固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)是基于采用涂有固定相的熔融石英纤维来吸附、富集样品中的待测物质。其中吸附剂萃取技术始于1983年,其最大的特点是能在萃取的同时对分析物进行浓缩,目前最常用的固相萃取技术(SPE)就是将吸附剂填充在短管中,当样品溶液或气体通过时,分析物则被吸附萃取,然后再用不同溶剂将各种分析物选择性地洗脱下来。均匀涂渍在硅纤维上的圆柱状吸附剂涂层,在萃取时既继承了 SPE 的优点,又有效克服了采用固相萃取技术时出现的操作烦琐、空白值高、易堵塞吸附柱等缺点。固相微萃取技术一经问世即受到广大食品研究工作者及其他分析从业人员的普遍关注并开始推广应用。
SPME 最早应用于环境样品的检测,主要针对样品中各种有机污染物,如水样和土壤中的有机汞、脂肪酸、杂酚油等,以及有机磷农药、有机氯农药、多环芳烃等这些作为水和废水检测的重要指标化合物。
SPME 在医学上的应用多见于分析人体血液中的氰化物、苯和甲苯,以及体液中的乙醇、有机磷酸酯等方面。
自从 SPME 问世不久,就有人把它应用于分析食品中的微量成分,近10年来,SPME 已经广泛应用于食品风味、食品中农药残留和食品中有机物的分析。
1、装置及操作步骤
SPME 由手柄(holder)和萃取头(fiber)两部分构成,状似一支色谱注射器,萃取头是一根涂有不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维,接不锈钢丝,外套细的不锈钢针管(保护石英纤维不被折断及进样),纤维头可在针管内伸缩,手柄用于安装萃取头,可永久使用。
在样品萃取过程中首先将SPME针管穿透样品瓶隔垫,插入瓶中,推手柄杆使纤维头伸出针管,纤维头可以浸入水溶液中(浸入方式)或置于样品上部空间(顶空方式),萃取时间大约为2～30min。然后缩回纤维头,再将针管退出样品瓶,迅速将 SPME 针管插入 GC 仪进样口或 HPLC 的接口解吸池。推手柄杆,伸出纤维头,热脱附样品进色谱柱或用溶液洗脱目标分析物,缩回纤维头,移去针管。
2、工作原理
在固相微萃取操作过程中,样品中待测物的浓度或顶空中待测物的浓度与涂布在熔融硅纤维上的聚合物中吸附的待测物的浓度间建立了平衡,在进行萃取时,萃取平衡状态下和萃取前待分析物的量应保持不变。
SPME 中使用的涂层物质对于大多数有机化合物都具有较强的亲和力,待测物质在涂层和样品基质中的分配系数值对目标分析物来说越大,意味着SPME具有的浓缩作用越高,对待测物质检测的灵敏度越高。
3、工作条件的选择及优化
(1)萃取头的选择
由不同固定相所构成的萃取头对物质的萃取吸附能力是不同的,故萃取头是整个 SPME 装置的核心,这包括2个方面:固定相和其厚度的选择。萃取头的选择由欲萃取组分的分配系数、极性、沸点等参数共同确定。一般而言,纤维头上一层厚膜比薄膜要萃取更多的分析物,厚膜可有效地从基质中吸附高沸点组分。但是解吸时间相应要延长,并且被吸附物可能被带入下一个样品的萃取分析中,薄膜纤维头被用来确保分析物在热解吸时较高沸点化合物的快速扩散与释放。膜的厚度通常在10～100μm 之间。按照聚合物的极性固定相涂层可分为3大类:第一类为极性涂层,第二类为非极性涂层,第三类为中等极性混合型涂层。
(2)萃取时间的确定
萃取时间主要指达到或接近平衡所需要的时间。影响萃取时间的因素主要有萃取头的选择、分配系数、样品的扩散系数、顶空体积、样品萃取的温度等。萃取开始时萃取头固定相中物质浓度增加得很快,接近平衡时速度极其缓慢,因此,萃取过程中不必达到完全平衡,因为平衡之前萃取头涂层中吸附的物质量与其最终浓度就已存在一个比例关系,所以在接近平衡时即可完成萃取过程,视样品的情况不同,萃取时间一般为2～60min。延长萃取时间也无坏处,但要保证样品的稳定性。
(3)萃取温度的确定
萃取温度对吸附采样的影响具有双面性。一方面,温度升高会加快样品分子运动,导致液体蒸气压增大,有利于吸附,尤其是对于顶空固相微萃取(HS-SPME);另一方面,温度升高也会降低萃取头吸附分析组分的能力,使得吸附量下降。实验过程中萃取温度还要根据样品的性质而定,一般为40～90℃。
(4)样品的搅拌程度
样品经搅拌后可以促进萃取并相应地减少萃取时间,特别是对于高分子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、超声波搅拌等。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。
(5)萃取方式、盐浓度和 pH 效应
SPME 的操作方式有两种,一种为顶空萃取方式,另一种为浸入萃取方式,实验中采取何种萃取方式主要取决于样品组分是否存在蒸气压,对于没有蒸气压的组分只能采用浸入方式来萃取。在萃取前于样品中添加无机盐可以降低极性有机化合物的溶解度,产生盐析,提高分配系数,从而达到增加萃取头固定相对分析组分的吸附。一般添加无机盐用于顶空方式,对于浸入方式,盐分容易损坏萃取头。此外,调节样品的 pH 值可以降低组分的亲脂性,从而大大提高萃取效率,注意 pH 值不宜过高或过低,否则会影响固定相涂层。
(6)其他优化措施
在萃取过程中还可以采用减压萃取及微波萃取,都可以提高萃取效率,在采用顶空萃取的过程中顶空体积的大小、样品的大小对检测的灵敏度、方法的精密度及萃取效率都有重要影响。
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