固相微萃取技术装置、工作原理及影响因素分析
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
涂层介绍
涂层的体积（厚与薄）也决定方法的灵敏度。 涂层所使用的主要材料：
SPE、SPME的简单比较
SPE
待测物被介质萃取
洗脱非待测成分
换洗脱液洗脱待 测成分
SPME
待测物被介质萃取
待测成分解吸附 （无须clean-up）
固相微萃取与气相色谱技术的联用
SPME-GC SPME与GC联用是研究最早也是目前
发展得最成熟的技术。这一领域的研究目 前主要集中在接口研制、萃取头的制备。
采用顶空法（headspace），吸附具有 挥发性或半挥发性的化合物；再在GC的气 化室里脱附气化进行分析。
缺点：适用的范围较窄；挥发/半挥发物（ 20%）；不能分析生物大分子；对温度敏 感的物质（如蛋白质）。
没有涂层可以萃取所有的化合物。
固定相涂层的要求：
具有较大的分配系数； 要有合适的分子结构； 考虑到固相微萃取主要与色谱技术联用，
涂层本身性质必须满足色谱分析要求。
涂层的厚度
涂层厚度的选择也是主宰萃取选择性和灵敏度的最重要的因素
SPME涂层厚度特点
涂层厚度大，吸附容 量大，灵敏度高，不 易达到吸附或吸收平 衡；
空中浓度梯度带来的影响。 有效地提高萃取效率。
样品喷洒技术
取样前将样品溶液喷洒成细雾状。
极大地增加了样品的表面积，且同时在气相中 产生了对流。
提高分析物从液相到气相的扩散速率，提高 SPME萃取效率。
全自动固相萃取仪原理
全自动固相萃取仪原理
全自动固相萃取仪是一种常用于环境监测、食品安全等领
域的分析仪器，其原理基于固相萃取技术。
固相萃取是一种样品前处理技术，通过将待测样品中的目
标分析物吸附在固定相上，然后再进行洗脱、浓缩和分离
等步骤，最终得到目标分析物的纯净溶液。
全自动固相萃
取仪利用了这一原理，实现了对样品的自动化处理。
全自动固相萃取仪的主要组成部分包括进样系统、固相萃
取柱、洗脱系统、分离系统和控制系统等。
1. 进样系统：将待测样品进样到固相萃取柱中。
进样方式
可以是液体进样或气体进样，具体根据样品的性质和分析
要求选择。
2. 固相萃取柱：固相萃取柱内填充有固定相材料，如吸附剂。
待测样品中的目标分析物在固相上发生吸附作用。
3. 洗脱系统：通过洗脱液将固相上吸附的目标分析物洗脱
下来。
洗脱液的选择要根据目标分析物的性质和分析要求
确定。
4. 分离系统：将洗脱液中的目标分析物与其他干扰物分离。
分离方式可以是液相分离或气相分离，具体根据目标分析
物的性质选择适当的分离方法。
5. 控制系统：控制仪器的运行和参数设置，实现全自动的
固相萃取过程。
可以通过仪器的面板或计算机软件进行操作。
总的来说，全自动固相萃取仪通过样品进样、固相吸附、洗脱、分离等步骤，实现对目标分析物的提取和纯化。
其原理基于固相萃取技术，具有操作简便、高效、准确等优点。
GC-MS分析样品前处理方法——固相微萃取（SPME）
GC-MS分析样品前处理⽅法——固相微萃取（SPME）固相微萃取（Solid－Phase Microextraction，简写为SPME）是⽬前较为常⽤的⾹⽓⾹味提取技术，具有简单，快速，集采样、萃取、浓缩、进样与⼀体的特点。
1990年由加拿⼤Waterloo⼤学的Arhturhe和Pawliszyn⾸创，1993年由美国Supelco公司推出商品化固相微萃取装置，1994年获美国匹兹堡分析仪器会议⼤奖。
内容提要：⼀、固相微萃取 (SPME)基本原理⼆、固相微萃取(SPME)操作⽅法三、固相微萃取(SPME)特点四、固相微萃取(SPME)应⽤范围五、固相微萃取(SPME)操作条件选择六、固相微萃取(SPME)操作注意事项七、固相微萃取(SPME)定量⽅法⼋、固相微萃取(SPME)⼲扰物九、固相微萃取(SPME)应⽤实例⼀固相微萃取 (SPME)基本原理固相微萃取主要针对有机物进⾏分析，根据有机物与溶剂之间“相似者相溶”的原则，利⽤⽯英纤维表⾯的⾊谱固定相对分析组分的吸附作⽤，将组分从试样基质中萃取出来，并逐渐富集，完成试样前处理过程。
在进样过程中，利⽤⽓相⾊谱进样器的⾼温将吸附的组分从固定相中解吸下来，由GC/GCMS来进⾏分析。
⼆固相微萃取(SPME)操作⽅法有⼿动和全⾃动两种⽅式，下⾯以⼿动操作为例。
1、样品萃取①将SPME针管穿透样品瓶隔垫，插⼊瓶中。
②推⼿柄杆使纤维头伸出针管，纤维头可以浸⼊⽔溶液中（浸⼊⽅式）或置于样品上部空间（顶空⽅式），萃取时间⼤约2-30分钟。
③缩回纤维头，然后将针管退出样品瓶2、GC/GCMS分析①将SPME针管插⼊GC/GCMS仪进样⼝。
②推⼿柄杆，伸出纤维头，热脱附样品进⾊谱柱。
③缩回纤维头，移去针管。
3、全⾃动固相微萃取(SPME)，⾃动提取和进样解析：三固相微萃取(SPME)特点简单，快速，集采样、萃取、浓缩、进样与⼀体。
⼀般不需要有机溶剂。
⼀般⾹⽓⾹味组分（挥发性特强的部分除外）提取⽐静态顶空的灵敏度⾼好多倍或能够提取出来。
固相萃取与固相微萃取应用之原理
固相萃取与固相微萃取应用之原理一固相萃取固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）是一种基于液-固分离萃取的试样预处理技术，由柱液相色谱技术发展而来。
SPE技术自70年代后期问世以来，由于其高效、可靠及耗用溶剂量少等优点，在环境等许多领域得到了快速发展。
在国外已逐渐取代传统的液-液萃取而成为样品预处理的可靠而有效的方法。
SPE技术基于液相色谱的原理，可近似看作一个简单的色谱过程。
吸附剂作为固定相，而流动相是萃取过程中的水样。
当流动相与固定相接触时，其中的某些痕量物质（目标物）就保留在固定相中。
这时用少量的选择性溶剂洗脱，即可得到富集和纯化的目标物。
固相萃取可分为在线萃取线萃取前者萃取与色谱分析同步完成；而后者萃取与色谱分析分步完成，两者在原理上是一致的。
一般固相萃取的操作步骤包括固相萃取柱（即吸附剂）的选择、柱子预处理、上样、淋洗、洗脱。
在实验过程中需要具体考虑的因素如下：1）吸附剂的选择a.传统吸附剂在环境分析中最为常用的反相吸附剂较适用于水样中的非极性到中等极性的有机物的富集和纯化。
其中有代表性的键合硅胶C18和键合硅胶C8等。
该类吸附剂主要通过目标物的碳氢键同硅胶表面的官能团产生非极性的范德华力或色散力来保留目标物。
正相吸附剂包括硅酸镁、氨基、氰基、双醇基键合硅胶及氧化铝等，主要通过目标物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团的极性相互作用（氢键作用等）来保留溶于非极性介质的极性化合物。
由于其特殊的作用原理，在环境分析中常用于与其它类型的吸附柱联用，吸附去除干扰物，实现样品纯化。
离子交换吸附剂则主要包括强阳离子和强阴离子交换树脂，这些树脂的骨架通常为苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，主要是通过目标物的带电荷基团与键合硅胶上的带电荷基团相互静电吸引实现吸附的。
b.抗体键合吸附剂（Immunosorbents-IS）这类新型吸附剂充分利用了生物免疫抗原-抗体之间的高灵敏性和高选择性，尤其适应于水中痕量有机物的富集与分离。
固相微萃取
四、SPME萃取步骤方法
固相微萃取主要有 4种基本萃取方式：直接萃取(direct immersion, DI)、顶空萃取 (headspace, HS)、膜保护萃取和衍生化法。
直接萃取法：是将涂有萃取固定相的石英纤维直接插入到样品基质中， 目标组分 直接从样品基质中转移到萃取固定相中; 方法适用于气体样品或洁净水样品中有 机化合物的测定。
顶空萃取法： 其模式分为两步: 一是被分析组分从液相中先扩散穿透到气相中， 二是被分析组分从气相转移到萃取固定相中。方法可避免萃取固定相受到某些样 品基质中高分子物质和不挥发性物质的污染; 方法适应脏水、 油脂、 血液、 污泥、 土壤的前处理。
膜保护萃取 ：是通过一个选择性的高分子材料膜将试样与萃取头分离从而实现萃 取; 在分析很脏的样品时可使萃取固定相不受到污染; 方法对难挥发性物质组分的 萃取富集更为有利。 衍生化法 ：根据 SPME 特点和衍生化反应发生的位置，衍生化萃取法分为在样 品基质中直接进行衍生化、 在萃取涂层纤维上进行衍生化( 即萃取的同时衍生化 或先萃取再进行衍生化) 、 在 GC 进样室中进行衍生化等 3 种方式。衍生化与 SPME 的结合为极性、 难挥发性有机物的分析提供了可能性。
二、SPME的萃取原理
固相微萃取主要针对有机物进行分析， 根据有机 物与溶剂之间“相似者相溶” 的原则， 利用石英纤维表 面的色谱固定相对分析组分的吸附作用， 将组分从试 样基质中萃取出来， 并逐渐富集， 完成试样前处理过 程。在进样过程中， 利用气相色谱进样室的高温将吸 附的组分从固定相中解吸下来由色谱仪进行分析。
五、固相微萃取的影响因素
表 1 典型的固相微萃取萃取头涂层及其应用
1. SPME 萃取涂层的选择原则 涂层的种类是影响分析灵敏度和选 择性的最重要因素。涂层的选择遵 循“相似者相溶” 这一规则， 表 1 列出了典型的 SPME 萃取头涂层及 其应用 。
固相萃取装置
固相萃取装置
在化学分析领域中，固相萃取是一种常见的样品预处理技术，它通过使用吸附剂将目标化合物从复杂的样品基质中富集和分离出来。
固相萃取装置是实现这一技术的关键设备，其设计和性能对分析结果具有重要影响。
原理
固相萃取装置的原理基于化合物在不同吸附剂上的亲和性差异。
样品溶液首先通过固相柱，柱内填充有吸附剂，如吸附树脂、吸附栅栏等，目标分析物会在吸附剂上吸附，而其他成分则被排除。
随后，通过洗脱液将目标化合物洗脱下来，最终得到富集目标化合物的洗液。
结构和工作原理
固相萃取装置通常包括进样口、固相柱、洗脱液进口、洗涤液进口和废液出口等部分。
样品通过进样口输入，经过固相柱后，目标分析物被捕获，洗脱液进入将其洗净，最后废液排出。
固相柱中的填料选择和装载方式是影响富集效果和分离效率的重要因素。
应用
固相萃取装置广泛应用于环境监测、食品安全、医药分析等领域，能有效富集痕量化合物并提高检测灵敏度。
同时，固相萃取技术还具有简便、快速、可靠的特点，成为许多实验室常用的样品前处理方法。
总结
固相萃取装置作为样品预处理中的重要设备，为化学分析提供了高效、精确的样品富集和净化手段，具有重要的应用价值。
随着技术的不断发展，固相萃取装置的设计和性能将不断改进，为分析实验提供更好的支持和保障。
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。
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固相微萃取技术装置、工作原理及影响因素分析摘要:固相微萃取(SPME)技术归属于非溶剂型选择性萃取法，是一种新型的、适用于GC的样品制备技术，具有使用便捷无需使用有机溶剂的特点，而且可应用的领域十分广泛。
本文就其装置、原理及相关的影响因素进行分析和介绍。
关键词:固相微萃取技术装置工作原理影响因素分析介绍
固相微萃取技术几乎可以运用于任何状态下的样品中的挥发性、半挥发性物质的分析，自1993年美国Supelco公司实现商品化以来，已发展成为环境、生物、医学等各个领域的主导技术。
在其发展过程中，主要涉及了探针的固相涂层材料及涂渍技术、萃取方法、联用技术的发展等几个方面。
1 固相微萃取技术的装置
固相微萃取技术的装置非常的小巧便于携带，略似进样器，具有免溶剂、快速、萃取简单、可现场携带采样的仪器，主要由手柄和萃取纤维头两部分构成。
其中，手柄用于安装固定萃取纤维头，可永久使用。
而纤维头是一根1cm长、涂有不同色谱固定相(或吸附剂)的熔融石英纤维，外套细不锈钢管以保护石英纤维头不被折断，而且纤维头可在钢管内自由
伸缩，用于萃取、吸附样品。
2 固相微萃取技术的工作原理
固相微萃取技术的工作原理就是待测物的样品基质和萃取介质(涂层)间的分配，分吸附过程和解吸过程两个步骤进行。
吸附过程，就是将纤维头浸入样品溶液中(或顶空气体中)一段时间，同时搅拌溶液以加速两相间达到平衡的速度，待测物在样品及石英纤维头外涂渍的固定相液膜中平衡分配，遵循相似相溶原理，将纤维头取出插入气相色谱汽化室，热解吸涂层上吸附的物质。
解吸过程会因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。
被萃取物在汽化室内解吸后,靠流动相将其导入色谱柱,完成提取、分离、浓缩的全过程，有手动或自动两种操作方式，让更多的分析工作者从重复、烦琐的操作中解脱出来。
固相微萃取技术有3种基本的萃取模式，即直接萃取、顶空萃取和膜保护萃取。
直接萃取是一种将萃取纤维直接暴露在样品中的萃取模式，适于分析气体样品和洁净水样中的有机化合物。
顶空萃取是将纤维暴露于样品顶空中的萃取模式，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。
膜保护萃取是以保
护萃取固定相在分析很脏的样品时免受损伤的萃取模式，对难挥发性物质组分的萃取富集更为有利。
3 固相微萃取技术的影响因素
3.1 萃取时间的影响
萃取时间就是指待测物在各相中达到平衡所需要的时间，与待测物的分配系数、样品基质、物品的扩散速率等多种因素有关。
纤维头涂层对待测物吸附的初始时是一段快速吸附期，随之就会进入一个平稳期，吸附的速度也会变得缓慢。
对挥发性有机物进行分析时，一般10min左右就可以到达平衡阶段;而较复杂的基质或半挥发性有机物，其达到平稳所需时间会延长到30min～60min。
因此，可以根据实际操作目的对灵敏度的需求不同适当的缩短萃取时间，还需要严格控制萃取时间的一致性，以保证分析工作具有良好的重视性。
3.2 纤维表面固定相的影响
选用固定相时应当遵循相似相溶的原则，综合考虑和分析各组分在各相中的极性、沸点和分配系数，以选取最适合分析组分的固定相。
目前常用的涂层有聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酷(PA)，因其在有机溶剂中具有较大的溶胀性，从而提高了涂层的稳定性和萃取效率。
此外，还需要考虑石英纤维表面固定相的体积，包括石英纤维的长度和涂层的膜厚。
一般情况下，石英纤维的长度为1cm，膜厚为10mm～100mm之间。
对于涂层膜厚的选择应将根据实际情况区分开来，小分子和挥发性的物质常用厚膜，而大分子和半挥发性的物质常用薄膜，综合考虑式样的挥发性还可以选择中等厚度的。
3.3 萃取温度的作用
固相微萃取技术的提取、富集样品是一个动态平衡的过程，萃取效率由待测物质于各相之中的分配系数决定。
而分配系数就是热力学常数，直接影响分配系数的重要参数就是温度。
由于分配系数与温度密切相关，应当通过适当的加热升高样品的温度，促进挥发性化合物到达顶空和萃取纤维的表面，加快分析物的扩散速度，从而缩短平衡时间。
然而涂层的吸附过程一般是放热反应，低温适合于放热反应的进行，过高的温度反而会使分配系数下降，直接导致检测的灵敏度下降。
因此，实践中应当综合考虑参数条件，使萃取介质温度较高，而萃取纤维的表面保持低温。
3.4 无机盐效应与pH值的影响
在萃取前于样品中添加无机盐，如NaCl、Na2SO4等，可使样品体系水溶液的离子浓度增大、有机待测物溶解度降低而产生盐析，分配系数得到提高，从而增加萃取纤维头固定相对分析组分的吸附，可提高萃取效率和分析的灵敏度。
一般情况下，添加无机盐的方法适用
于顶空方式，而对于侵入方式，无机盐的存在容易损坏萃取纤维头。
而且过高的盐浓度会增加体系的粘度，影响扩散的速度，会产生负效果。
控制pH值的大小也可以改变有机物在水中的溶解度。
适当的调节体系的pH值，可避免液体试样中待测物质的离子化，使其处于离子状态，增加亲脂性，降低有机物在水中的溶解度，增大分配系数，从而提高萃取效率和分析的灵敏度。
对于弱酸和弱碱性的化合物，pH 值会直接影响其存在的状态，因此，调节体系的pH值是很有必要的。
但是值得一提的是，pH值过高或过低都会影响固定相涂层的使用寿命。
3.5 衍生化反应的作用
衍生化反应可应用于减小极性化合物的极性，如酚、脂肪酸等，提高其发挥性，从而增强被固定相吸附的能力。
在固相微萃取中，无论是直接向试样中加入衍生剂，还是将衍生剂附着于石英纤维固定相涂层上，都能使衍生化反应得以产生。
典型的例子有:对短链脂肪酸的衍生化反应常使用重氮化五氟苯乙烷，对长链脂肪酸的衍生化反应常使用季铵碱，而对短链和长链脂肪酸使用重氨甲烷和芘基重氮甲烷都有效。
3.6 搅拌基质的影响
搅拌基质有助于待测物分布均匀实现均一化，增加基质的传递速
度，使得基质于搅拌的作用下更快的达到平衡分配，从而提高萃取的效率。
通过超声振荡可以更好地促使待测物迁移吸附到涂层纤维上，以增加有机物在气相中的浓度，更有利于提高萃取的效率和分析的准确性。
但是超声振荡效果会随着平衡温度的升高而逐渐减低。
4 结语
固相微萃取技术是在固相萃取的基础上发展起来的，是一种响应现代仪器的要求而产生的样品前处理新技术，因其集采样、萃取、浓缩、进样于一体的优点而被各个领域广泛运用。
固相微萃取技术的发展及应用使更多的分析工作者从繁琐、重复的操作中解脱出来，是非常实用的应用技术，在将来的各个领域中会得到更好的运用。
参考文献
[1]庞建峰.固相微萃取技术及其在环境样品分析中的应用[J].科学导刊,2010(10):29(5).
[2]王胜,李洁.固相微萃取技术简介[J].广州环境科学,2001(3).。