司法毒物鉴定中SPME技术的应用

林颖悦 张 玉 陈家畅

河南文正检测技术有限公司，河南 郑州 450048

样品预处理是分离科学中至关重要的部分，特别是在生物样本的分离分析中，更是处于关键的地位。由于传统的样品前处理技术具有诸多限制，已无法再适应目前对于萃取的有关要求。如有机溶剂用量大，富集倍数较小，而且必须采用毒性较强和沸点较低的溶液，其固定与安全性将无法得到有效的保证。此外，在提纯流程中很容易产生乳化问题，提纯率低，重现性差，而且操作过程很复杂耗时，甚至于还会对分析物质造成不必要的损耗与破坏。而且由于无法同步完成批量试样的预处理工作，有能够提供使用的固相萃取吸附剂品种很有限，使用领域狭小等一些较严重的问题缺陷［1］。

一、固相微萃取（SPME）技术概述

（一）固相微萃取（SPME）技术的发展历程

固相微萃取（SPME）技术，由固相萃取（SPE）演变而来。1989年，Pawliszyn教授与Arthur等人最先研发出了固相微萃取（SPME）技术，固相微萃取（SPME）技术是一项新型的样本前处理技术，具备操作简便高效的优势。因此，该技术在20世纪90年代得到了广泛使用［2］。相对于SPME技术实现了多个操作的集成，包括采样、萃取、浓缩、进样、解析等环节。将SPME技术与传统的取样预处理技术做对比，显而易见的，SPME在操作上更加简易、耗费时间上更少，并且检测的效率以及分析灵敏度更高（测限可以满足μg/L～ng/L水平）。此外，SPME技术在检测过程中不用添加任何有机溶剂，更不需要额外的设备。因此，SPME技术所需设备更加简易，也更绿色环保。同时，SPME技术所需设备能够轻松实现与自动化GC、GC/MS、LC/MS/MS等仪器的联用，对于待检测样品，只要求很小的体积就可以，也没有对充分萃取和完全平衡的强制要求。诸多优点，使得该技术很快变成了行业内的主流样品全处理技术，在保健食品、医药分析、环境监测、法庭科学等应用领域都能看见该技术的身影。

（二）固相微萃取的工作原理

首先借助吸收效应，将在萃取纤维头表面的固定物质相对目标组分从基体中萃取出，并逐步富集，进而进行化学与气相色谱（GC）、有效液相分离色谱（HPLC）及气相色谱－质谱（GC-MC）联用，从而完成后续样品的分析检测。

在法庭科学范围内，因为刑事案件的侦破需要，往往要求对在作案当场发生的大量毒物、毒品和微量物证（火药残渣、助燃剂残渣、人类气息）、生物检材（鲜血、尿液、毛发、唾液、胃内容物等中的药品）进行检测分析。由于在任何的工作地点中都有产生多种干扰成分的可能性。所以，选择一项好的分离技术，也是保证鉴别结论准确的重要条件之一。对比过去的刑事案件化验中所使用的分离技术液液萃取法、固相萃取法等，由于这种技术的使用比较费人、费时、费力，而且使用了大量溶剂，容易污染工作环境，对作业人员身体健康也产生了一定影响。同时，对萃取液进行浓缩后，会很容易产生目的物质损失，使检测结果的正确水平也遭到了很大的影响。而SPME技术则可大大提高样本的分离效果、目标分析物质的纯化率，以及分析结论的准确性，因而可为刑事犯罪的侦查提供更准确的指向。

二、固相微萃取装置及主要操作方式

（一）固相微萃取装置

固相微萃取设备主要由手柄和萃取头所组成，萃取头通常为一条长度一厘米的熔融石英丝，外面则是涂有各种性质的固定相涂层。石英丝安装在一个不锈钢轴上，主要是用来确保石英丝不被打断，而不锈钢轴则和萃取样机直接连接。而固相微萃取的基本原理则是建立在萃取探头所吸附的待检测物质与样品的溶剂相或气体相之间达成的平衡分配基础上的。先选择富集试样中的待检测物质，再采用热解吸附或溶剂解吸附的方法，将待测物分离并迁移到检测设备中进行研究。固相微萃取设备在萃取试样时要首先将石英丝缩回针管内，用针管伸入取样盒的隔垫，随后再将涂有固定相涂层的探针显露于试样或顶空间，在萃取规定时间后将探针缩回到针管内，从取样盒中抽出针管，随后再将萃取头伸入解析设备的进样口，在经过解溶以后再开始分离分析。相较于一般固相含量萃取的吸附剂萃取流程，为了给数据的真实性和结果的再现性提供保障，保证萃取时间、萃取温度以及萃取头浸入深度的统一性，对于固相微萃取流程来说是十分关键的。在实际使用时，因分析物质通过萃取涂层表面的水膜达到萃取涂层的速率较慢，人们往往用超声振动、磁力搅动的方法加快这一进程。

（二）萃取操作方式的主要类别

SPME技术在萃取操作过程中，当下比较主流的方法大致包括直接浸入萃取式（不挥发组分）、顶空萃取式（易挥发组分）和膜保护萃取式（杂质干扰多的组分）三种类别。

1.直接萃取模式。直接萃取模式（Directimmersion，DI-SPME），即涂有萃取固化相的石英纤维被径直伸入到试样基体中，将目标组分径直从试样基体中迁移到萃取固化相中。直接萃取模式主要适合对不易挥发性的待测物以及较清洁的样品基质进行分析。

2.顶空萃取模式。顶空萃取模式（Headspace，HS-SPME），首先是将被解析组织成分先从液相渗透到气相中，再将被解析组织成分从气相迁移到提纯的固定相中。实际操作过程中，要将萃取物纤维和待测的样品按照一上一下的顺序摆放，然后借助待测样品的容易挥发性质，从顶空瓶上面将其吸收。顶空萃取模式能够减少化学杂质影响和对复杂基质干扰，主要适合对易挥发性的待测物以及较复杂的样品基质进行分析。

3.膜保护萃取。作为一个较新的分离技术，固相微萃取膜技术主要是利用定向合成的方式，把固相微萃取技术的吸附性与膜分离技术的选择性，进行有机结合。故膜保护萃取技术能够兼具固相微萃取技术的吸附性与膜分离技术的选择性。而这种方式多用于将具有复杂性、多样性、微量性以及未知性的物质进行分离。

在具体的试验过程中，对易挥发的被测试物质既可以直接萃取又可以顶空萃取的，则通常选择顶空萃取。因为顶空萃取时分析产物就能够更快弥散到萃取相上，和直接萃取时一样也可以更快获得萃取平衡，并能够更有效降低解析影响，因而增加了萃取头的寿命；难挥发性的物料，通常使用直接萃取法；而针对主要存在于液体当中的分析物料，直接萃取方法相较顶空萃取更为灵敏。

三、SPME的涂层材料发展及联用技术

（一）SPME的萃取涂层发展

涂层材料的结构特性和设计方案是固相微萃取技术研发的核心，材质的构造和特性影响着SPME萃取的可能性和适用范围，也在极大程度上决定着整体研究结论的正确性和敏感度。当下商品萃取头的种类非常少，也很难满足市场需要，尤其是对于某些产品选择性需要特别大的萃取，传统萃取头已不适合。

商品化涂层的问世，在较大程度上推动了固相微萃取头在食品、环保、药品、法医等方面的广泛应用。为了很好地解决当下萃取头的一些缺点与不足，如机械性能较差，热固定性表现差，选择性有限，对急性机制中的极性物质萃取利用率低下，以及价格高昂等缺陷，对于还面临着热固定性和机械性能较差、化学选择性较差、对急性机制中的极性物质萃取利用率低下、价格昂贵等各种问题，业内的研究重点聚焦于SPME涂层材料的研发。目前被用于研发涂层的材料丰富，包含分子印迹聚合物、离子液体、各类碳纳米材料、无机纳米材料、各种金属及有机框架物质等新材料。

其中，聚合离子液体在近年来，受到许多研究学者的重视。聚合离子液体是一类新兴SPME涂层材质，其热固定性好、蒸气压低、水解功能强。通常情况下，是借助水溶胶－凝胶法完成聚合离子液体SPME涂层物质的制备。

经过试验比较表明，由聚合离子液体制成的SPME涂层有良好的热固定性，其用途广泛、萃取速率较快，不易受到基体中不挥发性化合物的污染，减少了背景吸附和基质影响，增长了萃取头的使用寿命，减少了平衡时间。当前，业内有学者将含有离子液极性基团的三烷氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷作为前提，利用气溶胶凝胶法，生产了一类含键合离子液和苯基双功能基的SPME涂层，该SPME涂层具有多孔结构且离子液不易散失。并且该涂层能在大于300℃的温度环境中使用。对萃取条件进行优选后，通过顶空固相微萃取技术结合GC/FID的方法，测得了水样中五种多环芳烃的检出限为0.002～0μg/L，且相关系数分析的平方均等于0.9973。除此之外，目前业内另一种较为新颖的技术，是基于聚吡咯（PPY）涂层毛细管的管内固相微萃取技术。已有学者利用该技术，对内过渡元素和芳香族化合物的萃取过程开展了深入研究。试验结果表明，PPY涂层相较于商业用毛细管涂层，具备更好的萃取效能，特别是针对多环芳香族化合物和极性芳香族化合物。而通过调节涂层厚度也能够调节萃取效能和选择性，同时该涂抹料也可以进行对水样中极性和非极性芳烃的同时萃取研究。而另一种利用循环伏安法制备的新型聚吡咯－离子液体涂层，附着于不锈钢丝表面，能够将五种不同的苯类化合物作为目标分析物。该涂层区别于传统的聚二甲基硅氧烷材质，由于其适应的温度可以高达285℃，且具备优异的化学固定性，因此该涂层表现出了更好的萃取效果。

（二）SPME的联合使用方法

当下一般是为了SPME与GC、HPLC等药品的联合使用，但近些年来又有一些联合使用方法相继问世。一般有：SPME－分光光度法、SPME－红外光谱法（IR）、SPME－电解分析、SPME－毛细管电泳（CE）、SPME-ICP-MS、SPME－微波辅助萃取（MAE）-GC等。覆纤维对四环素类和分子物质构成相同的土霉素、多西环素、金霉素等表现了独特的选择性。由于各种生产科学技术的进一步发展，很多上述涂层以外的新涂层生产技术也正在源源不断地涌现，如电沉积法、黏合剂法、膜辅助生产法等。不过在萃取性能、萃取效果、热固定性、价格等方面仍存在着许多缺陷，新涂层技术还必须进一步开发。

四、固相微萃取在法医毒物鉴定中的应用

对法医毒物进行分析，主要是以能破坏人类生命或正常活动的毒物为主要研究对象。以分析化学为理论基础，并借助现代仪器，对这类研究对象做出定量与定性评价，对我国社会主义法治建设而言具有实质性的作用。本文中所研究的毒物，是指凡是可以经由化学或物理化学影响而破坏主体的正常活动，从而导致人类身体内部器官等出现功能障碍或器质性病变甚至导致死亡的物质。在对有关法医毒物和其代谢成分进行收集的过程中，因为所涉及目标物质的浓度一般较低，且可以获得的检材数量一般也较小，还有部分分析实验结果具备不可逆性等特征。因此，在法医毒物数据分析中对采集样本加以分离纯化，是其数据分析流程中最为关键的一个阶段。同时更是必须耗费许多人力物力以及时间去深入研究和进一步发展的最关键的重要环节之一。法医毒物研究领域内，使用频率最高的提纯办法是快速溶剂萃取、固相微萃取、高固相含量萃取、液液萃取和模板拆除后吸附萃取等技术。在上述技术中，由于固相微萃取技术具备的所需试样小、无须溶剂、应用范围广泛、再现性强等一系列优势，已被大量用到了法医毒物的实际检验应用当中。当下，我国国内尽管仍未形成系统的法医毒物分析系统，但是固相微萃取技术因为特有的专一性、高灵敏度以及高精度等优势在法医分析方法体系中占有着关键的地位，同时由于新SPME涂层材料的问世及其对萃取条件优化等的进一步发展，也有助于提高对目标物质的萃取效果、提纯选择性以及检测精度。［3］

五、结束语

固相微萃取技术作为一个新兴的样品前处理技术，集合了采样、萃取、浓缩、进样多个环节。由于该技术很好地解决了在传统前处理过程中花费时间过大、要用到大量的表面活性剂、造成严重的环境污染等问题，因此获得了许多研究工作者的认可。固相微萃取技术的适用范围也在逐步扩大，研究范围由原有的挥发性有机物质逐步延伸至非挥发性无机毒（药）物质，萃取效果与萃取选择性也得到了显著的改善。同时，伴随现代科技的日益完善，固相微萃取技术同样得到了进一步的发展完善，坚信固相微萃取技术将会在法医毒物领域得到更加广泛的运用。