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一种新型固相萃取技术--固相微萃取

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    摘要固相微萃取技术是90年代初新发展起来的集采样、萃取、浓集、进样于一体的分析技术,具有操作简单易行,不必使用大量有机溶剂,且易实现自动化等优点。本文对该技术的实验方法、原理及其在药物分析、环境保护等领城中的应用进行了综述。

  关键词固相微萃取无溶剂萃取样品前处理

  固相微萃取(solid-phasemicroextraction,SPME)是一种新颖的、具有良好发展前景的样品处理技术。自90年代初由加拿大Waterloo大学的Pawliszyn及其同事发明以来,该技术不断地优化更新,日益成为化学分析家们普遍关注的焦点。该项技术保持了传统萃取的优点,还克服了以往萃取技术的不足,使操作程序简化、省时;不易引入人为误差;所需有机溶剂量小;易于实现自动化等。本文对于SPME技术原理、应用等方面作一综述。

  1、固相微萃取装置及其实验操作

  目前,SPME装置已实现商品化。如附图所示,主要由两部分组成:一部分是作为支撑用的微量注射器底座;另一部分是类似于注射针头形状的熔融石英纤维,其半径一般为15mm左右,上面涂布着固定体积(厚度为10~1OOum)的聚合物固定液。操作时,只需将熔融石英纤维插入样品或样品上层气体(即顶空)中,平衡一段时间,使需萃取物富集于固定液后,即可取出直接进样至GC或HPLC仪中进行分析。

  用SPME方法来富集样品,有两种方式:

  (1)直接SPME法:该法将纤维直接插入样品中,当待测物与固定相之间充分分配

  至平衡时,即可取出进样分析。

  (2)顶空SPME法,此法并不使纤维与样品直接接触,而是将纤维停留在顶空,于气相中使待测物富集于固定相后供分析。

  对于大多数物质而言,第二种方法是一种较好的方法,尤其是当样品中有大分子干扰的时候更是如此。此时若采用直接SPME法,干扰物易吸附于熔融石英纤维上,影响其吸附性能并于色谱分析中产生不稳基线或杂峰等。顶空SPME法避免了上述不足,广泛适用于多种类型的样品,包括固态样品、非匀质混悬液等。但顶空SPME法亦有其局限性。当待测物具有较高沸点(约大于450℃)时,此法耗时长且灵敏度较低。这是由于待测物沸点越高,越难于挥发,因而顶空中待测物浓度低,难于富集。若升高样品温度,则有助于增快样品至顶空的整体迁移速率,但亦可能会使顶空与纤维涂层间待测物的分配系数值降低。可见,当样品中待测物沸点较高,又有大分子干扰物如腐殖酸等存在时,上述两法都不适合。目前,Zhang等设计了一种中空的纤维膜,能够帮助SPME熔融石英纤维的同心护套,既可使待测物分子自由扩散,同时也能从复杂液体基质中萃取出高沸点物质。将这种膜制成SPME阻碍高分子量分子通透,从而有效地克服了上述两法的缺憾。

  2、原理

  SPME熔融石英纤维涂布固定相与样品或其顶空充分接触,待测物在两相间分配达到平衡后,两相中待测物浓度关系如下式:

  式中ns为固定相中待测物的分子数;K为两相间待测物的分配系数,Vs为固定液体积;V0为样品体积,C0为样品中待测物浓度。

  因为V0?Vs故等式可简化为:

  由等式可知,固定液吸附待测物分子数与样品中待测物浓度呈线性关系,即样品中待测物浓度越高,SPME吸附萃取的分子数越多。当样品中待测物浓度一定时,萃取分子数主要取决于固定液体积和分配系数。同时,方法的灵敏度和线性范围的大小也取决于这两个参数。固定液厚度越大(即Vs越大),萃取选择性越高(K越大),则方法的灵敏度越高。由此可见,选择合适的固定液对于萃取结果是很重要的。

  3、纤维涂层

  SPME常用的纤维涂层有聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚丙烯酸酯(PARL)。PDMS为非极性涂层,根据"相似相溶"原则,对非极性物质的提取具有较好效果;PARL为极性涂层,适用于萃取极性物质,如酚类、羧酸类等。SPME平衡速率受待测物在纤维涂层与样品交界处静态水层中通透的整体迁移速率所限,故不同性质的纤维涂层有其不同的平衡时间。如分别用PDMS和DARL(厚度为85p.m)作为纤维涂层来萃取样品中苯的几种衍生物时,两种涂层与样品平衡时间分别为3~5min和8Omin。平衡时间相差如此之大,有两个原因:一是由于极性PARL涂层能使更多量的极性苯衍生物扩散入涂层中;二是因为极性PARL涂层与样品分界处静态水层及其外围水相皆厚于非极性PDMS涂层与样品液分界处。另外,除了待测物整体迁移速率影响吸附、萃取时间外,溶液温度、液层搅拌或超声亦对其有较大影响。

  4、解吸

  SPME萃取完毕后可从GC进样口直接进样。它借助于GC进样口高温加快纤维涂层上吸附的待测物解吸,随后气化,再进入色谱柱分离。这一解吸过程主要受4个因素影响。(1)进样口温度;(2)解吸时间;(3)起始柱温;(4)待测物的性质。

  较高的进样口温度可以缩短解吸时间,也就是缩短气相分析时间,但会使某些热不稳定物质发生热降解。而且过高的进样口温度会影响待测物于气相色谱柱入口部分的低温聚集。相对较低的起始柱温有利于待测物在色谱柱入口处重新富集,但由于温度变化大而耗时较多。此外,待测物性质也影响着解吸条件的设置。如挥发性较大的物质可以设置较低的进样口温度、较少的解吸时间及较低的起始柱温。

  5、联用技术

  5.1SPME-GC技术

  SPME从发展初期就一直与GC联用,SPME熔融石英纤维涂层从样品或顶空中直接吸附萃取待测物,利用GC进样口高温充分解吸后,进人色谱柱,达到分离检测的目的。SPME-GC联用不仅可以实现完全在线联用,而且操作过程简单。例如运用SPME-GC技术测量水中有机氯农药含量:采用PDMS涂层从浓度范围为0.001至100ng/ml水溶液中萃取完毕后,采用电子捕获检测器进行检测,检测限低于纳克水平,重现性良好。又如运用顶空SPME毛细管GC分析全血中三环抗抑郁药:将加入重蒸馏水和氢氧化钠溶液的全血置于密封瓶中,加热至100℃,用PDMS-GC涂布纤维于顶空中吸附萃取,再进行GC分析。实验表明,背景干扰很少。4种抗抑郁药(anitriptyline,chlorimipramine,imipramine,trimipramine)的回收率为5.3-12.9%,线性范围为62~2000ng/m1,检测限为32~5ng/ml。另外,SPME在环境污染检测(如检测空气、废水、土壤等)、食品检测以及化工产品检测等方面也具有广泛的应用前景。

  5.2SPME-HPLC技术

  由于GC本身的不足,难以满足多种物质尤其是不易挥发或高极性物质的分析要求。SPME的研制者为拓宽SPME的应用,开发了SPME与HPLC的联用技术。至今,SPME与HPLC的接口技术已经多次修饰与改良。SPME与HPLC联用系统由三部分组成:SPME装置、接口、HPLC系统。接口位于常规六通进样阀的进样环处,由一个三相开关组成。开关两端与进样阀相连,第三端则与SPME插入装置相接。在SPME纤维插入的不锈钢管上缠绕约10毫米长的电线,持续加热以利于待测物解吸至少量溶剂中,而解吸温度的设置可通过调节电源电压来完成。如运用SPME-HPLC联用技术检测环境中水源农药污染程度:采用PARL(厚度为85nm)固定液吸附萃取水中多种农药,解吸后,进行HPLC分析。常规柱(250mm×4.6mm)检测限为0.5~12ng/ml,精度(RSD)为5.3~10.5%,微孔柱(250mm×1.5mm)检测限为0.1~5ng/ml,其精度为4.4~15.2%。

  5.3SPME-MS技术

  SPME可以成为质谱仪的进样工具。待测物于熔融石英纤维涂层处解吸,可快速导人离子化池,产生极窄峰并具有良好的信燥比率。质谱借助于分子碎片离子获取的信息可用于定性或物质鉴别。如顶空SPME与射频辉光放电质谱(radiofrequencyglowdischargemassspectrometry,rf-GDMS)联用检测四乙基铅(tetraethyllead,TEL)水溶液。引入rf-GDMS系统的有TEL和四甲基锡(tetramethyltin)。两者都产生能据此定性的良好图谱。

  5.4SPME/EC联用

  SPME与电化学(EC)联用可分析带有电化学性质的待测物,包括金属离子等。待测物被导电涂层上微电极氧化或还原为合适的衍生物后,通过亲和力作用与涂层相吸附。如用SPME/EC来检测分析痕量水平的有机汞和无机汞。二价汞于水溶液被涂布有10μm金层的140Hm外径的碳管电极吸附后,在GC进样口解吸,并由离子阱GC-MS检测。SPME/EC的联用拓宽了SPME的应用范围,能够利用待测物的电化学特性来萃取、浓集,以达到分离检测的目的。

  6、结语

  相比于其它传统萃取技术,SPME具有许多优点。它的使用方法简单易行,且样品不需净化,这既能节省时间又可避免样品的损失;它无须使用大量有机溶剂,且SPME熔融石英纤维可重复使用上百次,这既可降低成本又有利于环境保护。SPME技术还克服了常见的SPE缺撼:高空白值和柱阻塞。总之,SPME技术是一种快速简便、选择性高以及易于实现自动化的新型技术,必将在药物分析、环境保护等领域中发挥作用。

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