固相微萃取技术精.ppt

固相微萃取技术第1页，本讲稿共36页固相萃取（SPE）及固相微萃取（SPME）技术简介一、背景一、背景 环境样品分析中所涉及的环境和生物等样品基体复杂，环境样品分析中所涉及的环境和生物等样品基体复杂，且待测元素和物质在样品中的含量一般都很低，所以往往需要且待测元素和物质在样品中的含量一般都很低，所以往往需要对样品进行分离预富集，其要求一般为：对样品进行分离预富集，其要求一般为：高的富集效率高的富集效率 分离富集过程中需保持真实样品中各物质之间的平衡分离富集过程中需保持真实样品中各物质之间的平衡 尽可能消除杂质或溶剂的影响，减小基体效应尽可能消除杂质或溶剂的影响，减小基体效应第2页，本讲稿共36页前言 试样的预处理是样品分析中至关重要的一环，传统的样品预处理方法往往手续复杂、耗时。具有溶剂消耗量少、对样品污染少、预处理时间短等优点的固相萃取技术已广泛地应用于环境的监测与分析中，成为一种常规分析方法。第3页，本讲稿共36页传统溶剂法的问题：有机溶剂用量大 富集倍数低 操作繁琐、费时 分析物的损失和污染第4页，本讲稿共36页二、固相微萃取（SPME）和固相萃取（SPE）固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）是在固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）基础上发展起来的一种新型萃取分离技术。固相微萃取（SPME）是由加拿大Waterloo大学Pawliszyn于1990年提出（Arthur C l,Pawliszyn J.Anal.Chem.,1990,62:2145）。美国Supelco公司于1993年推出了商品化的固相微萃取装置。由于该法既不使用溶剂，也不需要复杂的仪器设备，它一经出现就得到迅速的发展。第5页，本讲稿共36页三、固相萃取（SPE）固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）是由液固萃取和柱液相色谱技术相结合发展而来的。其广泛应用起始于1978年美国Waters公司首先将商品sep-pak投放市场。它是一种填充固定相的短色谱柱，用于浓缩被测组分或除去干扰物质。SPE是一个柱色谱分离过程，分离机理、固定相和溶剂的选择等方面与高效液相色谱（HPLC）有许多相似之处。不同之处是：SPE柱的填料粒径（40m）要比HPLC（3-10 m）大，由于短的柱床和大的填料粒径，因此其柱效很低，一般为10-50塔板。第6页，本讲稿共36页1、用途：分离效率低的SPE技术主要用于处理试样，其目的为：（1）从试样中除去对以后分析有干扰的物质；（2）富集痕量组分，提高分析灵敏度；（3）变换试样溶剂，使之与分析方法相适应；（4）原位衍生；（5）试样脱盐；（6）便于试样的储存和运送。第7页，本讲稿共36页2、固相萃取的基本原理：固相萃取的原理与液相色谱分离过程相仿，是一种吸附剂萃取，主要用于液体样品的处理。A：当试样通过装有合适的固定相时，被测组分由于与固定相作用力较强而被吸附留在柱上，并因吸附作用力的不同而彼此分离，样品基质及其他成分与固定相作用力较弱而随水流出萃取柱。B：被萃取组分用少量的选择性溶剂洗脱。因此，SPE技术不仅用于“清洗”样品，除去干扰成分，而且可以使组分分离，达到浓缩或纯化的目的。第8页，本讲稿共36页3、固相萃取的装置固相萃取的装置主要分柱型和盘型两种第9页，本讲稿共36页 体材料通常是用医用级聚丙烯，在两片聚丙烯筛板之间填装吸附剂。也可选用玻璃、纯聚四氟乙烯（PTFE）作为柱体材料。吸附剂最多使用的是C18相，该吸附剂疏水性强，在水相中对大多数有机物显示保留。此外，也使用其他具有不同选择性和保留性质的吸附剂，如：C8、氰基、苯基、双纯基填料、活性碳、硅胶、氧化铝、硅酸镁、高分子聚合物、离子交换树脂、排阻色谱吸附剂、亲和色谱吸附剂等。常用洗脱溶剂有：甲醇、水、乙酸、丙醇、异丁醇、乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、乙醚、苯、甲苯、四氯化碳、环己烷、正己烷等。第10页，本讲稿共36页4、SPE的操作步骤及方法的建立：第11页，本讲稿共36页 SPE操作步骤包括有柱预处理、加样、洗去干扰物和回收分析物四个步骤。（1）柱预处理 以反相C18SPE柱的预处理为例。先使数毫升的甲醇通过萃取柱，再用水或缓冲溶液顶替滞留在柱中的甲醇。柱预处理有两个目的：除去填料中可能存在的杂质；使填料溶剂化，提高固相萃取的重现性。填料未经预处理或未被溶剂润湿，能引起溶质过早穿透，影响回收率。（2）加样 预处理后，试样溶液被加至并通过SPE柱，在该步骤，分析物被保留在吸附剂上。第12页，本讲稿共36页 加到萃取柱上的试样量取决于萃取柱尺寸（填料量）和类型、在试样溶剂中试样组分的保留性质和试样中分析物及基质组分的浓度。（3）除去干扰杂质 用中等强度的溶剂，将干扰组分洗脱下来，同时保持分析物仍留在柱上。对反相萃取柱，清洗溶剂是合适浓度有机溶剂的水或缓冲溶液，通过调节清洗溶剂的强度和体积，尽可能地除去能被洗脱的杂质。（4）分析物的洗脱和收集 这一步骤的目的是将分析物完全洗脱并收集在最小体积的馏分中，同时使比分析物更强保留的杂质尽可能多地留在SPE柱上。第13页，本讲稿共36页5、SPE的应用：（1）SPE在环境样品中的主要应用是对环境水样的预处理，如：盘式SPE的使用，可使1L水的处理时间缩短到10min，与通常的液-液萃取相比，减少了大量的时间和劳动强度，减少使用大量的有机溶剂，降低了对人体和环境的影响。环境水样从野外采集后，由于条件限制不能马上分析，需存放在冰箱内送往实验室，造成运输、保存的极大困难。而固相萃取技术可以在野外直接萃取水样，将萃取后的介质送往实验室，这样，不但极大地缩小了样品体积，方便运输，而且污染物吸附在固相介质上比存放在冰箱的水样中更为稳定。（2）除环境水样外，SPE也被用于大气样品的前处理，用于萃取大气污染物。第14页，本讲稿共36页EPA方法分析物试样SPE固定相506邻苯二甲酸酯和己酸酯饮用水C18550.1多环芳烃饮用水C18549.1卤代乙酸和茅草枯饮用水阴离子交换剂553联苯胺和含氮杀虫剂饮用水C18或PS-DVB1658苯氧基酸除草剂废水C181656有机卤化物杀虫剂废水C181657有机磷杀虫剂废水C188440石油烃总量沉积物、土壤、淤泥硅胶T013苯并芘及其它多环芳烃空气XAD-2树脂美国EPA使用SPE技术净化和富集的部分方法第15页，本讲稿共36页 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。四、固相微萃取（SPME）第16页，本讲稿共36页1、固相微萃取（SPME）装置第17页，本讲稿共36页该装置类似微量注射器，由手柄和萃取头（纤维头）两部分组成。萃取头是一根长约1cm、涂有不同固定相涂层的溶融石英纤维，石英纤维一端连接不锈钢内芯，外套细的不绣钢针管（以保护石英纤维不被折断）。手柄用于安装和固定萃取头，通过手柄的推动，萃取头可以伸出不锈钢管。第18页，本讲稿共36页 2、SPME操作过程及方式第19页，本讲稿共36页SPME方法是通过萃取头上的固定相涂层对样品中的待测物进行萃取和预富集。SPME操作包括三个步骤：A涂有固定相的萃取头插入样品或位于样品上方；B待测物在固定相涂层与样品间进行分配直至平衡；C将萃取头插入分析仪器的进样口，通过一定的方式解析后进行分离分析。第20页，本讲稿共36页 SPME萃取有三种操作方式，及直接法、顶空法和膜保护法直接法：是将SPME纤维头直接插入水相或暴露于气体样品中进行萃取的方法。顶空法：是将SPME萃取头置于分析样品的上部空间进行萃取。膜保护法：是通过一个选择性的高分子材料膜将试样与萃取头分离，以实现间接萃取，膜的作用是保护萃取头使其不被基质污染，同时提高萃取的选择性。第21页，本讲稿共36页第22页，本讲稿共36页涂层：SPME萃取过程依赖于分析物在涂层和样品两相中的分配系数，因此萃取的选择性取决于涂层材料的特性，故涂层材料是SPME技术的核心。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”。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：聚二甲氧基硅烷（PDMS）、二乙烯基苯（DVB）、聚乙二醇（CW）、聚丙烯酸酯（PA）第23页，本讲稿共36页3、固相微萃取法原理 固相微萃取法（SPME）的原理与固相萃取不同，固相微萃取不是将待测物全部萃取出来，其原理是建立在待测物在固定相和水相之间达成的平衡分配基础上。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：C0V2=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。第24页，本讲稿共36页 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：K=C1/C2 （2）平衡时固相吸附待测物的量WS=C1 V1，固C1=WS/V1由式（1）得：C2=（C0 V2 C1 V1）/V2将C1、C2代入式（2）并整理后得：K=WS V2/V1（C0 V2 C1 V1）=WS V2/（C0 V2 V1 C1 V1 2）（3）由于V1V2，式3中C1 V1 2可忽略，整理后得：WS=K C0 V1 （4）第25页，本讲稿共36页 由式（4）：WS=K C0 V1，可知WS与C0呈线性关系，并与K和呈正比。决定K值的主要因素是萃取头固定相的类型，因此，对某一种或某一类化合物来说选择一个特异的萃取固定相十分重要。萃取头固定液膜越厚，WS越大。由于萃取物全部进入色谱柱，一个微小的固定液体积即可满足分析要求。通常液膜厚度为5-100um，这一已比一般毛细管柱的液膜厚度（0.2-1um）厚得多。第26页，本讲稿共36页第27页，本讲稿共36页4、固相微萃取法萃取条件的选择（1）萃取头 萃取头应由萃取组分的分配系数、极性、沸点等参数决定，在同一个样品中因萃取头的不同可使其中某个组分得到最佳萃取，而其它组分则可能受到抑制。目前最常用的萃取头有如下几种：第28页，本讲稿共36页（a）聚二甲氧基硅烷（PDMS）类：厚膜（100um）适于分析水溶液中低沸点、低极性的物质，如苯类，有机合成农药等；薄膜（7um）适于分析中等沸点和高沸点的物质，如苯甲酸酯，多环芳烃等；（b）聚丙烯酸酯（PA）类：适于分离酚等强极性化合物。第29页，本讲稿共36页（2）萃取时间 萃取时间主要是指达到平衡所需要的时间。而平衡时间往往取决于多种因素，如分配系数，物质的扩散速度、样品基体、样品体积、萃取膜厚、样品的温度等。实际上，为缩短萃取时间没有必要等到完全平衡。通常萃取时间为5-20min即可。但萃取时间要保持一致，以提高分析的重现性。第30页，本讲稿共36页（3）改善萃取效果的方法（a）搅拌：搅拌可促进样品均一化和加快物质的扩散速度，有利于萃取平衡的建立；（b）加温：尤其在顶空固相微萃取时，适当加温可提高液上气体的浓度，一般加温50-90。第31页，本讲稿共36页（c）加无机盐：在水溶液中加入硫酸铵、氯化钠等无机盐至饱和可降低有机化合物的溶解度，使分配系数提高；（d）调节pH值：萃取酸性或碱性化合物时，通过调节样品的pH值可改善组分的亲脂性，从而大大提高萃取效率。第32页，本讲稿共36页（e）衍生化：在元素形态分析中，由于大多数目标化合物以离子形式存在，衍生尤为重要。在实际分析应用中，对于一个给定的分析物，首先应根据分析物选择合适的萃取涂层和涂层厚度，然后根据样品的基质和待测物的挥发度来选择适当的萃取方式。第33页，本讲稿共36页5、应用 由于固相微萃取（SPME）具有操作简单、快速、不需用溶剂洗脱、萃取后即可将它直接插入GC（包括GC-MS）和HPLC的进样室，经热解样品即进入色谱柱，减少了很多中间步骤，而且测定灵敏度高。因此迅速又广泛地被应用于环境样品有机污染物的分析中。包括固态（如沉积物、土壤等）、液态（地下水、地表水、饮用水、废水）及气态（空气及废气）中的卤代烃（包括卤代芳烃）、有机氯农药、多环芳烃、胺类化合物以及石油类等。第34页，本讲稿共36页（1）SPME-GC联用 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、萃取头的制备和有机金属化合物形态分析应用这几个方面。第35页，本讲稿共36页（2）SPME与其它仪器方法的联用与HPLC联用：SPME技术也已成功地与HPLC联用并应用于非挥发性/离子型金属化合物形态分析，这为在GC条件下难以分析的试样中半挥发性和非挥发性待测物的分析提供了可能性。SPME与HPLC联用的关键在于SPME的解吸过程是否能与HPLC的进样系统匹配，即能否使解吸液的体积足够小，以避免在进样后产生明显的柱外效应或出现超负荷现象而导致色谱峰拓宽，使分辨率下降，直接影响分析的灵敏度。与SPME-GC不同，SPME-HPLC需要一个接口，以实现分析物的解析。第36页，本讲稿共36页