固相微萃取技术（SPME）：原理、操作与应用全解析

一、SPME 的核心原理

SPME （ 固相微萃取 ）的本质是通过涂覆 吸附涂层的石英纤维对样品中的待测物质进行吸附、富集，其核心原理基于 液-固吸附平衡 ：利用涂覆在纤维上的 “固定相”（萃取相）对样品中的目标化合物进行选择性吸附，待吸附达到平衡后，将纤维直接（或经解吸后）引入分析仪器（如气相色谱 GC、高效液相色谱 HPLC）进行检测。

1. 第一步：萃取阶段
   目标化合物从 “样品基质”（如水体、土壤、血液）转移到 “固定相”，分配系数为K₁（固定相中目标物浓度 / 样品基质中目标物浓度）。
   分配能力取决于固定相的极性、目标物的理化性质（如疏水性、分子量）及萃取条件（温度、时间、pH 等）。

2. 第二步：解吸阶段
   吸附目标物的纤维被引入仪器进样口，通过 “热解吸”（GC 常用，高温使目标物脱离固定相）或 “溶剂解吸”（HPLC 常用，有机溶剂洗脱），目标物转移到 “仪器流动相”（如 GC 的载气、HPLC 的流动相），分配系数为K₂（流动相中目标物浓度 / 固定相中目标物浓度）。

二、SPME 的关键组成部分

• 非极性目标物（如苯、甲苯）：选非极性固定相（PDMS）；

• 极性目标物（如酚类、有机酸）：选极性固定相（PA、CAR/PDMS，碳纤维 / 聚二甲基硅氧烷）；

• 复杂基质（如含多组分的食品、污水）：选混合相（PDMS/DVB，兼顾极性与非极性化合物）。

三、SPME 的操作流程

1. 萃取头活化（shou次使用或再生）

• 目的：去除固定相表面的杂质，激活吸附位点；

• 方法：将萃取头插入 GC 进样口，在高于目标物沸点但低于固定相最高耐受温度下烘烤（如 PDMS 纤维活化温度 250-300℃，时间 5-30min）；

• 注意：不同固定相耐受温度不同（如 PA 纤维最高耐受 200℃），需严格遵循说明书，避免固定相分解。

2. 样品萃取（核心步骤）

• 操作：将活化后的萃取头插入样品瓶（或顶空瓶，针对挥发性化合物），使纤维暴露在样品基质（或样品上方的气相空间，即 “顶空 SPME”）中；

• 关键参数控制（影响萃取效率）：

• 萃取时间：从纤维暴露到吸附平衡的时间（通常 5-30min，需通过实验优化，避免过短吸附不充分、过长浪费时间）；

• 萃取温度：温度升高可加快传质速率，但可能降低固定相对目标物的吸附量（需平衡，挥发性化合物常用 40-60℃，非挥发性化合物可适当升高）；

• 搅拌 / 振荡：加快样品基质流动，减少传质阻力，缩短平衡时间（常用磁力搅拌，转速 500-1000rpm）；

• pH 与盐析：对于酸性 / 碱性目标物，调节 pH 至其分子态（如酚类在酸性条件下为分子态，更易被吸附）；加入无机盐（如 NaCl）可降低目标物在水中的溶解度（盐析效应），提高萃取效率。

3. 解吸（目标物转移至仪器）

• 热解吸（适配 GC）：将吸附后的萃取头插入 GC 进样口，在高温（如 250-300℃）下保持 1-5min，目标物从固定相脱附后，随载气进入色谱柱分离；

• 溶剂解吸（适配 HPLC）：将萃取头插入含解吸溶剂（如甲醇、乙腈）的小体积进样瓶中，超声或振荡 10-20min，目标物被洗脱后，取洗脱液注入 HPLC 分析；

• 注意：解吸温度 / 时间需优化，确保目标物wan全脱附，同时避免固定相分解。

4. 萃取头再生

• 解吸完成后，将萃取头在 GC 进样口再次烘烤 5-10min，去除残留目标物，以备下次使用；

• 若多次使用后吸附效率下降，需延长活化时间或更换新萃取头。

四、SPME 的主要类型

五、SPME 的优势与局限性

1. 核心优势

• 无溶剂：无需使用有机溶剂（如正己烷、二氯甲烷），避免环境污染和对操作人员的健康危害，符合 “绿色分析化学” 趋势；

• 操作简便快速：集采样、萃取、进样于一体，无需传统萃取的 “分液、离心、浓缩” 等步骤，单个样品处理时间可缩短至 30min 内；

• 灵敏度高：固定相对目标物的选择性吸附可实现浓缩效应，检出限可达 ng/L（纳克 / 升）至 pg/L（皮克 / 升）级别，适用于痕量分析；

• 适用性广：可搭配 GC、HPLC、GC-MS（气相色谱 - 质谱联用）、HPLC-MS（高效液相色谱 - 质谱联用）等多种仪器，分析对象涵盖挥发性、半挥发性、非挥发性化合物（如 VOCs、酚类、农药残留、药物代谢物）。

2. 主要局限性

• 萃取头寿命有限：石英纤维易断裂、受污染，单次使用成本较高（一根萃取头通常可重复使用 50-100 次，损坏后需更换，价格约数百元）；

• 吸附容量有限：固定相涂覆量少（通常为 0.5-10μm），对高浓度样品的吸附易饱和，线性范围较窄（通常为 1-3 个数量级）；

• 基质干扰：复杂基质（如高盐、高油脂样品）可能影响萃取平衡，需通过优化 pH、盐析、选择膜保护式萃取头等方式缓解；

• 不适用于强极性 / 大分子化合物：强极性化合物（如糖类、氨基酸）在固定相上吸附能力弱，大分子化合物（如蛋白质）传质速率慢，萃取效率低。

六、SPME 的典型应用领域

1. 环境监测

• 分析对象：水体、土壤、大气中的痕量污染物，如挥发性有机化合物（VOCs，如苯系物）、半挥发性有机化合物（SVOCs，如多环芳烃 PAHs）、农药残留（如有机磷、拟除虫菊酯）、重金属离子（需搭配特殊固定相，如螯合树脂）；

• 案例：用 HS-SPME 结合 GC-MS 检测饮用水中的苯、甲苯、二甲苯（BTEX），检出限可达 0.1ng/L，满足国家饮用水卫生标准（GB 5749-2022）要求。

2. 食品分析

• 分析对象：食品中的香气成分（如葡萄酒的酯类、咖啡的吡嗪类）、有害残留物（如肉类中的抗生素、果蔬中的农药残留）、食品添加剂（如防腐剂苯甲suan钠）；

• 案例：用 PDMS/DVB 固定相的 HS-SPME 结合 GC-MS 分析苹果中的香气成分，可检出乙酸乙酯、己醛等 20 余种挥发性物质，无需破坏样品结构。

3. 药物与生物医学检测

• 分析对象：血液、尿液、唾液中的药物及其代谢物（如抗生素、镇jing药）、生物标志物（如肿瘤标志物、脂肪酸）；

• 案例：用 CAR/PDMS 固定相的 DI-SPME 结合 HPLC-MS 检测人尿液中的布luo芬代谢物，样品无需预处理（如离心、沉淀蛋白），直接萃取，检出限达 1ng/mL，适用于临床药代动力学研究。

4. forensic 检测（法医检测）

• 分析对象：生物样品（如毛发、血液）中的毒物（如du品、杀虫剂）、火灾现场的助燃剂（如汽油、柴油中的烃类）；

• 优势：样品用量少（仅需 10-50μL 血液或几根毛发），可实现痕量毒物的快速定性定量，为案件侦破提供证据。

七、SPME 的发展趋势

1. 新型固定相研发：开发高吸附容量、高选择性的固定相，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、分子印迹聚合物（MIPs），可针对特定目标物（如重金属、抗生素）实现 “靶向萃取”；

2. 自动化与联用技术：与自动进样器结合，实现批量样品的无人值守处理；开发与 capillary electrophoresis（毛细管电泳，CE）、ion mobility spectrometry（离子迁移谱，IMS）等仪器的联用，拓展应用场景；

3. 微型化与现场检测：研发微型 SPME 装置（如针式 SPME、纤维阵列 SPME），搭配便携式 GC-MS 或传感器，实现环境、食品的现场快速检测（如野外水体污染物筛查、食品产地溯源）；

4. 绿色化改进：优化固定相制备工艺，减少有毒试剂使用；开发可降解固定相，进一步降低环境影响。