一 基本装置和特点

固相微萃取（solidphasemicro-extraction,SPME）是在固相萃取（solidphaseextraction,SPE）基础上发展起来的。20世纪70年代末80年代初，随着大孔网状聚合物和硅胶键合相填充柱的出现，SPE技术产生并以其有机溶剂消耗量小、对试样污染少等优点，成为高效的试样预分离和富集手段。1990年PawliszynJ等为克服SPE吸着剂管材对组分吸收等缺点，提出了固相微萃取新的试样预处理技术。这是一种基于气固吸附（吸收、吸着）和液固吸附（吸收、吸着）平衡的萃取富集方法，利用分析试样组分在固体表面或表面涂层有一定吸附亲和力实现分离富集。Supelco公司于1993年即推出了SPME的商品化装置。在直径0.05一1cm,长约1cm的熔融石英纤维上涂敷一层厚为30-100pm的萃取固定相。纤维与类似微型注射器的不锈钢柱塞连接，收缩柱塞可将纤维收入不锈钢针头中。推出柱塞，纤维从针头伸出，可插入试样溶液或试样顶空，使分析试样组分被吸着、吸收或吸附萃取、富集在固相涂层内。通过手柄的推拉则可以使纤维灵活地伸出或收入针管内。1997年Pawliszyn等又提出了石英毛细管微萃取头一管内固相微萃取（In-tubeSPME）技术。萃取的试样组分，在GC,HPLC等进样口或系统中，通过热或溶剂解吸进入色谱或仪器分析系统。SPME具有无需溶剂、萃取快速、试样消耗量小、分析重现性好、操作简便、可进行现场分析并易于实现自动化操作等特点。它将试样的富集和基底去除相结合，集取样、萃取、富集、进样于一体，导致分析速度和灵敏度提高，，因此在短短的十几年间，SPME很快实现与GC,HPLC,SFC,CE等分离分析技术的联用，在萃取涂层研制、应用模式及基础理论研究方面均得到很大的发展。

二 基本原理

SPME技术的原理是基于分析物在固相涂层和试样中的分配平衡，因此分析物的萃取量随着萃取时间的延长而不断增加直到达到萃取平衡，一般在2-30min内可达到平衡。在萃取平衡时，分析物在固相涂层和试样液间实现固液或固气吸附（吸收、吸着）平衡，吸附在固相涂层的试样量为

n=KVfVs/Vs+KVfc0                              (1一1)

式中n为平衡时分析物萃取的物质的量，K为分析物在固相和试样间分配平衡常数，Vf为固相涂层体积，Vs为试样体积，c0为分析物在试样中初始浓度。SPME选用固相涂层对分析物有较强亲和力，高的K值确保强富集能力。该式表明，n的大小取决于K,Vf,Vs及分析物在试样中初始浓度c0，且与c0成正比，通过测定n即可测定分析物在试样中初始浓度，这是SPME方法定量分析基础。当Vs非常大时，即Vs》KVf，分析物在固相涂层的吸附量可简化为

n=KVfc0

n与试样体积无关。SPME这一性质可用于环境、生产流程、生物流体等现场采样和试样的储存。如以SPME完成江河湖泊中的采样、富集，回实验室分析。

随着SPME方法研究的进一步开展，从平衡萃取理论发展至非平衡萃取理论。由于慢传质过程，在一定时间内，平衡未完全实现，固相涂层吸附分析物的物质的量为

                        (1一2)

式中A为涂层表面积，t为萃取时间，m1,m2为分析物在试样和固相涂层中质量转移系数（m=D/δ,D为扩散系数，δ为涂层厚度）。非平衡萃取理论方程(1-2)表明，被涂层萃取的分析物的量是分析物的初始浓度对萃取时间的函数。而同时也可以看到，萃取量n与分析物初始浓度成正比。这说明在非平衡态萃取时，同样可以经测定分析物的萃取量来测得分析物的初始浓度，是非平衡理论定量分析理论基础。且当吸附时间无限长，式（1一2)中指数项消失，即达平衡时涂层吸附分析物的物质的量n。为

n0＝KVfVs/Vs+KVfc0

与式（1-1)相同，即达平衡后分析物在固相涂层中吸附量与非平衡理论是一致的。

理论分析表明，SPME取样时，并不一定要求分析物被萃取至平衡，只要求在严格操作条件下获得可靠且稳定响应值与浓度之间的线性关系即可。

三 固相微萃取头和制备技术

萃取头是SPME装置的核心。按萃取头结构有两种基本类型：(1)纤维：包括涂层纤维和多孔结构涂层纤维。主要是石英纤维，亦有采用金属纤维。将键合硅胶材料等，如C8或C18键合硅胶颗粒，黏附到纤维上实现涂层比表面积的增大，可获得多孔结构涂层纤维。其涂层厚度为10-100μm。例如，30μm的C8键合硅胶涂层得到的萃取效率较之100μmPDMS涂层高30倍。(2)毛细管（(In-tubeSPME)：包括壁涂层毛细管、填充毛细管和整体柱毛细管，大多数是石英毛细管，亦有PEEK管等聚合材料。涂层毛细管从GC毛细管移植而来。填充型毛细管则更加类似微径液相色谱柱，将纤维、不锈钢丝、键合硅胶等插入或填充至毛细管内，以提高相比。为了得到具有高相比的萃取毛细管而避免较为麻烦的毛细管柱填充或纤维装填过程，整体柱是一种极具发展潜力的SPME萃取头。

无论是纤维或是萃取毛细管，其涂层材料根据它们的不同性质大致可分为非极性、中等极性和较强极性等三类。目前应用最多的材料有聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚丙烯酸酯(PA),聚苯基甲基硅氧烷、聚乙二醇(CW)、聚（苯乙烯／二乙烯基苯）等。除单一聚合物外，还可在聚合物中加交联剂，形成交联的复合固定相涂层，如聚二甲基硅氧烷一二乙烯苯（PDMS/DVB人聚乙二醇／二乙烯苯(CW/DVB）等。多种新型GC,HPLC涂敷和键合固定相材料或化合物，如印迹聚合物、免疫亲和材料、冠醚、环糊精、聚（甲基丙烯酸一乙二醇二甲基丙烯酸酯）等均已用作SPME涂层萃取固定相。将一些聚合物，如苯乙烯一二乙烯苯豪合物、碳分子筛加到涂层中，可以增大涂层表面积，提高SPME效率。

溶胶一凝胶技术是材料科学领域近年来应用较多的一种技术，由于它具有制备过程简单、反应条件温和、所得材料在分子水平上高度均一、产物组成容易控制等优点，是当今SPME萃取头涂层的主要制备技术，得到的萃取涂层热和化学稳定性高，耐溶剂，且成本低。上述PDMS,CW/DVB等均可采用溶胶一凝胶法制备。SPME制备的另一种技术是电沉积法，可将导电聚合物沉积到金属纤维上，如将聚吡咯和聚一N一苯基吡咯（PPPY）引入到金属电极丝上，这种聚合物涂层可萃取酚类、邻苯二甲酸酯类、杂环胺类、有机砷化合物、无机阴离子等。

其他制备技术有碳素基体吸附法，可将石墨、活性炭等制成碳素基体萃取头；高温环氧树脂固定法，即将微粒色谱固定相、如C8,C18(ODS)键合硅胶用环氧树脂高温赫结在基体表面。目前应用和发展中的各种GC,HPLC,CEC等色谱固定相材料和制备技术大多数被不断引入SPME领域。

SPME固相层以非键合、键合、部分交联或高度交联的形式涂敷在石英纤维或毛细管上。涂层耐溶剂性能依次为：键合＞高度交联＞部分交联＞非键合。涂层材料结构和表面性质直接影响萃取效率。SPME操作条件优化，首先是选择合适的萃取头，按相似相溶原理，根据分析物性质选择合适涂层材料，非极性和中等极性涂层具有较宽适应范围，而高极性待测组分选用CW等强极性涂层。

四 SPME操作技术

SPME作为试样采集、处理技术，主要用作各种分析方法进样手段，并与其联用，根据最终的分析结果判断SPME的优劣。SPME和分析仪器联用可分为离线模式和在线模式两种。离线操作分析物吸着（吸收）和解吸分别在试样进样口两处、分两步进行，本节主要讨论这种技术。在线模式需对进样系统作适当改装，并可实现SPME联用操作自动化，下节作简要介绍。整个SPME操作技术目前仍处在迅速发展和改进中。

SPME的吸附或萃取操作模式主要是两种：浸取法和顶空法。前者吸着作用的萃取头浸入试样，后者萃取头在试样的顶空，即在试样液相上方的气相中萃取。

提高萃取效率的基本方法是对影响萃取效率基本操作条件进行优化，如萃取时间、试样搅拌速度、萃取温度、无机盐浓度、试样基底pH等。

SPME技术的原理是基于分析物在涂层和试样中的分配平衡，因此分析物的萃取量随着萃取时间的延长而不断增加直到达到萃取平衡。但对于在涂层中分配系数很大、达到萃取平衡所需时间过长的试样而言，可以在严格控制萃取时间和萃取条件一致的情况下采取时间较短的非平衡萃取方式。对萃取过程对试样施加搅拌可以促进分析物的扩散，从而缩短平衡时间，有效地提高萃取的效率。

萃取温度对萃取效率的影响在动力学和热力学上相互制约，温度升高，分析物扩散系数增大，从而使萃取平衡的时间缩短。但分析物在涂层中的分配系数会随温度的升高而降低，应综合考虑这两方面的因素选择萃取温度。

试样基底中无机盐的加入以及pH的影响。无机盐的加入可以提高极性化合物在非极性涂层上的萃取效率，而pH的改变则可以调整分析物以分子状态存在，使之与涂层的作用力增强，易于被萃取。除了萃取的条件外，解吸操作对于最终分析结果的影响视后续仪器或方法进样条件而异。如与GC进行联用，若采用热解吸，GC气化室的温度、进样器衬管内径、萃取头位置和停留时间等因素均会影响分析物的解吸效率和色谱分析结果。而与HPLC联用，采用解吸池进行解吸时，解吸溶剂的选择（流动相或有机溶剂），解吸模式（动态或静态，或动静结合），解吸的时间等是影响最终分析结果的重要因素。

五 SPME联用技术

1.SPME一GC

这是最早发展、较为完善、广泛应用的技术。SPME装置可在GC仪进样口直接进样，常使用石英纤维萃取头，吸着的分析物在GC气化室200-300℃热脱附。对相对分子质量较高、热脱附困难的化合物，如茁，可用金属丝代替石英纤维，以通电加热脱附。在线联用的装置，将50^-60cm长的萃取毛细管接于六通阀进样环位置上，当阀切换到LOAD位置时，以气体驱动试样溶液进行萃取。萃取完后，切换到INJECT位置后采用瞬间升温的热解吸方法使吸附的分析物解吸下来，经载气和辅助载气携带进入常规GC柱进行分析。该套装置对水样中的稠环芳烃、含氯或含磷农药进行了分析，检出限可达0.01-0.05ng-mL-1。采用阀切换技术实现了在线的In-tubeSPME-GC-MS联用，并以PDMS为萃取毛细管对水样中的稠环芳烃等进行了分析。

2.SPME-HPLC

SPME-HPLC联用需要一个接口，接口装置多种式样，均基子对六通阀的改造而成。较多使用石英纤维毛细管萃取头。接口为T形三通解吸池与六通阀相连，六通阀切换到LOAD位置，此时解吸池与大气相通，其中充满流动相或解吸溶剂，萃取涂层毛细管或纤维直接插入池中，并借助密封嵌套实现密封。当六通阀切换到INJECT位置时，流动相流经解吸池将解吸下来的分析物带入色谱柱进行分析。Supelco公司推出了商品化的这种SPME-HPLC联用接口。此后发展出自动进样的SPME-HPLC联用装置，萃取毛细管连接于取样针和试样环之间，萃取时，六通阀处在LOAD位置，通过自动进样器控制试样的吸入与排出，而当萃取完成后，将六通阀切换到INJECT位置，使流动相流经毛细管对分析物进行解吸并同时带入色谱柱进行分析。已发展出采用两个多通阀，分别连入萃取和进样系统，通过程序控制萃取时间、切换至进样，成为SPME-HPLC全自动进样分析系统。

3.SPME一CE或CEC

SPME-CE或CEC的离线联用，将萃取试样以缓冲液或盐溶液解吸，即可进行CE或CEC分析。SPME-CE在线联用是将150一220μm的较大内径热缩Teflon毛细管与CE分离毛细管连接，涂层纤维完成试样萃取后，插入该大口径毛细管中，施加电压，被萃取分析物经缓冲溶液解吸，进行电泳分离。为了实现SPME-CE零死体积在线联用，设计了多种接口。如将CE分离毛细管靠近进样端截断，并经Teflon接口与萃取毛细管成十字交叉相连。萃取毛细管中插入萃取纤维，萃取时，驱动试样溶液经萃取毛细管实现分析物的富集；解吸时，驱动一定体积的解吸溶剂经萃取毛细管进入交叉接口，然后施加电压即可进行电泳分离。

4.其他联用技术，

SPME已实现同其他的分析方法联用。ICP-MS是一种强有力的金属离子分析下具，以SPME作为其试样的前处理步骤，则可提高检测灵敏度，检出限达到10-12级。SPME可直接与MS联用。此外，SPME与紫外吸收光谱、原子吸收光谱、红外光谱、电化学分析等的联用也有报导。

六 SPME的应用

SPME已成为环境、生物、医药学、天然产物、食品、毒物、法学等领域重要试样处理技术。与GC联用适合于中低极性的挥发性、中等挥发性化合物的分析，而对于低挥发性和不挥发性的化合物，如药物、肽、蛋白质、强极性的杀虫剂等，采用液相色谱作为分离分析手段。SPME的引入，检出限达到了ng·mL-1一pg·mL-1。

采用SPME-GC,SPME-HPLC及与MS联用技术可对环境试样中的多种污染物进行检测，如农药残留、酚类化合物、稠环芳烃类、硝基化合物、致癌芳香族胺类、金属有机化合物等。

SPME已广泛用于生物试样，如血样、尿样、生物组织试样处理，在分析物得到富集的同时亦去除复杂的试样基底，以SPME-HPLC等测定生物活性成分、药物及其代谢产物、蛋白质等。如测定脑组织中的神经介质多巴胺，肝脏组织中的亚硝胺类物质和异搏定等。测定血液中苯并二氮类镇静剂，检出限可达3-7ng·mL-1。萃取尿样和血清中的β-阻断剂，检出限低于0.1ng·mL-1。SPME也被用于尿样中的毒品和皮质类固醇的分析。SPME也是测定药物和蛋白质相互作用的有力工具，已用于研究安定和人血清白蛋白、地洛西浮和血清白蛋白之间的作用。

SPME是发展高效、快速食品试样的试样预处理的重要技术，并已取得进展。如牛奶中四环素类抗生素SPME-HPLC-MS测定，检出限可达4-40ng·mL-1；对肉中的具致癌作用的杂环胺类物质进行分析，检出限可到10-9级；茶叶中儿茶酚和咖啡因等分析；大豆中的经基异黄酮类物质分析等。