固相微萃取技術(shù)

固相微萃取技術(shù)第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固相萃取（SPE）及固相微萃取

（SPME）技術(shù)簡(jiǎn)介一、背景環(huán)境樣品分析中所涉及的環(huán)境和生物等樣品基體復(fù)雜，且待測(cè)元素和物質(zhì)在樣品中的含量一般都很低，所以往往需要對(duì)樣品進(jìn)行分離預(yù)富集，其要求一般為：★高的富集效率★分離富集過程中需保持真實(shí)樣品中各物質(zhì)之間的平衡★盡可能消除雜質(zhì)或溶劑的影響，減小基體效應(yīng)第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一前言

試樣的預(yù)處理是樣品分析中至關(guān)重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的樣品預(yù)處理方法往往手續(xù)復(fù)雜、耗時(shí)。具有溶劑消耗量少、對(duì)樣品污染少、預(yù)處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)的固相萃取技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于環(huán)境的監(jiān)測(cè)與分析中，成為一種常規(guī)分析方法。第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傳統(tǒng)溶劑法的問題：★有機(jī)溶劑用量大★富集倍數(shù)低★操作繁瑣、費(fèi)時(shí)★分析物的損失和污染第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、固相微萃取（SPME）和固相萃?。⊿PE）固相微萃取（SolidPhaseMicroextraction，SPME）是在固相萃取（SolidPhaseExtraction，SPE）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型萃取分離技術(shù)?！锕滔辔⑤腿。⊿PME）是由加拿大Waterloo大學(xué)Pawliszyn于1990年提出（ArthurCl,PawliszynJ.Anal.Chem.,1990,62:2145）?！锩绹?guó)Supelco公司于1993年推出了商品化的固相微萃取裝置。由于該法既不使用溶劑，也不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，它一經(jīng)出現(xiàn)就得到迅速的發(fā)展。第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、固相萃?。⊿PE）固相萃?。⊿olidPhaseExtraction，SPE）是由液固萃取和柱液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來(lái)的。★其廣泛應(yīng)用起始于1978年美國(guó)Waters公司首先將商品sep-pak投放市場(chǎng)。它是一種填充固定相的短色譜柱，用于濃縮被測(cè)組分或除去干擾物質(zhì)。★SPE是一個(gè)柱色譜分離過程，分離機(jī)理、固定相和溶劑的選擇等方面與高效液相色譜（HPLC）有許多相似之處?！锊煌幨牵篠PE柱的填料粒徑（>40μm）要比HPLC（3-10μm

）大，由于短的柱床和大的填料粒徑，因此其柱效很低，一般為10-50塔板。第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、用途：分離效率低的SPE技術(shù)主要用于處理試樣，其目的為：（1）從試樣中除去對(duì)以后分析有干擾的物質(zhì)；（2）富集痕量組分，提高分析靈敏度；（3）變換試樣溶劑，使之與分析方法相適應(yīng)；（4）原位衍生；（5）試樣脫鹽；（6）便于試樣的儲(chǔ)存和運(yùn)送。第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、固相萃取的基本原理：固相萃取的原理與液相色譜分離過程相仿，是一種吸附劑萃取，主要用于液體樣品的處理。

A：當(dāng)試樣通過裝有合適的固定相時(shí)，被測(cè)組分由于與固定相作用力較強(qiáng)而被吸附留在柱上，并因吸附作用力的不同而彼此分離，樣品基質(zhì)及其他成分與固定相作用力較弱而隨水流出萃取柱。

B：被萃取組分用少量的選擇性溶劑洗脫。因此，SPE技術(shù)不僅用于“清洗”樣品，除去干擾成分，而且可以使組分分離，達(dá)到濃縮或純化的目的。第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、固相萃取的裝置固相萃取的裝置主要分柱型和盤型兩種第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

★體材料通常是用醫(yī)用級(jí)聚丙烯，在兩片聚丙烯篩板之間填裝吸附劑。也可選用玻璃、純聚四氟乙烯（PTFE）作為柱體材料。

★吸附劑最多使用的是C18相，該吸附劑疏水性強(qiáng)，在水相中對(duì)大多數(shù)有機(jī)物顯示保留。此外，也使用其他具有不同選擇性和保留性質(zhì)的吸附劑，如：

C8、氰基、苯基、雙純基填料、活性碳、硅膠、氧化鋁、硅酸鎂、高分子聚合物、離子交換樹脂、排阻色譜吸附劑、親和色譜吸附劑等。

★常用洗脫溶劑有：甲醇、水、乙酸、丙醇、異丁醇、乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、乙醚、苯、甲苯、四氯化碳、環(huán)己烷、正己烷等。第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、SPE的操作步驟及方法的建立：第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一SPE操作步驟包括有柱預(yù)處理、加樣、洗去干擾物和回收分析物四個(gè)步驟。（1）柱預(yù)處理以反相C18SPE柱的預(yù)處理為例。先使數(shù)毫升的甲醇通過萃取柱，再用水或緩沖溶液頂替滯留在柱中的甲醇。柱預(yù)處理有兩個(gè)目的：

★除去填料中可能存在的雜質(zhì)；

★使填料溶劑化，提高固相萃取的重現(xiàn)性。填料未經(jīng)預(yù)處理或未被溶劑潤(rùn)濕，能引起溶質(zhì)過早穿透，影響回收率。（2）加樣預(yù)處理后，試樣溶液被加至并通過SPE柱，在該步驟，分析物被保留在吸附劑上。第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

加到萃取柱上的試樣量取決于萃取柱尺寸（填料量）和類型、在試樣溶劑中試樣組分的保留性質(zhì)和試樣中分析物及基質(zhì)組分的濃度。（3）除去干擾雜質(zhì)用中等強(qiáng)度的溶劑，將干擾組分洗脫下來(lái)，同時(shí)保持分析物仍留在柱上。對(duì)反相萃取柱，清洗溶劑是合適濃度有機(jī)溶劑的水或緩沖溶液，通過調(diào)節(jié)清洗溶劑的強(qiáng)度和體積，盡可能地除去能被洗脫的雜質(zhì)。（4）分析物的洗脫和收集這一步驟的目的是將分析物完全洗脫并收集在最小體積的餾分中，同時(shí)使比分析物更強(qiáng)保留的雜質(zhì)盡可能多地留在SPE柱上。第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、SPE的應(yīng)用：（1）SPE在環(huán)境樣品中的主要應(yīng)用是對(duì)環(huán)境水樣的預(yù)處理，如：盤式SPE的使用，可使1L水的處理時(shí)間縮短到10min，與通常的液-液萃取相比，減少了大量的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，減少使用大量的有機(jī)溶劑，降低了對(duì)人體和環(huán)境的影響。環(huán)境水樣從野外采集后，由于條件限制不能馬上分析，需存放在冰箱內(nèi)送往實(shí)驗(yàn)室，造成運(yùn)輸、保存的極大困難。而固相萃取技術(shù)可以在野外直接萃取水樣，將萃取后的介質(zhì)送往實(shí)驗(yàn)室，這樣，不但極大地縮小了樣品體積，方便運(yùn)輸，而且污染物吸附在固相介質(zhì)上比存放在冰箱的水樣中更為穩(wěn)定。（2）除環(huán)境水樣外，SPE也被用于大氣樣品的前處理，用于萃取大氣污染物。第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一EPA方法分析物試樣SPE固定相506鄰苯二甲酸酯和己酸酯飲用水C18550.1多環(huán)芳烴飲用水C18549.1鹵代乙酸和茅草枯飲用水陰離子交換劑553聯(lián)苯胺和含氮?dú)⑾x劑飲用水C18或PS-DVB1658苯氧基酸除草劑廢水C181656有機(jī)鹵化物殺蟲劑廢水C181657有機(jī)磷殺蟲劑廢水C188440石油烴總量沉積物、土壤、淤泥硅膠T013苯并芘及其它多環(huán)芳烴空氣XAD-2樹脂美國(guó)EPA使用SPE技術(shù)凈化和富集的部分方法第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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。四、固相微萃?。⊿PME）第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、固相微萃?。⊿PME）裝置第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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。第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、SPME操作過程及方式第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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。第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

SPME萃取有三種操作方式，及直接法、頂空法和膜保護(hù)法★直接法：是將SPME纖維頭直接插入水相或暴露于氣體樣品中進(jìn)行萃取的方法?！镯斂辗ǎ菏菍PME萃取頭置于分析樣品的上部空間進(jìn)行萃取。★膜保護(hù)法：是通過一個(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。第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一涂層：

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(lái)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”。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）第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、固相微萃取法原理固相微萃取法（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(lái)，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。第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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）第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(lái)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。第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、固相微萃取法萃取條件的選擇（1）萃取頭萃取頭應(yīng)由萃取組分的分配系數(shù)、極性、沸點(diǎn)等參數(shù)決定，在同一個(gè)樣品中因萃取頭的不同可使其中某個(gè)組分得到最佳萃取，而其它組分則可能受到抑制。目前最常用的萃取頭有如下幾種：第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（a）聚二甲氧基硅烷（PDMS）類：厚膜（100um）適于分析水溶液中低沸點(diǎn)、低極性的物質(zhì)，如苯類，有機(jī)合成農(nóng)藥等；薄膜（7um）適于分析中等沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)的物質(zhì)，如苯甲酸酯，多環(huán)芳烴等；（b）聚丙烯酸酯（PA）類：適于分離酚等強(qiáng)極性化合物。第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）萃取時(shí)間萃取時(shí)間主要是指達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。而平衡時(shí)間往往取決于多種因素，如分配系數(shù)，物質(zhì)的擴(kuò)散速度、樣品基體、樣品體積、萃取膜厚、樣品的溫度等。實(shí)際上，為縮短萃取時(shí)間沒有必要等到完全平衡。通常萃取時(shí)間為5-20min即可。但萃取時(shí)間要保持一致，以提高分析的重現(xiàn)性。第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）改善萃取效果的方法（a）攪拌：攪拌可促進(jìn)樣品均一化和加快物質(zhì)的擴(kuò)散速度，有利于萃取平衡的建立；（b）加溫：尤其在頂空固相微萃取時(shí)，適當(dāng)加溫可提高液上氣體的濃度，一般加溫50-90℃。第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（c）加無(wú)機(jī)鹽：在水溶液中加入硫酸銨、氯化鈉等無(wú)機(jī)鹽至飽和可降低有機(jī)化合物的溶解度，使分配系數(shù)提高；（d）調(diào)節(jié)pH值：萃取酸性或堿性化合物時(shí)，通過調(diào)節(jié)樣品的pH值可改善組分的親脂性，從而大大提高萃取效率。第32頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（e）衍生化：在元素形態(tài)分析中，由于大多數(shù)目標(biāo)化合物以離子形式存在，衍生尤為重要。在實(shí)際分析應(yīng)用中，對(duì)于一個(gè)給定的分析物，首先應(yīng)根據(jù)分析物選擇合適的萃取涂層和涂層厚度，然后根據(jù)樣品的基質(zhì)和待測(cè)物