实验室分析方法--气相色谱固相微萃取技术介绍

一、固相微萃取法

固相微萃取（Solid Phase Micro-extrayon，SPME）是在固相萃取的基础上发展起来的一种新型样品预处理技术。它基于被萃取组分在两相间的分配平衡，将萃取、浓缩和解吸集为一体，其装置简单，便于携带，易于操作，快速灵敏，选择性高，样品用量小，重现性好，精度高，检出限低，无需溶剂或仅需极少量溶剂即可完成分析；自1993年商品化以来，已在环境、生化、食品等领域得到了广泛的应用和发展。

SPME的概念最早由加拿大 Waterloo 大学的Pawliszyn等人提出，随后迅速被广大分析化学家所接受，并发展出多种萃取模式和操作方案。目前已实现了与GC和HPLC的在线，随后迅速被广大分联用。SPME与GC联用，在1h之内就可以完成从采样到分析的全过程，检出限达到ng/g至pg/g水平，线性范围为3～5个数量级，相对标准偏差小于30％。下面就SPME的装置及操作、萃取模式、工作原理和应用范围等方面予以简要介绍。

SPME  主要可分为两类：纤维固相微萃取（Fiber SPME）和管内固相微萃取（in-t ubeSPME）。纤维固相微萃取应用较多，它采用外表覆盖选择性萃取介质的纤维对目标组分进行萃取。最初仅用熔融石英作为萃取介质，因其具有很好的耐热性和化学稳定性。后来出现了将色谱固定液涂覆在熔融石英上或在石英纤维表面键合一层多孔固相作为吸附涂层的方法，进一步提高了SPME的萃取效率。合适的涂层应对被萃取组分有较强的富集能力，还应保证组分在其中有较快的扩散速度，能在短时间内达到分配平衡，并在热解吸时迅速脱离涂层而不会造成峰展宽。目前常用的液相涂层主要包括以下几种：

（1）聚二甲基氧烷类（PDMS）：100μm的PDMS用于分析低沸点、低极性物质，如苯类、有机农药等，7μm PDMS适用于分析中等沸点及高沸点的物质，如多环芳烃等。

（2）聚丙烯酸酯类（PA）：适用于分析强极性物质，如酚类物质。

（3）聚二乙醇/二乙烯基苯（CW/DVB）：适用于分析极性大分子，如芳香胺等。

（4）PDMS/DVB:适用于分析极性物质。

此外还有XAD， Carboxen等种类的涂层可供选择。其中PDMS与PA应用最广泛。纤维双液相涂层可以克服单一液相涂层萃取有机化合物范围狭窄的缺点，适用范围更广，是目前研究和发展的趋势及方向。

多孔固定相则是在高温条件下在石英纤维表面键合一层C1、C8、C18或苯基吸附层，其中C适用于分析挥发性有机化合物，C18则具有较好的通用性；它们的萃取选择性受键合官能团、烷基链长和固定相的类型等诸多因素影响。表1列出了常见的商品化 Fiber SPME涂层种类及其应用范围，以供参考。

表1  商品化 Fiber SPME涂层种类、特征及其应用范围

 Fiber SPME的操作过程非常简单，可分为萃取过程和解吸过程两步。

（1）萃取过程  样品中待萃取组分在吸附涂层与样品间扩散、吸附和浓缩。将萃取器针头插入样品瓶内，压下活塞，使纤维头暴露在样品中进行萃取，经一段时间后，拉起活塞，使纤维头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。对于挥发性高的组分，还可采用顶空-SPME的操作方式完成萃取。

（2）解吸过程    在此过程中，浓缩在涂层中的组分脱附进入分析仪器完成分析。在GC分析中采用热解吸法来解吸被萃取物质，将已完成萃取过程的萃取针头插入气相色语仪的选样室内。压下活塞，使萃取纤维暴露在高温载气中，并使被萃取物不断地解吸下来，进入后续的气相色谱分析。解吸的难易程度主要由被萃取物质与萃取头作用力大小来决定，最佳解吸条件可由解吸量相对解吸温度及解吸时间的解吸曲线来确定。解吸温度通常为150～250℃，时间通常为2～5min。对于难解吸的目标组分，需要较高的解吸温度；如果组分在高温下易分解，可在进样口采用程序升温方式进行解吸。如果分析仪器为HPLC，则需要使用做量溶剂洗涤取纤维头来进行解吸。

Fiber SPME装置轻巧易拿，携带方便，非常适合于现场分析。石英纤维萃取头可循环使用50～100次，在采用某些吸附涂层时，冷藏条件下样品可在萃取头上保存3天，这是SPE法无法实现的优点。

In- tube SPME是另一种SPME操作模式。它与 Fiber SPME的不同之处在于将吸附涂层涂覆在长50～60cm的石英毛细管内表面，或将涂有萃取固定相的一段石英纤维置于细管中，以此代替萃取器的针头。目前常用的固定相有SPB-1、SPB-5、PTE-5、 Supelcowax和Omegawax250等。

除了SPME普追的优点外，in- tube SPME还具有以下优点：

①萃取柱可用常规的气相色语毛细管柱，分析成本更低；

②萃取柱的内涂层厚度（0.1～1.5μm）远远小于萃取纤维头的外涂层厚度（7～100um），使得萃取平衡时间大大加快；③脱附后无样品组分残留；

④取定相膜薄、交联度高，在样品解吸时由于固定相流失造成的系统“鬼峰”大大减少；

⑤可以采用长的毛细管萃取柱以增加萃取固定相来増大萃取吸附倍数；

⑥有大量不同固定相的商品毛细管柱可供选择。

采用in- tube SPME装置时，操作步骤同样包括萃取和解析两步。萃取时，样品基质流经管内，其中的某些组分被吸附到管内的固定相上完成萃取过程，此步又有以下两种萃取模式：静态萃取（样品中的目标组分通过分子扩散富集到管内的萃取固定相中。萃取时固定相被保护在一个套管内浸入样品中，靠分子扩散实现萃取）和动态萃取（样品动态地流过萃取管，目标组分通过分子扩散或对流扩散转移到管壁上的萃取固定相内。因为流动状态下对流扩散的速度很快，达到萃取平衡所需的时间相对较短，该模式被较多地使用）。解吸时，用少量溶剂注入管内进行目标组分的洗脱，或利用载气吹扫热解吸。由于接口技术的问题，目前in-tube SPME多与HPLC联用。

一般来说，影响SPME萃取效率和精确性的因素包括：石英纤维萃取头涂层的选择；温度、搅拌条件、样品体积和顶空体积，以及萃取时间；样品基质中的无机盐和pH值；待分析物质的损失，主要包括待分析物质在瓶壁上的吸附，从瓶盖的泄漏和瓶盖的吸附等。其他因素如样品中蛋白含量、操作因素等也对萃取效率有一定影响。

SPME是一种平衡状态下的技术，对于定量分析必须标定。分析气体样品时，可以很快达到苯取平衡，因此只要在同一温度下对已知的标样用SPME法测定，测出该温度下的分配系数，就可对未知的气体样品进行定量分析。对于较简单的液相样品（有机物质量分数小于0.1％），可用外标法定量测定。对于复杂样品，如固体样品，由于样品基质等因素的影响，用外标法有时效果不一定很好，这时可用标样加入法，也可用内标法，不过内标物在测试温度下的分配系数必须与待测物非常接近，否则会带来系统误差。

和SPE相比，SPME方法体积更小，更易操作，更易与色谱仪器，尤其是气相色谱仪实现在线联用。如能有效提高萃取容量，增加萃取涂层的种类，进一步扩大方法的使用范围，其应用前景将更为广泛。

 二、搅拌棒吸附萃取

搅拌棒吸萃取法（ Stir Bar Septive Extraction，SBSE）与SPME原理类似，不同之处在棒吸附苹取法于它将搅掉棒直接置于液相基质之中，利用搅拌棒表面的固定相涂层对基质中的待测组分进提取。此法对水相样品中痕量或超痕量的有机物的富集吸附有独特的优势，而且特别适合气相色谱联用，目前应用最为成功的领域包括天然水和轻度污染水等环境样品、酒类和蔬等食品中污染物和农药残留、活性成分、风味物质等的定性定量分析。

SBSE方法的操作步骤也和SPME类似，分为萃取和解析两步。在磁性搅拌棒的玻璃层表面涂覆固定相涂层制备搅拌棒，然后置于液相基质中进行磁力搅拌以实现吸附平衡。随后可以从液相基质中取出搅拌棒，无需其他任何处理，只要置于热解析装置中，就可以实现和GC或GC-MS的在线联用，完成样品萃取-脱附-仪器分析的全部过程，大大缩短样品预处理时间和人工操作流程。

目前最为常用的固定相为聚二甲基硅氧烷PDMS，因此适用的样品主要为水相基质中非极性或中等极性的挥发性和半挥发性组分。SBSE的搅拌棒长度一般为1～4cm，PDMS涂层的厚度一般为0.3～1mm，可推算搅拌棒上PDMS涂层的总体积为55～220uL。不难理解，在其他条件相当的前提下，因为SBSE比SPME的固定相涂层的体积大很多，SBSE比SPME的萃取效果更好，方法的灵敏度更高。但相应的，用SBSE处理同样的样品需要远比SPME更长的时间才能达到萃取平衡。

另一种操作方式称为连续搅拌棒吸附萃取法。在同一样品基质中，先用一个搅拌棒进行吸附率取，然后在基质中加入适当添加剂，如无机盐，用另一个搅拌棒再次进行吸附萃取之后将两个搅拌棒放入同一个脱附衬管中同时进行热解析，两次萃取的样品组分同时进入气相色谱仪进行分析。这样操作显然能显著提高方法的回收率、重现性和普适性。

同SPME一样，影响萃取效率的主要因素也包括温度、搅拌条件、样品体积、萃取时间、样品基质中的无机盐和pH值等。另一方面，受限于PDMS的选择性，SBSE方法对于极端复杂基质，或是极性目标组分的萃取效率还不够理想。如果待测组分是极性物质，可在样品基质中增加盐类添加剂以提高萃取效率。或者考虑増加衍生化步骤，改变目标组分的极性有两种进行衍生化的手段，一种称为样品内衍生，是先将样品进行衍生化处理后再用SBSE进行萃取：另一种称为棒上衍生，将衍生化试剂吸附在搅拌棒上，然后进行萃取，这时率取和行生化反应将会同时进行。有一些发展新型涂层的尝试获得了良好的效果，如PDNS乙一醇共聚物涂层在保留对非极性组分的非选择性保留外，还对酚类等极性物质有较好的萃取效果。此外也有研究致力于发展键合聚乙二醇硅酯涂层或活性炭涂层，并成功应用于环境样品中氯酚、苯系物和内代烃的提取。

SBSE方法发展的热点在于发展新型固定相涂层，要么是具有更低的制备成本，更好的批次重现性，热稳定性良好，耐受多种溶剂，机械强度更高，通用性更好等特点的固定相:要么是针对某类特殊样品具有特殊选择性的专用型固定相。如能在此方面有所进展，加上方法本身固有的灵敏度高，操作简便，仪器简单，无需额外昂贵设备，不使用有机溶液，易于和GC联用等优点，其应用前景将会更加广阔。