固相微萃取（ SPME）
Solid phase Micro-Extraction
固相微萃取的发展历史近年来国际上兴起的样品分析前处理新技术
– 简便、快速、无溶剂,集,采样、萃取、浓缩、
进样,于一体
1990年－加拿大 Arhturhe和 Pawliszyn首创
1993年－美国 Supelco公司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
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用
Fiber SPME
液液萃取基本理论
不使用有机溶剂萃取，降低了成本，避免了二次污染；
操作时间短，从萃取进样到分析结束不足 1ｈ；
样品用量少，几ｍ L－几十ｍ L；
操作简便，可减少待测组分的挥发损失 ；
检测限达 μ ｇ /Ｌ－ｎｇ /Ｌ水平；
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。
SPME的优点
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用最初的 SPME是将高分子材料均匀涂渍在硅纤维上,形成圆柱形的涂层,根据相似相溶原理进行萃取的 。
SPME技术纤维针式 SPME（ Fiber-SPME）
管内 SPME (In-Tube-SPME)
固态搅拌棒萃取 (SBSE)
9
Fiber-SPME
在一支细熔融石英纤维（ 1cm× 100μm）
上涂敷一层高聚物固定相纤维与形如注射器装置的柱塞相连，收缩在不绣钢针头之中压柱塞从针头中抵出纤维并与试样接触，
分析物分配到涂敷层内富集在纤维上的分析物通过进样接口进行解吸，进入到 GC或 HPLC系统中
Fiber-SPME的特点
简单，快速?
无毒害：不需要或需要少量有机溶剂
适用性强：现场采样?
易流失出现鬼峰?
萃取率偏低，重复性差管内 SPME (In-Tube-SPME)
GC Oven
Press-fit Analytical Col.
Injector Detector
将萃取涂层涂在毛细管的内表面，可采用气相色谱毛细管
优点：毛细管柱方便易得，使用寿命长，内径小涂层薄，样品扩散快，平衡时间短。
纤维针
Fiber-SPME
样品搅拌子固态搅拌棒萃取 （ SBSE）
－ 1999年由 Pat sandra 提出
SBSE技术的特点
优点：
萃取固定相的含量自身完成搅拌，避免竞争吸附应用范围广
缺点：
需要特制的解吸器萃取所需平衡时间长
SBSE萃取相的制作技术
– 套管法
– 溶胶凝胶法优点,
反应温度低，易于控制制品的均匀度纯度高不需要昂贵的设备凝胶表面呈现多孔结构缺点：
制作周期长
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用常用萃取头类型
聚二甲规氧烷类 厚膜 （ 100um）
适用于分析水样中低沸点、低极性的物质，如苯类、有机合成农药等
聚二甲规氧烷类 薄膜 （ 7um）
适用于分析中等沸点高沸点的物质，如苯甲酸酯、多环芳烃等
聚丙酸酯类
适用于分析强极性化合物如苯酚等
活性炭
适用于分析极低沸点的强亲脂性物质常用固定相和适用范围固定相类型 极性 适用样品
PDMS
(聚二甲基硅氧烷 )
PA
（聚丙稀酸酯）
聚乙二醇 /二乙烯基苯非极性极性极性有机氯、有机磷、有机氮农药；药品和麻醉品；食品中香味；挥发物；食品中咖啡因、卤化物有机氮农药；脂肪酸；药物；食品中香味、酚体液中乙醇三种不同涂层的毛细管柱,OV-1,SE-54,FFAP对
5种芳烃的萃取效率比较。
结果表明,OV-1,SE-54萃取效率高于 FFAP，符合相似相溶原则。
萃取模式的选择
直接 SPME模式
顶空 SPME模式通过装在注射器内石英纤维萃取头表面的高分子涂层，对样品中的有机物进行选择性萃取和预富集，
然后将富集了分析物的涂层立即插入气相色谱进样口热解吸进样。
影响萃取效率的因素
萃取头的选择,即纤维表面涂层及其厚度
试样量,容器体积
萃取时间
无机盐 -盐析效应
pH值
衍生化反应
温度以及外力的作用 (磁力转子搅拌、高速匀浆、超声波 )
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用定量的方法气体试样：直接以气相色谱测定值定量
– 分析结果对温、湿度校正杂质较少的液体试样：外标法
– 将标准加至相对清洁的基质中进行固相微萃取，制作校正曲线，以定量基质比较复杂的试样：标准加入法或内标法
– 标准加入法注意，试样中的分析组分不一定能像加入的标准那样容易被提取，分析时要筛选条件保证分析组分的提取率
– 内标法需要筛选出与分析组分分配系数相同或相近的内标物。
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用
SPME联用情况
GC,HPLC,CE,MS
SPME与 HPLC/GC联用手动式 SPME-HPLC/GC联用操作方式自动进样 SPME-HPLC/GC联用操作方式 -管内固相微萃取 (in tube SPME)
Fiber-SPME-HPLC
Fiber-SPME-HPLC
样品池泵自动时样器
GC
萃取瓶 l
Fiber-SPME-GC
In-tube-SPME-HPLC
In-tube-SPME-HPLC
In-tube-SPME－ GC联用方式
热解析,用注射器将样品溶液注入毛细管柱，萃取平衡后将水吹出，然后用石英压接头将萃取柱与分析柱连接，放入气相色谱仪炉箱中热解吸。这种方法不适于日常分析。
溶剂解吸,水样用氮气以极缓慢的流速吹入毛细管萃取柱中，再将水吹出萃取柱，将适当溶剂注入萃取柱中解吸，
收集解吸溶液注入气相色谱中分析。
说明,1）萃取毛细管柱为长 33cm，内径 0.53mm，膜厚 3.5μm的 OV-1
毛细管柱； 2）在 11处与 GC冷柱头进样器相连，实现柱上进样。
将管内固相微萃取与 GC法结合，采用溶剂解吸，通过两个六通阀的切换及气相色谱柱内进样技术，实现水中痕量有机物的在线分析。
In-tube-SPME-GC
Heating
Case
7
8
GC OVEN
1 2
5
6
9 1211
3
4
In-tube-SPME-GC
SPME应用
1） 固相萃取测定生物检材中安眠酮（导数紫外）
2）双柱富集固相萃取测定钯、锶（ FAAS）
3）固相萃取富集水中多环芳烃（ HPLC)
4）固相微萃取富集多环芳烃 GC-MS
SPME法在农药残留分析中的应用农药类别 分析条件除草剂杀虫剂 有机磷农药有机磷农药有机氯农药
PDMS,PA,PDWS/DVB,CW/DVB,浸入式，萃取时间 30min，
解吸附温度 280℃,NaCl浓度 4M,GC 65μm CW/DVB,萃取时间大于 30min，解吸附（ 5min,240C）,NaCl浓度
0.3g/ml,GC
85μm PA,萃取时间 30min,解吸附（ 2min,250℃ ）,GC
60μm PDMS,萃取时间 40min,HPLC
85μm PA,浸入式，萃取 (45min,55℃),解吸附（ 2～ 5min
,250℃ ）萃取头使用前在 300℃ 老化 3h,GC 15μm XAD,
85μm PA,30μm PDMS,萃取时间 5～ 180min不等,GC
20种有机氯农药的测定在 20min内完成,GC
管内固相微萃取应用实例
SPME发展方向
– 新形式 SPME技术的研究
– 萃取相种类
– 萃取相的制作技术
– 应用领域的进一步扩展
SPME的发展历史
– 1989年,Pawliszyn 提出
– 1993年，商品化 Fiber-SPME
– 1993年,In-Tube-SPME -GC
– 1996年，商品化 Fiber-SPME-HPLC
– 1997年，商品化 Fiber-SPME-GC
– 1997年,In-Tube-SPME-HPLC
– 1999年,Pat Sandra 提出 SBSE技术
– 2001年，一种新形式 In-Tube SPME-GC
SPME装置
核心部分：
萃取头的涂层
涂层是影响灵敏度和选择性的最重要因素图 1 SPME装置图
1 推杆,2 手柄筒,3 支撑推杆旋钮,4 Z型支点,
5 透视窗,6 针头长度定位器,7弹簧,8密封隔膜,
9 隔膜穿透针,10纤维固定管,11 涂层利用特殊的固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。
当萃取体系处于动态平衡状态时，待测物的富集量：
n = kfsvfvsc0/(kvf+vs)
由于芯片上固定液的总体积 (Vf)仅几十微升，远远地小于水相的体积 (Vs)，而多数有机待测物的 k值并不大，
容易满足 Vf <<Vs的条件，因此简化为
n = kfsvfc0
固相微萃取装置外型如一只微量进样器，由 手柄（ holder）和 萃取头或纤维头（ fiber） 两部分构成，萃取头是一根 1㎝ 长，涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头，可永远使用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 。
固相微萃取的使用,关键在于,纤维头的选择,。
这种情况类似于色谱柱的选择,主要根据分析对象的分子量和极性 。 固相微处理技术适用于气体,水样,
生物样品 （ 如血,尿,体液等 ） 的萃取提取 。
涂层的种类－相似相溶机理
PDMS,PA
PDMS/DVB,CW/DVB,CAR/PDMS,
DVB/CAR/PDMS,CW/TPR
固相微萃取的缺点
A 装置价格昂贵
B 涂层种类有限
C 选择性差
D 无机离子萃取技术不成熟
（ 2） 固相微萃取膜介绍固相微萃取膜 (SPMEM)是将固相微萃取涂层材料均匀的涂布于膜状基材上，将针状的固相微萃取装置发展制作成膜状的固相微萃取膜。
SPMEM的优点制作成本低膜面积可调节萃取灵敏度，膜厚可控制萃取平衡的时间和选择性可以很方便地与其他分析技术联用操作比 SPME更为简单
Solid phase Micro-Extraction
固相微萃取的发展历史近年来国际上兴起的样品分析前处理新技术
– 简便、快速、无溶剂,集,采样、萃取、浓缩、
进样,于一体
1990年－加拿大 Arhturhe和 Pawliszyn首创
1993年－美国 Supelco公司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
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用
Fiber SPME
液液萃取基本理论
不使用有机溶剂萃取，降低了成本，避免了二次污染；
操作时间短，从萃取进样到分析结束不足 1ｈ；
样品用量少，几ｍ L－几十ｍ L；
操作简便，可减少待测组分的挥发损失 ；
检测限达 μ ｇ /Ｌ－ｎｇ /Ｌ水平；
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。
SPME的优点
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用最初的 SPME是将高分子材料均匀涂渍在硅纤维上,形成圆柱形的涂层,根据相似相溶原理进行萃取的 。
SPME技术纤维针式 SPME（ Fiber-SPME）
管内 SPME (In-Tube-SPME)
固态搅拌棒萃取 (SBSE)
9
Fiber-SPME
在一支细熔融石英纤维（ 1cm× 100μm）
上涂敷一层高聚物固定相纤维与形如注射器装置的柱塞相连，收缩在不绣钢针头之中压柱塞从针头中抵出纤维并与试样接触，
分析物分配到涂敷层内富集在纤维上的分析物通过进样接口进行解吸，进入到 GC或 HPLC系统中
Fiber-SPME的特点
简单，快速?
无毒害：不需要或需要少量有机溶剂
适用性强：现场采样?
易流失出现鬼峰?
萃取率偏低，重复性差管内 SPME (In-Tube-SPME)
GC Oven
Press-fit Analytical Col.
Injector Detector
将萃取涂层涂在毛细管的内表面，可采用气相色谱毛细管
优点：毛细管柱方便易得，使用寿命长，内径小涂层薄，样品扩散快，平衡时间短。
纤维针
Fiber-SPME
样品搅拌子固态搅拌棒萃取 （ SBSE）
－ 1999年由 Pat sandra 提出
SBSE技术的特点
优点：
萃取固定相的含量自身完成搅拌，避免竞争吸附应用范围广
缺点：
需要特制的解吸器萃取所需平衡时间长
SBSE萃取相的制作技术
– 套管法
– 溶胶凝胶法优点,
反应温度低，易于控制制品的均匀度纯度高不需要昂贵的设备凝胶表面呈现多孔结构缺点：
制作周期长
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用常用萃取头类型
聚二甲规氧烷类 厚膜 （ 100um）
适用于分析水样中低沸点、低极性的物质，如苯类、有机合成农药等
聚二甲规氧烷类 薄膜 （ 7um）
适用于分析中等沸点高沸点的物质，如苯甲酸酯、多环芳烃等
聚丙酸酯类
适用于分析强极性化合物如苯酚等
活性炭
适用于分析极低沸点的强亲脂性物质常用固定相和适用范围固定相类型 极性 适用样品
PDMS
(聚二甲基硅氧烷 )
PA
（聚丙稀酸酯）
聚乙二醇 /二乙烯基苯非极性极性极性有机氯、有机磷、有机氮农药；药品和麻醉品；食品中香味；挥发物；食品中咖啡因、卤化物有机氮农药；脂肪酸；药物；食品中香味、酚体液中乙醇三种不同涂层的毛细管柱,OV-1,SE-54,FFAP对
5种芳烃的萃取效率比较。
结果表明,OV-1,SE-54萃取效率高于 FFAP，符合相似相溶原则。
萃取模式的选择
直接 SPME模式
顶空 SPME模式通过装在注射器内石英纤维萃取头表面的高分子涂层，对样品中的有机物进行选择性萃取和预富集，
然后将富集了分析物的涂层立即插入气相色谱进样口热解吸进样。
影响萃取效率的因素
萃取头的选择,即纤维表面涂层及其厚度
试样量,容器体积
萃取时间
无机盐 -盐析效应
pH值
衍生化反应
温度以及外力的作用 (磁力转子搅拌、高速匀浆、超声波 )
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用定量的方法气体试样：直接以气相色谱测定值定量
– 分析结果对温、湿度校正杂质较少的液体试样：外标法
– 将标准加至相对清洁的基质中进行固相微萃取，制作校正曲线，以定量基质比较复杂的试样：标准加入法或内标法
– 标准加入法注意，试样中的分析组分不一定能像加入的标准那样容易被提取，分析时要筛选条件保证分析组分的提取率
– 内标法需要筛选出与分析组分分配系数相同或相近的内标物。
Solid phase Micro-Extraction SPME
原理和特点装置与操作条件的选择定量的方法技术的应用
SPME联用情况
GC,HPLC,CE,MS
SPME与 HPLC/GC联用手动式 SPME-HPLC/GC联用操作方式自动进样 SPME-HPLC/GC联用操作方式 -管内固相微萃取 (in tube SPME)
Fiber-SPME-HPLC
Fiber-SPME-HPLC
样品池泵自动时样器
GC
萃取瓶 l
Fiber-SPME-GC
In-tube-SPME-HPLC
In-tube-SPME-HPLC
In-tube-SPME－ GC联用方式
热解析,用注射器将样品溶液注入毛细管柱，萃取平衡后将水吹出，然后用石英压接头将萃取柱与分析柱连接，放入气相色谱仪炉箱中热解吸。这种方法不适于日常分析。
溶剂解吸,水样用氮气以极缓慢的流速吹入毛细管萃取柱中，再将水吹出萃取柱，将适当溶剂注入萃取柱中解吸，
收集解吸溶液注入气相色谱中分析。
说明,1）萃取毛细管柱为长 33cm，内径 0.53mm，膜厚 3.5μm的 OV-1
毛细管柱； 2）在 11处与 GC冷柱头进样器相连，实现柱上进样。
将管内固相微萃取与 GC法结合，采用溶剂解吸，通过两个六通阀的切换及气相色谱柱内进样技术，实现水中痕量有机物的在线分析。
In-tube-SPME-GC
Heating
Case
7
8
GC OVEN
1 2
5
6
9 1211
3
4
In-tube-SPME-GC
SPME应用
1） 固相萃取测定生物检材中安眠酮（导数紫外）
2）双柱富集固相萃取测定钯、锶（ FAAS）
3）固相萃取富集水中多环芳烃（ HPLC)
4）固相微萃取富集多环芳烃 GC-MS
SPME法在农药残留分析中的应用农药类别 分析条件除草剂杀虫剂 有机磷农药有机磷农药有机氯农药
PDMS,PA,PDWS/DVB,CW/DVB,浸入式，萃取时间 30min，
解吸附温度 280℃,NaCl浓度 4M,GC 65μm CW/DVB,萃取时间大于 30min，解吸附（ 5min,240C）,NaCl浓度
0.3g/ml,GC
85μm PA,萃取时间 30min,解吸附（ 2min,250℃ ）,GC
60μm PDMS,萃取时间 40min,HPLC
85μm PA,浸入式，萃取 (45min,55℃),解吸附（ 2～ 5min
,250℃ ）萃取头使用前在 300℃ 老化 3h,GC 15μm XAD,
85μm PA,30μm PDMS,萃取时间 5～ 180min不等,GC
20种有机氯农药的测定在 20min内完成,GC
管内固相微萃取应用实例
SPME发展方向
– 新形式 SPME技术的研究
– 萃取相种类
– 萃取相的制作技术
– 应用领域的进一步扩展
SPME的发展历史
– 1989年,Pawliszyn 提出
– 1993年，商品化 Fiber-SPME
– 1993年,In-Tube-SPME -GC
– 1996年，商品化 Fiber-SPME-HPLC
– 1997年，商品化 Fiber-SPME-GC
– 1997年,In-Tube-SPME-HPLC
– 1999年,Pat Sandra 提出 SBSE技术
– 2001年，一种新形式 In-Tube SPME-GC
SPME装置
核心部分：
萃取头的涂层
涂层是影响灵敏度和选择性的最重要因素图 1 SPME装置图
1 推杆,2 手柄筒,3 支撑推杆旋钮,4 Z型支点,
5 透视窗,6 针头长度定位器,7弹簧,8密封隔膜,
9 隔膜穿透针,10纤维固定管,11 涂层利用特殊的固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。
当萃取体系处于动态平衡状态时，待测物的富集量：
n = kfsvfvsc0/(kvf+vs)
由于芯片上固定液的总体积 (Vf)仅几十微升，远远地小于水相的体积 (Vs)，而多数有机待测物的 k值并不大，
容易满足 Vf <<Vs的条件，因此简化为
n = kfsvfc0
固相微萃取装置外型如一只微量进样器，由 手柄（ holder）和 萃取头或纤维头（ fiber） 两部分构成，萃取头是一根 1㎝ 长，涂有不同吸附剂的熔融纤维，接在不锈钢丝上，外套细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头在钢管内可伸缩或进出，细不锈钢管可穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样。手柄用于安装或固定萃取头，可永远使用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 。
固相微萃取的使用,关键在于,纤维头的选择,。
这种情况类似于色谱柱的选择,主要根据分析对象的分子量和极性 。 固相微处理技术适用于气体,水样,
生物样品 （ 如血,尿,体液等 ） 的萃取提取 。
涂层的种类－相似相溶机理
PDMS,PA
PDMS/DVB,CW/DVB,CAR/PDMS,
DVB/CAR/PDMS,CW/TPR
固相微萃取的缺点
A 装置价格昂贵
B 涂层种类有限
C 选择性差
D 无机离子萃取技术不成熟
（ 2） 固相微萃取膜介绍固相微萃取膜 (SPMEM)是将固相微萃取涂层材料均匀的涂布于膜状基材上，将针状的固相微萃取装置发展制作成膜状的固相微萃取膜。
SPMEM的优点制作成本低膜面积可调节萃取灵敏度，膜厚可控制萃取平衡的时间和选择性可以很方便地与其他分析技术联用操作比 SPME更为简单
