司法毒物鑒定中SPME技術(shù)的應(yīng)用

林穎悅 張 玉 陳家暢

河南文正檢測技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450048

樣品預(yù)處理是分離科學(xué)中至關(guān)重要的部分，特別是在生物樣本的分離分析中，更是處于關(guān)鍵的地位。由于傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)具有諸多限制，已無法再適應(yīng)目前對于萃取的有關(guān)要求。如有機(jī)溶劑用量大，富集倍數(shù)較小，而且必須采用毒性較強(qiáng)和沸點較低的溶液，其固定與安全性將無法得到有效的保證。此外，在提純流程中很容易產(chǎn)生乳化問題，提純率低，重現(xiàn)性差，而且操作過程很復(fù)雜耗時，甚至于還會對分析物質(zhì)造成不必要的損耗與破壞。而且由于無法同步完成批量試樣的預(yù)處理工作，有能夠提供使用的固相萃取吸附劑品種很有限，使用領(lǐng)域狹小等一些較嚴(yán)重的問題缺陷［1］。

一、固相微萃取（SPME）技術(shù)概述

（一）固相微萃?。⊿PME）技術(shù)的發(fā)展歷程

固相微萃取（SPME）技術(shù)，由固相萃取（SPE）演變而來。1989年，Pawliszyn教授與Arthur等人最先研發(fā)出了固相微萃取（SPME）技術(shù)，固相微萃?。⊿PME）技術(shù)是一項新型的樣本前處理技術(shù)，具備操作簡便高效的優(yōu)勢。因此，該技術(shù)在20世紀(jì)90年代得到了廣泛使用［2］。相對于SPME技術(shù)實現(xiàn)了多個操作的集成，包括采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣、解析等環(huán)節(jié)。將SPME技術(shù)與傳統(tǒng)的取樣預(yù)處理技術(shù)做對比，顯而易見的，SPME在操作上更加簡易、耗費(fèi)時間上更少，并且檢測的效率以及分析靈敏度更高（測限可以滿足μg/L～ng/L水平）。此外，SPME技術(shù)在檢測過程中不用添加任何有機(jī)溶劑，更不需要額外的設(shè)備。因此，SPME技術(shù)所需設(shè)備更加簡易，也更綠色環(huán)保。同時，SPME技術(shù)所需設(shè)備能夠輕松實現(xiàn)與自動化GC、GC/MS、LC/MS/MS等儀器的聯(lián)用，對于待檢測樣品，只要求很小的體積就可以，也沒有對充分萃取和完全平衡的強(qiáng)制要求。諸多優(yōu)點，使得該技術(shù)很快變成了行業(yè)內(nèi)的主流樣品全處理技術(shù)，在保健食品、醫(yī)藥分析、環(huán)境監(jiān)測、法庭科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域都能看見該技術(shù)的身影。

（二）固相微萃取的工作原理

首先借助吸收效應(yīng)，將在萃取纖維頭表面的固定物質(zhì)相對目標(biāo)組分從基體中萃取出，并逐步富集，進(jìn)而進(jìn)行化學(xué)與氣相色譜（GC）、有效液相分離色譜（HPLC）及氣相色譜－質(zhì)譜（GC-MC）聯(lián)用，從而完成后續(xù)樣品的分析檢測。

在法庭科學(xué)范圍內(nèi)，因為刑事案件的偵破需要，往往要求對在作案當(dāng)場發(fā)生的大量毒物、毒品和微量物證（火藥殘渣、助燃劑殘渣、人類氣息）、生物檢材（鮮血、尿液、毛發(fā)、唾液、胃內(nèi)容物等中的藥品）進(jìn)行檢測分析。由于在任何的工作地點中都有產(chǎn)生多種干擾成分的可能性。所以，選擇一項好的分離技術(shù)，也是保證鑒別結(jié)論準(zhǔn)確的重要條件之一。對比過去的刑事案件化驗中所使用的分離技術(shù)液液萃取法、固相萃取法等，由于這種技術(shù)的使用比較費(fèi)人、費(fèi)時、費(fèi)力，而且使用了大量溶劑，容易污染工作環(huán)境，對作業(yè)人員身體健康也產(chǎn)生了一定影響。同時，對萃取液進(jìn)行濃縮后，會很容易產(chǎn)生目的物質(zhì)損失，使檢測結(jié)果的正確水平也遭到了很大的影響。而SPME技術(shù)則可大大提高樣本的分離效果、目標(biāo)分析物質(zhì)的純化率，以及分析結(jié)論的準(zhǔn)確性，因而可為刑事犯罪的偵查提供更準(zhǔn)確的指向。

二、固相微萃取裝置及主要操作方式

（一）固相微萃取裝置

固相微萃取設(shè)備主要由手柄和萃取頭所組成，萃取頭通常為一條長度一厘米的熔融石英絲，外面則是涂有各種性質(zhì)的固定相涂層。石英絲安裝在一個不銹鋼軸上，主要是用來確保石英絲不被打斷，而不銹鋼軸則和萃取樣機(jī)直接連接。而固相微萃取的基本原理則是建立在萃取探頭所吸附的待檢測物質(zhì)與樣品的溶劑相或氣體相之間達(dá)成的平衡分配基礎(chǔ)上的。先選擇富集試樣中的待檢測物質(zhì)，再采用熱解吸附或溶劑解吸附的方法，將待測物分離并遷移到檢測設(shè)備中進(jìn)行研究。固相微萃取設(shè)備在萃取試樣時要首先將石英絲縮回針管內(nèi)，用針管伸入取樣盒的隔墊，隨后再將涂有固定相涂層的探針顯露于試樣或頂空間，在萃取規(guī)定時間后將探針縮回到針管內(nèi)，從取樣盒中抽出針管，隨后再將萃取頭伸入解析設(shè)備的進(jìn)樣口，在經(jīng)過解溶以后再開始分離分析。相較于一般固相含量萃取的吸附劑萃取流程，為了給數(shù)據(jù)的真實性和結(jié)果的再現(xiàn)性提供保障，保證萃取時間、萃取溫度以及萃取頭浸入深度的統(tǒng)一性，對于固相微萃取流程來說是十分關(guān)鍵的。在實際使用時，因分析物質(zhì)通過萃取涂層表面的水膜達(dá)到萃取涂層的速率較慢，人們往往用超聲振動、磁力攪動的方法加快這一進(jìn)程。

（二）萃取操作方式的主要類別

SPME技術(shù)在萃取操作過程中，當(dāng)下比較主流的方法大致包括直接浸入萃取式（不揮發(fā)組分）、頂空萃取式（易揮發(fā)組分）和膜保護(hù)萃取式（雜質(zhì)干擾多的組分）三種類別。

1.直接萃取模式。直接萃取模式（Directimmersion，DI-SPME），即涂有萃取固化相的石英纖維被徑直伸入到試樣基體中，將目標(biāo)組分徑直從試樣基體中遷移到萃取固化相中。直接萃取模式主要適合對不易揮發(fā)性的待測物以及較清潔的樣品基質(zhì)進(jìn)行分析。

2.頂空萃取模式。頂空萃取模式（Headspace，HS-SPME），首先是將被解析組織成分先從液相滲透到氣相中，再將被解析組織成分從氣相遷移到提純的固定相中。實際操作過程中，要將萃取物纖維和待測的樣品按照一上一下的順序擺放，然后借助待測樣品的容易揮發(fā)性質(zhì)，從頂空瓶上面將其吸收。頂空萃取模式能夠減少化學(xué)雜質(zhì)影響和對復(fù)雜基質(zhì)干擾，主要適合對易揮發(fā)性的待測物以及較復(fù)雜的樣品基質(zhì)進(jìn)行分析。

3.膜保護(hù)萃取。作為一個較新的分離技術(shù)，固相微萃取膜技術(shù)主要是利用定向合成的方式，把固相微萃取技術(shù)的吸附性與膜分離技術(shù)的選擇性，進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。故膜保護(hù)萃取技術(shù)能夠兼具固相微萃取技術(shù)的吸附性與膜分離技術(shù)的選擇性。而這種方式多用于將具有復(fù)雜性、多樣性、微量性以及未知性的物質(zhì)進(jìn)行分離。

在具體的試驗過程中，對易揮發(fā)的被測試物質(zhì)既可以直接萃取又可以頂空萃取的，則通常選擇頂空萃取。因為頂空萃取時分析產(chǎn)物就能夠更快彌散到萃取相上，和直接萃取時一樣也可以更快獲得萃取平衡，并能夠更有效降低解析影響，因而增加了萃取頭的壽命；難揮發(fā)性的物料，通常使用直接萃取法；而針對主要存在于液體當(dāng)中的分析物料，直接萃取方法相較頂空萃取更為靈敏。

三、SPME的涂層材料發(fā)展及聯(lián)用技術(shù)

（一）SPME的萃取涂層發(fā)展

涂層材料的結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計方案是固相微萃取技術(shù)研發(fā)的核心，材質(zhì)的構(gòu)造和特性影響著SPME萃取的可能性和適用范圍，也在極大程度上決定著整體研究結(jié)論的正確性和敏感度。當(dāng)下商品萃取頭的種類非常少，也很難滿足市場需要，尤其是對于某些產(chǎn)品選擇性需要特別大的萃取，傳統(tǒng)萃取頭已不適合。

商品化涂層的問世，在較大程度上推動了固相微萃取頭在食品、環(huán)保、藥品、法醫(yī)等方面的廣泛應(yīng)用。為了很好地解決當(dāng)下萃取頭的一些缺點與不足，如機(jī)械性能較差，熱固定性表現(xiàn)差，選擇性有限，對急性機(jī)制中的極性物質(zhì)萃取利用率低下，以及價格高昂等缺陷，對于還面臨著熱固定性和機(jī)械性能較差、化學(xué)選擇性較差、對急性機(jī)制中的極性物質(zhì)萃取利用率低下、價格昂貴等各種問題，業(yè)內(nèi)的研究重點聚焦于SPME涂層材料的研發(fā)。目前被用于研發(fā)涂層的材料豐富，包含分子印跡聚合物、離子液體、各類碳納米材料、無機(jī)納米材料、各種金屬及有機(jī)框架物質(zhì)等新材料。

其中，聚合離子液體在近年來，受到許多研究學(xué)者的重視。聚合離子液體是一類新興SPME涂層材質(zhì)，其熱固定性好、蒸氣壓低、水解功能強(qiáng)。通常情況下，是借助水溶膠－凝膠法完成聚合離子液體SPME涂層物質(zhì)的制備。

經(jīng)過試驗比較表明，由聚合離子液體制成的SPME涂層有良好的熱固定性，其用途廣泛、萃取速率較快，不易受到基體中不揮發(fā)性化合物的污染，減少了背景吸附和基質(zhì)影響，增長了萃取頭的使用壽命，減少了平衡時間。當(dāng)前，業(yè)內(nèi)有學(xué)者將含有離子液極性基團(tuán)的三烷氧基硅烷和二苯基二甲氧基硅烷作為前提，利用氣溶膠凝膠法，生產(chǎn)了一類含鍵合離子液和苯基雙功能基的SPME涂層，該SPME涂層具有多孔結(jié)構(gòu)且離子液不易散失。并且該涂層能在大于300℃的溫度環(huán)境中使用。對萃取條件進(jìn)行優(yōu)選后，通過頂空固相微萃取技術(shù)結(jié)合GC/FID的方法，測得了水樣中五種多環(huán)芳烴的檢出限為0.002～0μg/L，且相關(guān)系數(shù)分析的平方均等于0.9973。除此之外，目前業(yè)內(nèi)另一種較為新穎的技術(shù)，是基于聚吡咯（PPY）涂層毛細(xì)管的管內(nèi)固相微萃取技術(shù)。已有學(xué)者利用該技術(shù)，對內(nèi)過渡元素和芳香族化合物的萃取過程開展了深入研究。試驗結(jié)果表明，PPY涂層相較于商業(yè)用毛細(xì)管涂層，具備更好的萃取效能，特別是針對多環(huán)芳香族化合物和極性芳香族化合物。而通過調(diào)節(jié)涂層厚度也能夠調(diào)節(jié)萃取效能和選擇性，同時該涂抹料也可以進(jìn)行對水樣中極性和非極性芳烴的同時萃取研究。而另一種利用循環(huán)伏安法制備的新型聚吡咯－離子液體涂層，附著于不銹鋼絲表面，能夠?qū)⑽宸N不同的苯類化合物作為目標(biāo)分析物。該涂層區(qū)別于傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷材質(zhì)，由于其適應(yīng)的溫度可以高達(dá)285℃，且具備優(yōu)異的化學(xué)固定性，因此該涂層表現(xiàn)出了更好的萃取效果。

（二）SPME的聯(lián)合使用方法

當(dāng)下一般是為了SPME與GC、HPLC等藥品的聯(lián)合使用，但近些年來又有一些聯(lián)合使用方法相繼問世。一般有：SPME－分光光度法、SPME－紅外光譜法（IR）、SPME－電解分析、SPME－毛細(xì)管電泳（CE）、SPME-ICP-MS、SPME－微波輔助萃取（MAE）-GC等。覆纖維對四環(huán)素類和分子物質(zhì)構(gòu)成相同的土霉素、多西環(huán)素、金霉素等表現(xiàn)了獨(dú)特的選擇性。由于各種生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，很多上述涂層以外的新涂層生產(chǎn)技術(shù)也正在源源不斷地涌現(xiàn)，如電沉積法、黏合劑法、膜輔助生產(chǎn)法等。不過在萃取性能、萃取效果、熱固定性、價格等方面仍存在著許多缺陷，新涂層技術(shù)還必須進(jìn)一步開發(fā)。

四、固相微萃取在法醫(yī)毒物鑒定中的應(yīng)用

對法醫(yī)毒物進(jìn)行分析，主要是以能破壞人類生命或正常活動的毒物為主要研究對象。以分析化學(xué)為理論基礎(chǔ)，并借助現(xiàn)代儀器，對這類研究對象做出定量與定性評價，對我國社會主義法治建設(shè)而言具有實質(zhì)性的作用。本文中所研究的毒物，是指凡是可以經(jīng)由化學(xué)或物理化學(xué)影響而破壞主體的正?；顒?，從而導(dǎo)致人類身體內(nèi)部器官等出現(xiàn)功能障礙或器質(zhì)性病變甚至導(dǎo)致死亡的物質(zhì)。在對有關(guān)法醫(yī)毒物和其代謝成分進(jìn)行收集的過程中，因為所涉及目標(biāo)物質(zhì)的濃度一般較低，且可以獲得的檢材數(shù)量一般也較小，還有部分分析實驗結(jié)果具備不可逆性等特征。因此，在法醫(yī)毒物數(shù)據(jù)分析中對采集樣本加以分離純化，是其數(shù)據(jù)分析流程中最為關(guān)鍵的一個階段。同時更是必須耗費(fèi)許多人力物力以及時間去深入研究和進(jìn)一步發(fā)展的最關(guān)鍵的重要環(huán)節(jié)之一。法醫(yī)毒物研究領(lǐng)域內(nèi)，使用頻率最高的提純辦法是快速溶劑萃取、固相微萃取、高固相含量萃取、液液萃取和模板拆除后吸附萃取等技術(shù)。在上述技術(shù)中，由于固相微萃取技術(shù)具備的所需試樣小、無須溶劑、應(yīng)用范圍廣泛、再現(xiàn)性強(qiáng)等一系列優(yōu)勢，已被大量用到了法醫(yī)毒物的實際檢驗應(yīng)用當(dāng)中。當(dāng)下，我國國內(nèi)盡管仍未形成系統(tǒng)的法醫(yī)毒物分析系統(tǒng)，但是固相微萃取技術(shù)因為特有的專一性、高靈敏度以及高精度等優(yōu)勢在法醫(yī)分析方法體系中占有著關(guān)鍵的地位，同時由于新SPME涂層材料的問世及其對萃取條件優(yōu)化等的進(jìn)一步發(fā)展，也有助于提高對目標(biāo)物質(zhì)的萃取效果、提純選擇性以及檢測精度。［3］

五、結(jié)束語

固相微萃取技術(shù)作為一個新興的樣品前處理技術(shù)，集合了采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣多個環(huán)節(jié)。由于該技術(shù)很好地解決了在傳統(tǒng)前處理過程中花費(fèi)時間過大、要用到大量的表面活性劑、造成嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題，因此獲得了許多研究工作者的認(rèn)可。固相微萃取技術(shù)的適用范圍也在逐步擴(kuò)大，研究范圍由原有的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)逐步延伸至非揮發(fā)性無機(jī)毒（藥）物質(zhì)，萃取效果與萃取選擇性也得到了顯著的改善。同時，伴隨現(xiàn)代科技的日益完善，固相微萃取技術(shù)同樣得到了進(jìn)一步的發(fā)展完善，堅信固相微萃取技術(shù)將會在法醫(yī)毒物領(lǐng)域得到更加廣泛的運(yùn)用。