實驗室分析方法氣相色譜固相微萃取技術介紹

一、固相微萃取法

固相微萃取（Solid Phase Micro-extrayon，SPME）是在固相萃取的基礎上發展起來的一種新型樣品預處理技術。它基于被萃取組分在兩相間的分配平衡，將萃取、濃縮和解吸集為一體，其裝置簡單，便于攜帶，易于操作，快速靈敏，選擇性高，樣品用量小，重現性好，精度高，檢出限低，無需溶劑或僅需極少量溶劑即可完成分析；自1993年商品化以來，已在環境、生化、食品等領域得到了廣泛的應用和發展。

SPME的概念最早由加拿大 Waterloo 大學的Pawliszyn等人提出，隨后迅速被廣大分析化學家所接受，并發展出多種萃取模式和操作方案。目前已實現了與GC和HPLC的在線，隨后迅速被廣大分聯用。SPME與GC聯用，在1h之內就可以完成從采樣到分析的全過程，檢出限達到ng/g至pg/g水平，線性范圍為3～5個數量級，相對標準偏差小于30％。下面就SPME的裝置及操作、萃取模式、工作原理和應用范圍等方面予以簡要介紹。

SPME  主要可分為兩類：纖維固相微萃取（Fiber SPME）和管內固相微萃取（in-t ubeSPME）。纖維固相微萃取應用較多，它采用外表覆蓋選擇性萃取介質的纖維對目標組分進行萃取。最初僅用熔融石英作為萃取介質，因其具有很好的耐熱性和化學穩定性。后來出現了將色譜固定液涂覆在熔融石英上或在石英纖維表面鍵合一層多孔固相作為吸附涂層的方法，進一步提高了SPME的萃取效率。合適的涂層應對被萃取組分有較強的富集能力，還應保證組分在其中有較快的擴散速度，能在短時間內達到分配平衡，并在熱解吸時迅速脫離涂層而不會造成峰展寬。目前常用的液相涂層主要包括以下幾種：

（1）聚二甲基氧烷類（PDMS）：100μm的PDMS用于分析低沸點、低極性物質，如苯類、有機農藥等，7μm PDMS適用于分析中等沸點及高沸點的物質，如多環芳烴等。

（2）聚丙烯酸酯類（PA）：適用于分析強極性物質，如酚類物質。

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

（4）PDMS/DVB:適用于分析極性物質。

此外還有XAD， Carboxen等種類的涂層可供選擇。其中PDMS與PA應用最廣泛。纖維雙液相涂層可以克服單一液相涂層萃取有機化合物范圍狹窄的缺點，適用范圍更廣，是目前研究和發展的趨勢及方向。

多孔固定相則是在高溫條件下在石英纖維表面鍵合一層C1、C8、C18或苯基吸附層，其中C適用于分析揮發性有機化合物，C18則具有較好的通用性；它們的萃取選擇性受鍵合官能團、烷基鏈長和固定相的類型等諸多因素影響。表1列出了常見的商品化 Fiber SPME涂層種類及其應用范圍，以供參考。

表1  商品化 Fiber SPME涂層種類、特征及其應用范圍

 Fiber SPME的操作過程非常簡單，可分為萃取過程和解吸過程兩步。

（1）萃取過程  樣品中待萃取組分在吸附涂層與樣品間擴散、吸附和濃縮。將萃取器針頭插入樣品瓶內，壓下活塞，使纖維頭暴露在樣品中進行萃取，經一段時間后，拉起活塞，使纖維頭縮回到起保護作用的不銹鋼針頭中，然后拔出針頭完成萃取過程。對于揮發性高的組分，還可采用頂空-SPME的操作方式完成萃取。

（2）解吸過程    在此過程中，濃縮在涂層中的組分脫附進入分析儀器完成分析。在GC分析中采用熱解吸法來解吸被萃取物質，將已完成萃取過程的萃取針頭插入氣相色語儀的選樣室內。壓下活塞，使萃取纖維暴露在高溫載氣中，并使被萃取物不斷地解吸下來，進入后續的氣相色譜分析。解吸的難易程度主要由被萃取物質與萃取頭作用力大小來決定，最佳解吸條件可由解吸量相對解吸溫度及解吸時間的解吸曲線來確定。解吸溫度通常為150～250℃，時間通常為2～5min。對于難解吸的目標組分，需要較高的解吸溫度；如果組分在高溫下易分解，可在進樣口采用程序升溫方式進行解吸。如果分析儀器為HPLC，則需要使用做量溶劑洗滌取纖維頭來進行解吸。

Fiber SPME裝置輕巧易拿，攜帶方便，非常適合于現場分析。石英纖維萃取頭可循環使用50～100次，在采用某些吸附涂層時，冷藏條件下樣品可在萃取頭上保存3天，這是SPE法無法實現的優點。

In- tube SPME是另一種SPME操作模式。它與 Fiber SPME的不同之處在于將吸附涂層涂覆在長50～60cm的石英毛細管內表面，或將涂有萃取固定相的一段石英纖維置于細管中，以此代替萃取器的針頭。目前常用的固定相有SPB-1、SPB-5、PTE-5、 Supelcowax和Omegawax250等。

除了SPME普追的優點外，in- tube SPME還具有以下優點：

①萃取柱可用常規的氣相色語毛細管柱，分析成本更低；

②萃取柱的內涂層厚度（0.1～1.5μm）遠遠小于萃取纖維頭的外涂層厚度（7～100um），使得萃取平衡時間大大加快；③脫附后無樣品組分殘留；

④取定相膜薄、交聯度高，在樣品解吸時由于固定相流失造成的系統“鬼峰”大大減少；

⑤可以采用長的毛細管萃取柱以增加萃取固定相來増大萃取吸附倍數；

⑥有大量不同固定相的商品毛細管柱可供選擇。

采用in- tube SPME裝置時，操作步驟同樣包括萃取和解析兩步。萃取時，樣品基質流經管內，其中的某些組分被吸附到管內的固定相上完成萃取過程，此步又有以下兩種萃取模式：靜態萃取（樣品中的目標組分通過分子擴散富集到管內的萃取固定相中。萃取時固定相被保護在一個套管內浸入樣品中，靠分子擴散實現萃取）和動態萃取（樣品動態地流過萃取管，目標組分通過分子擴散或對流擴散轉移到管壁上的萃取固定相內。因為流動狀態下對流擴散的速度很快，達到萃取平衡所需的時間相對較短，該模式被較多地使用）。解吸時，用少量溶劑注入管內進行目標組分的洗脫，或利用載氣吹掃熱解吸。由于接口技術的問題，目前in-tube SPME多與HPLC聯用。

一般來說，影響SPME萃取效率和精確性的因素包括：石英纖維萃取頭涂層的選擇；溫度、攪拌條件、樣品體積和頂空體積，以及萃取時間；樣品基質中的無機鹽和pH值；待分析物質的損失，主要包括待分析物質在瓶壁上的吸附，從瓶蓋的泄漏和瓶蓋的吸附等。其他因素如樣品中蛋白含量、操作因素等也對萃取效率有一定影響。

SPME是一種平衡狀態下的技術，對于定量分析必須標定。分析氣體樣品時，可以很快達到苯取平衡，因此只要在同一溫度下對已知的標樣用SPME法測定，測出該溫度下的分配系數，就可對未知的氣體樣品進行定量分析。對于較簡單的液相樣品（有機物質量分數小于0.1％），可用外標法定量測定。對于復雜樣品，如固體樣品，由于樣品基質等因素的影響，用外標法有時效果不一定很好，這時可用標樣加入法，也可用內標法，不過內標物在測試溫度下的分配系數必須與待測物非常接近，否則會帶來系統誤差。

和SPE相比，SPME方法體積更小，更易操作，更易與色譜儀器，尤其是氣相色譜儀實現在線聯用。如能有效提高萃取容量，增加萃取涂層的種類，進一步擴大方法的使用范圍，其應用前景將更為廣泛。

 二、攪拌棒吸附萃取

攪拌棒吸萃取法（ Stir Bar Septive Extraction，SBSE）與SPME原理類似，不同之處在棒吸附蘋取法于它將攪掉棒直接置于液相基質之中，利用攪拌棒表面的固定相涂層對基質中的待測組分進提取。此法對水相樣品中痕量或超痕量的有機物的富集吸附有獨特的優勢，而且特別適合氣相色譜聯用，目前應用最為成功的領域包括天然水和輕度污染水等環境樣品、酒類和蔬等食品中污染物和農藥殘留、活性成分、風味物質等的定性定量分析。

SBSE方法的操作步驟也和SPME類似，分為萃取和解析兩步。在磁性攪拌棒的玻璃層表面涂覆固定相涂層制備攪拌棒，然后置于液相基質中進行磁力攪拌以實現吸附平衡。隨后可以從液相基質中取出攪拌棒，無需其他任何處理，只要置于熱解析裝置中，就可以實現和GC或GC-MS的在線聯用，完成樣品萃取-脫附-儀器分析的全部過程，大大縮短樣品預處理時間和人工操作流程。

目前最為常用的固定相為聚二甲基硅氧烷PDMS，因此適用的樣品主要為水相基質中非極性或中等極性的揮發性和半揮發性組分。SBSE的攪拌棒長度一般為1～4cm，PDMS涂層的厚度一般為0.3～1mm，可推算攪拌棒上PDMS涂層的總體積為55～220uL。不難理解，在其他條件相當的前提下，因為SBSE比SPME的固定相涂層的體積大很多，SBSE比SPME的萃取效果更好，方法的靈敏度更高。但相應的，用SBSE處理同樣的樣品需要遠比SPME更長的時間才能達到萃取平衡。

另一種操作方式稱為連續攪拌棒吸附萃取法。在同一樣品基質中，先用一個攪拌棒進行吸附率取，然后在基質中加入適當添加劑，如無機鹽，用另一個攪拌棒再次進行吸附萃取之后將兩個攪拌棒放入同一個脫附襯管中同時進行熱解析，兩次萃取的樣品組分同時進入氣相色譜儀進行分析。這樣操作顯然能顯著提高方法的回收率、重現性和普適性。

同SPME一樣，影響萃取效率的主要因素也包括溫度、攪拌條件、樣品體積、萃取時間、樣品基質中的無機鹽和pH值等。另一方面，受限于PDMS的選擇性，SBSE方法對于極端復雜基質，或是極性目標組分的萃取效率還不夠理想。如果待測組分是極性物質，可在樣品基質中增加鹽類添加劑以提高萃取效率。或者考慮増加衍生化步驟，改變目標組分的極性有兩種進行衍生化的手段，一種稱為樣品內衍生，是先將樣品進行衍生化處理后再用SBSE進行萃取：另一種稱為棒上衍生，將衍生化試劑吸附在攪拌棒上，然后進行萃取，這時率取和行生化反應將會同時進行。有一些發展新型涂層的嘗試獲得了良好的效果，如PDNS乙一醇共聚物涂層在保留對非極性組分的非選擇性保留外，還對酚類等極性物質有較好的萃取效果。此外也有研究致力于發展鍵合聚乙二醇硅酯涂層或活性炭涂層，并成功應用于環境樣品中氯酚、苯系物和內代烴的提取。

SBSE方法發展的熱點在于發展新型固定相涂層，要么是具有更低的制備成本，更好的批次重現性，熱穩定性良好，耐受多種溶劑，機械強度更高，通用性更好等特點的固定相:要么是針對某類特殊樣品具有特殊選擇性的專用型固定相。如能在此方面有所進展，加上方法本身固有的靈敏度高，操作簡便，儀器簡單，無需額外昂貴設備，不使用有機溶液，易于和GC聯用等優點，其應用前景將會更加廣闊。