固相微萃取及相关联用技术应用进展

董玉瑛，胡梦乔，邹学军，张瑾刚

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605；2.康宁公司 生命科学部，马萨诸塞 波士顿 01801)

存在于不同基体样品中的痕量物质具有复杂性、多样性和含量低等特点，因此对其前处理技术和分析方法提出了较高的要求，样品前处理不仅复杂、耗时，而且直接影响分析结果的准确性，使得样品前处理成为整个分析过程中的关键环节，发展快速、高效、高选择性、环境友好的样品前处理技术成为研究重点。固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)是在固相萃取技术基础上发展起来的新型绿色前处理技术，能够有效解决固相萃取和其他传统样品预处理技术存在的易堵塞、产生沟流等问题[1-3]。

SPME与气相色谱、高效液相色谱、气质联用技术等分析技术联用，为不同目标化合物的分析提供了有力手段，已广泛应用于气体、液体和固体中的挥发性、半挥发性和难挥发性物质的萃取、富集和分析[4-5]。

1 SPME基本原理

固相微萃取的理论发展分为两个阶段，第一阶段是早期的平衡理论[6-7]，第二阶段是近期的非平衡理论[8]。平衡理论认为在吸附过程中固-液或固-气相之间建立了吸附平衡，理论基础是基于待分析物在样品基质和纤维头之间的分配系数(K)，假设ns为达到平衡时溶液中某物质的量，nf为平衡时纤维头涂层中溶解的物质的量，Vs为样品溶液的体积，Vf为萃取头固定相涂层的体积，则在一定温度下该物质的分配系数为

(1)

在使用某种液体高分子涂层进行萃取时，萃取平衡态下和萃取前的待分析物的总量n0应保持不变。

n0=C0Vs=ns+nf；

(2)

ns=C0Vs-nf。

(3)

式中，C0为样品中待分析物的初始浓度。将式(3)代入式(1)，则

(4)

当KVf<

nf=KVfC0。

(5)

式(5)表示当吸附达平衡时，涂层吸附的待分析物的量(nf)与样品中该物质的初始浓度(C0)之间呈线性关系，且与样品溶液的体积(Vs)无关。通过检测分析物的量nf，即可推测该分析物在样品中的初始浓度C0。

应用非平衡理论可描述在一定时间内，由于慢传质过程，未能完全达到平衡前的某一状态。考虑到分析物在两相中的扩散过程，它被扩散到固相涂层的量

(6)

式中：A为涂层的表面积；m1和m2分别为分析物在试样和在固相涂层中的质量传质系数(m=Dδ，D为扩散系数，δ为涂层的厚度)。

采样时，不一定要求分析物完全被萃取或一直进行到平衡的建立，只要求在严格条件下获得可靠且稳定的响应值与浓度之间的线性关系。当吸附时间无限长时，则得到吸附平衡，此时所得到的结果与平衡理论是一致的。

2 SPME常见类型

纤维头式固相微萃取(Fiber-SPME)是最早的固相微萃取技术，之后又相继出现管内固相微萃取(In-Tube-SPME，IT-SPME)、搅拌棒式固相微萃取(Stir Bar Sorption Extraction，SBSE)，使得富集倍数和萃取效率都得到进一步提高。

2.1 纤维头式固相微萃取技术

Fiber-SPME是在1990年由Pawlisayn教授首次提出[9]，是目前发展最成熟的SPME技术。它由纤维头、可移动手柄和形如色谱微量注射器的装置组成，其结构如图1。纤维头是表面涂有不同类型吸附剂的熔融石英纤维，可根据样品极性选择不同涂层材料[10-11]。因为石英纤维脆弱易断，所以外部有不锈钢管包覆用来保证纤维头在通过样品瓶胶垫时不易折断，手柄则用来安装和固定纤维头。

1-手柄；2-活塞；3-外套；4-活塞固定螺杆；5-沟槽；6-连接器观察窗口；7-可调解针头导轨/深度标记；8-隔垫穿孔针头；9-纤维固定管(不锈钢丝)；10-纤维涂层

图1 Fiber-SPME装置结构

Fiber-SPME的操作方式主要为手动和自动，操作过程分为萃取和解吸。萃取是通过纤维头对分析物质进行富集萃取，最终达到一个吸附平衡的状态。解吸则是将纤维头上所吸附的待测样品脱附，主要方式有热解吸和溶剂解吸，解吸后再联用分析仪器检测。

Fiber-SPME具有快速、操作简单、携带方便、适用性强、无毒无害、使用寿命长、可重复使用且使用溶剂量少等特点，但是效率偏低，重现性较差。

2.2 管内固相微萃取技术

IT-SPME由Eisert和Pawliszyn在1997年首次提出[12]，该技术采用石英柱或毛细管柱作为萃取介质的载体，将萃取固定相与毛细管的内表面交联键合。毛细管柱长度要适中，太短会导致萃取效率低，太长则可能在解吸时因为分散而出现展宽现象，一般萃取管柱的长度约为30～60 cm，体积约为1μL。

IT-SPME的解吸方式分为两种：一种为热解吸，即用注射器将样品缓慢注入毛细管柱，待萃取平衡后将水吹出，用石英压封接头将萃取柱与分析柱相互连接，放入气相色谱仪中热解吸；另外一种是溶剂解吸，操作方法为将水样用氮吹仪缓慢匀速地吹入毛细管柱中，再将水慢速的吹出萃取柱，用适当的溶剂注入到萃取毛细管柱中进行解吸，最后将解吸好的溶液注入气相色谱仪进行分析[13]。

IT-SPME具有萃取涂层薄，样品扩散迅速等特点，通常将IT-SPME与高效液相色谱和气相色谱联用，使用寿命较长，平衡时间短，价格便宜。

2.3 固相微萃取搅拌棒技术

SBSE是2001年由比利时教授Pat Sandra提出的一种新型的固相微萃取技术[14]。SBSE搅拌棒结构如图2，内部为装有铁丝的封闭玻璃管搅拌磁子，管外涂有固相微萃取涂层，其长度一般为10～40 mm，涂层厚度0.1～1.0 mm，涂层材料一般为高纯聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

图2 SBSE搅拌棒结构

2.4 SPME和SBSE的方法比较

采用具有PDMS涂层的SPME和SBSE方法，富集萃取不同疏水性物质的回收率情况如图3。当使用SPME时，在待萃取物质正辛醇-水分配系数Kow<10 000时，回收率偏低；Kow>10 000时，其回收率可达到50%。当使用SBSE时，回收率在待萃取物质Kow>100时即可达到50%，且在Kow为1 000时，其回收率接近100%。可见，在相同条件下SBSE萃取效率更高，可用来萃取Kow在100～10 000的物质，适用于痕量化合物的分析，这大大扩展了固相微萃取的适用范围。

图3 SBSE和SPME回收率与Kow的关系

3 SPME与其他前处理技术的比较

SPME已被美国环保署正式列入标准方法，质量管理体系和美国材料试验协会也将该方法应用到常规分析的监管[15]。将液液萃取、固相萃取、吹扫捕集和固相微萃取对等量的样品进行前处理分析比较[16-20]，处理过程与结果见表1。

固相微萃取方法简便易操作，使用的样品和溶剂较少，更利于环保，且检出限低于其他方法，说明该技术更加灵敏使用范围更广泛。此外，固相微萃取还具有安全高效和便于与其他仪器联用等众多优点，使得它成为目前应用广泛的样品预处理方法。

4 SPME与其它相关联用技术的应用

4.1 在食品分析中的应用

复杂的基体组成成分是食品类样品的主要特点之一，也是样品中痕量或微量组分分析的主要干扰因素。根据实验目的选取合适的固相微萃取纤维头或不同的固相微萃取类型，即可显著减少或避免对基体的预处理操作，并在复杂的基体中简便、快速地提取样品。将固相微萃取与GC-MS联用即可简单高效地为化合物组分进行定性定量分析。

刘晓慧等[21]应用固相微萃取技术制备黄茶香气精油，根据选取固相微萃取纤维头的种类、萃取温度、吸附和解吸时间对复杂的黄茶香气物质的种类和总量进行分析。实验采用DVB-CAR-PDMS固相微萃取纤维头，在80 ℃下吸附1 h后达到最佳吸附效果。共检测出108种黄茶香气成分，其物质种类由高到低依次为烃类32种、酯类20种、醇和醛类各17种、酮类8种、含氧和含氮化合物各4 种、酸类3种、含硫化合物2种、酚类1 种；其含量以脂肪族烃、醛类较多，而萜烯类以及芳香族化合物较少。可见，固相微萃取对于复杂的痕量物质萃取效率更高更全面，而与GC-MS联用即可较为准确的为化合物定性定量分析。华中农业大学的刘敬科[22]则分别选取 PA、CAR/ PDMS 和 DVB/CAR/ PDMS 3种纤维头提取熟鲢鱼肉的挥发性成分，并与气相色谱-质谱联用对挥发性成分进行分析鉴定。根据提取的挥发性成分差别，选取适宜的萃取头，3种萃取头共检测出77种挥发性成分。其中PA提取熟鲢鱼肉链长为C14～C23的高沸点物质较多；CAR/ PDMS 提取链长为C2～C8低沸点的物质较多；DVB/CAR/ PDMS提取链长为C2～C23的物质较多。由此发现，选取合适的固相微萃取纤维头至关重要，根据不同的纤维头即可全面提取化合物的多种挥发性成分。

管内固相微萃取克服了常规式固相微萃取纤维头易折断、低吸附量、萃取平衡时间长以及固定相涂层易流失等问题[23]，是未来更具发展潜力的固相微萃取形式。将管内固相微萃取与不同分析技术联用，在食品分析中的应用进行总结，见表2[24-26]。

表2 管内固相微萃取方法在食品分析中的应用

4.2 在环境污染分析中的应用

在环境污染分析中，因为如实反映环境质量现状、实时掌握污染物的浓度水平和分布范围至关重要，所以固相微萃取可进行原位采样分析和实验室分析的特点使得它在环境样品的采集和前处理过程中被广泛应用。目前已成为空气、水、土壤和沉积物样品等污染物分析检测中的首选方式。将SPME与GC或LC联用测定自来水、河流、海洋等不同基质中的有机物进行例举，见表3[27-30]。

表3 应用SPME测定水体中有机污染物

注：PA为聚丙烯酸酯；DVB为二乙烯基苯

赵寿堂等[31]采用SPME和GC-MS联用的方法，在不同类型的建筑中选择21所初装修和13所精装修的房间，对室内空气进行原位采样，分别检测出了74种和58种有机污染物，并发现在精装修房间中有机污染情况更加严重。清华大学环境学院采用则采用固相微萃取与气相色谱-质谱联用的方法，在北京各环设立原位采样站点，测定空气中PM2.5的16种多环芳烃(PAHs)，PAHs总质量浓度在290～1 812 ng·m-3之间，其中四环PAHs的总质量浓度最大(145～937 ng·m-3)。分子质量浓度较高的依次是荧蒽、芘和苯并荧蒽，其中PAHs的污染主要来源于化石燃料燃烧和机动车尾气排放[32]。

4.3 在生物医学分析中的应用

固相微萃取与高效液相色谱等联用技术在生物医学中的应用情况[33-36]见表4。

表4 管内固相微萃取方法在生物医学分析中的应用

在生物医学中，血浆样品采集一般采用液液萃取或固相萃取等常规样品前处理方法，这些样品前处理方法一般具有耗量大、使用有机溶剂较多等问题，且需结合其他样品进行净化处理，使得整个预处理过程复杂繁琐。Bermejo等[37]将SPME方法与液-液萃取(LLE)方法相比较，利用SPME-GC-MS联用技术对血中美沙酮及其代谢物2-乙烯基-1,5-二甲基-3,3-二苯基四氢化吡咯进行分析，检测了检出限、定量限和萃取浓度等指标，证明SPME完全可以替代LLE方法，并且克服了后者的不足。另有研究发现，一些有机物常与肺癌、肝病和心肌梗塞等疾病相伴，如果把SPME用于这些物质及类似物质的检测，就会极大地降低这些疾病的误诊率，将对医学诊断产生深远影响。Christoph Grote等[38]就曾用固相微萃取-气相色谱-质谱联用的方法从糖尿病患者呼出气体中检测到丙酮，检出限为50 mmol·L-1。这对于常规临床检查、流行病学的分析工作具有一定的应用价值。

5 展 望

建立SPME方法需要多个优化条件，包括纤维涂层的选择、萃取或采样模式选择、解吸条件、温度、pH值的确定以及定性定量分析方法等。SPME的使用和分析过程中需要确定及优化的条件如图4。

图4 SPME优化条件

随着基础理论的深入研究，固相微萃取与分析技术联用已经在样品前处理技术中高速发展，并在食品、环境和医学等方面都取得了优秀的成果。目前，该技术的发展前景有以下几个方面：

(1)开发选择性高，更加耐温和抗侵蚀的新型涂层，并在高效性和重现性上有所提升;

(2)将纳米技术应用到探针和萃取纤维上，用以开发可满足活体检测的SPME装置，摒弃传统处理方法中必须将体液或组织从活体中取下后才可进行分析的弊端;

(3)完善SPME与HPLC、GC、MS、CE和分子印迹聚合物等技术的联用，同时发展SPME与紫外可见吸收光谱(UV)、原子吸收光谱(AAS)等的联用技术。

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