第三章　固相微萃取技术

第一节　固相微萃取技术概况

一、SPME的发展概况

固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是加拿大Waterloo大学的Pawliszyn及其同事在20世纪90年代提出的样品前处理技术［1，2］，该技术以固相萃取（SPE）为基础发展而来，同时又克服了固相萃取的缺点，如固体或油性物质对填料空隙的堵塞，大大降低了空白值，同时又缩短了分析时间。

SPME技术经历了一个由简单到复杂，由单一化向多元化的发展过程。最初仅利用具有很好耐热性和化学稳定性的熔融石英纤维作为吸附介质进行萃取，对茶和可乐中的咖啡因做了定性和定量分析［3］。后来又将气相色谱固定液涂布在石英纤维表面，以提高萃取效率。1993年由美国Supelco公司推出了商品化固相微萃取装置和纤维，至今已经在环境分析、医药、生物技术、食品检测等众多领域得到广泛应用。

该技术操作简单，集采样、萃取、浓缩和进样于一体，可以节省样品预处理70％的时间，无需使用有机溶剂。萃取过程使用一支携带方便的萃取器，特别适于野外的现场取样分析［4］，也易于进行自动化操作［5，6］，可在任何型号的气相色谱（GC）和液相色谱仪（LC）上直接进样。

1997年Pawliszyn又提出了in-tube SPME的概念，是该技术的又一大进展。in-tube SPME使用一根内部涂有固定相的开管毛细管柱，富集目标化合物。这种萃取方式多与高效液相色谱（HPLC）联用分离测定一些不挥发的和热不稳定的化合物，大大扩展了固相微萃取的应用范围。

二、纤维SPME的装置

纤维固相微萃取使用的是一支类似注射器的萃取装置，由手柄（holder）和萃取头（fiber）两部分构成，如图3-1所示。手柄用于安装萃取头，由控制萃取头伸缩的压杆、手柄筒和可调节深度的定位器组成，定位器和橡胶环共同用于调节萃取头进入样品或色谱进样口的深度。萃取头是一根1～2cm长的涂有不同色谱固定相或吸附剂的纤维，接在一根不锈钢微管上。外部又套一层起保护作用的不锈钢针管，使纤维可在其中自由伸缩，确保纤维在分析过程中不被折断、涂层不被破坏。若使用得当，每根萃取头可以反复使用50次以上，最多可达200次左右，而不影响其灵敏度和重现性。

现有商品化手动和自动进样的SPME手柄和萃取头，以及与HPLC的接口，使SPME能很好地完成液相色谱的直接进样。目前还有市售的SPME-GC自动进样器。

三、纤维SPME萃取头

涂有聚合物涂层的石英纤维是SPME技术的关键，市售的商品化萃取头涂层主要有以下几种，见表3-1。

商品化纤维的涂层最初是涂布在熔融石英纤维上，后发展为涂布在柔韧石英纤维和金属丝上。萃取纤维的聚合物涂层与石英表面结合主要有键合（Bonded）、非键合（Non-bonded）与交联（Crosslinked）几种方式。大多数涂层是直接涂布的，采用非键合和部分交联的方式，这些纤维不能暴露在高浓度的有机物和强酸、强碱环境中，当样品中的有机物浓度高于20％时，固定相将会因膨胀而脱落，严重影响使用寿命。而键合的固定相则可以暴露于含高浓度有机物的样品中，并可用有机溶剂冲洗。此外，色谱分析时应使用高纯度的载气，因为有些涂层在痕量氧存在时会被氧化。

纤维涂层富集目标化合物的机制有两种，PDMS和PA涂层的纤维主要通过吸收作用（Absorption）富集目标化合物，即化合物溶解或扩散到纤维固定相当中，而其余的复合涂层（PDMS/DVB，CAR/PDMS，CW/DVB，CW/TPR）则是通过吸附作用（Adsorption）将化合物富集在涂层的表面［7］。在萃取过程中采用哪种机制富集还可通过化合物的辛醇-水分配系数（Kow）与SPME的涂层-水分配系数（Kdv）之间的相关性进行判断。有人研究了PDMS纤维的萃取过程，发现基于吸收作用的富集往往针对一些低分子量的化合物，如苯（MW=78）、甲苯（MW=92）、二甲苯（MW=106），它们的Kow与Kdv值具有很好的正相关性［8～11］。但在一些高分子量化合物的分析过程中，如多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）等，Kdv值比相应的Kow值小1～7个数量级，应用Kdv值不能很好描述分析物在涂层与样品之间的分配，而且对多数高分子量（MW>200）的化合物，其Kdv和Kow值呈负相关性［12］。经过计算发现，这些高分子量化合物的分配系数与涂层的表面积有关，是吸附在涂层表面的。在萃取过程中，纤维涂层的性质不同，富集化合物达到效果也会不同。应针对不同化合物选择不同的萃取纤维以达到最大的萃取效率，这将在下文中进行讨论。

四、纤维SPME的操作过程

SPME技术包括吸附（吸收）和解吸两步，其最大的特点就是在一个简单过程中同时完成了取样、萃取和富集，并可以直接进样，完成仪器分析。萃取的操作过程十分简单，如图3-2所示。将SPME萃取器插入密封的样品瓶，压下手柄的压杆，使纤维暴露在样品或样品顶空中。由于聚合物涂层对目标化合物具有亲和力，因此目标化合物将从样品基质向纤维的涂层迁移，吸附或被吸收到涂层上，直至达到分配平衡，也就是涂层中目标化合物的吸附量不再随萃取时间的延长而增加。在萃取过程中应用磁力搅拌、超声振荡等方式搅动样品基质，可缩短达到平衡的时间。SPME萃取达到分配平衡时，灵敏度最高，但由于整个分配过程中SPME纤维吸附的化合物量都与其在样品中的初始浓度存在比例关系［10，11］，因此对一些平衡时间过长或无平衡状态的化合物，在定量分析时没必要达到完全平衡，只需严格控制萃取时间，以保证分析的重复性和精密度即可。萃取完成后，将纤维退回萃取器的针头中，再在钢针的保护下直接插入色谱进样口进行解吸。

解吸过程随SPME后序分离手段的不同而不同。对于气相色谱（GC），是将纤维暴露在进样口中，通过高温使目标化合物热解吸，而对于液相色谱（LC），则是通过溶剂进行洗脱。目前已有商品化的SPME/HPLC接口，由六通阀和一个特别设计的解吸池组成，如图3-3所示。解吸池与进样管相连，当六通阀置于采样（Load）状态，将纤维插入解吸池，六通阀旋至进样（Injection）状态，流动相开始冲洗纤维，使富集的化合物解吸下来。之后，将纤维再次退回到钢针中，拔离进样口，即完成进样过程。

经过热解吸的纤维可直接进行下一次萃取操作。但液相色谱分析，经溶剂洗脱后，纤维上存在的有机溶剂可能会影响下一次萃取，因此在接下来的萃取过程前，需将纤维晾干。

五、纤维的老化

所有纤维在使用之前都需要0.5～4h的老化，以去除纤维上的杂质，降低背景值。与气相色谱联用主要是在进样口进行高温加热，使纤维上的杂质挥发或热解。尤其是连接石英纤维和不锈钢微管的胶，会在老化时释放一些单体和裂解产物。经过老化后，只有PA涂层的纤维会变成褐色，但这不会影响纤维的萃取效果。

对于液相色谱进样，由于不同的溶剂对SPME纤维的影响是不同的，因此最好用流动相或与萃取相关的溶剂进行老化，将纤维插入SPME/HPLC接口，让流动相通过。如果使用梯度运行程序，纤维至少应老化30min，如果纤维在不同于流动相的溶剂中老化，应使纤维浸泡在溶剂中至少15min。

纤维老化的效果可通过空白分析检验。将纤维插入进样口解吸，观察色谱基线，若达不到令人满意的空白值，纤维可再次进行老化。

六、纤维的清洗

纤维用过一段时间后，可能会被沾污，残留物会严重影响目标化合物的分析测定，此时有两种方法用于清洗纤维，即热清洗和溶剂清洗，可根据涂层性质的不同加以选择。对于键合固定相，纤维可以在其最高使用温度热解吸1h甚至过夜以达到清洗的目的。此外，由于键合固定相对所有有机溶剂都是稳定的，还可以在有机溶剂中清洗之后，再加热清洗，但若使用某些非极性溶剂会发生轻微的流失。另外使用含氯溶剂还有可能溶解固定纤维的环氧树脂从而破坏纤维。

而对于非键合和交联固定相，则不能使用非极性有机溶剂进行冲洗，溶剂会使固定相膨胀并从纤维上脱落下来，虽然在某些可与水混溶的有机溶剂中非键合固定相是稳定的，但也可能会发生轻微的流失，因此只建议使用热清洗方法。可以在其最高使用温度清洗1～2h或者在低于最高温度10～20℃的条件下加热过夜。如果还无法清洗干净，可以将纤维在高于最高使用温度20℃的条件下热处理30min。

通过上述介绍，选择适当的方法清洗纤维，可以大大延长纤维的使用寿命。