固相微萃取技術(shù)（SPME）：原理、操作與應(yīng)用全解析

一、SPME 的核心原理

SPME （ 固相微萃取 ）的本質(zhì)是通過涂覆 吸附涂層的石英纖維對樣品中的待測物質(zhì)進(jìn)行吸附、富集，其核心原理基于 液-固吸附平衡 ：利用涂覆在纖維上的 “固定相"（萃取相）對樣品中的目標(biāo)化合物進(jìn)行選擇性吸附，待吸附達(dá)到平衡后，將纖維直接（或經(jīng)解吸后）引入分析儀器（如氣相色譜 GC、高效液相色譜 HPLC）進(jìn)行檢測。

1. 第一步：萃取階段
   目標(biāo)化合物從 “樣品基質(zhì)"（如水體、土壤、血液）轉(zhuǎn)移到 “固定相"，分配系數(shù)為K?（固定相中目標(biāo)物濃度 / 樣品基質(zhì)中目標(biāo)物濃度）。
   分配能力取決于固定相的極性、目標(biāo)物的理化性質(zhì)（如疏水性、分子量）及萃取條件（溫度、時間、pH 等）。

2. 第二步：解吸階段
   吸附目標(biāo)物的纖維被引入儀器進(jìn)樣口，通過 “熱解吸"（GC 常用，高溫使目標(biāo)物脫離固定相）或 “溶劑解吸"（HPLC 常用，有機(jī)溶劑洗脫），目標(biāo)物轉(zhuǎn)移到 “儀器流動相"（如 GC 的載氣、HPLC 的流動相），分配系數(shù)為K?（流動相中目標(biāo)物濃度 / 固定相中目標(biāo)物濃度）。

二、SPME 的關(guān)鍵組成部分

• 非極性目標(biāo)物（如苯、甲苯）：選非極性固定相（PDMS）；

• 極性目標(biāo)物（如酚類、有機(jī)酸）：選極性固定相（PA、CAR/PDMS，碳纖維 / 聚二甲基硅氧烷）；

• 復(fù)雜基質(zhì)（如含多組分的食品、污水）：選混合相（PDMS/DVB，兼顧極性與非極性化合物）。

三、SPME 的操作流程

1. 萃取頭活化（shou次使用或再生）

• 目的：去除固定相表面的雜質(zhì)，激活吸附位點(diǎn)；

• 方法：將萃取頭插入 GC 進(jìn)樣口，在高于目標(biāo)物沸點(diǎn)但低于固定相最高耐受溫度下烘烤（如 PDMS 纖維活化溫度 250-300℃，時間 5-30min）；

• 注意：不同固定相耐受溫度不同（如 PA 纖維最高耐受 200℃），需嚴(yán)格遵循說明書，避免固定相分解。

2. 樣品萃取（核心步驟）

• 操作：將活化后的萃取頭插入樣品瓶（或頂空瓶，針對揮發(fā)性化合物），使纖維暴露在樣品基質(zhì)（或樣品上方的氣相空間，即 “頂空 SPME"）中；

• 關(guān)鍵參數(shù)控制（影響萃取效率）：

• 萃取時間：從纖維暴露到吸附平衡的時間（通常 5-30min，需通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，避免過短吸附不充分、過長浪費(fèi)時間）；

• 萃取溫度：溫度升高可加快傳質(zhì)速率，但可能降低固定相對目標(biāo)物的吸附量（需平衡，揮發(fā)性化合物常用 40-60℃，非揮發(fā)性化合物可適當(dāng)升高）；

• 攪拌 / 振蕩：加快樣品基質(zhì)流動，減少傳質(zhì)阻力，縮短平衡時間（常用磁力攪拌，轉(zhuǎn)速 500-1000rpm）；

• pH 與鹽析：對于酸性 / 堿性目標(biāo)物，調(diào)節(jié) pH 至其分子態(tài)（如酚類在酸性條件下為分子態(tài)，更易被吸附）；加入無機(jī)鹽（如 NaCl）可降低目標(biāo)物在水中的溶解度（鹽析效應(yīng)），提高萃取效率。

3. 解吸（目標(biāo)物轉(zhuǎn)移至儀器）

• 熱解吸（適配 GC）：將吸附后的萃取頭插入 GC 進(jìn)樣口，在高溫（如 250-300℃）下保持 1-5min，目標(biāo)物從固定相脫附后，隨載氣進(jìn)入色譜柱分離；

• 溶劑解吸（適配 HPLC）：將萃取頭插入含解吸溶劑（如甲醇、乙腈）的小體積進(jìn)樣瓶中，超聲或振蕩 10-20min，目標(biāo)物被洗脫后，取洗脫液注入 HPLC 分析；

• 注意：解吸溫度 / 時間需優(yōu)化，確保目標(biāo)物wan全脫附，同時避免固定相分解。

4. 萃取頭再生

• 解吸完成后，將萃取頭在 GC 進(jìn)樣口再次烘烤 5-10min，去除殘留目標(biāo)物，以備下次使用；

• 若多次使用后吸附效率下降，需延長活化時間或更換新萃取頭。

四、SPME 的主要類型

五、SPME 的優(yōu)勢與局限性

1. 核心優(yōu)勢

• 無溶劑：無需使用有機(jī)溶劑（如正己烷、二氯甲烷），避免環(huán)境污染和對操作人員的健康危害，符合 “綠色分析化學(xué)" 趨勢；

• 操作簡便快速：集采樣、萃取、進(jìn)樣于一體，無需傳統(tǒng)萃取的 “分液、離心、濃縮" 等步驟，單個樣品處理時間可縮短至 30min 內(nèi)；

• 靈敏度高：固定相對目標(biāo)物的選擇性吸附可實(shí)現(xiàn)濃縮效應(yīng)，檢出限可達(dá) ng/L（納克 / 升）至 pg/L（皮克 / 升）級別，適用于痕量分析；

• 適用性廣：可搭配 GC、HPLC、GC-MS（氣相色譜 - 質(zhì)譜聯(lián)用）、HPLC-MS（高效液相色譜 - 質(zhì)譜聯(lián)用）等多種儀器，分析對象涵蓋揮發(fā)性、半揮發(fā)性、非揮發(fā)性化合物（如 VOCs、酚類、農(nóng)藥殘留、藥物代謝物）。

2. 主要局限性

• 萃取頭壽命有限：石英纖維易斷裂、受污染，單次使用成本較高（一根萃取頭通常可重復(fù)使用 50-100 次，損壞后需更換，價格約數(shù)百元）；

• 吸附容量有限：固定相涂覆量少（通常為 0.5-10μm），對高濃度樣品的吸附易飽和，線性范圍較窄（通常為 1-3 個數(shù)量級）；

• 基質(zhì)干擾：復(fù)雜基質(zhì)（如高鹽、高油脂樣品）可能影響萃取平衡，需通過優(yōu)化 pH、鹽析、選擇膜保護(hù)式萃取頭等方式緩解；

• 不適用于強(qiáng)極性 / 大分子化合物：強(qiáng)極性化合物（如糖類、氨基酸）在固定相上吸附能力弱，大分子化合物（如蛋白質(zhì)）傳質(zhì)速率慢，萃取效率低。

六、SPME 的典型應(yīng)用領(lǐng)域

1. 環(huán)境監(jiān)測

• 分析對象：水體、土壤、大氣中的痕量污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs，如苯系物）、半揮發(fā)性有機(jī)化合物（SVOCs，如多環(huán)芳烴 PAHs）、農(nóng)藥殘留（如有機(jī)磷、擬除蟲菊酯）、重金屬離子（需搭配特殊固定相，如螯合樹脂）；

• 案例：用 HS-SPME 結(jié)合 GC-MS 檢測飲用水中的苯、甲苯、二甲苯（BTEX），檢出限可達(dá) 0.1ng/L，滿足國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749-2022）要求。

2. 食品分析

• 分析對象：食品中的香氣成分（如葡萄酒的酯類、咖啡的吡嗪類）、有害殘留物（如肉類中的抗生素、果蔬中的農(nóng)藥殘留）、食品添加劑（如防腐劑苯甲酸鈉）；

• 案例：用 PDMS/DVB 固定相的 HS-SPME 結(jié)合 GC-MS 分析蘋果中的香氣成分，可檢出乙酸乙酯、己醛等 20 余種揮發(fā)性物質(zhì)，無需破壞樣品結(jié)構(gòu)。

3. 藥物與生物醫(yī)學(xué)檢測

• 分析對象：血液、尿液、唾液中的藥物及其代謝物（如抗生素、鎮(zhèn)jing藥）、生物標(biāo)志物（如腫瘤標(biāo)志物、脂肪酸）；

• 案例：用 CAR/PDMS 固定相的 DI-SPME 結(jié)合 HPLC-MS 檢測人尿液中的布洛芬代謝物，樣品無需預(yù)處理（如離心、沉淀蛋白），直接萃取，檢出限達(dá) 1ng/mL，適用于臨床藥代動力學(xué)研究。

4. forensic 檢測（法醫(yī)檢測）

• 分析對象：生物樣品（如毛發(fā)、血液）中的毒物（如du品、殺蟲劑）、火災(zāi)現(xiàn)場的助燃劑（如汽油、柴油中的烴類）；

• 優(yōu)勢：樣品用量少（僅需 10-50μL 血液或幾根毛發(fā)），可實(shí)現(xiàn)痕量毒物的快速定性定量，為案件偵破提供證據(jù)。

七、SPME 的發(fā)展趨勢

1. 新型固定相研發(fā)：開發(fā)高吸附容量、高選擇性的固定相，如金屬有機(jī)框架（MOFs）、共價有機(jī)框架（COFs）、分子印跡聚合物（MIPs），可針對特定目標(biāo)物（如重金屬、抗生素）實(shí)現(xiàn) “靶向萃取"；

2. 自動化與聯(lián)用技術(shù)：與自動進(jìn)樣器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)批量樣品的無人值守處理；開發(fā)與 capillary electrophoresis（毛細(xì)管電泳，CE）、ion mobility spectrometry（離子遷移譜，IMS）等儀器的聯(lián)用，拓展應(yīng)用場景；

3. 微型化與現(xiàn)場檢測：研發(fā)微型 SPME 裝置（如針式 SPME、纖維陣列 SPME），搭配便攜式 GC-MS 或傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、食品的現(xiàn)場快速檢測（如野外水體污染物篩查、食品產(chǎn)地溯源）；

4. 綠色化改進(jìn)：優(yōu)化固定相制備工藝，減少有毒試劑使用；開發(fā)可降解固定相，進(jìn)一步降低環(huán)境影響。