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固相微萃取原理及使用_图文

固相微萃取技术(SPME)

主要内容
一.概述 二.SPME的原理 三.SPME装置及萃取步骤方法 四.SPME的影响因素 五.SPME与分析仪器的联用技术 六.SPME的应用 七.SPME的发展前景

一、概述
与固相萃取技术相比其特点: 固相微萃取操作更筒单、 携带更方便、操作费用也更 加低廉,另外克服了固相萃 取回收率低、吸附剂孔道易 堵塞的缺点,因此成为目前 所采用的试样预处理中应用 最为广泛的方法之一。SPME 已开始应用于分析水、土壤、 空气等环境样品的分析。

一、概述
固相微萃取(solid phase microextraction)
? 1989年;Pawliszyn ? Supelco1993年推出了商品化的SPME装置 ? 1995年Pawliszyn等;空气中苯系物分析;SPME在气相 色谱中快速进样装置; 萃取丝内用CO2冷却装置 ? 1997年Pawliszyn等;测定病人呼吸气中一些成分的 SPME萃取装置

? 2001年Pawliszyn等;便携式SPME装置
? 2004年Pawliszyn等;加装聚四氟乙烯密封盖的便携式现 场测试用SPME装置

? 2007年;96个SPME微阱盘自动化进样装置

二、SPME的原理
以熔融石英光导纤维或其它材料为基体支持物,采 取“相似相溶”的特点,在其表面涂渍不同性质的高分 子固定相薄层,通过直接或顶空方式,对待测物进行提 取、富集、进样和解析。 然后将富集了待测物的纤维直接转移到仪器(一般是 GC,或HPLC)中,通过一定的方式解吸附(一般是热解 吸,或溶剂解吸),然后进行分离分析。

二、SPME的原理
固相微萃取法(SPME)的原理与固相萃取不同,固相微 萃取不是将待测物全部萃取出来,其原理是建立在待测物在固 定相和水相之间达成的平衡分配基础上。 设固定相所吸附的待测物的量为WS,因待测物总量在萃取 前后不变 ,固得到:

C0?V2=C1 ?V1+C2 ?V2

(1)

式中, C0是待测物在水样中的原始浓度; C1 、 C2分别为 待测物达到平衡后在固定相和水相中的浓度; V1 、 V2分别为 固定相液膜和水样的体积。

二、SPME的原理
吸附达到平衡时,待测物在固定相与水样间的分配系数K 有如下关系:

K= C1 / C2

(2)

平衡时固相吸附待测物的量WS= C1 ?V1,固C1 = WS / V1 由式(1)得: C2= ( C0 ? V2– C1 ? V1 ) / V2 将C1、 C2代入式(2)并整理后得: K= WS ? V2/[V1? ( C0 ? V2 – C1 ? V1 ) ]

= WS ? V2/( C0 ? V2 ? V1 – C1 V1 2)
由于V1? V2,式3中C1 ? V1 2可忽略,整理后得: WS =K ? C0 ? V1 (4)

(3)

二、SPME的原理
由式(4): WS =K ? C0 ? V1 ,可知WS与C0呈线性关系,并 与K和呈正比。决定K值的主要因素是萃取头固定相的类型,因 此,对某一种或某一类化合物来说选择一个特异的萃取固定相 十分重要。萃取头固定液膜越厚, WS越大。由于萃取物全部进 入色谱柱,一个微小的固定液体积即可满足分析要求。通常液 膜厚度为5-100um,这一已比一般毛细管柱的液膜厚度(0.21um)厚得多。

三、SPME装置及萃取步骤方法
该装置类似微量注射器, 由手柄和萃取头(纤维头)两 部分组成。萃取头是一根长约 1cm、涂有不同固定相涂层的 溶融石英纤维,石英纤维一端 连接不锈钢内芯,外套细的不 绣钢针管(以保护石英纤维不 被折断)。手柄用于安装和固 定萃取头,通过手柄的推动, 萃取头可以伸出不锈钢管。

三、SPME装置及萃取步骤方法

萃取步骤
SPME方法是通过萃取头上的固定相涂层对样品中的待测物进行萃 取和预富集。SPME操作包括三个步骤:A涂有固定相的萃取头插 入样品或位于样品上方;B待测物在固定相涂层与样品间进行分配 直至平衡;C将萃取头插入分析仪器的进样口,通过一定的方式解 析后进行分离分析。

三、SPME装置及萃取步骤方法
萃取方法
? 直接法(Di-SPME) 适合于气体基质或干净的 水基质
? 顶空法(HS-SPME) 适合于任何基质,尤其是直接SPME无法处理的脏水、油脂、血液、 污泥、土壤等 ? 膜保护法(membrane-protected-SPME) 通过一个选择性的高分子材料膜将试 样与萃取头分离,以实现间接萃取,膜的 作用是保护萃取头使其不被基质污染, 同时提高萃取的选择性。 ? 衍生化法(derivatization SPME)

? 冷SPME法(cooled SPME)

四、SPME的影响因素
萃取温度
? 温度是直接影响分配系数的重要参数 ? 升高温度会促进挥发性化合物到达顶空及萃取纤 维表面,然而SPME表面吸附过程一般为放热反应, 低温适合于反应进行

四、SPME的影响因素
萃取时间
? 不同的待测物达到动态平衡的时间长短,取决于物 质的传递速率和待测物本身的性质、萃取纤维的 种类等因素。 ? 挥发性强的化合物在较短时间内即可达到分配平 衡,而挥发性弱的待测物质则需要相对较长的平 衡时间。

四、SPME的影响因素
搅拌强度
? 增加传质速率,提高吸附萃取速度,缩短达到平衡的 时间 ? 磁力搅拌,高速匀浆,超声波。采取超声振动就 比电磁搅拌达到平衡的时间大大缩短

四、SPME的影响因素
盐效应
? 盐析手段(加NaCl或Na2SO4)可提高本体溶液的离子 强度,使极性有机待萃物(非离子)在吸附涂层中的K值 增加,提高萃取灵敏度

溶液pH值
? 对不同酸离解常数的有机弱酸碱选择性萃取。溶液 酸度应该使待萃物呈非聚合单分子游离态,使涂层与 本体溶液争夺待萃物的平衡过程极大的偏向吸附涂 层

四、SPME的影响因素
衍生化
? 减小酚、脂肪酸等极性化合物的极性,提高挥发 性,增强被固定相吸附的能力。 ? SPME前衍生和SPME后衍生

萃取头的选择
? 固定液涂渍在一根熔融石英(或其他材料)细丝表面 构成萃取头 ? 内部涂有固定相的细管或毛细管,这种设备称为 管内SPME(in-tube SPME)

四、SPME的影响因素
涂层
SPME萃取过程依赖于分析物在涂层和样品两相中的分配 系数,因此萃取的选择性取决于涂层材料的特性,故涂层材料 是SPME技术的核心。 涂层的选择和设计可以基于色谱经验,一般来说,不同种 类的分析物要选择不同性质的涂层材料,选择的基本原则是 “相似相溶”。选择涂层时应注意: ? 对有机分子有较强的萃取富集能力 ? 合适的分子结构,有较快的扩散速度 ? 良好的热稳定性

涂层介绍
涂层的体积(厚与薄)也决定方法的灵敏度。 涂层所使用的主要材料: 聚二甲氧基硅烷(PDMS)、二乙烯基苯(DVB)、聚乙二醇 (CW)、聚丙烯酸酯(PA) 商品化涂层 一般可以分为非极性、中等极性和极性3种涂层 非商品化涂层 到目前为止,科研工作者已开发了多种具有优良性能的涂层

四、SPME的影响因素

四、SPME的影响因素
其他非商品化涂层 ? 溶胶-凝胶技术(Sol-Gel) TPA(3-氨丙基三乙氧基硅烷)和DDP (二乙氧基二苯硅烷) ? 纳米结构二氧化铅(附着于铂丝上)

四、SPME的影响因素

Ali Mehdinia, Mir Fazllolah Mousavi, Mojtaba Shamsipur. Nano-structured lead dioxide as a novel stationary phase forsolid-phase microextraction. Journal of Chromatography A 1134 (2006)

四、SPME的影响因素
主要特点
? 集取样、萃取、浓缩和进样于一体,操作方便, 测定快速高效。 ? 无需任何有机溶剂,是真正意义上的固相萃取, 避免了对环境的二次污染。 ? 仪器简单,适于现场分析,也易于操作。

缺点
? 定量检测精确度不高; ? 可重复性不高; ? 商业可用负载聚合物品种少。

四、SPME的影响因素

五、SPME与分析仪器的联用技术 ? SPME-GC技术

? SPME-HPLC技术
? SPME-MS技术 ? SPME/EC联用

固相微萃取与气相色谱技术的联用
SPME-GC SPME与GC联用是研究最早也是目前 发展得最成熟的技术。这一领域的研究目 前主要集中在接口研制、萃取头的制备。 采用顶空法(headspace),吸附具有 挥发性或半挥发性的化合物;再在GC的气 化室里脱附气化进行分析。

缺点:适用的范围较窄;挥发/半挥发物( 20%);不能分析生物大分子;对温度敏
感的物质(如蛋白质)。

固相微萃取与气相色谱技术的联用
使用SPME-GC 联用分析US EPA 524. 2 方法规 定的挥发性气体样品的情况
利用该方法有 效地分离出了 60 种化合物

固相微萃取与液相色谱技术的联用
SPME-HPLC
SPME技术也已成功地与HPLC联用 并应用于非挥发性/离子型金属化合物形 态分析,这为在GC条件下难以分析的试 样中半挥发性和非挥发性待测物的分析 提供了可能性。SPME与HPLC联用的关 键在于SPME的解吸过程是否能与HPLC 的进样系统匹配,即能否使解吸液的体 积足够小,以避免在进样后产生明显的 柱外效应或出现超负荷现象而导致色谱 峰拓宽,使分辨率下降,直接影响分析 的灵敏度。

固相微萃取与液相色谱技术的联用
萃取头直接接触样品,等到吸附 平衡后,在送入到进样器内进行脱附 后分析。 这种联用技术正好和SPMEGC互补。

缺点:吸附平衡时间长, 脱附条件不易优化,

capilary coated polymeric material

萃取头负载材料可用的不多。

固相微萃取与液相色谱技术的联用

固相微萃取与液相色谱技术的联用
SPME-HPLC-MRM分析环境水中的雌激素
XDB-C8 (50mm×2.1 mm), 0.01% 氨水/乙睛 (60/40), 0.2 mL/min. Supel-Q PLOT(60 cm×0.32mm, 厚 12 um) 萃取柱; 40μl 样品, 100ul/min,20 次反复萃 取, 搬阀进样。线性范围:10 200 pg/ml (r≥0.9996), 检测限 2.7 to 11.7 pg/ml. 86% 回收率,RSD 0.9–8.8%.
ESI(-) ,MRM,five 50 pg/mL 雌激素标样

雌激素酮, 17-雌二醇,雌激素三醇, 乙炔基雌二醇 和二乙基已烯雌酚

K. Mitani et al. / J. Chromatogr. A 1081 (2005) 218–224

固相微萃取与质谱技术的联用

固相微萃取与质谱技术的联用

Pesticides analysis by SPME/Ion Trap MS

SPE、SPME的简单比较

SPE
待测物被介质萃取 洗脱非待测成分 换洗脱液洗脱待 测成分

SPME
待测物被介质萃取

待测成分解吸附 (无须clean-up)

SPE
吸附剂可能吸附 非待测成分 Break-through 现象 封闭式

SPME
吸附剂一般不吸附 非待测成分 平衡式萃取,无 此现象 开放式

∴(micro)SPE≠SPME

六、SPME的应用
? ? ? ? 在环境水、气中痕、微量有机物吸萃分析 在食品添加剂中香味成分的分析应用 在法医、临床检验中的分析应用 在金属离子及其螯合分析中的应用

六、SPME的应用

六、SPME的应用
例1 Direct comparison of solid-phase extraction and solidphasemicroextraction for the gas chromatographic determination of dibenzylamine in artificial saliva leachates from baby bottle teats(G. Niessner, C.W. Klampfl,Analytica Chimica Acta , 414 (2000): 133–140)

SPE

SPME

例2. 固相萃取搅拌棒萃取-气相色谱分析海水中的多环芳烃 固相微萃取( SPME) 是一种无溶剂萃取技术,对PAHs的富集倍数 一般在103 以内,但是定量重复性较差。固相萃取搅拌棒( SBSE)是在 SPME基础上发展的一种新技术,萃取时吸附搅拌棒自身完成搅拌,可 避免SPME中搅拌子对PAHs的竞争吸附;同时,由于SBSE中的PDMS 萃取固定相体积一般为50~250μL,比SPME所用固定相量大50~500 倍,表面积也提高100倍,因此提高萃取量50倍以上,更适合痕量有机物 的萃取富集。 利用固相萃取搅拌棒( SBSE)萃取海水中的多环芳烃,然后用热解 吸脱附-气相色谱分析。研究了萃取时间、添加NaCl浓度对萃取效 率的影响。实验结果表明, SBSE方法对16种多环芳烃的萃取回收率 分别在33. 5%~122. 4%之间;对标准样品的检出限为2. 74~13. 5 ng/L;方法RSD为3. 8% ~13. 1%。用此方法测定了大连海岸海水中 的多环芳烃含量。

例3.自制固相微萃取装置- 气相色谱法测定空气中痕量苯 1、萃取头:自制的固相微萃取装置: 选取日本产的2HSAKURA 的2H0.3mm 的自动铅笔芯作萃取头。因为铅笔芯本身就是石墨 化活性炭纤维, 它是优良的固体吸附剂, 可以吸附多种气体和有 机物质, 并且它的吸附作用是范德华力作用的结果, 不会跟有机 物相互作用。同时, 使用寿命较长。 具体的处理方法如下:将铅笔芯放入50%的HF溶液中浸泡24h 后,取出冲洗;放入马弗炉中高温( 500℃)煅烧4~5h,取出用水冲 洗。经过一系列处理后,萃取头通过一次性注射器的针孔,用强力 胶固定在推杆上,能自由伸缩,待用。

2、采样:自制的固相微萃取装置经老化后, 直接对一新装饰的房 间(一星期内无人居住)进行现场吸附取样, 室内温度20℃, 湿度 60%。

3、结果和讨论:对影响SPME的因素(空气柱、萃取时间、解吸 时间和温度)进行了讨论;对所建立的方法进行了系统评价,结果 表明:建立的方法对空气中苯的测定具有良好的线性关系( 相关 系数R=0.9998), 检出限为0.01mg/L,3个含量点的相对标准偏 差在允许的范围7%以内, 回收率为98.18%。

例4. 固相微萃取-高效液相色谱联用测定环境水样中双酚A 的自 由溶解态浓度(胡霞林等,分析实验室,2006,25(7):1417) 自由溶解态浓度( Freely Dissolved Concentration) 是自由溶解 在水相, 而不与任何介质或系统组分结合的物质的浓度。它不仅 与分析物的总浓度有关, 而且与基体介质浓度和容量, 及其对分 析物的亲和力相关。研究表明, 化合物的自由溶解态浓度是其在 环境中迁移和分配, 以及在生物中累积的驱动力, 是解释化合物 的可给性的关键参数。因此, 自由溶解态浓度的测定越来越受到 环境科学工作者的重视, 并已经发展了多种分析方法。 双酚A(BPA) 是一种内分泌干扰物, 它的长期低剂量暴露对生 物的影响是当今环境化学研究的热点问题之一, 测定环境中BPA 的自由溶解态浓度, 对其环境化学行为研究和风险评价具有十分 重要的意义。

1、仪器:高效液相色谱系统(美国安捷伦公司) , 由Agilent 1100 型单元泵和Agilent 1100 型荧光检测器组成; SPME-HPLC 接口、 手动57331 型固相微萃取纤维手柄、商品固相微萃取纤维50 μm CWPTPR (美国Supelco 公司) 。SPME-HPLC 接口由一个 Rheodyne 六通阀和一个60μL 解吸室构成, 该解吸室取代了一般 液相色谱仪中的进样环。

2、实验方法:在100 mL 萃取瓶中加入搅拌磁子和100 mL分析 液, 盖上带有聚四氟乙烯隔膜的有孔盖子,将SPME 不锈钢针管 插入瓶中, 推出萃取头, 调节萃取头的位置, 使搅拌磁子在搅拌时 不会损伤萃取头, 且萃取头完全浸入溶液中。萃取4 h 后, 收回并 取出萃取头, 插入解吸室进行动态解吸测定。

3、实验结果:。在环境水样常见pH(5~8) 、缓冲容量(5~200 mmol/L) 和盐度(0~500 mmol/L) 条件下, 4h 可以达到萃取平衡。 100 mL 样品足以避免样品耗损。 pH 为6. 4 时, 方法的线性范围为0. 1~250μg/L , 检出限为0. 03μg/L , 相对标准偏差(5μg/L , n = 3) 为1. 1 %。采用本方法测 定了污水处理厂排水口的双酚A 的自由溶解态浓度。

例5.固相微萃取- 气相色谱- 质谱联机测定饮用水中的嗅、味化 合物
近年来饮用水的水质问题已成为国内外研究的热点。原水水 质不断恶化与不断提高的出水水质之间的矛盾日益突出。我国 生活饮用水卫生标准中对水的嗅、味做了规定,但是对产生嗅、 味的化合物没有做出具体说明。虽然某些嗅、味的来源与工业 污水或消毒工艺的副产品有关,但用户的意见主要是自然发生的 嗅、味,特别是土腥味和霉烂味。 针对产生嗅、味的化合物进行分析,确认带有土腥味和霉烂味 的两种主要化合物是土味素(geosmin)和2 - 甲基异冰片(MIB) 。 这些有机物是放线菌和兰- 绿藻的代谢产物,嗅阈浓度很低。

1、仪器与试剂:saturn 2200 瓦里安GC - MS 气相色谱- 质谱联机; 采用电子流轰击离子化( EI) 和离子阱检测器(EITM) ;PC - 420 型 SPME 固相微萃取操作平台;微型磁转子(美国SUPELCO 公司) , SPME 装置的萃取头为75μm Carboxen 萃取头(PK/ 3) 2、试验方法:在容积为40mL 的萃取瓶中加入10. 0g NaCl 、一个 转子和30mL 样品溶液或待测水样,立即用带有硅橡胶垫的瓶盖封 闭。如果水样的pH 值不在5. 0~7. 0 之间,用稀HCl 或稀NaOH 预 先调整。将固相微萃取装置的不锈钢针管插入瓶中,设定温度为 60 ℃,调节转速为1500r/min,,推出萃取头,调节萃取头的位置, 使 其接近液面, 但不能浸入溶液。30min 后收起萃取头,拔出针管,迅 速插入气相色谱汽化室内进行热解析,并进行GC - MS 分析。

3、结论:本文采用SPME - GC - MS 方法对饮用水中的嗅、味化 合物进行分析,方法简便,检出限低,并打出最佳的检测条件:萃 取头涂层为arboxen ;顶空萃取法的萃取量为浸入式的2 倍;萃取 平衡时间30min ;搅拌速度为1500r/min ;pH 值为5.0~7.0 ;温 度为60 ℃。

例6. 固相微萃取-气相色谱/质谱( SPME-GC/MS) 联用分析海水 中痕量有机磷农药

1、实验方法:取8ml萃取液置于15ml萃取瓶中, 加入磁力搅拌子 (长约1cm, 直径约3mm) , 用顶端带有孔和聚四氟乙烯隔垫的盖子 密封, 电磁搅拌, 将SPME萃取纤维(85μm厚涂层的聚丙烯酸酯) 直 接插入萃取瓶中, 保持涂层完全进入水相, 萃取针套管的其它部 分不与萃取液接触, 防止水进入萃取针管. 在室温下萃取30min , 将SPME直接插入GC进样口热解吸10min, 用GC-MS进行定性与 定量分析。
该法简便、高效、无需有机溶剂,适合于海洋水体中痕量有 机磷农药的分析。

2、SPME条件的选择:
萃取涂层:聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和聚丙烯酸酯( PA) 两种萃 取头由于极性不同, 对有机磷杀虫剂的萃取效果也不同. 研究表 明: 各有机磷化合物对应的PA 的响应值普遍高于PDMS , 这是因 为OPPs为极性化合物, 与极性PA 涂层有较大的吸引力。 由于PA 对甲基对硫磷和毒死蜱有更好的萃取效率, 因此, 选择PA萃取涂 层。两种萃取纤维对于乐果基本表现不出富集效果。 萃取时间:根据SPME的非平衡理论, 在达到SPME萃取平衡之前, 如保持操作条件一致, 纤维上待测物的含量正比于其在水相的初 始浓度, 因此, 可进行定量分析。由于敌敌畏易水解, 且随温度升 高, 分解速度加快, 综合考虑灵敏度和分析速度, 选择30min萃取 时间, 在室温20 ±2℃下进行实验。

图1. SPME萃取的海水空白GC-MS图

图7. SPME萃取添加有机磷混标的天然海水GC-MS图

例7. 固相微萃取GC-MS快速分析火场残留物中的汽油成分 火场残留物如碳灰、烧残物等通常经过样品预处理后进 行分析鉴定。传统的样品预处理方法往往操作繁琐、费时、 重复性差,而且往往需要用大量有机溶剂,不利于分析人员 的身体健康,对环境也造成一定污染。 通过控制SPME萃取头固定相的极性、取样时间、萃取温 度等萃取参数,可实现对火场残留物汽油成分的高重复性、 高准确性的测定,最小检测限可达ppm级。

1、实验仪器:

2、样品采集:

将93号汽油2滴滴入500g砂土中,采用100um聚二甲氧基硅氧 烷萃取头,按前述样品采样方法进行采样测定,获得相应的总离 子流色谱图,图1,鉴定了其中13种化合物。 分别取两个火灾现场进行分析。火灾现场残留物分别按前述 样品采集方法进行采样测定,获得相应的总离子流图,图2、图3, 将其与汽油标样的总离子流图(图1)进行对比。 3、结论:

七、SPME的发展前景
? 随着SPME-联用技术的发展及SPME本身 和萃取方式的改进,经过分析工作者和厂商 的努力, SPME与分析仪器联用的适用性也 会逐步扩大和成熟。SPME、联用技术以及 理论研究必将会有大的发展,成为环境、医 药、生物材料、食品、精细化工、农业等 领域实验检测的有力手段。

The End!