固相微萃取(SPME)裝置山手柄(holder)萃取頭(fiber)兩部分構成(如圖1所示),形狀類似于一支色譜注射器,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,可水久使用。
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。
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,包括固定相及其厚度的選擇兩個方面。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。
圖1 固相微萃取裝置示意圖
1—手柄;2—活塞;3—外套;4—活塞固定螺桿;5—Z形溝槽;6—觀察窗口;
7—可調節針頭導軌/深度標記;8—隔墊穿孔針頭;9—纖維固定管;10—彈性硅纖維涂層
一般而言,纖維頭上的膜越厚,萃取的目標組分越多,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。
固定相涂層按照聚合物的極性可分為3大類:極性涂層、非極性涂層和中等極性混合型涂層。表1中列出了幾種常用萃取頭的適用范圍及性能。
表1 常用SPME-GC/MS萃取頭
萃取頭類別 | 具體描述 | 用途 | 極性 | 分子量范圍 |
PDMS | 100μm,非鍵合 | 小分子、揮發性非極性物質 | 非極性 | 60~275 |
30μm,非鍵合 | 半揮發性、非極性物質 | 非極性 | 80~500 | |
7μm,鍵合 | 半揮發性、非極性物質 | 非極性 | 125~600 | |
PA | 85μm,部分交聯 | 極性半揮發性物質,酚類 | 極性 | 80~300 |
PDMS/DVB | 65μm,部分交聯 | 極性半揮發性物質,胺類,硝基芳香類化合物 | 中極性 | 50~300 |
CAR/PDMS | 75μm,部分交聯 | 痕量VOC(揮發性有機化合物),氣體硫化物 | 中極性 | 30~225 |
DVB/CAR/PDMS | 50μm/30μm,高度交聯 | 揮發性物質 | 中極性 | C3~C20 |
CW/DVB | 85μm,部分交聯 | 極性物質,尤其是醇類 | 中極性 | 40～275 |
注:PDMS——聚二甲基硅氧烷;CW——聚乙二醇;PA——聚丙烯;DVB——二乙烯苯;CAR碳分子篩。
萃取時間的確定:萃取時間主要是指達到或接近平衡所需要的操作時間。影響萃取時間的主要因素有萃取頭的選擇、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,因此一般的萃取過程不必達到完全平衡,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操作。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。
萃取溫度的確定:萃取溫度對吸附采樣的影響具有雙重性,一方面,溫度升高會加快品分子運動,導致液體蒸氣壓的增大,有利于吸附過程,尤其是對頂空固相微萃取(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。實驗過程中還要根據樣品的性質而定,一般萃取溫度為40～90℃。
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、高速勻漿攪拌、超聲波攪拌等方式,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。
萃取方式、鹽濃度和pH: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,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的目的,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。