第四节 固相微萃取技术
固相微萃取（solid phase micro-extraction，SPME）是20世纪90年代初在固相萃取的基础上发展起来的一种新型样品前处理技术，集萃取、浓缩、进样于一体的样品前处理方法。与固相萃取技术相比，SPME具有操作简便、设备简单，萃取速度快、效率高、溶剂使用量少、易于实现自动化等优点而备受关注，适用于不同基质样品中挥发性与非挥发性物质的萃取分析。随着固相微萃取技术的日趋完善，该技术目前已在医药卫生、食品检验、生物化学、法医学等领域广泛应用。
一、固相微萃取原理
固相微萃取是根据相似相溶的原理，利用熔融石英纤维表面涂渍的固定相对样品中待测组分的吸附作用，使待测组分被萃取和浓缩，然后将萃取的组分从固定涂层上解析下来进行分析的一种样品预处理方法。根据萃取方式的不同，主要有以下几种方式：
1.直接固相微萃取法原理
直接固相微萃取（direct-SPME）将萃取头直接插入样品溶液或暴露于气体中，适用于气态样品或基体较为纯净的液体样品中的有机成分的分析。待测物在固相微萃取纤维涂层吸附剂和水相样品基质之间的分配常数Kfs=cf/cs，cf代表待测物在纤维吸附剂中的浓度，cs代表待测物在水溶液样品中的浓度。Kfs的值越大，目标物在吸附剂中的浓度就会越高，分析的灵敏度就会越高。当待测物在固相涂层和水溶液中分配达到平衡时，待测物在固定相的量与在水溶液中的初始浓度及在两相间的分配系数有关：
式中，n为待测物在固相涂层上的量；Kfs为待测物在两相间的分配系数；c0为待测物在样品中的初始浓度；Vf、Vs分别为涂层和样品的体积。当Vs≫KfsVf时，上式可简化为：
此时，萃取量与样品体积无关，与样品中待测物浓度呈线性关系。直接固相微萃取法的灵敏度取决于Kfs和Vf值，固相涂层越厚，萃取选择性越高，方法的灵敏度越高。
2.顶空固相微萃取法原理
顶空固相微萃取（head-space SPME，HS-SPME）是萃取头不与样品直接接触，而是将萃取头置于样品溶液或固体样品的上方进行顶空萃取，可以避免基体中非挥发性物质、大分子物质的干扰，此法适用于各种废水、油脂、高分子量羧酸及固体样品中的挥发性、半挥发性的有机成分分析。顶空固相微萃取是固相、气相和液相三相参与样品分配。当待测物通过扩散达到分配平衡时，存在如下关系：
式中，n为待测物在固相涂层上的量；K1为待测物在固相和气相间的分配系数；K2为待测物在气相和液相间的分配系数；V1、V2、V3分别为固相、液相和气相的体积。K1、K2、V1、V2和V3都是定值，故n与待测物在水溶液中的浓度成函数关系，在一定浓度范围内二者呈线性关系。
另外还有膜保护法（membrane-protected-SPME），它是通过一个选择性的膜将样品与萃取头隔离，膜允许待测物质通过而阻塞干扰物，可实现样品的粗分离，增加选择性，在对样品萃取的同时进行了纯化。由于膜的作用，萃取头还可受到保护，免受基质污染，但是平衡时间延长，所以萃取的时间相应延长。衍生化法（derivatization-SPME）是通过衍生化作用降低极性化合物的极性，提高涂层/水或涂层/气相的分配系数，待测物的低极性衍生化产物更适合色谱的分离、检测。衍生化反应可以在萃取头上进行，也可以在反应液中进行，但是处理过程复杂，萃取头容易污染。
二、固相微萃取试验技术
1.固相微萃取装置
固相微萃取装置类似于微量注射器，主要由萃取头和手柄两部分组成。萃取头是一根熔融石英纤维，表面涂有固相微萃取涂层。外套不锈钢针管，保护石英纤维在穿过密封圈时免受损坏，石英纤维可在针管内伸缩。按其设备构造的不同一般分为三种：纤维针式固相微萃取、管内固相微萃取和搅拌棒固相微萃取。
2.固相微萃取的操作技术
平时萃取头收缩在手柄内。测定时，萃取头的石英纤维收于针管内。以针头穿透样品瓶密封垫，插入瓶中，推出萃取头，浸于样品液中或置于样品上部空间（顶空）进行萃取，有机物吸附在萃取头上。经过2～30分钟后吸附达平衡，将萃取头收入针头内，拔出针头。与气相色谱联用时，将针头直接插入气相色谱仪的进样室，推出萃取头，升温热解吸后进行测定；与高效液相色谱联用时，将针头插入高效液相色谱仪的解吸室，待测物解吸附后，进入色谱柱分析。
三、固相微萃取技术的影响因素
1.固相涂层
由固相微萃取原理可知，固相萃取量与分配系数Kfs和涂层的体积Vf有关，Kfs取决于涂层的性质。由不同涂层构成的萃取头，对物质的萃取能力不同，萃取头是固相微萃取装置的核心，而涂渍在萃取纤维上的涂层则是影响灵敏度的关键因素。涂层的选择包括选择涂层的类型和涂层厚度两个方面。
（1）涂层的类型：
根据待测物的分配系数和极性选择涂层。极性涂层，如聚丙烯酸酯（PA）、聚乙二醇（PEG）对极性待测物有较强的亲和力，适用于分离酚等强极性化合物。非极性涂层，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）对非极性待测物有较强的亲和力，适于非极性或极性小的化合物的分离；涂层厚度为100μm的PDMS适用于分析水溶液中低沸点、低极性的物质，如苯类、有机合成农药等；30μm中等厚度的涂层适用于分析非极性半挥发有机化合物；7μm的最小涂层厚度适用于分析中等沸点和高沸点的物质，如苯甲酸酯、多环芳烃等。此外，还有活性炭萃取头，适用于分析极低沸点的强亲脂性物质。
（2）涂层的厚度：
固相萃取量与涂层体积成正比，即涂层越厚，固定相保留量越大，可降低检出限，提高方法灵敏度。但涂层越厚，达到平衡所需的时间也越长，分析速度越慢。通常，涂层薄的萃取头适用于萃取分子量大或半挥发性物质，涂层厚的萃取头适用于萃取分子量小、易挥发物质。
2.萃取时间
分配系数、扩散速率、样品基质、样品体积、萃取膜厚度、温度等诸多因素都影响萃取时间。固相微萃取法实际萃取时间由萃取时间-萃取量曲线决定，即曲线接近平缓的最短时间，为最佳萃取时间。萃取时间一般在5～60分钟为好。操作中只有严格控制萃取时间一致，才能保证良好的重现性。
3.萃取温度
温度对萃取过程具有双重影响。一方面，温度升高，分子运动加快，可提高待测物的扩散速率，加快达到萃取平衡；另一方面，温度升高会使分配系数K值降低，影响萃取的灵敏度。萃取温度一般为40～90℃。
4.搅拌
搅拌可以增加传质速率，加速萃取平衡。使用电磁搅拌器可缩短达到平衡所需的时间，提高萃取效率，且转速越高，达到平衡的速度也越快。在顶空固相微萃取法中，搅拌可使顶空区待测物浓度增大，提高分析的灵敏度。采用超声振荡仪比电磁搅拌器的效果更好，但超声效果会随温度升高而逐渐降低。
5.盐效应和溶液pH的影响
待测物在固相和液相之间的分配系数与基体性质有关，在水溶液中加入盐（如氯化钠、硫酸钠等）可增加溶液中的离子强度，使有机物的溶解度降低，分配系数K值增大，提高分析灵敏度。
控制溶液的pH也能改变溶液中的离子强度，从而改变有机物在水溶液中的溶解度。如萃取酸性或碱性化合物时，通过调节样品的pH，可改善组分的亲脂性，从而大大提高萃取效率。但酸度太强的溶液不适于直接固相微萃取法分析，以免破坏固相涂层。
四、固相微萃取技术的应用
1.在环境分析中的应用
采用固相微萃取技术可以对固态（如沉积物、土壤等）、液态（地下水、地表水、饮用水、污水）及气态（空气及废气）样品中污染物（如苯及其同系物、多环芳烃、酚类化合物、氯代烷烃、多氯联苯等）进行测定；可以用于环境样品中农药（如有机磷、有机氯等）的残留分析；还可用于环境样品中的微量元素分析。
2.在食品分析中的应用
主要用于水果、蔬菜及食品中农药和除草剂的残留分析，抗生素等有害物质分离。另外，在食品中挥发性物质、风味物质测定方面也得到广泛的应用，如食品添加剂中香味成分分析、水果中挥发性化合物的分析、饮料中咖啡因的含量检测、植物油中挥发性有机污染物检测、蜂蜜中残留杀虫剂检测、酱油中苯甲酸等防腐剂的分析等。
3.在医学领域的应用
固相微萃取已用于生物代谢产物、体液等样品中微量有机成分的分析。在临床和生物样品分析中，主要用于分析人体血液中和体液中乙醇、苯、甲苯、氯化物、苯丙胺（安非他明）、镇痛剂、麻醉剂、抗抑郁剂、巴比妥酸盐、苯并二氮、可卡因和类固醇等。
此外，固相微萃取技术还可用于分析中草药及中药材中的挥发性成分，如烟草中的生物碱、烟叶中的香味物质等。
五、固相微萃取技术展望
固相微萃取技术由于其自身独特的优点，已广泛用于环境、食品、药品及生物材料分析等领域。近年来的研究热点主要集中在以下几方面：
1.新型涂层的研制
固相微萃取技术发展的关键在于萃取头上的涂层，涂层的性质决定了其应用范围和检测灵敏度。因此，发展高选择性，甚至专一性的固相涂层，有利于进一步拓宽固相微萃取技术的应用范围。针对生物大分子、高沸点化合物的检测，需要研制具有生物亲和力、耐高温的固相涂层。目前所用的萃取头纤维易碎、易裂，因此需要发展高强度、寿命长且耐溶剂侵蚀的固相涂层。例如各种无机涂层和生物吸附剂涂层的不断开发。
2.发展联用技术
将现代仪器分析技术与SPME有效结合，是固相微萃取技术发展方向之一。SPME与气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、高效毛细管电泳（HPCE）、电感耦合等离子光谱（ICP）、质谱（MS）等多种现代分析仪器联用，实现在线自动化，发展与其他仪器的联用，可以进一步拓宽其适用范围。例如电子鼻技术的出现，SPME将会得到更加广泛的应用，从而扩展了应用范围，检测结果也更加准确。
3.提高自动化程度
由于影响固相微萃取技术准确性和重现性的因素之间没有固定的关系，因此，要求各种操作条件必须完全一致，提高固相微萃取技术的自动化程度，才能保证分析结果的重复性和定量准确性。
随着新型固定相材料的不断开发，各种新的萃取头的出现以及SPME与其他分析仪器联用研究的进一步深入，将对改进SPME的应用起到巨大的作用。该技术的应用必将日趋广泛，在样品前处理领域中发挥更大的作用。
（宋秀玲）