固相微萃取及相關聯用技術應用進展

董玉瑛，胡夢喬，鄒學軍，張瑾剛

(1.大連民族大學 環境與資源學院，遼寧 大連 116605；2.康寧公司 生命科學部，馬薩諸塞 波士頓 01801)

存在于不同基體樣品中的痕量物質具有復雜性、多樣性和含量低等特點，因此對其前處理技術和分析方法提出了較高的要求，樣品前處理不僅復雜、耗時，而且直接影響分析結果的準確性，使得樣品前處理成為整個分析過程中的關鍵環節，發展快速、高效、高選擇性、環境友好的樣品前處理技術成為研究重點。固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)是在固相萃取技術基礎上發展起來的新型綠色前處理技術，能夠有效解決固相萃取和其他傳統樣品預處理技術存在的易堵塞、產生溝流等問題[1-3]。

SPME與氣相色譜、高效液相色譜、氣質聯用技術等分析技術聯用，為不同目標化合物的分析提供了有力手段，已廣泛應用于氣體、液體和固體中的揮發性、半揮發性和難揮發性物質的萃取、富集和分析[4-5]。

1 SPME基本原理

固相微萃取的理論發展分為兩個階段，第一階段是早期的平衡理論[6-7]，第二階段是近期的非平衡理論[8]。平衡理論認為在吸附過程中固-液或固-氣相之間建立了吸附平衡，理論基礎是基于待分析物在樣品基質和纖維頭之間的分配系數(K)，假設ns為達到平衡時溶液中某物質的量，nf為平衡時纖維頭涂層中溶解的物質的量，Vs為樣品溶液的體積，Vf為萃取頭固定相涂層的體積，則在一定溫度下該物質的分配系數為

(1)

在使用某種液體高分子涂層進行萃取時，萃取平衡態下和萃取前的待分析物的總量n0應保持不變。

n0=C0Vs=ns+nf；

(2)

ns=C0Vs-nf。

(3)

式中，C0為樣品中待分析物的初始濃度。將式(3)代入式(1)，則

(4)

當KVf<

nf=KVfC0。

(5)

式(5)表示當吸附達平衡時，涂層吸附的待分析物的量(nf)與樣品中該物質的初始濃度(C0)之間呈線性關系，且與樣品溶液的體積(Vs)無關。通過檢測分析物的量nf，即可推測該分析物在樣品中的初始濃度C0。

應用非平衡理論可描述在一定時間內，由于慢傳質過程，未能完全達到平衡前的某一狀態。考慮到分析物在兩相中的擴散過程，它被擴散到固相涂層的量

(6)

式中：A為涂層的表面積；m1和m2分別為分析物在試樣和在固相涂層中的質量傳質系數(m=Dδ，D為擴散系數，δ為涂層的厚度)。

采樣時，不一定要求分析物完全被萃取或一直進行到平衡的建立，只要求在嚴格條件下獲得可靠且穩定的響應值與濃度之間的線性關系。當吸附時間無限長時，則得到吸附平衡，此時所得到的結果與平衡理論是一致的。

2 SPME常見類型

纖維頭式固相微萃取(Fiber-SPME)是最早的固相微萃取技術，之后又相繼出現管內固相微萃取(In-Tube-SPME，IT-SPME)、攪拌棒式固相微萃取(Stir Bar Sorption Extraction，SBSE)，使得富集倍數和萃取效率都得到進一步提高。

2.1 纖維頭式固相微萃取技術

Fiber-SPME是在1990年由Pawlisayn教授首次提出[9]，是目前發展最成熟的SPME技術。它由纖維頭、可移動手柄和形如色譜微量注射器的裝置組成，其結構如圖1。纖維頭是表面涂有不同類型吸附劑的熔融石英纖維，可根據樣品極性選擇不同涂層材料[10-11]。因為石英纖維脆弱易斷，所以外部有不銹鋼管包覆用來保證纖維頭在通過樣品瓶膠墊時不易折斷，手柄則用來安裝和固定纖維頭。

1-手柄；2-活塞；3-外套；4-活塞固定螺桿；5-溝槽；6-連接器觀察窗口；7-可調解針頭導軌/深度標記；8-隔墊穿孔針頭；9-纖維固定管(不銹鋼絲)；10-纖維涂層

圖1 Fiber-SPME裝置結構

Fiber-SPME的操作方式主要為手動和自動，操作過程分為萃取和解吸。萃取是通過纖維頭對分析物質進行富集萃取，最終達到一個吸附平衡的狀態。解吸則是將纖維頭上所吸附的待測樣品脫附，主要方式有熱解吸和溶劑解吸，解吸后再聯用分析儀器檢測。

Fiber-SPME具有快速、操作簡單、攜帶方便、適用性強、無毒無害、使用壽命長、可重復使用且使用溶劑量少等特點，但是效率偏低，重現性較差。

2.2 管內固相微萃取技術

IT-SPME由Eisert和Pawliszyn在1997年首次提出[12]，該技術采用石英柱或毛細管柱作為萃取介質的載體，將萃取固定相與毛細管的內表面交聯鍵合。毛細管柱長度要適中，太短會導致萃取效率低，太長則可能在解吸時因為分散而出現展寬現象，一般萃取管柱的長度約為30～60 cm，體積約為1μL。

IT-SPME的解吸方式分為兩種：一種為熱解吸，即用注射器將樣品緩慢注入毛細管柱，待萃取平衡后將水吹出，用石英壓封接頭將萃取柱與分析柱相互連接，放入氣相色譜儀中熱解吸；另外一種是溶劑解吸，操作方法為將水樣用氮吹儀緩慢勻速地吹入毛細管柱中，再將水慢速的吹出萃取柱，用適當的溶劑注入到萃取毛細管柱中進行解吸，最后將解吸好的溶液注入氣相色譜儀進行分析[13]。

IT-SPME具有萃取涂層薄，樣品擴散迅速等特點，通常將IT-SPME與高效液相色譜和氣相色譜聯用，使用壽命較長，平衡時間短，價格便宜。

2.3 固相微萃取攪拌棒技術

SBSE是2001年由比利時教授Pat Sandra提出的一種新型的固相微萃取技術[14]。SBSE攪拌棒結構如圖2，內部為裝有鐵絲的封閉玻璃管攪拌磁子，管外涂有固相微萃取涂層，其長度一般為10～40 mm，涂層厚度0.1～1.0 mm，涂層材料一般為高純聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

圖2 SBSE攪拌棒結構

2.4 SPME和SBSE的方法比較

采用具有PDMS涂層的SPME和SBSE方法，富集萃取不同疏水性物質的回收率情況如圖3。當使用SPME時，在待萃取物質正辛醇-水分配系數Kow<10 000時，回收率偏低；Kow>10 000時，其回收率可達到50%。當使用SBSE時，回收率在待萃取物質Kow>100時即可達到50%，且在Kow為1 000時，其回收率接近100%。可見，在相同條件下SBSE萃取效率更高，可用來萃取Kow在100～10 000的物質，適用于痕量化合物的分析，這大大擴展了固相微萃取的適用范圍。

圖3 SBSE和SPME回收率與Kow的關系

3 SPME與其他前處理技術的比較

SPME已被美國環保署正式列入標準方法，質量管理體系和美國材料試驗協會也將該方法應用到常規分析的監管[15]。將液液萃取、固相萃取、吹掃捕集和固相微萃取對等量的樣品進行前處理分析比較[16-20]，處理過程與結果見表1。

固相微萃取方法簡便易操作，使用的樣品和溶劑較少，更利于環保，且檢出限低于其他方法，說明該技術更加靈敏使用范圍更廣泛。此外，固相微萃取還具有安全高效和便于與其他儀器聯用等眾多優點，使得它成為目前應用廣泛的樣品預處理方法。

4 SPME與其它相關聯用技術的應用

4.1 在食品分析中的應用

復雜的基體組成成分是食品類樣品的主要特點之一，也是樣品中痕量或微量組分分析的主要干擾因素。根據實驗目的選取合適的固相微萃取纖維頭或不同的固相微萃取類型，即可顯著減少或避免對基體的預處理操作，并在復雜的基體中簡便、快速地提取樣品。將固相微萃取與GC-MS聯用即可簡單高效地為化合物組分進行定性定量分析。

劉曉慧等[21]應用固相微萃取技術制備黃茶香氣精油，根據選取固相微萃取纖維頭的種類、萃取溫度、吸附和解吸時間對復雜的黃茶香氣物質的種類和總量進行分析。實驗采用DVB-CAR-PDMS固相微萃取纖維頭，在80 ℃下吸附1 h后達到最佳吸附效果。共檢測出108種黃茶香氣成分，其物質種類由高到低依次為烴類32種、酯類20種、醇和醛類各17種、酮類8種、含氧和含氮化合物各4 種、酸類3種、含硫化合物2種、酚類1 種；其含量以脂肪族烴、醛類較多，而萜烯類以及芳香族化合物較少。可見，固相微萃取對于復雜的痕量物質萃取效率更高更全面，而與GC-MS聯用即可較為準確的為化合物定性定量分析。華中農業大學的劉敬科[22]則分別選取 PA、CAR/ PDMS 和 DVB/CAR/ PDMS 3種纖維頭提取熟鰱魚肉的揮發性成分，并與氣相色譜-質譜聯用對揮發性成分進行分析鑒定。根據提取的揮發性成分差別，選取適宜的萃取頭，3種萃取頭共檢測出77種揮發性成分。其中PA提取熟鰱魚肉鏈長為C14～C23的高沸點物質較多；CAR/ PDMS 提取鏈長為C2～C8低沸點的物質較多；DVB/CAR/ PDMS提取鏈長為C2～C23的物質較多。由此發現，選取合適的固相微萃取纖維頭至關重要，根據不同的纖維頭即可全面提取化合物的多種揮發性成分。

管內固相微萃取克服了常規式固相微萃取纖維頭易折斷、低吸附量、萃取平衡時間長以及固定相涂層易流失等問題[23]，是未來更具發展潛力的固相微萃取形式。將管內固相微萃取與不同分析技術聯用，在食品分析中的應用進行總結，見表2[24-26]。

表2 管內固相微萃取方法在食品分析中的應用

4.2 在環境污染分析中的應用

在環境污染分析中，因為如實反映環境質量現狀、實時掌握污染物的濃度水平和分布范圍至關重要，所以固相微萃取可進行原位采樣分析和實驗室分析的特點使得它在環境樣品的采集和前處理過程中被廣泛應用。目前已成為空氣、水、土壤和沉積物樣品等污染物分析檢測中的首選方式。將SPME與GC或LC聯用測定自來水、河流、海洋等不同基質中的有機物進行例舉，見表3[27-30]。

表3 應用SPME測定水體中有機污染物

注：PA為聚丙烯酸酯；DVB為二乙烯基苯

趙壽堂等[31]采用SPME和GC-MS聯用的方法，在不同類型的建筑中選擇21所初裝修和13所精裝修的房間，對室內空氣進行原位采樣，分別檢測出了74種和58種有機污染物，并發現在精裝修房間中有機污染情況更加嚴重。清華大學環境學院采用則采用固相微萃取與氣相色譜-質譜聯用的方法，在北京各環設立原位采樣站點，測定空氣中PM2.5的16種多環芳烴(PAHs)，PAHs總質量濃度在290～1 812 ng·m-3之間，其中四環PAHs的總質量濃度最大(145～937 ng·m-3)。分子質量濃度較高的依次是熒蒽、芘和苯并熒蒽，其中PAHs的污染主要來源于化石燃料燃燒和機動車尾氣排放[32]。

4.3 在生物醫學分析中的應用

固相微萃取與高效液相色譜等聯用技術在生物醫學中的應用情況[33-36]見表4。

表4 管內固相微萃取方法在生物醫學分析中的應用

在生物醫學中，血漿樣品采集一般采用液液萃取或固相萃取等常規樣品前處理方法，這些樣品前處理方法一般具有耗量大、使用有機溶劑較多等問題，且需結合其他樣品進行凈化處理，使得整個預處理過程復雜繁瑣。Bermejo等[37]將SPME方法與液-液萃取(LLE)方法相比較，利用SPME-GC-MS聯用技術對血中美沙酮及其代謝物2-乙烯基-1,5-二甲基-3,3-二苯基四氫化吡咯進行分析，檢測了檢出限、定量限和萃取濃度等指標，證明SPME完全可以替代LLE方法，并且克服了后者的不足。另有研究發現，一些有機物常與肺癌、肝病和心肌梗塞等疾病相伴，如果把SPME用于這些物質及類似物質的檢測，就會極大地降低這些疾病的誤診率，將對醫學診斷產生深遠影響。Christoph Grote等[38]就曾用固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用的方法從糖尿病患者呼出氣體中檢測到丙酮，檢出限為50 mmol·L-1。這對于常規臨床檢查、流行病學的分析工作具有一定的應用價值。

5 展 望

建立SPME方法需要多個優化條件，包括纖維涂層的選擇、萃取或采樣模式選擇、解吸條件、溫度、pH值的確定以及定性定量分析方法等。SPME的使用和分析過程中需要確定及優化的條件如圖4。

圖4 SPME優化條件

隨著基礎理論的深入研究，固相微萃取與分析技術聯用已經在樣品前處理技術中高速發展，并在食品、環境和醫學等方面都取得了優秀的成果。目前，該技術的發展前景有以下幾個方面：

(1)開發選擇性高，更加耐溫和抗侵蝕的新型涂層，并在高效性和重現性上有所提升;

(2)將納米技術應用到探針和萃取纖維上，用以開發可滿足活體檢測的SPME裝置，摒棄傳統處理方法中必須將體液或組織從活體中取下后才可進行分析的弊端;

(3)完善SPME與HPLC、GC、MS、CE和分子印跡聚合物等技術的聯用，同時發展SPME與紫外可見吸收光譜(UV)、原子吸收光譜(AAS)等的聯用技術。

[1] 李慶玲，徐曉琴，黎先春，等.固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用測定海水和沉積物間隙水中的痕量多環芳烴[J].中國科學，2006，36(3): 202-210.

[2] KRISTIANAI,JOLLC ,HEITZA. Qualitative and quantitative analysis of flavor additives on tobacco products using SPME-GC-Mass spectroscopy[J].J Agric Food Chem, 1997, 45(3):844-849.

[3] SAKAMOTOM,TSUTSUMIT. Applicability of headspacesolid-phasemicroextraction to thedetermination of multi-class pesticides in waters[J]. Chromatogr, 2004,1028(1): 63-74.

[4] PAWLISZYNJ. Solid-phase microextraction with thermal-desorption using fused-silica optical fibers [J]. Analytical Chemistry, 1990, 62(19):2145-2148.

[5] 劉紹從，呂剛，趙好力寶,等.固相微萃取-氣相色譜法測定食品添加劑中有害有機揮發雜質[J].分析試驗室，2006，25(3):17-20.

[6] JOLLC.Qualitative and quantitative analysis of flavor additives on tobacco products using SPME-GC-Mass spectroscopy[J].J Agric Food Chem,1997, 45(3):844-849.

[7] SANDRINEA, CHRYSTELLEETBM.Solid phase microextraction(SPME):A new procedure for the control of butyl-and phenyltinpollution in the environment by GC-FPD[J].Analyst, 2000, 125(2):263-268.

[8] KOSTERM, JONGD. Multiple solid-phase microextraciton[J]. J Chromatography A,2000, 878(1): 27-33.

[9] PAWLISZYNJ.Solid-phase microextraction with thermal-desorption using fused-silica optical fibers[J]. Analytical Chemistry, 1990, 62(19):2145-2148.

[10] GON?ALVESB S, LAN?ASFM, COSTA Q. Determination of fluox-etine and norfluoxetine enantiomers in human plasma by polypyrrole-coated capillary in-tube solid-phase microextraction coupled with liquid chromatography-fluorescence detection[J]. Chromatogr.2009, 1216(49):8590-8597.

[11] GUILLOTS, KELLYM , FENETH. Evaluation of solid-phasemicroextraction as an alternative to the official method for the analysis oforganic micro-pollutants in drinking water [J]. Chromatogr, 2006, 1101(1-2):46-52.

[12] EISERTR,PAWLISZYNJ. Automated in-tube solid-phase microextraction coupledto high-performance liquid chromatography[J]. Anal.Chem, 1997, 69(16): 3140-3147.

[13] RIAZIF , TUGULEAA, PAWLISZYNJ. Applicationof automated solid-phase microextraction to determine haloacetonitriles,haloketones,and chloropicrin in Canadian drinking water[J]. Water Qual. Res, 2013, 48(1): 85.

[14] SANDRAP, BALTUSSEN E, DAVIDF.Asymmetric induction in intramolecular meta photocycloaddition:Cyclodextrin-mediated solid-phase photochemistry of various phenoxyalkenes[J]. Organic Letters, 2001, 3(8): 1173.

[15] JEZOVáV,SKLáDALJ, EISNERA. Determination of nitrateesters inwatersamplesComparisonof efficiency of solid-phaseextractionand solid-phasemicroextraction[J]. Chromatogr,2007, 1174(1):13-19.

[16] LINZ, LINY,SUN X. One-pot preparation of amolecularly imprinted hybrid monolithic capillary column for selectiverecognition and capture of lysozyme[J]. Chromatogr, 2013, 1284(7): 8-16.

[17] ANTONIOUC, KOUKOURAKIE, DIAMADOPOULOSE. Determination of chlorinatedvolatile organic compounds in water and municipal wastewater using headspace-solid phase microextraction-gas chromatography[J]. Chromatogr, 2006, 1132(1-2):310-314.

[18] LAMBROPOULOUD,SAKELLARIDEST. Determination oforganophosphorus insecticides in natural waters using SPE-disks andSPME followed by GC/FTD and GC/MS, Fresenius [J]. Anal. Chem, 2000, 368(6): 616-623.

[19] BALAKRISHNANV , TERRYK, TOITOJ. Determination of sulfonamide antibioticsin wastewater: a comparison of solid phase microextraction and solid phaseextraction methods[J]. Chromatogr, 2006, 1131(1-2): 1-10.

[20] CASTELLSP,SANTOSF. Solid-phase extraction versus solid-phasemicroextraction for the determination of chlorinated parafins in water usinggaschromatography-negative chemical ionisation mass spectrometry[J]. Chromatogr, 2004, 1025(2): 157-162.

[21] 劉曉慧，張麗霞，王日為，等.頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用法分析黃茶香氣成分[J].食品科學，2010，31(16): 243.

[22] 劉敬科，趙思明，熊善柏，等. 不同萃取頭固相微萃取提取鰱魚肉中揮發性成分的分析[J]. 華中農業大學學報，2008，27 (6):797- 801.

[23] TUMBIOLO S, GAL J , MARIA P . Determi-nation of benzene, toluene, ethylbenzene and xy lenes in air by solid phase micro-extraction/gas chromatog-raphy/mass spectrometry [J]. Anal Bioanal Chem,2004, 380(5-6): 824-830.

[24] ANTONIOUC, KOUKOURAKIE. Determination of chlorinatedvolatile organic compound sinwater and municipal wastewater using headspace-solid phase microextraction-gas chromatography[J]. Chromatogr, 2006, 1132(1-2):310-314.

[25] LOMPARTM, lIK, FINGASM. Headspace solid-phase microextraction for thedetermination of volatile and semi-volatile pollutants in water and air[J]. Chromatogr, 1998, 824(1): 53-61.

[26] KINGA, READMANJ. Determination of polycyclic aromatichydrocarbons in water by solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry[J]. Chim Acta, 2004, 523(2): 259-267.

[27] PENA-PEREIRAF, LAVILLAI. Miniaturized preconentration methods based on liquid-liquid extraction and their application in inorganic ultratrace analysis and speciation[J]. Spectrochim, 2009, 64(1): 1-15.

[28] WANGT, CHENY. A novelionic liquid-modified organic-polymer monolith as the sorbent for in-tube solid-phase microextraction of acidic food additives [J]. Anal. Bioanal. Chem, 2014, 406(20):4955-4963.

[29] YUQ, MAQ, FENGY. Temperature-response polymer coating for in-tube solid-phase microextraction coupled to high-performance liquid chromatog-raphy[J]. Talanta, 2011, 84(4): 1019-1025.

[30] SAITOK, IKEUCHIR, KATAOKAH. Determination of ochratoxins in nuts and grain samples by in-tube solid-phase microextraction coupled with liquid chro-matographyemass spectrometry[J]. Chromatogr, 2012, 1220(1): 1-6.

[31] 趙壽堂，寧占武，王靜. 固相微萃取氣相色譜質譜法研究新建建筑室內揮發性有機化合物的組成及其特征[J]. 中國環境監測，2005，21(10):5.

[32] 劉斐，段鳳魁，李海蓉. 固相微萃取-氣相色譜串聯質譜法檢測北京大氣細顆粒物中的多環芳烴[J].分析化學，2015，43(4):540-546.

[33] TSAIS, CHANGC. Analysis of aldehydes in water by solid-phasemicroextraction with on-fiber derivatization[J]. Chromatogr, 2003,1015(1-2): 143-150.

[34] KABIRA, FURTONK , MALIKA. Innovations in sol-gel microextraction phases for solvent-free sample preparation in analytical chemistry [J]. TrAC e Trends Anal. Chem. 2013, 45(29): 197-218.

[35] XUH, JIAL. Capillary liquid chromatographic analysis of fat-soluble vitamins and b-carotene in combination with in-tube solid-phase microextraction[J]. Chromatogr Anal. Technol. Biomed. Life Sci, 2009, 877(1-2): 13-16.

[36] LINZ, PANGJ. Preparation and evaluation of a phenylboronate affinity monolith for selective capture of glycoproteins by capillary liquid chromatography[J]. Analyst, 2011, 136(16): 3281-3288.

[37] BERMEJOA,SEARAR.Use of solid-phase microextraction(SPME)for the determination of methadone and its main metabolite, EDDP, in plasma by gas chromatography-mass spectrometry[J]. J Anal Toxicol,2000, 24(1):66- 69.

[38] GROTEC, PAWLISZYNJ. Solid-phase microex-traction for the analysis of human breath[J]. Anal Chem, 1997, 69(3): 583.