固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)是基于采用涂有固定相的熔融石英纖維來吸附、富集樣品中的待測物質。其中吸附劑萃取技術始于1983年,其最大的特點是能在萃取的同時對分析物進行濃縮,目前最常用的固相萃取技術(SPE)就是將吸附劑填充在短管中,當樣品溶液或氣體通過時,分析物則被吸附萃取,然后再用不同溶劑將各種分析物選擇性地洗脫下來。均勻涂漬在硅纖維上的圓柱狀吸附劑涂層,在萃取時既繼承了 SPE 的優點,又有效克服了采用固相萃取技術時出現的操作煩瑣、空白值高、易堵塞吸附柱等缺點。固相微萃取技術一經問世即受到廣大食品研究工作者及其他分析從業人員的普遍關注并開始推廣應用。
SPME 最早應用于環境樣品的檢測,主要針對樣品中各種有機污染物,如水樣和土壤中的有機汞、脂肪酸、雜酚油等,以及有機磷農藥、有機氯農藥、多環芳烴等這些作為水和廢水檢測的重要指標化合物。
SPME 在醫學上的應用多見于分析人體血液中的氰化物、苯和甲苯,以及體液中的乙醇、有機磷酸酯等方面。
自從 SPME 問世不久,就有人把它應用于分析食品中的微量成分,近10年來,SPME 已經廣泛應用于食品風味、食品中農藥殘留和食品中有機物的分析。
1、裝置及操作步驟
SPME 由手柄(holder)和萃取頭(fiber)兩部分構成,狀似一支色譜注射器,萃取頭是一根涂有不同色譜固定相或吸附劑的熔融石英纖維,接不銹鋼絲,外套細的不銹鋼針管(保護石英纖維不被折斷及進樣),纖維頭可在針管內伸縮,手柄用于安裝萃取頭,可永久使用。
在樣品萃取過程中首先將SPME針管穿透樣品瓶隔墊,插入瓶中,推手柄桿使纖維頭伸出針管,纖維頭可以浸入水溶液中(浸入方式)或置于樣品上部空間(頂空方式),萃取時間大約為2～30min。然后縮回纖維頭,再將針管退出樣品瓶,迅速將 SPME 針管插入 GC 儀進樣口或 HPLC 的接口解吸池。推手柄桿,伸出纖維頭,熱脫附樣品進色譜柱或用溶液洗脫目標分析物,縮回纖維頭,移去針管。
2、工作原理
在固相微萃取操作過程中,樣品中待測物的濃度或頂空中待測物的濃度與涂布在熔融硅纖維上的聚合物中吸附的待測物的濃度間建立了平衡,在進行萃取時,萃取平衡狀態下和萃取前待分析物的量應保持不變。
SPME 中使用的涂層物質對于大多數有機化合物都具有較強的親和力,待測物質在涂層和樣品基質中的分配系數值對目標分析物來說越大,意味著SPME具有的濃縮作用越高,對待測物質檢測的靈敏度越高。
3、工作條件的選擇及優化
(1)萃取頭的選擇
由不同固定相所構成的萃取頭對物質的萃取吸附能力是不同的,故萃取頭是整個 SPME 裝置的核心,這包括2個方面:固定相和其厚度的選擇。萃取頭的選擇由欲萃取組分的分配系數、極性、沸點等參數共同確定。一般而言,纖維頭上一層厚膜比薄膜要萃取更多的分析物,厚膜可有效地從基質中吸附高沸點組分。但是解吸時間相應要延長,并且被吸附物可能被帶入下一個樣品的萃取分析中,薄膜纖維頭被用來確保分析物在熱解吸時較高沸點化合物的快速擴散與釋放。膜的厚度通常在10～100μm 之間。按照聚合物的極性固定相涂層可分為3大類:第一類為極性涂層,第二類為非極性涂層,第三類為中等極性混合型涂層。
(2)萃取時間的確定
萃取時間主要指達到或接近平衡所需要的時間。影響萃取時間的因素主要有萃取頭的選擇、分配系數、樣品的擴散系數、頂空體積、樣品萃取的溫度等。萃取開始時萃取頭固定相中物質濃度增加得很快,接近平衡時速度極其緩慢,因此,萃取過程中不必達到完全平衡,因為平衡之前萃取頭涂層中吸附的物質量與其最終濃度就已存在一個比例關系,所以在接近平衡時即可完成萃取過程,視樣品的情況不同,萃取時間一般為2～60min。延長萃取時間也無壞處,但要保證樣品的穩定性。
(3)萃取溫度的確定
萃取溫度對吸附采樣的影響具有雙面性。一方面,溫度升高會加快樣品分子運動,導致液體蒸氣壓增大,有利于吸附,尤其是對于頂空固相微萃取(HS-SPME);另一方面,溫度升高也會降低萃取頭吸附分析組分的能力,使得吸附量下降。實驗過程中萃取溫度還要根據樣品的性質而定,一般為40～90℃。
(4)樣品的攪拌程度
樣品經攪拌后可以促進萃取并相應地減少萃取時間,特別是對于高分子量和高擴散系數的組分。一般攪拌形式有磁力攪拌、高速勻漿、超聲波攪拌等。采取攪拌方式時一定要注意攪拌的均勻性,不均勻的攪拌比沒有攪拌的測定精確度更差。
(5)萃取方式、鹽濃度和 pH 效應
SPME 的操作方式有兩種,一種為頂空萃取方式,另一種為浸入萃取方式,實驗中采取何種萃取方式主要取決于樣品組分是否存在蒸氣壓,對于沒有蒸氣壓的組分只能采用浸入方式來萃取。在萃取前于樣品中添加無機鹽可以降低極性有機化合物的溶解度,產生鹽析,提高分配系數,從而達到增加萃取頭固定相對分析組分的吸附。一般添加無機鹽用于頂空方式,對于浸入方式,鹽分容易損壞萃取頭。此外,調節樣品的 pH 值可以降低組分的親脂性,從而大大提高萃取效率,注意 pH 值不宜過高或過低,否則會影響固定相涂層。
(6)其他優化措施
在萃取過程中還可以采用減壓萃取及微波萃取,都可以提高萃取效率,在采用頂空萃取的過程中頂空體積的大小、樣品的大小對檢測的靈敏度、方法的精密度及萃取效率都有重要影響。