第三節　纖維SPME技術的發展

一、纖維及其涂層的研制

作為樣品預處理過程，SPME是靠纖維對分析物的吸附、吸收和解吸來完成的，所以萃取頭是SPME裝置的核心，它決定了整個方法的靈敏度、結果可信度和分析范圍。目前商品化萃取頭給分析工作者提供了很大的選擇性，但也還存在一些問題，如石英纖維易被折斷，使用壽命不能令人滿意，涂層對特定分析物選擇性差等，因此國內外很多學者都致力于研制新型萃取纖維，也取得了一些研究成果，主要體現在纖維、涂層以及涂層技術三個方面的進展。

1.纖維材質的改進

由于熔融石英具有很好的耐熱性和化學穩定性，所以目前商品化的萃取纖維均選擇以它為材質的光纖作為萃取介質，在上面涂布固定相富集分析物，但由于熔融石英纖維容易碎，所以人們也考慮采用其他材料作為纖維介質，以提高使用壽命。

金屬具有很好韌性，不易斷裂，是一類理想的纖維介質。Liu等將100μm的多孔硅通過高溫環氧樹脂固定在250μm外徑的不銹鋼纖維上，制成了新的纖維介質。其總面積是聚合物涂層表面積的500倍，提高了萃取的化合物量，同時還提高了萃取的選擇性［44］。

碳素類物質也可以作為纖維的介質。用鉛筆的鉛芯作為萃取頭可從水中成功地分析BTEX等有機污染物［45］。用吸附量大而且易解吸的活性炭纖維（Active Carbon Fiber，ACF）進行萃取，因為ACF幾乎全以微孔形式出現，沒有大孔與過濾孔，吸附解吸都很快，縮短了萃取所需的時間。方瑞斌等將石墨型碳素基體及其輔助材料混勻，壓制并打磨成細棒，經過物理及化學的表面改性處理后作為纖維的吸附介質，與微量進樣器組裝成SPME裝置，萃取樣品后與GC-ECD聯用分析水中的有機農藥，檢測下限可以達到0.02ng/L，線性范圍可達到104數量級，顯示出良好的應用前景［46］。賈金平等自制了膜型及體型兩類全碳型纖維材料，膜型纖維是在石英絲表面均勻涂漬酚醛樹脂的丙酮溶液后固化成膜，體型纖維是選取合適的植物纖維作為基質材料，經過處理后作為纖維使用。用這兩種纖維分析苯，可在30s內達到飽和，而且體型纖維的萃取量是膜型纖維的4～6倍。兩種纖維的耐高溫特性使其解吸時不受汽化室溫度的影響，但體型纖維的解吸時間比膜型纖維長［47］。這些都為SPME新型纖維的研制提供了新的思路。

江桂斌等應用氫氟酸處理石英毛細管，使毛細管內外表面均呈粗糙多孔狀，加大了萃取的表面積，用這種方法制成的萃取頭直接萃取丁基錫、甲基汞和苯基汞的氫化物［48］，具有很強的吸附效率。Lipinski用內壁涂有固定相的不銹鋼毛細管代替常規的SPME注射器針頭進行動態萃取，此裝置既可以應用直接萃取法，也可以應用頂空萃取法，富集樣品后再由GC熱解吸測定，用其測定水中的殺蟲劑，檢測限顯著降低。此裝置的設計使涂層薄的固定相提高了吸附量，經比較，涂有7μm厚涂層的不銹鋼毛細管與涂有100μm厚PDMS的SPME纖維富集的樣品總量相當［49］。

上面介紹的萃取頭均為細徑的纖維或毛細管，充分體現了微萃取的微型化優勢，但很小的涂層面積制約了富集的化合物量，因此有研究人員想到使用帶有固定相涂層的磁子提高萃取量［50］，如圖3-6所示。磁子為內有鐵芯的玻璃棒，外表面涂有PDMS等固定相涂層，體積遠大于纖維涂層，1cm的磁子可涂布55μL的PDMS，因此也大大提高了萃取量和靈敏度，與纖維SPME比較，檢測限下降1～2個數量級。但此裝置也存在著問題，磁子雖可直接置于液體樣品中攪拌吸附，但萃取之后放到熱解吸管中解吸比較麻煩，要求有特制的進樣口或進樣管，而且在磁子轉動過程中，還會造成涂層的磨損。

2.新型纖維涂層的研制

商品化纖維涂層的耐熱溫度范圍比較窄，多在200～280℃之間，限制了分析物的最高解吸溫度，從而限制了分析物的質量范圍。因此一些適合于寬范圍的SPME實驗條件，具有較高穩定性，容量相對較大，能快速萃取分析物的固定相材料的研制，成為許多科研工作者的共識。到目前為止已經開發了十幾種新的涂層。

Pawliszyn等將PDMS涂層用液體離子交換劑二（2-乙基己基）磷酸（HDEHP）改性，產生微孔結構，用以進行離子交換式的萃取，直接法測定了無機離子Bi（Ⅲ）［51］。后來Pawliszyn又把聚吡咯（PPY）和聚-N-苯基吡咯（PPPY）通過電化學聚合作用涂漬在金屬（鉑、金、不銹鋼）絲上，萃取了多種化合物，結果表明，PPY和PPPY對極性化合物、芳香族化合物、堿性和陰離子化合物有較高的選擇性。由于它們的多功能特征，可以通過引入不同的官能團和改變涂層的厚度，使纖維對不同種類的化合物具有不同的選擇性和靈敏度［52］。該小組還開發了一種Nafion全氟化樹脂涂層，可以從液相中萃取極性化合物［53］。

有人把用于HPLC的固定相如C8、C18等涂漬在粘有多孔硅的不銹鋼纖維上，制成的萃取頭用于水中PAHs的萃取，效率顯著提高。只是環氧樹脂黏合劑會在高溫下分解，造成干擾，影響了該涂層的熱穩定性（<250℃）［54］。n-辛基三乙氧基硅烷/甲基三甲氧基硅烷（C8-TEOS/MTMOS）涂層可用于水中有機金屬（如砷、汞、錫等）化合物的萃取，檢測限低，萃取時間短，且能用于強有機溶劑（如二甲苯和亞甲基氯）以及強酸和強堿溶液（pH為3和13）［55］。活性炭不僅可以作為纖維的介質，也可以作為纖維的涂層，涂布在金屬或石英纖維的表面。Djozan和Assadi將多孔活性炭（PLAC）作為涂層，對揮發性有機物如BTEX等的萃取率要比商品化涂層高［56］。Mangani等用石墨化炭黑（GBC）作為固定相涂層從氣相或液相中萃取了有機污染物。石墨化炭黑涂層表面均勻多孔，具有容量大、取樣時間短的優點，能耐高溫，也沒有明顯的不可逆吸附現象［57］，性能十分優越。Buszewski等研制出的環氧-聚二甲基硅氧烷（PDES）涂層［58］，非常適合萃取非極性化合物。聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）用作SPME的高分子涂層，熱穩定性好，涂漬性能優越，萃取容量大。由于屬于非極性固定相涂層，所以對有機污染物特別是非極性和弱極性有機物具有強的吸附能力，而且涂漬固定相時使用光固化交聯法，使得固定相液膜厚度易于控制［59］。

Guo及其同事應用電化學技術控制SPME萃取的過程。在碳鋼金屬絲外面涂布10μm的金，作為金屬電極，使萃取相能夠導電。富集液態樣品中的二價汞離子之后，再進入電子捕獲GC-MS中進行檢測［60］。

國內，武漢大學吳采櫻小組在SPME涂層的研制方面做出了很大的成績，他們將中極性全氧-18-冠醚-6-聚氧硅氧烷（POS-18C6）用作SPME石英纖維上的涂層，經交聯固化制成的萃取頭，對環境水樣中12種多氯聯苯污染物萃取分離，檢測下限比商用PA萃取頭降低3～4個數量級。將含羥基的開鏈冠醚Superox-4［61］、苯并羥基冠醚［62］涂漬在纖維上，經縮聚交聯，鍵合在纖維表面，形成網狀高分子結構，對酚、醇、胺、多氯聯苯、苯及其同系物（BTEX）等多種極性、非極性化合物均有較高的萃取效率。他們還將聚硅氧烷（OV-1）與富勒烯聚二甲基硅氧烷（PSD-C60）兩種固定相以4:1的比例混合，自制萃取頭，分析了水中5種鄰苯二甲酸二酯。結果表明該萃取頭萃取選擇性明顯優于商用的萃取頭［63］。他們研制的聚硅樹脂富勒烯（PF）涂層，具有平面分子識別能力［64］。其熱穩定性、萃取率、選擇性和靈敏度都很高，用于半揮發性化合物的萃取，FID的檢測范圍可以達到10ng/L～1μg/L。

3.涂層技術的發展

大多數商品化纖維的涂層都是通過物理作用吸附到萃取頭表面。在涂漬之前，先用強酸或其他一些溶液除掉石英細絲或金屬細絲的保護層。然后將其浸漬于固定相溶液中，或反復多次穿過裝有固定相溶液的有孔容器。也可以進行多步涂漬，得到多層固定相。涂層的厚度可以依據浸漬的時間和涂布的次數來控制。涂層之后用紫外燈或其他熱力學方法使纖維干燥老化。這種涂層技術的缺點主要是熱穩定性差，在溶液中易發生固定相的流失［65］。因此人們也在探索新的涂層方法。

溶膠-凝膠（Sol-gel）技術制備簡單、操作方便，能在溫和的條件下使有機物附著在無機介質表面，在材料合成和表面涂料方面具有獨特的優越性，已經廣泛用于高效液相色譜、毛細管氣相色譜、毛細管電泳等方面。1997年Malik首次將此技術用于固相微萃取中石英纖維表面PDMS固定相的涂層［66］，得到的纖維用于萃取PAHs、烷烴等化合物，得到了滿意的結果。

溶膠-凝膠的涂層技術，主要是利用含羥基的甲基聚硅氧烷預聚物作為基本骨架，由預聚物、涂層主成分、催化劑、溶劑和鈍化劑組成的溶膠-凝膠溶液，于酸性或堿性條件下經過水解和濃縮，即可簡便快速的涂漬在石英纖維表面上，形成凝膠。在中等溫度條件下老化，進一步縮聚、交聯，形成網狀高分子結構，鍵和在纖維的表面。該方法的特點和優點是：①溶膠-凝膠過程中，纖維表面的處理、去活以及固定相的涂漬、固定是一步完成的，大大減少了制作成本和時間。②固定相的固定無需自由基的交聯過程，杜絕了傳統的交聯反應中經常出現的固定相性質的隨機變化。若要改變涂層的性質，可通過人為控制，按照預期的目的，改變溶膠液中各組分的配比，得到具有不同選擇性和靈敏度的涂層。③涂層表面在分子水平上具有同一性，呈多孔結構，顯著提高了涂層的表面積，使纖維有較大的萃取容量。例如，用溶膠-凝膠方法涂漬的40μm厚度的端羥基-聚二甲基硅氧烷涂層的總萃取量與商品化100μm厚度的PDMS涂層相當。在萃取容量不減少的情況下，涂層厚度降低，就可以加速試樣在固定相中的擴散速度，使萃取平衡時間縮短［67］。④溶膠-凝膠過程中，有機相（即固定相）與無機相（石英纖維）之間通過化學鍵鍵合，得到的纖維有熱穩定性好、耐溶劑沖洗及使用壽命長等優點。如用溶膠-凝膠技術涂漬的PDMS涂層可以耐320℃的高溫，而目前商用涂層在250℃就開始流失。這種涂漬方法較好地解決了商用涂層熱穩定性差的缺點。由于涂層能在較高的解吸溫度下解吸，加快了試樣在GC熱解吸時脫離固定相涂層的速度，也就消除了峰展寬、拖尾等現象，因而提高了檢測靈敏度，降低了檢測限。

除了上述的直接涂層和溶膠-凝膠技術之外，目前還沒有更為成熟的涂層技術用于SPME領域，但其他的易于操作的色譜涂層方法都可以在這方面發揮作用。

4.應用電化學方法在不銹鋼絲上涂漬聚合物涂層

筆者實驗室在纖維涂層的制備中引入電化學方法，將聚苯胺（PANi）等聚合物電鍍到不銹鋼細絲的表面［68］，從纖維材質和涂層技術兩方面均對SPME纖維進行了改進，電鍍過程如圖3-7所示。將需要電鍍的不銹鋼纖維打磨刨光之后作為工作電極，鉑電極作為對電極，甘汞電極作為參比電極，共同組成一個三電極系統，電解液為含有聚合物前體如苯胺的硫酸水溶液，通過恒電壓控制聚合反應的進程。苯胺發生聚合反應的機理如式（3-8）和式（3-9）所示。

　　 （3-8） 　　

　　 （3-9） 　　

通過調節控制電壓的大小、電鍍時間的長短和電鍍的次數可以有效控制鍍層的厚度。得到的黑色聚合物鍍層用去離子水和甲醇依次清洗，干燥后在GC進樣口高溫老化，就可用于目標化合物的分析測定。經此電化學鍍層得到的纖維涂層厚度均一，性質穩定。用紅外光譜對電鍍層進行定性分析，表明在不銹鋼細絲的表面確實已經形成苯胺的聚合物。掃描電鏡的分析還表明得到的涂層呈現粗糙多孔的結構，提高了萃取的比表面積，電鏡照片如圖3-8所示。

應用此纖維頂空萃取芳香胺類化合物（苯胺，N，N-二甲基苯胺，間甲苯胺，2，4-二甲基苯胺，2-氯苯胺，3，4-二氯苯胺）以評價其性能，實驗表明其線性范圍為0.0048～27.5μg/mL，檢測限為0.019～1.06μg/L，相對標準偏差為2.02％～6.00％。同時優化了PANi的萃取條件，并對實際樣品進行了測定，回收率在89％～95％之間。結果顯示，聚苯胺萃取頭可用于包括芳香胺等極性化合物的定量分析。

通過實驗說明電化學聚合法制備SPME萃取頭涂層，具有很好的應用前景。而且，可以借鑒化學修飾電極中導電聚合物薄膜的制備，改變電解液的組成，從而得到不同的固定相涂層，例如，可以通過摻雜技術引入功能團，使之固著在電極表面［69］，改變涂層的極性和其他性能。摻雜方式包括以下幾種：①摻雜多酸陰離子，如摻雜同多鉬酸的聚苯胺修飾電極；②摻雜大環配合物，將金屬大環配合物（如四磺化酞菁鈷）結合到導電聚合物中；③摻雜無機化合物，對于一些過渡金屬離子，可將其摻雜到一些可溶性的聚苯胺薄膜中；④摻雜聚合物；⑤摻雜有機電子受體，如苯醌衍生物等，可提高聚苯胺的導電性。其中第④種，摻雜聚合物在SPME纖維制備過程中將最具有實用價值，采取的方法主要是在聚電解質存在的條件下電聚合苯胺。例如在含有聚苯乙烯磺酸鹽的HClO4水溶液中、在含有Nafion的乙腈溶液中、含有聚乙烯磺酸和聚丙烯酸的水溶液中進行電聚合反應，制備聚苯胺膜，即可將其他聚合物摻雜到聚苯胺中，提高涂層的極性。

二、纖維SPME應用的后續分析儀器

1.纖維SPME-GC

揮發性、半揮發性的有機化合物經SPME富集之后，多與氣相色譜聯用進行分離測定。由于SPME技術的無溶劑化特點，色譜柱的柱效不會受溶劑的影響，所以可使用細徑、固定相薄的毛細管柱提高分離效果，實現快速分析。Shirey利用SPME方法富集廢水及飲用水中的揮發性碳化合物（VOCs）及含氯殺蟲劑，只用15m長的短毛細管柱就可進行很好的分離，不僅縮短了分析時間，還降低了檢測限［70］。Tadeusz等進一步發展了應用短柱毛細管及高速載氣氣流進行快速分析的方法，將BTEX的分析時間縮短到23s［71］。而且使用SPME-GC聯用測定水樣中的BTEX也更加靈敏，最低檢測限為1.5～15pg·mL-1，大大優于美國EPA規定方法的檢測限（30～90pg·mL-1）［72］。

為了提高SPME方法的精密度，Arthur等將Varian Model 8100自動進樣器進行改良，用于SPME的自動進樣，大幅度改善了方法的精密度，相對標準偏差（RSD）達到5％，優于手動操作的20％。經過研究人員的不懈努力，目前固相微萃取技術的樣品制備、萃取、進樣、色譜分離與檢測可全部實現自動化，提高了SPME技術的分析速度和大量樣品常規分析的能力。

與GC聯用，通常使用的檢測器可以是質譜（MS）檢測器、氫火焰離子化檢測器（FID）、火焰光度檢測器（FPD）、電子捕獲檢測器（ECD）、原子發射光譜檢測器（AED）等，最低檢測限可達10-9、10-12級［73］。還有人用氮磷檢測器（NPD）測定有機磷農藥［74，75］。

2.纖維SPME-HPLC

一些半揮發性、非揮發性化合物，熱不穩定性化合物，強極性化合物，如藥物、氨基酸、蛋白質和氨基甲酸鹽等，應用HPLC進行分離和測定更為適合，因此，對SPME-HPLC聯用的研究也逐漸增多。

SPME-HPLC聯用技術中，富集了分析物的萃取纖維既可以用一定的有機溶劑離線解吸后再進樣，也可以在進樣口在線解吸，而完成分析物在線解吸的關鍵就在于進樣的接口。此接口既要能滿足HPLC的進樣要求，避免大體積進樣造成的柱外效應，又要保持SPME低溶劑消耗的優勢。商品化的接口為一小型T形三通，一個口為纖維插入口，即解吸室，另兩個口與六通閥相連，使樣品解吸后可直接進入色譜柱分離測定。實驗證明，測定過程中使用溶劑梯度洗脫可以改善某些化合物的分離效果。

HPLC應用的檢測器均可用于此聯用技術，Body-Boland等用聚乙二醇/模板樹脂和聚乙二醇/二乙烯基苯涂層的纖維萃取，HPLC梯度洗脫正相展開，應用紫外UV220nm檢測，建立了新的分析乙氧基非離子表面活性劑的方法，檢測下限達到2μg·L-1［33］。應用HPLC-熒光檢測器以及纖維上的在線衍生方法測定非離子表面活性劑醇乙氧基化物（Brij 56）和1-十六烷醇，線性范圍為2個數量級［76］。用電化學檢測器測定生物體中的胺類、酸類化合物，能夠很好地進行分離，并可降低生物樣品的背景干擾，適于多種生物樣品的測定［77］。二極管陣列檢測器（PDA）也是HPLC經常使用的。Negrao等將其用于分析廢水中的PAHs［78］，線性范圍為1～300μg·L-1，最低檢測限1～5μg·L-1，準確性可通過加標回收率保證，在73％～104％范圍內。

3.纖維SPME-光譜

紫外光譜和紅外光譜均可提供化合物的結構信息，由分析物在一定波段的吸收峰，可以很容易判斷其攜帶的官能團以及官能團的化學環境，十分適于有機化合物的分析。而且在化學傳感器的研制過程中，光纖的應用最受注目，這也為SPME技術與光譜法的聯用提供了契機。

SPME技術與紅外光譜聯用可用于測定生物樣品中［79］以及水樣品中的揮發性化合物、有機氯化合物［80～82］，提高了紅外檢測的靈敏度，一般檢測限在10-9、10-12級。而且由于纖維上固定相的疏水性，還降低了檢測中水分子的吸收干擾。進入固定相的有機分子可直接用紅外光測定，不需要進行其他的處理，十分方便。還可以將固相微萃取法與感測組件（如衰減式全反射，ATR）結合，進行半直接測量［83］。對于固體樣品，通過加熱使分析物從樣品中揮發出來，可提高測定的速度與靈敏度（約10-8級，10min）。也可以采用中空的光導纖維管，內表面涂布聚異丁烯，測定土壤中的氯代芳烴［84］。

SPME與紫外光譜聯用可以測定水中的芳烴化合物。將80μL PDMS涂在小薄片上，作為微萃取的介質富集芳香化合物，多次測定的RSD值為3％～10％，檢出限為（0.4～12）×10-9［85］。另外也有SPME-拉曼光譜聯用分析水中BTEX的報道，檢測限為（1～4）×10-6［86］。

4.纖維SPME-CE

SPME萃取化合物后離線解吸，解吸液可通過毛細管電泳進行測定［87］。與之聯用的在線解吸方式也有人進行了嘗試［88，89］。將可插入萃取纖維的一小段粗徑毛細管（1.5cm長，150μm內徑）與CE分離柱相連作為纖維的解吸池，即可完成分析物在流動相中的在線解吸。適當調整解吸池的長度和內徑，如將直徑40μm的纖維直接插入75μm內徑的毛細管中，可達到零死體積連接。