物是放線菌和蘭-綠藻的代謝產(chǎn)物,嗅閾濃度很低。1、儀器與試劑：saturn2200瓦里安GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)機(jī)；采用電子流轟擊離子化(EI)和離子阱檢測(cè)器(EITM)；PC-420型SPME固相微萃取操作平臺(tái)；微型磁轉(zhuǎn)子(美國SUPELCO公司)，SPME裝置的萃取頭為75μmCarboxen萃取頭(PK/3)2、試驗(yàn)方法：在容積為40mL的萃取瓶中加入10.0gNaCl、一個(gè)轉(zhuǎn)子和30mL樣品溶液或待測(cè)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5.0～7.0之間，用稀HCl或稀NaOH預(yù)先調(diào)整。將固相微萃取裝置的不銹鋼針管插入瓶中，設(shè)定溫度為60℃,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為1500r/min，,推出萃取頭，調(diào)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(nèi)進(jìn)行熱解析，并進(jìn)行GC-MS分析。3、結(jié)論：本文采用SPME-GC-MS方法對(duì)飲用水中的嗅、味化合物進(jìn)行分析，方法簡(jiǎn)便,檢出限低，并打出最佳的檢測(cè)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(shí)間30min；攪拌速度為1500r/min；pH值為5.0～7.0；溫度為60℃。例6.固相微萃取-氣相色譜/質(zhì)譜(SPME-GC/MS)聯(lián)用分析海水中痕量有機(jī)磷農(nóng)藥1、實(shí)驗(yàn)方法：取8ml萃取液置于15ml萃取瓶中,加入磁力攪拌子(長(zhǎng)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(85μm厚涂層的聚丙烯酸酯)直接插入萃取瓶中,保持涂層完全進(jìn)入水相,萃取針套管的其它部分不與萃取液接觸,防止水進(jìn)入萃取針管.在室溫下萃取30min,將SPME直接插入GC進(jìn)樣口熱解吸10min,用GC-MS進(jìn)行定性與定量分析。該法簡(jiǎn)便、高效、無需有機(jī)溶劑，適合于海洋水體中痕量有機(jī)磷農(nóng)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