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固相微萃取


   2020-06-26

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固相微萃取(SPME, 读做”spee-mee”)是一种重要的样品前处理方法,可以与多种分析仪器串联使用2,像是在气相层析仪 (gas chromatography, GC)、质谱等分析仪器的进样。SPME 优于一般传统的萃取方法就是不需要使用溶剂,成本低廉,萃取时间短、样品需求量少,而且可应用在食品、环境分析,不论是否挥发的物质都能使用,灵敏度高,侦测极限可达 ppb。此方法由加拿大滑铁卢大学 Pawliszyn 教授在 1989 年发表,将採样、萃取、浓缩、进样整合成单一步骤即可完成,萃取装置很简单,如图一,外观像一个针筒,但是在接触样品的前端是熔融硅纤维,纤维上涂覆 10 μm – 100 μm 的固定相,暴露在样品中,等待分析物吸附上去。纤维若无损坏可重複使用。1

固相微萃取

图一、固相微萃取装置。(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

操作步骤简单快速,样品通常被贮存在有橡胶隔膜的样品瓶中,首先,将萃取装置的钢针刺入样品瓶中,伸出涂布固定相的纤维,等待一段时间,分配平衡后,再收回纤维,拔出钢针。再刺入进入气相层析仪或高效能液相层析仪 (high performance liquid chromatography, HPLC),分别以加热汽化或是溶剂脱附,让分析物进入仪器中进行分离,做进一步的定性分析。依照与样品的接触情况,归为三种萃取方式,分别是直接浸入式、顶空萃取式、薄膜保护式。3

固相微萃取

图二、SPME萃取步骤。(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

直接浸入式固相微萃取 (direct immersion-SPME, DI-SPME)

纤维直接浸在样品里面,等待平衡,为一般性样品使用。

$$\displaystyle m=\frac{K_{fs}V_f}{K_{fs}V_f+V_s}\times C_0V_s$$(式一)

$$m=$$ 萃取到的分析物质量 (μg)
$$V_f=$$ 固定相 (纤维涂层) 的体积
$$V_s=$$ 样品的体积
$$C_0=$$ 萃取前的分析物浓度 (μg/mL)
$$K=$$ 样品在固液相之间的平衡常数 $$=C_f/C_s$$

当样品体积远大于固定相体积时,式一可简化为 $$m=K_{fs}V_fC_0$$,表示萃取量与样品初始浓度成正比,因此可以製作检量线做定量分析。

顶空固相微萃取 (headspace-SPME, HS-SPME)

「顶空」是指样品液面与瓶盖间的蒸气部分,样品建议佔有瓶子三分之二的空间,萃取效率较高1,适用于汙秽的样品,避免纤维汙染,分析物挥发性高或是固态样品,例如在全血样品中萃取有挥发性的酒精,顶空萃取能避免萃取到不需要的杂质。1

薄膜保护固相微萃取 (membrane-SPME)

适用于强硷、强腐蚀性的样品,避免纤维损伤,选用适当的薄膜,能对分析物有选择性,降低基质效应,提高再现性。

影响固相微萃取的因素:

    吸附/脱附温度
    在动力学上,温度越高,扩散速率越快。吸附是放热反应,在热力学上,上升温度萃取到的量会下降,需要找到萃取效率最佳的温度。脱附是吸热反应,因此可以升温到样品以及固定相所能承受的温度,即是最有效率的脱附温度。
    吸附/脱附时间
    不用等到完全平衡,只要每次纤维在样品中停留的时间保持一定即可。若固定相的厚度较厚,吸附的分子也较多,时间脱附需要长一点。
    搅拌
    可使用磁石搅拌,但磁石不易洗净;或是用超音波震荡 (sonication),搅拌效果佳,但是要注意纤维上的静相不要被震下来。
    pH 值
    调整 pH 值使需要被分析的物质存在于分子状态,若在溶液中解离将不利于挥发。
    溶剂添加
    加入与水互溶的有机溶剂,如丙酮,能提升萃取效果。
    盐类添加
    利用盐析 (salting out) 的原理,溶液离子强度增加,有机物析出,提升萃取量。
    样品体积
    建议大于 2 毫升,小于 2 毫升的样品可能会让分析物的浓度随体积而变。

参考文献


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