主题：【分享】固相微萃取常用的固定相涂层种类及其应用

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发表于：2023/02/28 11:14:54 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

一固相微萃取概述

固相微萃取技术（SPME）的基本原理是以石英纤维或其它材料为基体支持物，根据样品组分的性质，在其表面涂渍不同性质的固定相涂层；通过直接浸入或顶空方式，利用固定相涂层对样品中的有机物或者无机离子进行萃取和富集；萃取和富集结束后（平衡后或未达平衡前），将富集了待测物的纤维从样品中取出，随后直接将纤维置于分析仪器（气相色谱、液相色等）的进样装置中通过一定的方式解吸附（如气相色谱可热解吸，液相色谱可溶剂解吸），在待测物组分引入分析仪器之后，对其进行分离和检测。固相微萃取装置的简单原理示意如下：

使用该装置采样时，只需将与不锈钢微管连接并涂渍有固定相涂层的纤维从针头中推出，采用直接浸入或顶空方式，利用固定相涂层对样品中的待测物进行萃取和富集。萃取和富集结束后将涂渍有固定相涂层的纤维拉回针头。待进行分析时，由于涂渍有固定相涂层的石英纤维有针头保护，可以直接穿透气相色谱仪进样口的进样隔垫插入进样口之中，之后推出纤维，使待测物解吸脱附进行分离和检测。

一般将涂渍有固定相涂层的石英纤维及相关组件构成的整体称之为萃取头。下图为萃取头的实例图片，目前除了Supelco之外，国内上海新拓分析仪器科技有限公司也有相关产品。

萃取头从形状结构、固定相涂层、载体材料（石英纤维或其它材料制成的基体支持物）三个方面均有较多的研究和发展。本文将简单介绍萃取头上的固定相涂层种类与其应用。

二固相微萃取的萃取头常见涂层种类与应用

2.1 涂层使用概述

对于固相微萃取（SPME）而言，萃取头上的固定相涂层是装置和方法的核心，直接影响方法的灵敏度、选择性和分析时间。在使用固相微萃取（SPME）时，应当根据实际情况选择合适的固定相涂层，以实现以下几个方面的内容：应当根据分析物的极性、挥发性和分子量等参数，选择不同极性、多孔性（指多孔固相涂层）和厚度的涂层，以求对分析物有较强的萃取富集能力；同时需要有合适的微观结构，使分析物能够在其中顺利扩散，快速达到平衡，热解吸时候又能够迅速脱离，不至于造成峰形扩宽；还要有良好的热稳定性和化学（PH值、盐、有机溶剂）稳定性，便于高温解吸和溶剂洗脱。（固相微萃取，吴采樱）

下图展示了使用的固定相涂层从非极性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）换成极性的聚丙烯酸酯（PA）前后，对样品中相同成分萃取后使用气相色谱分析的响应值差异：

2.2 涂层的类型

涂层可以按照多种方式进行分类。按照萃取机理进行分类，可以分为均相聚合物涂层和非均相多孔聚合物涂层两种；前者为高黏性胶状液体，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，以吸收机理（液-液分配）萃取分析物；后者为多孔固相涂层，由碳分子筛（CAR）、模板树脂（TPR）等分别与液态聚合物组成，如PDMS/CAR，主要以吸附机理萃取分析物。按照极性分类，可分为极性、中等极性和非极性三种。按照涂层的稳定性或者形态分类，可分为非键合、键合、部分交联和高度交联四种。

目前，常见的商品化的涂层主要包括以下几种：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯（PDMS/DVB）、聚二甲基硅氧烷/碳分子筛（PDMS/CAR）、聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯/碳分子筛（PDMS/DVB/CAR）、聚乙二醇（PEG或Carbowax）、聚乙二醇/二乙烯苯（CW/DVB）、聚乙二醇/模板树脂（CW/TPR）、聚丙烯酸酯（PA）等。下图展示了supelco部分产品的订购信息、涂层支撑材料和适用范围等内容：

由于涂层在支撑材料（石英纤维、不锈钢丝等）上的厚度不同，同一类型涂层会有多个不同的型号，借以适用于不同类型的样品。更多信息如聚乙二醇/二乙烯苯（CW/DVB）等涂层的信息，可以在Sigma-Aldrich中国官方网站上查询到。2.3 均相聚合物涂层

聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙二醇（PEG或Carbowax）和聚丙烯酸酯（PA）等均属于均相聚合物涂层，为高黏性液体，以一定的方式固定在涂层支撑材料（石英纤维、不锈钢丝等）上，以吸收机理（液-液分配）萃取分析物。

2.3.1 聚二甲基硅氧烷（PDMS）

聚二甲基硅氧烷在气相色谱中得到广泛的应用，是最常见的固定相之一，在固相微萃取中也得到了应用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）属于非极性的液体涂层，主要以吸收机理（液-液分配）萃取分析物，根据“相似相容”原理主要用以非极性化合物。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层有三种不同的厚度：7μm、30μm和100μm；7μm的PDMS用于分析非极性高分子量化合物（分子量125-600）；30μm的PDMS用于分析非极性半挥发性化合物（分子量80-500）；100μm的PDMS用于分析非极性挥发性化合物（分子量60-275）。目前不少研究中使用100μm的PDMS萃取和分析水质中的苯系物（下图）：

2.3.2 聚乙二醇（PEG或Carbowax）和聚丙烯酸酯（PA）

聚乙二醇（PEG或Carbowax）是气相色谱中常用的固定相之一，属于极性的液体涂层，可以用以萃取醇类和极性化合物；聚乙二醇在高温下对氧敏感，使用时候应当注意载气中无氧。聚丙烯酸酯（PA）是部分交联的极性均相聚合物，常温下是固态，加热后呈现液态，因此物质在涂层内的扩散系数较PDMS小，萃取时间要长，适用于极性半挥发性化合物，如酚类、有机磷农残等。（固相微萃取，吴采樱）

下图是使用聚丙烯酸酯（PA）作为固相微萃取（SPME）的萃取头固定相涂层测定水中农药残留的实例：

2.4 非均相多孔聚合物涂层

2.4.1 均相聚合物涂层与非均相多孔聚合物涂层的区别联系

非均相多孔聚合物涂层是将多孔聚合物颗粒（如二乙烯苯聚合物、碳分子筛和模板树脂等）混嵌在液态聚合物（聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷等）中从而形成的固定相涂层，如聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯（PDMS/DVB）、聚二甲基硅氧烷/碳分子筛（PDMS/CAR）、聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯/碳分子筛（PDMS/DVB/CAR）、聚乙二醇/二乙烯苯（CW/DVB）、聚乙二醇/模板树脂（CW/TPR）等。非均相多孔聚合物涂层主要以吸附机理萃取分析物。

由于均相聚合物涂层和非均相多孔聚合物涂层萃取原理的不同，两者在实际应用中有不同的表现。如果使用液体涂层（均相聚合物涂层），在分析物进入固定相中一定的时间后，分析物分子会扩散到整个涂层中；如果使用固体吸附剂涂层（非均相多孔聚合物涂层），在分析物进入固定相中一定的时间后，具有较强亲和力的分析物或者样品中高浓度的分析物将会取代体系中亲和力较弱的分析物，发生竞争吸附。因此而言，使用均相聚合物涂层，定量线性范围宽，平衡时间相对较短；使用非均相多孔聚合物涂层，会有更高的选择性和灵敏度，但是可能结果非线性（线性范围窄）。有介于此，非均相多孔聚合物涂层适宜于痕量组分的分析。

2.4.2 常见的非均相多孔聚合物涂层

聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯（PDMS/DVB）中的固体吸附剂主要是利用中孔进行吸附，属于中等极性，对极性和弱极性化合物有较强的亲和力，特别是对于小分子胺类和醇类有更好的选择性。聚二甲基硅氧烷/碳分子筛（PDMS/CAR）中的固体吸附剂主要是利用微孔进行吸附，适用于小分子的萃取。聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯/碳分子筛（PDMS/DVB/CAR）外层是PDMS/DVB，内层是CAR /PDMS，具有分子筛选能力；小分子先通过外层DVB，迅速吸附在内层CAR上，较大的分子则保留在外层DVB表面。

下图是使用顶空-固相微萃取-气质联用测定天然牧草中挥发性成分的实验，比较了不同固相微萃取涂层对于挥发性有机物的萃取效果，显示了PDMS/DVB /CAR萃取涂层在测定天然牧草中挥发性有机物时，对烃类、醇类、酸类萃取效果较好，对醛类、酮类、酯类挥发性成分萃取效果较差但均有吸附。

聚乙二醇/二乙烯苯（CW/DVB）较聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯（PDMS/DVB）的极性强，可以用来萃取极性化合物，特别是小分子醇类、烟草中添加剂、挥发物以及纺织品中的一些异味品。聚乙二醇/模板树脂（CW/TPR）适用于极性化合物的萃取，其机械强度好，有较大的多孔面积，主要用于HPLC，也可用于GC。

下图是使用固相微萃取-气相色谱法同时测定环保水性涂料中的苯系物和卤代烃的实验，选用聚乙二醇/二乙烯苯（CW/DVB）萃取涂层取得了良好的效果。

三结语

除了上述常见的商品化固定相涂层之外，目前有很多的固定相涂层在实验室中研究和测试，如导电聚合物、分子印迹材料等等。虽然商品化的固定相涂层种类较少，但是已经得到了广泛的应用。

下图是Sigma-Aldrich中国官网上提供的商品化涂层的选择指南，可以为常见的分析提供参考。

如何选择合适的固定相涂层，成为SPME分析成败的关键。一般来说要从目标物的分子量、目标物的极性、目标物的浓度水平和范围、样品的复杂性四个方面来考虑。另外，如《固相微萃取》（吴采樱著）一书中提供了一些原则，以下为相关摘录：

①对于大分子化合物应该按照涂层的极性选择；对于小分子化合物则应该选择孔径大小和孔隙率相匹配的多孔固相涂层，因为涂层的孔隙率对小分子物质萃取效果的影响，远远大于极性，甚至膜厚。

②对样品中组分浓度范围宽、上限浓度较大的试样，宜选择液相涂层；首选100μm的PDMS。痕量组分宜选择多孔固定相涂层。

③“相似相容”更适用于液相涂层。

④选用多孔固相涂层应当避免吸附竞争效应，尽量采用非平衡状态下取样。

⑤场地分析，根据挥发性、分子量，可以优选PDMS/DVB和PDMS/CAR。

⑥选择涂层厚度，原则上小分子化合物或者挥发性物质常用厚液膜；大分子化合物或者半挥发性物质常用薄液膜。但是对于非平衡状态下萃取和对小分子化合物，膜厚影响较小