第三章　固相微萃取技術

第一節　固相微萃取技術概況

一、SPME的發展概況

固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是加拿大Waterloo大學的Pawliszyn及其同事在20世紀90年代提出的樣品前處理技術［1，2］，該技術以固相萃取（SPE）為基礎發展而來，同時又克服了固相萃取的缺點，如固體或油性物質對填料空隙的堵塞，大大降低了空白值，同時又縮短了分析時間。

SPME技術經歷了一個由簡單到復雜，由單一化向多元化的發展過程。最初僅利用具有很好耐熱性和化學穩定性的熔融石英纖維作為吸附介質進行萃取，對茶和可樂中的咖啡因做了定性和定量分析［3］。后來又將氣相色譜固定液涂布在石英纖維表面，以提高萃取效率。1993年由美國Supelco公司推出了商品化固相微萃取裝置和纖維，至今已經在環境分析、醫藥、生物技術、食品檢測等眾多領域得到廣泛應用。

該技術操作簡單，集采樣、萃取、濃縮和進樣于一體，可以節省樣品預處理70％的時間，無需使用有機溶劑。萃取過程使用一支攜帶方便的萃取器，特別適于野外的現場取樣分析［4］，也易于進行自動化操作［5，6］，可在任何型號的氣相色譜（GC）和液相色譜儀（LC）上直接進樣。

1997年Pawliszyn又提出了in-tube SPME的概念，是該技術的又一大進展。in-tube SPME使用一根內部涂有固定相的開管毛細管柱，富集目標化合物。這種萃取方式多與高效液相色譜（HPLC）聯用分離測定一些不揮發的和熱不穩定的化合物，大大擴展了固相微萃取的應用范圍。

二、纖維SPME的裝置

纖維固相微萃取使用的是一支類似注射器的萃取裝置，由手柄（holder）和萃取頭（fiber）兩部分構成，如圖3-1所示。手柄用于安裝萃取頭，由控制萃取頭伸縮的壓桿、手柄筒和可調節深度的定位器組成，定位器和橡膠環共同用于調節萃取頭進入樣品或色譜進樣口的深度。萃取頭是一根1～2cm長的涂有不同色譜固定相或吸附劑的纖維，接在一根不銹鋼微管上。外部又套一層起保護作用的不銹鋼針管，使纖維可在其中自由伸縮，確保纖維在分析過程中不被折斷、涂層不被破壞。若使用得當，每根萃取頭可以反復使用50次以上，最多可達200次左右，而不影響其靈敏度和重現性。

現有商品化手動和自動進樣的SPME手柄和萃取頭，以及與HPLC的接口，使SPME能很好地完成液相色譜的直接進樣。目前還有市售的SPME-GC自動進樣器。

三、纖維SPME萃取頭

涂有聚合物涂層的石英纖維是SPME技術的關鍵，市售的商品化萃取頭涂層主要有以下幾種，見表3-1。

商品化纖維的涂層最初是涂布在熔融石英纖維上，后發展為涂布在柔韌石英纖維和金屬絲上。萃取纖維的聚合物涂層與石英表面結合主要有鍵合（Bonded）、非鍵合（Non-bonded）與交聯（Crosslinked）幾種方式。大多數涂層是直接涂布的，采用非鍵合和部分交聯的方式，這些纖維不能暴露在高濃度的有機物和強酸、強堿環境中，當樣品中的有機物濃度高于20％時，固定相將會因膨脹而脫落，嚴重影響使用壽命。而鍵合的固定相則可以暴露于含高濃度有機物的樣品中，并可用有機溶劑沖洗。此外，色譜分析時應使用高純度的載氣，因為有些涂層在痕量氧存在時會被氧化。

纖維涂層富集目標化合物的機制有兩種，PDMS和PA涂層的纖維主要通過吸收作用（Absorption）富集目標化合物，即化合物溶解或擴散到纖維固定相當中，而其余的復合涂層（PDMS/DVB，CAR/PDMS，CW/DVB，CW/TPR）則是通過吸附作用（Adsorption）將化合物富集在涂層的表面［7］。在萃取過程中采用哪種機制富集還可通過化合物的辛醇-水分配系數（Kow）與SPME的涂層-水分配系數（Kdv）之間的相關性進行判斷。有人研究了PDMS纖維的萃取過程，發現基于吸收作用的富集往往針對一些低分子量的化合物，如苯（MW=78）、甲苯（MW=92）、二甲苯（MW=106），它們的Kow與Kdv值具有很好的正相關性［8～11］。但在一些高分子量化合物的分析過程中，如多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）等，Kdv值比相應的Kow值小1～7個數量級，應用Kdv值不能很好描述分析物在涂層與樣品之間的分配，而且對多數高分子量（MW>200）的化合物，其Kdv和Kow值呈負相關性［12］。經過計算發現，這些高分子量化合物的分配系數與涂層的表面積有關，是吸附在涂層表面的。在萃取過程中，纖維涂層的性質不同，富集化合物達到效果也會不同。應針對不同化合物選擇不同的萃取纖維以達到最大的萃取效率，這將在下文中進行討論。

四、纖維SPME的操作過程

SPME技術包括吸附（吸收）和解吸兩步，其最大的特點就是在一個簡單過程中同時完成了取樣、萃取和富集，并可以直接進樣，完成儀器分析。萃取的操作過程十分簡單，如圖3-2所示。將SPME萃取器插入密封的樣品瓶，壓下手柄的壓桿，使纖維暴露在樣品或樣品頂空中。由于聚合物涂層對目標化合物具有親和力，因此目標化合物將從樣品基質向纖維的涂層遷移，吸附或被吸收到涂層上，直至達到分配平衡，也就是涂層中目標化合物的吸附量不再隨萃取時間的延長而增加。在萃取過程中應用磁力攪拌、超聲振蕩等方式攪動樣品基質，可縮短達到平衡的時間。SPME萃取達到分配平衡時，靈敏度最高，但由于整個分配過程中SPME纖維吸附的化合物量都與其在樣品中的初始濃度存在比例關系［10，11］，因此對一些平衡時間過長或無平衡狀態的化合物，在定量分析時沒必要達到完全平衡，只需嚴格控制萃取時間，以保證分析的重復性和精密度即可。萃取完成后，將纖維退回萃取器的針頭中，再在鋼針的保護下直接插入色譜進樣口進行解吸。

解吸過程隨SPME后序分離手段的不同而不同。對于氣相色譜（GC），是將纖維暴露在進樣口中，通過高溫使目標化合物熱解吸，而對于液相色譜（LC），則是通過溶劑進行洗脫。目前已有商品化的SPME/HPLC接口，由六通閥和一個特別設計的解吸池組成，如圖3-3所示。解吸池與進樣管相連，當六通閥置于采樣（Load）狀態，將纖維插入解吸池，六通閥旋至進樣（Injection）狀態，流動相開始沖洗纖維，使富集的化合物解吸下來。之后，將纖維再次退回到鋼針中，拔離進樣口，即完成進樣過程。

經過熱解吸的纖維可直接進行下一次萃取操作。但液相色譜分析，經溶劑洗脫后，纖維上存在的有機溶劑可能會影響下一次萃取，因此在接下來的萃取過程前，需將纖維晾干。

五、纖維的老化

所有纖維在使用之前都需要0.5～4h的老化，以去除纖維上的雜質，降低背景值。與氣相色譜聯用主要是在進樣口進行高溫加熱，使纖維上的雜質揮發或熱解。尤其是連接石英纖維和不銹鋼微管的膠，會在老化時釋放一些單體和裂解產物。經過老化后，只有PA涂層的纖維會變成褐色，但這不會影響纖維的萃取效果。

對于液相色譜進樣，由于不同的溶劑對SPME纖維的影響是不同的，因此最好用流動相或與萃取相關的溶劑進行老化，將纖維插入SPME/HPLC接口，讓流動相通過。如果使用梯度運行程序，纖維至少應老化30min，如果纖維在不同于流動相的溶劑中老化，應使纖維浸泡在溶劑中至少15min。

纖維老化的效果可通過空白分析檢驗。將纖維插入進樣口解吸，觀察色譜基線，若達不到令人滿意的空白值，纖維可再次進行老化。

六、纖維的清洗

纖維用過一段時間后，可能會被沾污，殘留物會嚴重影響目標化合物的分析測定，此時有兩種方法用于清洗纖維，即熱清洗和溶劑清洗，可根據涂層性質的不同加以選擇。對于鍵合固定相，纖維可以在其最高使用溫度熱解吸1h甚至過夜以達到清洗的目的。此外，由于鍵合固定相對所有有機溶劑都是穩定的，還可以在有機溶劑中清洗之后，再加熱清洗，但若使用某些非極性溶劑會發生輕微的流失。另外使用含氯溶劑還有可能溶解固定纖維的環氧樹脂從而破壞纖維。

而對于非鍵合和交聯固定相，則不能使用非極性有機溶劑進行沖洗，溶劑會使固定相膨脹并從纖維上脫落下來，雖然在某些可與水混溶的有機溶劑中非鍵合固定相是穩定的，但也可能會發生輕微的流失，因此只建議使用熱清洗方法。可以在其最高使用溫度清洗1～2h或者在低于最高溫度10～20℃的條件下加熱過夜。如果還無法清洗干凈，可以將纖維在高于最高使用溫度20℃的條件下熱處理30min。

通過上述介紹，選擇適當的方法清洗纖維，可以大大延長纖維的使用壽命。