固相微萃取-氣相色譜分析方法

王 靜

(中石化洛陽石化工程有限公司，河南 洛陽 471003)

在固相微萃取-氣相色譜分析方法中，通過對樣品的色譜圖分析選擇了PDMS-100作為萃取頭，對不同的油品分別可采用不同的萃取方式：直接萃取法和頂空萃取法。試驗中對實驗條件進行了優(yōu)化，當(dāng)萃取時間為40min、萃取體積為60 mL、解析溫度為260℃、解析時間為4min時得到的色譜圖分析速度快，靈敏度高，分析結(jié)果最佳。并且最低檢出限為1.5 mg/L，這種方法可以使人們能夠更快更準(zhǔn)確地提取循環(huán)水中的石油類物質(zhì)，有效和快速地確定循環(huán)水系統(tǒng)中油料泄漏所在位置，并且可廣泛用于環(huán)境、藥物及生物樣品等化學(xué)分析領(lǐng)域，最佳的分析方法。

1 樣品預(yù)處理方法的分類

樣品預(yù)處理方法分為固相萃取法(Solid Phase Extraction，SPE)、液液萃取法(Liquid-Liquid Extraction，LLE)、洗脫捕集法(Purge and Trap，P&T)、超臨界流體萃取法(Supercritical Fluid Extraction，SFE)、加速溶劑萃取法(Accelerated Solvent Extraction，ASE)、凝膠滲透色譜法(GPC)等。

這些方法有各自的特點，同時也存在著不足與局限性。為了提高方法的靈敏度，本實驗采用了一種新型的樣品預(yù)處理技術(shù)-固相微萃取(Solid Phase Micro-Extraction，SPME)，固相微萃取(Solid Phase Micro-Extraction，SPME)是90年代初發(fā)展的一種樣品預(yù)處理方法，是固相萃取的一種發(fā)展形式。

2 固相微萃取裝置

固相微萃取的操作方式主要包括萃取裝置、萃取方法及萃取方式[1]。

固相微萃取(SPME)非常小巧，狀似一只色譜注射器，SPME組件包括1 cm長的熔融石英纖維及類似微量注射器的手柄，萃取頭上涂有不同色譜固定相或吸附劑，多孔的結(jié)構(gòu)使它具有較大的萃取表面積。萃取頭接不銹鋼絲，外套系不銹鋼管(保護石英纖維不被折斷)，壓桿卡特螺釘可通過Z型槽使纖維頭在鋼管內(nèi)可伸縮或進出，定位器用于精確調(diào)節(jié)不銹鋼針套伸出的位置，手柄可用于安裝或者固定萃取頭，可以永久使用。萃取纖維頭是在彈性石英表面涂覆一層液相或者鍵合一層多孔固相組成。

3 固相微萃取方法的過程

3.1 萃取過程

將萃取器針頭插入樣品瓶內(nèi)，壓下活塞，使具有吸附涂層的萃取纖維暴露在樣品中進行萃取，經(jīng)一段時間后，拉起活塞，使萃取纖維縮回到起保護作用的不銹鋼針頭中，然后拔出針頭完成萃取過程。

3.2 解吸過程

將纖維頭收回針中，進樣時直接插入分析儀器的進樣室中，例如解吸過程在氣相色譜分析中采用熱解吸法來解吸萃取物質(zhì)。將已完成萃取過程的萃取針頭插入氣相色譜進樣裝置的氣化室內(nèi)，壓下活塞，使萃取纖維暴露在高溫載氣中，并使萃取物不斷地被解吸下來，進入后序的氣相色譜分析。SPME-HPLC聯(lián)用與SPME-GC聯(lián)用的不同之處僅在于解吸過程，即通過使用微量溶劑洗滌萃取纖維頭來解吸萃取物再進入后序的HPLC分析，而非熱解吸。

4 固相微萃取技術(shù)的影響因素及特點

在固相萃取操作中除了萃取方式對實驗結(jié)果有直接影響外，還有其它幾個重要的因素對實驗結(jié)果也有重要的影響。

①涂層的影響；②萃取時間的影響；③萃取溫度的影響；④攪拌的影響；⑤鹽效應(yīng)的影響；⑥溶液pH值的影響；⑦樣品體積的影響；⑧氣相色譜條件的影響。

5 實驗部分

5.1 主要試劑和儀器

主要實驗藥品儀器見表1。

表1 藥品及試劑Table 1 The reagents and instruments in experimentations

5.2 分析條件

如圖1是標(biāo)準(zhǔn)油的氣相色譜圖，其中標(biāo)準(zhǔn)油是有撫順石化二廠提供，氣相色譜檢測條件是毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25μm)，進樣口溫度260℃，分流進樣；檢測器溫度300℃，柱溫為程序升溫，初始溫度50℃，以6℃/min的升溫速率升溫至300℃，保持16min；載氣為高純氮氣(N2)，純度>99.99，載氣力為100kPa；進樣方式分餾進樣，分流比為1∶10，進樣量為1 L。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)油的氣相色譜圖

Fig.1 Chromatogram of standard oil

5.3 分析步驟

在盛有60 mL試樣的頂空瓶中，用預(yù)先放置的磁力攪拌子中速攪拌并加熱。將SPME的針頭穿透樣品瓶膠塞，伸出纖維頭暴露溶液中(采取頂空萃取萃取的時候，把纖維頭暴露在水溶液上方)，萃取后，將纖維頭縮回拔出針頭，迅速將針管插入氣相色譜的汽化室，然后推出纖維頭，在一定的溫度下解析后，將纖維頭縮回針管后拔出。利用氣化室的高溫解吸萃取頭上的化合物，用GC保留時間定性，用校正的標(biāo)準(zhǔn)曲線進行定量。

6 實驗條件選擇

6.1 固相微萃取方式的選擇

固相微萃取可以采取直接固相微萃取法，頂空固相微萃取法和膜保護固相微萃取法3種方式?，F(xiàn)有的有機物分為兩中，一部分為重油，另一部分為輕油，由于重油一般都是含的高沸點的物質(zhì)，所以采用的是直接固相微萃取法，而輕油都是低沸點的物質(zhì)，所以采用頂空固相微萃取法。這樣選擇，即可以對重油很好的萃取，有可以使一些高沸點的物質(zhì)萃取出來。而對于輕油采取的頂空固相微萃取法，即可避免油脂樣品基質(zhì)中大分子和非揮發(fā)性物質(zhì)對SPME的損壞，減少干擾，延長萃取頭壽命，又可對揮發(fā)性的溶劑殘留組分進行有效的分析。

6.2 萃取頭的選擇

選用的涂層首先要對有機分子有較強的萃取富集能力，即要有較大的分配系數(shù)；其次還需要有合適的分子結(jié)構(gòu)，保證目標(biāo)待測物在其中有較快的擴散速度，能在較短時間內(nèi)達到分配平衡，并在熱解吸時能迅速脫離涂層，且不會造成峰的擴寬，因此所選擇的涂層還必須有良好的熱穩(wěn)定性。主要研究了PDMS-100、PDMS-30與PDMS-70三種萃取頭對分析結(jié)果的影響。在相同條件下其中圖2～4分別是PDMS-30、PDMS-70與PDMS-100在的進行分析的氣相色譜圖。

通過三個氣相色譜圖(圖2～4)與標(biāo)準(zhǔn)油的色譜圖(圖1)作比較可知：PDMS-100對汽油、煤油、柴油組分均有吸附，而且保留時間、峰形、峰比例等色譜行為與直接進樣基本一致，對中低沸點烴，吸附量大，脫附快，但對高沸點烴，使用的效果最好。

圖2 PDMS-30的氣相色譜圖

Fig.2 Chromatogram of PDMS-30

圖3 PDMS-70的氣相色譜圖Fig.3 Chromatogram of PDMS-70

圖4 PDMS-100的氣相色譜圖Fig.4 Chromatogram of PDMS-100

6.3 萃取溫度的選擇

圖5 油品40℃時的氣相色譜圖Fig.5 Chromatogram of oil at 40℃

圖6 油品50℃時的氣相色譜圖Fig.6 Chromatogram of oil at 50℃

圖7 油品60℃時的氣相色譜圖Fig.7 Chromatogram of oil at 60℃

溫度升高，分析物的擴散系數(shù)增大。擴散速度也隨之增大，但是，升溫又同時會使分析物的分配系數(shù)減小，在固相上的吸附量降低。為了考察萃取溫度對萃取效率的影響，保持其它萃取條件不變，改變萃取溫度。本文在氣相色譜條件為萃取時間為40min、萃取體積為60 mL、解析溫度為260℃、解析時間為4min的情況下研究了40℃、50℃及60℃三個萃取溫度對測定結(jié)果的影響。

由以上三圖(圖5～7)可以看出，溫度升高分析物的擴散系數(shù)增大。擴散速度也隨之增大，但是，升溫又同時會使分析物的分配系數(shù)減小，在固相上的吸附量降低。溫度在40℃時對重油萃取不完全，在60℃時對低沸點的油萃取不完全，效果不好。綜合考慮，選定50℃為本實驗的萃取溫度。

6.4 萃取時間的選擇

萃取時間是中一個重要的影響因素，萃取未達到平衡之前，萃取時間越長，萃取效率越高，分析的靈敏度也越高。本文在氣相色譜條件為萃取溫度為50℃、萃取體積為60 mL、解析溫度為260℃、解析時間為4min的情況下研究了萃取時間分別是30min、40min及50min值時萃取效果的影響。

其中40min時的氣相色譜圖見圖8、9，由萃取時間對分析結(jié)果的影響，并且綜合考慮實際應(yīng)用的分析速度和靈敏度，本實驗選擇40min為萃取時間，在此條件下分析結(jié)果最佳。

圖8 油品在30min 時的氣相色譜圖

Fig.8 Chromatogram of oil at 30min

圖9 油品在50min 時的氣相色譜圖Fig.9 Chromatogram of oil at 50min

6.5 萃取體積的選擇

根據(jù)固相微萃取的平衡理論，本試驗采用10～90mL的萃取體積對主要峰面積的影響，結(jié)果見圖10。

圖10 萃取體積的影響Fig.10 Effect of volume

由圖10可以看出，當(dāng)樣品體積遠遠大于萃取頭固定相涂層的體積時，發(fā)現(xiàn)分析物的量與樣品中物質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系，達到一定程度之后就基本沒有變化，所以綜合考慮本實驗采用的萃取體積為60 mL。

6.6 解析時間和溫度的選擇

圖11 解析時間的影響Fig.11 Effect of desorption time

圖12 溫度的影響Fig.12 Effect of desorption temperature

在同一溫度下，待測組分解吸完全程度與解吸時間直接相關(guān)。解吸不完全不僅會影響方法的靈敏度，而且會污染后續(xù)樣品，但長時間高溫解吸會縮短萃取纖維的壽命。而在一定的時間內(nèi)，溫度升高可使解吸加快，但會縮短SPME萃取纖維的使用壽命。不同解吸時間和解析溫度下，解吸量區(qū)別很大，故本文研究了解析時間為2～6min對峰面積的影響，并且同時考察了溫度在200～280℃時對峰面積的影響，實驗結(jié)果見圖11、12。

由圖11、12可以看出，峰面積隨著解析時間增加而增大，等到解析基本平衡以后，峰面積基本保持不變，同理，峰面積隨著解析溫度增加而增大，等到解析基本平衡以后，峰面積基本保持不變，考慮到解析時間過長或溫度過高造成固相微萃取頭的涂層流失，影響固相微萃取的使用壽命，所以綜合實驗考慮及實際樣品分析情況選擇解吸時間為4min，解析溫度為260℃。

7 結(jié)論

固相微萃取是在固相萃取技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新的樣品預(yù)處理技術(shù)克服了固相萃取回收率低、吸附劑孔道易堵塞的缺點作為樣品前處理技術(shù)的特點：該技術(shù)集采樣、萃取、濃縮、進樣為一體，對樣品有很強的富集作用，可以大大提高分析靈敏度。固相微萃取-氣相色譜分析方法中，通過對樣品的色譜圖分析選擇了PDMS-100作為萃取頭，對不同的油品分別采用不同的萃取方式：直接萃取法和頂空萃取法。并且對這兩種方法都進行了優(yōu)化，當(dāng)萃取時間為40min、萃取體積為60 mL、解析溫度為260℃、解析時間為4min時做得到的色譜圖分析速度快，靈敏度高，分析結(jié)果最佳。其最突出的特點在于，它是真正的無溶劑，純“綠色”樣品前處理技術(shù)，裝置便于攜帶，操作簡單，操作成本低廉，適于推廣應(yīng)用，并且可以實現(xiàn)野外采樣。