固相微萃取技术
微型固相萃取
微型固相萃取
微型固相萃取（micro-solid-phase extraction，micro-SPE）是一种改进的固相萃取技术，使用微小的柱体或颗粒进行萃取。
它具有快速、高效、溶剂使用量少等优点，适用于各种类型的样品，如水样、土壤样、生物样等。
微型固相萃取的原理与传统的固相萃取相同，都是利用固相吸附剂对目标化合物的吸附作用进行分离。
但是，微型固相萃取的装置更加小巧，可以更快速地进行萃取和净化，同时需要的溶剂也更少。
在进行微型固相萃取时，先将样品加入到萃取装置中，再加入适量的固相吸附剂。
然后，通过振动或旋转的方式使样品和吸附剂充分接触，目标化合物就会被吸附在吸附剂上。
最后，用适当的溶剂将目标化合物从吸附剂上洗脱下来，进行进一步的分析。
微型固相萃取的优点包括：
1.快速、高效：由于装置小巧，可以快速地进行萃取和净化，缩短了分析时间。
2.溶剂使用量少：相较于传统的固相萃取，微型固相萃取使用的溶剂更少，降
低了对环境的影响。
3.适用于各种类型样品：可以用于水样、土壤样、生物样等各类样品的处理。
4.易于自动化：可以将装置集成到自动化的样品处理系统中，提高分析效率。
总之，微型固相萃取是一种高效、快速的样品处理技术，适用于各种类型的样品处理。
随着研究的深入，相信它会在未来的分析工作中发挥更大的作用。
固相微萃取技术
作为样品预处理过程，SPME是靠纤维对分析物的吸 附、吸收和解吸来完成的，所以萃取头是SPME装置 的核心，他决定了整个方法的灵敏性、结果可信度和 分析范围。 国内外学者的研究成果主要体现在： ➢ 1、纤维 ➢ 2、涂层 ➢ 3、涂层技术
• 纤维固相微萃取应用后的后续分析仪器
态分析中的应用 ➢ 固相微萃取技术在其他方面的应用
固相微萃取技术的特点与不足
• 特点
• 不足
工艺举例
结语
谢谢！
➢ 1、纤维SPME-GC ➢ 2、纤维SPME-HPLC ➢ 3、SPME-光谱 ➢ 4、SPME-CE
纤维固体微萃取的应用
➢ 固相微萃取技术在环境分析领域中的应用 ➢ 固相微萃取技术在食品检测领域中的应用 ➢ 固相微萃取技术在医药卫生领域中的应用 ➢ 固相微萃取技术在化工领域中的应用 ➢ 固相微萃取技术在金属及准金属化合物形
目录
固相微萃取技术概况 纤维固相微萃取理论 纤维固相微萃取技术的发展现状 纤维固相微萃取的应用 固相微萃取技术的特点与不足 工艺举例 结语
固相微萃取技术概况
• 发展概况
• 装置
• 操作过程
纤维固相微萃取理论
• 基本原理
• 影响维固体微萃取技术的发展现状
固相微萃取的原理
固相微萃取的原理固相微萃取，是一种常见的富集分离技术。
其原理主要基于化学分配平衡的基础，利用固定于吸附材料上的萃取溶剂，对待分析物进行选择性吸附，实现分离富集的目的。
下面，我们将系统地介绍固相微萃取的原理及其相关知识点。
一、基本原理固相微萃取的基本原理是化学分配平衡条件下，利用吸附材料上的萃取液物质与样品中待分析物发生相互作用，使待分析物在吸附剂上发生富集，并去除杂质，达到提高检测灵敏度和准确性的作用。
二、吸附材料的选择在固相微萃取中，吸附材料的种类与性质非常重要。
常用的吸附材料主要有有机硅胶、壳聚糖、活性炭、分子筛等。
这些吸附材料可以按照待分析物的物理化学特性进行选择，使其能够对待分析物具有良好的选择性和吸附能力。
三、萃取溶剂的选择萃取溶剂是固相微萃取中一个非常重要的环节，它可以对样品的萃取效果产生直接影响。
合适的萃取溶剂需要具备良好的选择性、稳定性和良好的萃取能力等特点。
通常情况下，萃取溶剂主要分为两种，即极性萃取剂和非极性萃取剂。
极性萃取剂（如甲醇、乙酸乙酯等）常用于富集极性化合物，而非极性萃取剂（如正己烷、苯等）则常用于富集非极性化合物。
四、固相微萃取操作步骤固相微萃取主要分为样品准备和固相微萃取两大步骤。
其中样品准备主要包括取样和前处理步骤，而固相微萃取实际上是将准备好的样品溶液通过化合物分配平衡的原理，沿着一个预定方向通过萃取剂实现分离富集的过程。
五、几个需要注意的问题固相微萃取在实际操作中常常会出现一些问题，需要注意以下几点：1. 固相微萃取时间的长短会影响样品中的待分析物的富集程度，同时也会影响识别待分析物的基峰。
2. 固相微萃取温度的变化也会影响到样品中化合物的富集能力，通常情况下较高的温度可以加速富集的速度，但是也会带来不必要的扰动和不良后果。
3. 固相微萃取过程中，需要小心避免草率决定萃取液的浓度。
浓度选择不当或萃取时间过长或过短都有可能引起分析误差。
综上所述，固相微萃取是一种基于化学分配平衡原理的分离富集技术，其有效性和精度取决于吸附材料、萃取液的选择以及操作方法的正确使用。
固相微萃取
主要内容
一．概述 二．SPME的原理 三．SPME装置及萃取步骤方法 四．SPME的影响因素 五．SPME与分析仪器的联用技术 六．SPME的应用 七．SPME的发展前景
一、概述
与固相萃取技术相比其特点：
固相微萃取操作更筒单、 携带更方便、操作费用也更 加低廉，另外克服了固相萃 取回收率低、吸附剂孔道易 堵塞的缺点，因此成为目前 所采用的试样预处理中应用 最为广泛的方法之一。 SPME已开始应用于分析水、 土壤、空气等环境样品的分 析。
设固定相所吸附的待测物的量为WS，因待测物总量在萃取 前后不变 ，固得到：
C0•V2=C1 •V1+C2 •V2
（1）
式中， C0是待测物在水样中的原始浓度； C1 、 C2分别为 待测物达到平衡后在固定相和水相中的浓度； V1 、 V2分别为 固定相液膜和水样的体积。
二、SPME的原理
吸附达到平衡时，待测物在固定相与水样间的分配系数K 有如下关系：
一、概述
固相微萃取(solid phase microextraction）
• 1989年；Pawliszyn首次开发研究 • Supelco1993年推出了商品化的SPME装置 • 1995年Pawliszyn等；空气中苯系物分析；SPME在气相
色谱中快速进样装置； 萃取丝内用CO2冷却装置 • 1997年Pawliszyn等；测定病人呼吸气中一些成分的
涂层的选择和设计可以基于色谱经验，一般来说，不同种 类的分析物要选择不同性质的涂层材料，选择的基本原则是 “相似相溶”。选择涂层时应注意： • 对有机分子有较强的萃取富集能力 • 合适的分子结构，有较快的扩散速度 • 良好的热稳定性
涂层介绍
固相微萃取(SPME)技术
4、主要结论 A 在对水样中的三类农药的处理过程中， 从回收率看，GDX-403柱和C18柱比较并无 差异，可任意选择。 B 在GDX-403柱的情况下，水样中对有机 磷类农药，比较了6种洗脱剂，苯最差，其 余5种均可以，但以氯仿效果最好。 C 方法适合于水样和血样中上述三类农药 的检测
多氯有机化物 以往分析环境水样中微量有机物时，根据 污染物的极性、挥发性和高温稳定性等选择GC 或HPLC进行分析，但水样必须经过分离、富集、 纯化等前处理。例如，常采用液-液萃取、蒸馏、 结晶、过滤、预沉淀、离心等方法。这些步骤 烦琐、耗时，约占整个分析过程的三分之二时 间，也是不同实验室间误差的主要来源。使用 固相萃取技术则克服了上述前处理的缺点，该 技术设备简单、价廉、使用溶剂少，可高效率、 有选择性地分离和富集不同的样品。
多环芳烃 多环芳烃是在自然界中广泛存在的一类 有机污染物，其中某些化合物具有相当强的 致畸、致癌或致突变作用。它们现在水体中 都广泛存在，而且含量低、种类多。对其进 行快速、准确的定性定量一直是分析化学及 环境分析化学的前沿研究领域。与经典的液 -液萃取（LLE）相比，固相萃取具有节省时 间、溶剂用量少，不易乳化等特点。
农药 有机磷类、氨基甲酸酯类和拟除虫菊 酯类农药是目前国内常用的三大类农药， 在生产、运输和使用过程中可能引起中毒 或环境污染、中毒事件也屡有发生。建立 多类农药同时通过固相萃取和气相色谱进 行分析，对于毒物分析、临床急救都具有 实际意义，为系统分析有机农药提供一种 简便、快速的固相提取方法。
例2. 固相萃取法提取净化生物检材中三类农药的实验研 究（孙静等，环境化学，1995，14（3）：221-225） 1、固相萃取柱：GDX-403（PT系列小柱，500mg）， C18固相柱（MT型样品净化富集柱，250mg） 2、样品：四种氨基甲酸酯类农药、六种有机磷类农药、 五种拟除虫菊酯类农药分别在水样和血清样中。
固相微萃取技术
一：概述固相微萃取(Solid Phase Microextraction, SPME)是九十年代兴起并迅速发展的新型的、环境友好的样品前处理技术，无需有机溶剂，操作也很简便。
该技术使用的是一支携带方便的萃取器，适于室内使用和野外的现场取样分析，也易于进行自动操作。
这对样品数量多、操作周期短的常规分析极为重要，不仅省时省力，而且对提高方法的准确度和重现性有重要意义。
该技术在一个简单过程中同时完成了取样、萃取和富集，是对液体样品中痕量有机污染物萃取方面的重要贡献。
SPME基本原理SPME方法包括吸附和解吸两步。
吸附过程中待测物在样品及石英纤维萃取头外涂渍的固定相液膜中平衡分配，遵循相似相溶原理。
这一步主要是物理吸附过程，可快速达到平衡。
如果使用液态聚合物涂层，当单组分单相体系达到平衡时，涂层上吸附的待测物的量与样品中待测物浓度线性相关。
解吸过程随SPME后续分离手段的不同而不同。
对于气相色谱（GC），萃取纤维插入进样口后进行热解吸，而对于液相色谱（LC），则是通过溶剂进行洗脱。
SPME有两种萃取方式，一种是将萃取纤维直接暴露在样品中的直接萃取法，适于分析气体样品和洁净水样中的有机化合物。
另一种是将纤维暴露于样品顶空中的顶空萃取法，广泛适用于废水、油脂、高分子量腐殖酸及固体样品中挥发、半挥发性的有机化合物的分析。
SPME技术评价和应用研究SPME萃取待测物后可与气相色谱、液相色谱联用进行分离。
使用的检测器可以是质谱（MS）、氢火焰离子化检测器（FID）、火焰光度检测器（FPD）、电子捕获检测器（ECD）、原子发射光谱检测器（AED）等，方法的最低检测限可达 ng 甚至 pg 水平。
对水中长链的有机脂肪酸也可达到1×10-12g。
根据样品体积、待测物种类和性质以及涂层厚度的不同，一次萃取操作的提取水平，对于血样中的有机磷农药为0.03%-10. 6%, 而对于BTEX类化合物（苯、甲苯、乙基苯，二甲苯），提取水平在1%-20%之间。
14第十一章 固相微萃取技术 SPME详解
气体萃取（顶空技术）
取样品基质（液体和固体）上方的气相部分进行色谱分析。 用途：痕量高挥发性物质的分析测定，气体是挥发性物质的最 理想的溶剂。
分类
静态顶空过程
静态顶空：在一个密闭的容器中，样品与样品上方气体逐渐达到平衡。
分类
动态顶空过程
捕集阱中捕集浓缩。
连续气体萃取方法，经捕集浓缩后进行测定：
原理是基于待测物质在样品及微型萃取涂层中的
平衡分配进行萃取。不要求将待测组分全部分离 出来，而是通过样品与固相涂层间的平衡来达到
分离。
通过控制萃取纤维的长度、厚度，取样时间，调 节酸碱度、温度等萃取参数，实现痕量组分的可重现性、准确测定。
以Fiber-SPME为例
固相微萃取装置由手柄和萃取头或纤维头两部分组成。萃取头
为一根1cm 长，涂上不同色谱固定相或吸附剂的熔融石英纤维， 可在不锈钢套管内伸缩。 5
SPME的优点
(1 ) 不使用有机溶剂萃取，降低了成本，避免了二次污染； (2) 操作时间短，从萃取进样到分析结束不足1ｈ； (3) 样品用量少，几ｍL—几十ｍL； (4) 操作简便，可减少待测组分的挥发损失 ； (5) 检测限达 μｇ/Ｌ—ｎｇ/Ｌ水平； (6) 适于挥发性有机物、半挥发性有机物及不具挥发性的 有机物。
用流动的气体将样品中的挥发性成分“吹扫”出来，再用一个捕集器将吹出来的物 质吸附下来。关闭吹扫气，由切换阀将捕集器接入GC，然后经热解吸将样品送入GC进 行。
1固相微萃取技术
SPME与HPLC/GC联用
手动式SPME-HPLC/GC 联用操作方式 自动进样SPME-HPLC/GC 联用操作方式 -管内 固相微萃取(in tube SPME)
Fiber-SPME-HPLC
Fiber-SPME-HPLC
Fiber-SPME-GC
自动时样器 泵
?聚二甲规氧烷类 薄膜（7um）
?适用于分析中等沸点高沸点的物质，如苯甲酸酯、多环 芳烃等
?聚丙酸酯类
?适用于分析强极性化合物如苯酚等
?活性炭
?适用于分析极低沸点的强亲脂性物质
常用固定相和适用范围
固定相类型
PDMS (聚二甲基硅氧烷)
极性 非极性
适用样品
有机氯、有机磷、有机氮农药；药 品和麻醉品；食品中香味；挥 发物；食品中咖啡因、卤化物
涂层的种类－相似相溶机理
?PDMS, PA ?PDMS/DVB,CW/DVB,CAR/PDMS,
DVB/CAR/PDMS,CW/TPR
固相微萃取的缺点
A 装置价格昂贵 B 涂层种类有限 C 选择性差 D 无机离子萃取技术不成熟
（2） 固相微萃取膜介绍
固相微萃取膜(SPMEM)是将固相 微萃取涂层材料均匀的涂布于膜 状基材上，将针状的固相微萃取 装置发展制作成膜状的固相微萃 取膜。
– 标准加入法注意，试样中的分析组分不一定能像加 入的标准那样容易被提取，分析时要筛选条件保证 分析组分的提取率
– 内标法需要筛选出与分析组分分配系数相同或相近 的内标物。
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点 装置与操作 条件的选择 定量的方法 技术的应用
SPME联用情况
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提高SPME萃取效率的方法
1、萃取头
目前主要有的涂渍技术有:直接涂渍;热固化
法;交联固化法;粘胶粘附法;溶胶一凝胶法; 键合法和电化学聚合法等，对无机探头一 般采用吸附和物理沉淀法。
2、萃取时间 平衡时间往往取决于多种因素，如分配系 数、物质的扩散速率、样品基体、样品体 积、萃取膜厚、样品的温度等。通常萃取 时间为5~20min即可。
头，汞从水溶液中被电化学吸附，离子捕获-GC-MS检测， 可实现无机汞和有机汞的分离。 Thompson等用聚三甲基唾吩为涂层的铂电极SPME探头 并实现了SPME一EC联用，以ICP一MS为检测器无需衍 生测定水溶液中的AsO43-。 GustavL等自制了一个套叠的三电极系统的固相微萃取探 头，以PPy/ClO4-及PPy/TSO-为涂层，分别萃取氯化物、 硝酸盐、亚硝酸盐、溴化物、硫酸盐、磷酸盐,再转移至 190uL的溶液中，电位反向扫描解吸下来送入ICP中分析。 实验证明SPME和EC联用后可获得很高的富集率。
Microextraction 和HPLC 为关键词在Chemical Abstracts 数据库中搜索
固相微萃取技术背景介绍
1989 年，加拿大Waterloo 大学的Belardi 和 Pawliszyn首先以改性石英纤维对水样中的有机物 进行了萃取，在此基础之上Authur 和Pawliszyn于 1990 年提出了固相微萃取（Solid-phase microextraction，SPME）这一崭新的样品预处理 技术。Supelco 公司1993 年即推出了SPME的商品 化装置，这也是SPME 和GC 联用技术得以迅速发 展的重要原因。在这之后，SPME 又相继实现了 与HPLC，SFC，CE 等高效分离分析技术的联用， 其发展更是迅速。
其他联用技术 除上述联用技术外，还有其它联用，如SPME 与紫外吸收光谱、微波诱导等离子体光谱的联 用装置。
SPME技术的应用
SPME的应用涉及环境监测、农药分析、食 品检验、医药卫生、生物化学、法医化学 等领域。
SPME今后的发展趋势
1、涂层的选择性 随着分析样品范围的扩大，更需要具有选 择性甚至专一性的固相涂层，使涂层具有 分子识别能力，开发不同性质的涂层可以 大大地拓宽SPME的应用范围，使它在有机、 无机、生命科学等领域大显身手。
3、萃取温度 萃取温度对萃取效率的影响是两方面的，温 度的升高无疑使分析物扩散系增大，分析 物可以更快地进入涂层或脱离样品基底进 入液上空间，从而使达萃取平衡的时间缩 短。但分析物在涂层中的分配系数会随着 温度的升高而减小，因此应综合考虑这两 方面的因素来选择萃取温度。
4、无机盐及pH 无机盐的加入可以提高极性化合物在非极性 涂层上的萃取效率，而pH值的改变则可以 调整分析物的分子存在状态使之与涂层的 作用力增强，从而更易于被涂层萃取。
固相微萃取装置
SPME装置外形类似于微量注射器，由手柄
和萃取头两部分组成，手柄用于安装和固 定萃取头。萃取头是一根长约3-4 cm、涂有 厚度为30~1000µ m不同涂层的熔融石英纤维， 石英纤维一端连接不锈钢套管，外套不锈 钢针管以保护萃取头，萃取头在针管内可 伸缩。
SPME操作过程包括两个步骤：
2、涂层的稳定性 现在应用的涂层耐温程度一般不超过280℃， 这就限制了SPME与GC的联用，对生物大 分子、高沸点化合物也无能为力，需要开 发耐温程度高的固相涂层。同时，对涂层 的耐溶剂腐蚀和使用寿命作更高的要求。
3、涂层的涂渍方式 可以开发不同的涂渍方式，如用溶胶凝一胶 法，电化学法等新的涂渍方法。并且SPME 与不同检测手段联用，涂层的涂渍方式也 可以改进，对GC可以用外涂法，对CE、 HPLC也可以采用内涂法。
第一步，将纤维头从不锈钢针管中伸出并
与样品溶液或顶空气体接触，分析物被吸 附或吸收到涂层中直至平衡； 第二步，将吸附或吸收了分析物质的萃取 头插入GC进样口或SPME．HPLC联用接口， 分析物质在GC进样口中热解吸，或在 SPME-HPLC联用接口中溶剂解吸，然后再 进入GC或HPLC色谱柱分离并检测。
参考文献
Y. Q. Feng, M. J. Xie, S. L. Da, Preparation and
characterization of an L-tyrosine-deri vatized β-cyclodextrinbonded silica stationary phase for liquid chromatography, Anal. Chem. Acta, 2000, 403, 187-195 Zeng Z R，Qiu W L,HuangZ,F．Solid·pha∞microextmction using fused-silica fibers coated with sol-gel· deriVed hydrI， xy—crown ether．Anal．Chem．，200l，73：2429-2436． HLord，JPwaliszyn，Eolution of solid-Phase microextraction technology，J ChromatograPhy，2000，885:153一193 A.Malik，D.Wang，CaPillay column and method of making， World Patent 2001 No.2000011463
固相微萃取技术
讲课人：黄莹莹
Introduction Steps in chemical analysis
Cleanup Concentration Compatibility
Sampling Sample preparation Separation Detection Data analysis
与电化学联用(SPME一EC) 由于电化学具有对各种离子检测的优势， 并且能够通过电位控制吸附和解吸的过程， 所以实现SPME与电化学联用，就可以通过 外加电势方便地控制探头涂层的电性及电 量，进行选择性的吸附，这样可以萃取在 传统SPME中一般需要衍生的离子。
FengGuo等用SPME-EC测定痕量汞，选用金做SPME探
膜保护SPME(MembraIle protected SPME，MP-
SPME)萃取模式，该模式采用选择性膜隔开涂层 与样品，样品中的分析物在通过选择性膜后吸附 到涂层上，而大分子量化合物不能通过选择性膜， 消除了基体干扰。膜保护法适用于污染严重的水 样及难挥发性化合物的萃取。 衍生化萃取法(Derivatization一SPME)。对于强极 性化合物通过衍生降低其极性;对于不挥发性化合 物通过衍生提高其挥发性。以此提高涂层/水或涂 层/气相的分配系数，使样品易于分析。
In-tube SPME 将气体或液体样品通过内壁键合了萃取剂 的石英毛细管，使欲分析组分被萃取剂萃 取，然后用加热或洗脱液洗脱的方法将分 析组分从萃取剂中解析下来进行分析。
SPME联用技术的发展
随着SPME技术的发展，与其联用的方法日
益扩大，目前应用较多的是气相、液相和 毛细管电泳，其中气相较成熟，液相和毛 细管电泳也有新发展，几种方法可以互相 补充。
与气相色谱联用(SPME一GC) 操作最方便，对挥发性和半挥发性有机物进 行分析，时间一般在30min以内，检出限达 到ng/g-pg/g级水平，线性范围宽。
Marina Cmoja等人以SPME一GC一AED(原子发
射光谱)联用对环境样品中的有机锡、有机铅进行 了检测，探头为PDMS，检测限达到0.2ng/L。 Jimenez等以SPME一GC一ECD(电子捕获检测器) 对牛奶中的残留农药进行了检测。 Yang等用SPME检测了马铃薯中的生物碱，以GC 一NPD进行检测，检测限为0.lng/L。 MoensL等人用SPME方法快速检测有机汞、有机 锡、有机铅，并用气相色谱一等离子体质谱(GC 一ICP一MS)进行了检测。
Sample prep takes ~80% total analysis time. It is also where most errors were made!
Solid phase extraction (SPE)
Liquid-liquid extraction (LLE)
Miniaturization
与毛细管电泳联用(SPME一CE) Li等用外面套有一可活动聚四氟乙烯管的前端涂 有聚氯乙烯(PVC)的不锈钢棒作为探头，插入样 品中进行提取，然后在聚四氟乙烯管中用十几微 升盐溶液将吸附物反提出来，进行CE分析。 Nguyen和Luong于1997年首先实现了SPME-CE的 在线联用，他们将一段额外的毛细管与CE的毛细 管相连，固相微萃取探头插入这段毛细管中进行 的解吸，样品随流动相进入CE毛细管柱进行分析。 Wang又在此基础上进行了改进，设计了一个零死 体积进样的接口，实现了SPME-CE零死体积联用。
固相微萃取原理
分析组分在两相间达到萃取平衡时，萃取
相上富集的样品量可用下列公式表示：
对于非萃取平衡时
t不变时常数
从公式（2）可以看出在萃取过程中如果萃
取时间t不变，公式（2）可以写成：
固相微萃取的模式
主要有4种: 直接SPME(DI-SPME)是将萃取头直接插入液体 药品中萃取或暴露于气体样品中萃取； 顶空SPME(Headspace SPME，HS-SPME)是将萃 取头置于液体或固体样品顶空气体中萃取。 DI-SPME适用于气体样品和基体干净的液体样品， HS-SPME适用于基体复杂的液体样品和固体样品。
tube SPME） 金属丝管内固相微萃取（wire-in-tube SPME） 纤维管内固相微萃取（fiber-in-tube SPME）
管外固相微萃取 外表有涂层的萃取纤维头，其SPME-HPLC 联用接口包括一个六通进样阀和一个解析 池，样品萃取后就，萃取头浸入解析池中 适当溶剂解析后将阀切换至进样位置用 HPLC检测。