第三节　纤维SPME技术的发展

一、纤维及其涂层的研制

作为样品预处理过程，SPME是靠纤维对分析物的吸附、吸收和解吸来完成的，所以萃取头是SPME装置的核心，它决定了整个方法的灵敏度、结果可信度和分析范围。目前商品化萃取头给分析工作者提供了很大的选择性，但也还存在一些问题，如石英纤维易被折断，使用寿命不能令人满意，涂层对特定分析物选择性差等，因此国内外很多学者都致力于研制新型萃取纤维，也取得了一些研究成果，主要体现在纤维、涂层以及涂层技术三个方面的进展。

1.纤维材质的改进

由于熔融石英具有很好的耐热性和化学稳定性，所以目前商品化的萃取纤维均选择以它为材质的光纤作为萃取介质，在上面涂布固定相富集分析物，但由于熔融石英纤维容易碎，所以人们也考虑采用其他材料作为纤维介质，以提高使用寿命。

金属具有很好韧性，不易断裂，是一类理想的纤维介质。Liu等将100μm的多孔硅通过高温环氧树脂固定在250μm外径的不锈钢纤维上，制成了新的纤维介质。其总面积是聚合物涂层表面积的500倍，提高了萃取的化合物量，同时还提高了萃取的选择性［44］。

碳素类物质也可以作为纤维的介质。用铅笔的铅芯作为萃取头可从水中成功地分析BTEX等有机污染物［45］。用吸附量大而且易解吸的活性炭纤维（Active Carbon Fiber，ACF）进行萃取，因为ACF几乎全以微孔形式出现，没有大孔与过滤孔，吸附解吸都很快，缩短了萃取所需的时间。方瑞斌等将石墨型碳素基体及其辅助材料混匀，压制并打磨成细棒，经过物理及化学的表面改性处理后作为纤维的吸附介质，与微量进样器组装成SPME装置，萃取样品后与GC-ECD联用分析水中的有机农药，检测下限可以达到0.02ng/L，线性范围可达到104数量级，显示出良好的应用前景［46］。贾金平等自制了膜型及体型两类全碳型纤维材料，膜型纤维是在石英丝表面均匀涂渍酚醛树脂的丙酮溶液后固化成膜，体型纤维是选取合适的植物纤维作为基质材料，经过处理后作为纤维使用。用这两种纤维分析苯，可在30s内达到饱和，而且体型纤维的萃取量是膜型纤维的4～6倍。两种纤维的耐高温特性使其解吸时不受汽化室温度的影响，但体型纤维的解吸时间比膜型纤维长［47］。这些都为SPME新型纤维的研制提供了新的思路。

江桂斌等应用氢氟酸处理石英毛细管，使毛细管内外表面均呈粗糙多孔状，加大了萃取的表面积，用这种方法制成的萃取头直接萃取丁基锡、甲基汞和苯基汞的氢化物［48］，具有很强的吸附效率。Lipinski用内壁涂有固定相的不锈钢毛细管代替常规的SPME注射器针头进行动态萃取，此装置既可以应用直接萃取法，也可以应用顶空萃取法，富集样品后再由GC热解吸测定，用其测定水中的杀虫剂，检测限显著降低。此装置的设计使涂层薄的固定相提高了吸附量，经比较，涂有7μm厚涂层的不锈钢毛细管与涂有100μm厚PDMS的SPME纤维富集的样品总量相当［49］。

上面介绍的萃取头均为细径的纤维或毛细管，充分体现了微萃取的微型化优势，但很小的涂层面积制约了富集的化合物量，因此有研究人员想到使用带有固定相涂层的磁子提高萃取量［50］，如图3-6所示。磁子为内有铁芯的玻璃棒，外表面涂有PDMS等固定相涂层，体积远大于纤维涂层，1cm的磁子可涂布55μL的PDMS，因此也大大提高了萃取量和灵敏度，与纤维SPME比较，检测限下降1～2个数量级。但此装置也存在着问题，磁子虽可直接置于液体样品中搅拌吸附，但萃取之后放到热解吸管中解吸比较麻烦，要求有特制的进样口或进样管，而且在磁子转动过程中，还会造成涂层的磨损。

2.新型纤维涂层的研制

商品化纤维涂层的耐热温度范围比较窄，多在200～280℃之间，限制了分析物的最高解吸温度，从而限制了分析物的质量范围。因此一些适合于宽范围的SPME实验条件，具有较高稳定性，容量相对较大，能快速萃取分析物的固定相材料的研制，成为许多科研工作者的共识。到目前为止已经开发了十几种新的涂层。

Pawliszyn等将PDMS涂层用液体离子交换剂二（2-乙基己基）磷酸（HDEHP）改性，产生微孔结构，用以进行离子交换式的萃取，直接法测定了无机离子Bi（Ⅲ）［51］。后来Pawliszyn又把聚吡咯（PPY）和聚-N-苯基吡咯（PPPY）通过电化学聚合作用涂渍在金属（铂、金、不锈钢）丝上，萃取了多种化合物，结果表明，PPY和PPPY对极性化合物、芳香族化合物、碱性和阴离子化合物有较高的选择性。由于它们的多功能特征，可以通过引入不同的官能团和改变涂层的厚度，使纤维对不同种类的化合物具有不同的选择性和灵敏度［52］。该小组还开发了一种Nafion全氟化树脂涂层，可以从液相中萃取极性化合物［53］。

有人把用于HPLC的固定相如C8、C18等涂渍在粘有多孔硅的不锈钢纤维上，制成的萃取头用于水中PAHs的萃取，效率显著提高。只是环氧树脂黏合剂会在高温下分解，造成干扰，影响了该涂层的热稳定性（<250℃）［54］。n-辛基三乙氧基硅烷/甲基三甲氧基硅烷（C8-TEOS/MTMOS）涂层可用于水中有机金属（如砷、汞、锡等）化合物的萃取，检测限低，萃取时间短，且能用于强有机溶剂（如二甲苯和亚甲基氯）以及强酸和强碱溶液（pH为3和13）［55］。活性炭不仅可以作为纤维的介质，也可以作为纤维的涂层，涂布在金属或石英纤维的表面。Djozan和Assadi将多孔活性炭（PLAC）作为涂层，对挥发性有机物如BTEX等的萃取率要比商品化涂层高［56］。Mangani等用石墨化炭黑（GBC）作为固定相涂层从气相或液相中萃取了有机污染物。石墨化炭黑涂层表面均匀多孔，具有容量大、取样时间短的优点，能耐高温，也没有明显的不可逆吸附现象［57］，性能十分优越。Buszewski等研制出的环氧-聚二甲基硅氧烷（PDES）涂层［58］，非常适合萃取非极性化合物。聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）用作SPME的高分子涂层，热稳定性好，涂渍性能优越，萃取容量大。由于属于非极性固定相涂层，所以对有机污染物特别是非极性和弱极性有机物具有强的吸附能力，而且涂渍固定相时使用光固化交联法，使得固定相液膜厚度易于控制［59］。

Guo及其同事应用电化学技术控制SPME萃取的过程。在碳钢金属丝外面涂布10μm的金，作为金属电极，使萃取相能够导电。富集液态样品中的二价汞离子之后，再进入电子捕获GC-MS中进行检测［60］。

国内，武汉大学吴采樱小组在SPME涂层的研制方面做出了很大的成绩，他们将中极性全氧-18-冠醚-6-聚氧硅氧烷（POS-18C6）用作SPME石英纤维上的涂层，经交联固化制成的萃取头，对环境水样中12种多氯联苯污染物萃取分离，检测下限比商用PA萃取头降低3～4个数量级。将含羟基的开链冠醚Superox-4［61］、苯并羟基冠醚［62］涂渍在纤维上，经缩聚交联，键合在纤维表面，形成网状高分子结构，对酚、醇、胺、多氯联苯、苯及其同系物（BTEX）等多种极性、非极性化合物均有较高的萃取效率。他们还将聚硅氧烷（OV-1）与富勒烯聚二甲基硅氧烷（PSD-C60）两种固定相以4:1的比例混合，自制萃取头，分析了水中5种邻苯二甲酸二酯。结果表明该萃取头萃取选择性明显优于商用的萃取头［63］。他们研制的聚硅树脂富勒烯（PF）涂层，具有平面分子识别能力［64］。其热稳定性、萃取率、选择性和灵敏度都很高，用于半挥发性化合物的萃取，FID的检测范围可以达到10ng/L～1μg/L。

3.涂层技术的发展

大多数商品化纤维的涂层都是通过物理作用吸附到萃取头表面。在涂渍之前，先用强酸或其他一些溶液除掉石英细丝或金属细丝的保护层。然后将其浸渍于固定相溶液中，或反复多次穿过装有固定相溶液的有孔容器。也可以进行多步涂渍，得到多层固定相。涂层的厚度可以依据浸渍的时间和涂布的次数来控制。涂层之后用紫外灯或其他热力学方法使纤维干燥老化。这种涂层技术的缺点主要是热稳定性差，在溶液中易发生固定相的流失［65］。因此人们也在探索新的涂层方法。

溶胶-凝胶（Sol-gel）技术制备简单、操作方便，能在温和的条件下使有机物附着在无机介质表面，在材料合成和表面涂料方面具有独特的优越性，已经广泛用于高效液相色谱、毛细管气相色谱、毛细管电泳等方面。1997年Malik首次将此技术用于固相微萃取中石英纤维表面PDMS固定相的涂层［66］，得到的纤维用于萃取PAHs、烷烃等化合物，得到了满意的结果。

溶胶-凝胶的涂层技术，主要是利用含羟基的甲基聚硅氧烷预聚物作为基本骨架，由预聚物、涂层主成分、催化剂、溶剂和钝化剂组成的溶胶-凝胶溶液，于酸性或碱性条件下经过水解和浓缩，即可简便快速的涂渍在石英纤维表面上，形成凝胶。在中等温度条件下老化，进一步缩聚、交联，形成网状高分子结构，键和在纤维的表面。该方法的特点和优点是：①溶胶-凝胶过程中，纤维表面的处理、去活以及固定相的涂渍、固定是一步完成的，大大减少了制作成本和时间。②固定相的固定无需自由基的交联过程，杜绝了传统的交联反应中经常出现的固定相性质的随机变化。若要改变涂层的性质，可通过人为控制，按照预期的目的，改变溶胶液中各组分的配比，得到具有不同选择性和灵敏度的涂层。③涂层表面在分子水平上具有同一性，呈多孔结构，显著提高了涂层的表面积，使纤维有较大的萃取容量。例如，用溶胶-凝胶方法涂渍的40μm厚度的端羟基-聚二甲基硅氧烷涂层的总萃取量与商品化100μm厚度的PDMS涂层相当。在萃取容量不减少的情况下，涂层厚度降低，就可以加速试样在固定相中的扩散速度，使萃取平衡时间缩短［67］。④溶胶-凝胶过程中，有机相（即固定相）与无机相（石英纤维）之间通过化学键键合，得到的纤维有热稳定性好、耐溶剂冲洗及使用寿命长等优点。如用溶胶-凝胶技术涂渍的PDMS涂层可以耐320℃的高温，而目前商用涂层在250℃就开始流失。这种涂渍方法较好地解决了商用涂层热稳定性差的缺点。由于涂层能在较高的解吸温度下解吸，加快了试样在GC热解吸时脱离固定相涂层的速度，也就消除了峰展宽、拖尾等现象，因而提高了检测灵敏度，降低了检测限。

除了上述的直接涂层和溶胶-凝胶技术之外，目前还没有更为成熟的涂层技术用于SPME领域，但其他的易于操作的色谱涂层方法都可以在这方面发挥作用。

4.应用电化学方法在不锈钢丝上涂渍聚合物涂层

笔者实验室在纤维涂层的制备中引入电化学方法，将聚苯胺（PANi）等聚合物电镀到不锈钢细丝的表面［68］，从纤维材质和涂层技术两方面均对SPME纤维进行了改进，电镀过程如图3-7所示。将需要电镀的不锈钢纤维打磨刨光之后作为工作电极，铂电极作为对电极，甘汞电极作为参比电极，共同组成一个三电极系统，电解液为含有聚合物前体如苯胺的硫酸水溶液，通过恒电压控制聚合反应的进程。苯胺发生聚合反应的机理如式（3-8）和式（3-9）所示。

　　 （3-8） 　　

　　 （3-9） 　　

通过调节控制电压的大小、电镀时间的长短和电镀的次数可以有效控制镀层的厚度。得到的黑色聚合物镀层用去离子水和甲醇依次清洗，干燥后在GC进样口高温老化，就可用于目标化合物的分析测定。经此电化学镀层得到的纤维涂层厚度均一，性质稳定。用红外光谱对电镀层进行定性分析，表明在不锈钢细丝的表面确实已经形成苯胺的聚合物。扫描电镜的分析还表明得到的涂层呈现粗糙多孔的结构，提高了萃取的比表面积，电镜照片如图3-8所示。

应用此纤维顶空萃取芳香胺类化合物（苯胺，N，N-二甲基苯胺，间甲苯胺，2，4-二甲基苯胺，2-氯苯胺，3，4-二氯苯胺）以评价其性能，实验表明其线性范围为0.0048～27.5μg/mL，检测限为0.019～1.06μg/L，相对标准偏差为2.02％～6.00％。同时优化了PANi的萃取条件，并对实际样品进行了测定，回收率在89％～95％之间。结果显示，聚苯胺萃取头可用于包括芳香胺等极性化合物的定量分析。

通过实验说明电化学聚合法制备SPME萃取头涂层，具有很好的应用前景。而且，可以借鉴化学修饰电极中导电聚合物薄膜的制备，改变电解液的组成，从而得到不同的固定相涂层，例如，可以通过掺杂技术引入功能团，使之固着在电极表面［69］，改变涂层的极性和其他性能。掺杂方式包括以下几种：①掺杂多酸阴离子，如掺杂同多钼酸的聚苯胺修饰电极；②掺杂大环配合物，将金属大环配合物（如四磺化酞菁钴）结合到导电聚合物中；③掺杂无机化合物，对于一些过渡金属离子，可将其掺杂到一些可溶性的聚苯胺薄膜中；④掺杂聚合物；⑤掺杂有机电子受体，如苯醌衍生物等，可提高聚苯胺的导电性。其中第④种，掺杂聚合物在SPME纤维制备过程中将最具有实用价值，采取的方法主要是在聚电解质存在的条件下电聚合苯胺。例如在含有聚苯乙烯磺酸盐的HClO4水溶液中、在含有Nafion的乙腈溶液中、含有聚乙烯磺酸和聚丙烯酸的水溶液中进行电聚合反应，制备聚苯胺膜，即可将其他聚合物掺杂到聚苯胺中，提高涂层的极性。

二、纤维SPME应用的后续分析仪器

1.纤维SPME-GC

挥发性、半挥发性的有机化合物经SPME富集之后，多与气相色谱联用进行分离测定。由于SPME技术的无溶剂化特点，色谱柱的柱效不会受溶剂的影响，所以可使用细径、固定相薄的毛细管柱提高分离效果，实现快速分析。Shirey利用SPME方法富集废水及饮用水中的挥发性碳化合物（VOCs）及含氯杀虫剂，只用15m长的短毛细管柱就可进行很好的分离，不仅缩短了分析时间，还降低了检测限［70］。Tadeusz等进一步发展了应用短柱毛细管及高速载气气流进行快速分析的方法，将BTEX的分析时间缩短到23s［71］。而且使用SPME-GC联用测定水样中的BTEX也更加灵敏，最低检测限为1.5～15pg·mL-1，大大优于美国EPA规定方法的检测限（30～90pg·mL-1）［72］。

为了提高SPME方法的精密度，Arthur等将Varian Model 8100自动进样器进行改良，用于SPME的自动进样，大幅度改善了方法的精密度，相对标准偏差（RSD）达到5％，优于手动操作的20％。经过研究人员的不懈努力，目前固相微萃取技术的样品制备、萃取、进样、色谱分离与检测可全部实现自动化，提高了SPME技术的分析速度和大量样品常规分析的能力。

与GC联用，通常使用的检测器可以是质谱（MS）检测器、氢火焰离子化检测器（FID）、火焰光度检测器（FPD）、电子捕获检测器（ECD）、原子发射光谱检测器（AED）等，最低检测限可达10-9、10-12级［73］。还有人用氮磷检测器（NPD）测定有机磷农药［74，75］。

2.纤维SPME-HPLC

一些半挥发性、非挥发性化合物，热不稳定性化合物，强极性化合物，如药物、氨基酸、蛋白质和氨基甲酸盐等，应用HPLC进行分离和测定更为适合，因此，对SPME-HPLC联用的研究也逐渐增多。

SPME-HPLC联用技术中，富集了分析物的萃取纤维既可以用一定的有机溶剂离线解吸后再进样，也可以在进样口在线解吸，而完成分析物在线解吸的关键就在于进样的接口。此接口既要能满足HPLC的进样要求，避免大体积进样造成的柱外效应，又要保持SPME低溶剂消耗的优势。商品化的接口为一小型T形三通，一个口为纤维插入口，即解吸室，另两个口与六通阀相连，使样品解吸后可直接进入色谱柱分离测定。实验证明，测定过程中使用溶剂梯度洗脱可以改善某些化合物的分离效果。

HPLC应用的检测器均可用于此联用技术，Body-Boland等用聚乙二醇/模板树脂和聚乙二醇/二乙烯基苯涂层的纤维萃取，HPLC梯度洗脱正相展开，应用紫外UV220nm检测，建立了新的分析乙氧基非离子表面活性剂的方法，检测下限达到2μg·L-1［33］。应用HPLC-荧光检测器以及纤维上的在线衍生方法测定非离子表面活性剂醇乙氧基化物（Brij 56）和1-十六烷醇，线性范围为2个数量级［76］。用电化学检测器测定生物体中的胺类、酸类化合物，能够很好地进行分离，并可降低生物样品的背景干扰，适于多种生物样品的测定［77］。二极管阵列检测器（PDA）也是HPLC经常使用的。Negrao等将其用于分析废水中的PAHs［78］，线性范围为1～300μg·L-1，最低检测限1～5μg·L-1，准确性可通过加标回收率保证，在73％～104％范围内。

3.纤维SPME-光谱

紫外光谱和红外光谱均可提供化合物的结构信息，由分析物在一定波段的吸收峰，可以很容易判断其携带的官能团以及官能团的化学环境，十分适于有机化合物的分析。而且在化学传感器的研制过程中，光纤的应用最受注目，这也为SPME技术与光谱法的联用提供了契机。

SPME技术与红外光谱联用可用于测定生物样品中［79］以及水样品中的挥发性化合物、有机氯化合物［80～82］，提高了红外检测的灵敏度，一般检测限在10-9、10-12级。而且由于纤维上固定相的疏水性，还降低了检测中水分子的吸收干扰。进入固定相的有机分子可直接用红外光测定，不需要进行其他的处理，十分方便。还可以将固相微萃取法与感测组件（如衰减式全反射，ATR）结合，进行半直接测量［83］。对于固体样品，通过加热使分析物从样品中挥发出来，可提高测定的速度与灵敏度（约10-8级，10min）。也可以采用中空的光导纤维管，内表面涂布聚异丁烯，测定土壤中的氯代芳烃［84］。

SPME与紫外光谱联用可以测定水中的芳烃化合物。将80μL PDMS涂在小薄片上，作为微萃取的介质富集芳香化合物，多次测定的RSD值为3％～10％，检出限为（0.4～12）×10-9［85］。另外也有SPME-拉曼光谱联用分析水中BTEX的报道，检测限为（1～4）×10-6［86］。

4.纤维SPME-CE

SPME萃取化合物后离线解吸，解吸液可通过毛细管电泳进行测定［87］。与之联用的在线解吸方式也有人进行了尝试［88，89］。将可插入萃取纤维的一小段粗径毛细管（1.5cm长，150μm内径）与CE分离柱相连作为纤维的解吸池，即可完成分析物在流动相中的在线解吸。适当调整解吸池的长度和内径，如将直径40μm的纤维直接插入75μm内径的毛细管中，可达到零死体积连接。