SPME-HPLC联用萃取机理的探讨.DOC

1、SPME-HPLC联用萃取机理的探讨超 李攻科陈 * 陶敬奇（中山大学化学系，广州 510275 ）摘 要 涂 的萃取机理有多种，按照涂 型的不同，可分 吸收机理（适合层 层类 为 PA、PDMS涂）与吸附机理（适合层 PDMS/DVB 、CW/DVB、CW/TPR涂 ）；按照萃取体系的不同（无限层体 、充分 拌的体系与有限体 、静止体系）也可以 展出另外两种萃取机理。本文初步探 了积 搅 积 发 讨以上的几种萃取机理。并 合 数据， 机理的可行性、合理性 行了 。结 实验 对 进 讨论关 固相微萃取，高效液相色 ，萃取机理键词 谱近年来，在样品预处理方面，最值得瞩目的是固相微萃取技术 （ s

2、olid-phase microextraction,SPME），它是加拿大Waterloo大学的Pawliszyn1于1990年提出的，是一种无溶剂，集采样、萃取、浓缩、进样于一体的新样品预处理技术，克服了传统样品预处理技术（如吹扫捕集、顶空法、液-液萃取、固相萃取、超临界萃取等）耗时、效率低、溶剂用量大、操作繁琐等缺点。本文结合实验数据初步探讨了SPME-HPLC联用技术的作用机理。按照涂层不同可分为吸收机理和吸附机理，如PA、PDMS涂层是基于吸收机理，而PDMS/DVB 、CW/DVB、CW/TPR涂层是基于吸附机理2-5。按照体系分类，即无限体积、充分搅拌体系及有限体积、静 体系 发

3、 出 种萃取机理。1. 基于不同体系的萃取机理 11 了SPME的萃取 。在 系统 ，a、b、d分 是 、涂层、样品 的 ，L是涂层 分的 ，是 在涂层/ 相的分 数，D1和D2分 是 在涂层和 相 的 系数，C1和C2分 是分 在涂层和 相 的浓 。*基目currency1学基“目（fififl） currency1学基“目（fl） 大学学学新基（”flflfi）的 。一作 超fl年出， 大学学学 学基 联系 2091 SPME萃取 的讨论基于 种 （1）萃取 学 是一 量 。（2）溶液 的浓加时，涂层的 理 不 ，即合 涂层不 ， 在涂层 的 系数 不 浓 而 。 ，SPME的萃取 学可用

4、 来， 微分 克 律tCzCyCxC222222（ 1）由于 是一 圆 ，因此可转换为tCCCCrrCrrrD 2222211 （2）D是 的 系数，C是 的浓 。考虑到涂层的圆 形 ，沿着涂层（z轴）方向的浓 是不 的。同时沿着从 心开始的 向角（角）方向的浓 不 的。（2）可简为tCDrCrrC 1122（3）对（3）进行 的积分，被涂层吸附的 总量可用一 时间函数来 rdrtrCLMba ,2 1 （ 4）L是涂层 ，a是 ，b是涂层 。从 可衍出 种 ，即一 无限体积充分搅拌体系和一 有限体积静 体系。1.1 无限体积、充分搅拌的体系由于 在 的 被忽略，因此 种 的是一 非 快的萃取

5、。该 适用于大体积搅拌充分的溶液，或快速移 的液体，如蒸汽或河 。萃取开始时， 在涂层 的浓 为 011 0, CtrC （5）萃取时C10=0，解吸时C100。涂层 面的 的浓 是一 量，由涂层附近液态相的 浓 和 在涂层/ 相的分 数决 tbrCtbrC , 21 （6）无限体积和充分搅拌的 确保了C2（r=b,t）是一 数，它等于萃取前的 在溶液 的浓C20。同时 分子不能通渗透作用进入 210 0,1 tarrC （ 7）将（5）（6）（7）代入等（2），采用 量隔离法得到时间函数的涂层 的浓 轮廓里 m 是 bYaJaYbJ 1110 的根，J，Y是贝赛尔函数。2 了等 (8) 。纵

6、坐标是平衡浓 C/C2 0 ，横坐标是涂层的相对深 （ r-a）/（b-a）。 的曲线代不同的萃取时间D1t/（b-a）2。曲线代不同萃取阶段涂层的浓 。溶液 的浓 一 量（即不 时间 而 ），等于溶液的初始浓 C2 0。在萃取前，涂层 无 （曲线A） 开始萃取瞬间， 在涂层面附近有 （曲线B） 着萃取的延 ， 分子 到涂层深处（曲线C-E） 最后到平衡（曲线F）。曲线斜率 萃取时间延 很快降低，斜率越大，证明涂层对 的萃取速率越快。就如 克 一 律给出的一样drdCDF1 （ 9）F是 分子的流 量（mol s-1 m-2）。平衡时斜率趋零， 停 。浓 轮廓曲线 方面积对应已萃取量最大萃取量

7、（曲线F）的比值。大约50%的 在0.1时间后被萃取（曲线D）， 后耗 了5倍多的时间才到总萃取量的90%（曲线E）。对（8）进行 的积分，得到萃取量的时间函数211 00010212011120201021 exp,mmmmmmmmmm rJYaJrYaJbJaJbJtDCCCtrC 2 涂层吸附浓 曲线 (涂层 最初浓 为零) . X=D1t/（b-a）2A.X=0; B. X=0.01; C. X=0.05D.X=0.1; .D. X=0.5; E. X=（8） 1111202012021 exp22mbammbammbarrYrrJtDCCrCLM （ 10） bJaJbYaJmmmm

8、2021021 bJaJbJaJmmmm20210213是（10）的 形。纵坐标是已萃取量M1平衡量 M1 的比值。横坐标是萃取时间， 3相对应。D1t/（b-a）2=0.5时，萃取量为总量的90%。分 2、 3可看出 系数越小，平衡时间越 。因此，采用交联 、粘 更高的的合 作为涂层，虽currency1提高了涂层的热稳 ，使其能适合分非挥发 合 ，但同时延 了平衡时间。4（见 页）是SPME-HPLC 不同合 ，萃取效率 萃取时间的 曲线 。理论曲线相比， 的大致趋势是吻合的。由于本实验体系是在一 快速搅拌，有限体积（4 mL） 进行。不可能 无限体积，充分搅拌 样一 理想条件，因此不可能

9、完全符合理论曲线。在无限体积，充分搅拌 样的条件 ，无需考虑 重新吸附到涂层的问题。但是在有限体积， 种竞争吸附，吸附/解吸的是不断的发，直 到最 平衡。 5a ，对于 、 、 和 ，在30-120 min 已到萃取平衡。而对于 、 (b) 、 (k) 和 () ，在240 min 到萃取平衡。萃取时间超120 min时， 、 、 和 的 开始 降， 可能2123 在充分搅拌,无限体积 萃取量 分比萃取时间的 系.是由于在到平衡后的时间 ， 被分 数 大的多 如 (b) 、 (a) 等 代，从涂层 解吸 来的 因 的。 PAHs在有限的体系 ，不断进行吸附/解吸，因此曲线出 。从（8）和 3得

10、出，在无限体积、充分搅拌的前提 ，吸附的速 取决于 在合 涂层 的 系数。平衡时间比于涂层 的平方，如通加涂层 来提高，萃取时间currency1延 。但是，如加 的直 ，而 面涂层 不 ，面积体积的比值 currency1currency1 不 或加涂层的 能在不延 平衡时间的前提 ，提高萃取“量。 对于实验很有fi，为fl 更的SPME涂层提了理论据。讨论是一 理想的 态， 在无限体积、充分搅拌 的 。但是忽略了 在溶液 的。实，在涂层”总是有一层的，静 的 。在充分搅拌 ， 的2134 萃取时间对萃取效率的。a PAHs 1 2 3 4 5 6 (b) 7 (k) 8 () b c (k

11、) d e 对 小，但是不 。因此 面的讨论是考虑 在此 的 。1.2 有限体积、静 的体系萃取前，涂层 无 0)0,(1 trC（11）在于溶液 022 )0,( CtrC （ 12）由于量平衡， 在涂层 面的流 是一样的 tbrrCDtbrrCD , 2211 （ 13）不能在 和样品 渗透 0,2 tdrrC （ 14）采用有限分方法解（1） i=1 （r=a），（ 涂层界面） 11112211121 1212 nnn CrCrDCrrD（ 15）（2） i=1，2，3，.，M-1 （arb ，（涂层 ） 111121112111211 1221222 nininini CrCriDiD

12、CrrDCriDiD（16）（3） i=M （r=b） （涂层溶液界面）01222211111 nMnMnMnM CrDCrDCrDCrD （ 17）和 021 nMnM CC （ 18）（4） i=M+1，i=M+2，i=M+3，.，N-1（brd （溶液 ）（5） i=N （r=d） （溶液和样品 界面）214 121222222212222 1221222 nininini CrCriDiDCrrDCriDiD （19） 122221222 1122 nNnNnN CrCrrDCrD（20）由于在萃取 ， 在溶液 的浓 时在 ，因此等 020211 ACCVn 不 适合。为了得到 在溶液

13、 的量，根据萃取前后的量平衡 系，得到20221 VCVCn （ 21）C2是在平衡时溶液 浓 ，C20是初始时溶液 的 浓 。V2是溶液体积。21CC（ 22）将（22）代入（21），得到2102211 VVCVVn （ 23）为了保证 量萃取， 即V1 V2）。因此可得到020211 ACCVn （ 24）是 量分的理论基。2. 基于不同涂层的萃取机理 3在SPME ，涂层萃取分 在着 种不同的机理吸附和吸收。 5 了萃取 使用吸收和吸附类 的SPME涂层时，始及稳 态时 相对于涂层的 。吸附是 分子直键合到涂层面，吸收 是分子进入涂层的 体 。在实萃取 ， 种涂层 同时 有吸附吸收种行为

14、， 不看 种 ，完全吸附或吸收机理 作的涂层是不在的。 的讨论是 种理想 态。2.1 吸附机理6-7SPME涂层 ，微 的分子间作用 （涂层从 萃取是 键作用 ）重作用。由于涂层面能发吸附的作用点是有限的，因此 有的吸附点 被 有时，萃取就到了平衡（ 非可通 作用渗透到 ）。 着样品 的浓 和SPME涂层萃取量间不 有很 的线 系。此 ，吸收是非竞争，而吸附是竞争，涂层结合能 的分子可取代结合能 的分子。因此，样品 的其它 将 的萃取量。2155 吸附吸收萃取机理的比 是萃取的始态 是萃取的 态（稳 态）a. 吸收 b. 大 吸附 c. 小 吸附采用吸附等线可将涂层 的平衡浓 和溶液 的平衡浓

15、 联系来。Langmuir吸附等线可很的 PDMS/DVB 和CW/DVB涂层的萃取平衡。在Langmuir ，涂层面的吸附点是有限的，有如 被吸附分子不可移 有的吸附点吸附能 相同 吸附点最多吸附一 分子 吸附分子间 有相 作用，不其平衡 数。 点 着 能在涂层面形 一吸附层。空的吸附点S 分子A “ 应 AadadASA （ 25）吸附平衡时，Aad的浓 （ molcm-2）可用 方 AKAKAAad 1SA 0 （26）S0是面吸附点的总浓 ，KA是吸附平衡 数，A是样品 A的浓 。实采用面积浓 来 SPME萃取是很 的。如 大小分一，就可用体积代 面积， fV （为面积， Vf 为 体

16、积），用体积浓 取代了面积浓 。由于涂层 有 的重 ，因此 在一 是 的。 fiCfA为萃取 浓 ，它在涂层的最大值为Cfmax fadfA VAC（27） ff VSC0max （ 28）平衡时 fi SAC 代 AA在样品 的浓 ，同样 fi fAC 为涂层 A的平衡浓 SAASAAffA CKCKCC1max （29）显而易见， fAC 不是线 函数， 非 KA SAC 远远小于1（吸附平衡 数很小，或 浓 很低的时候）。整理（29）得 SAAfffA CKCCC maxmax111（ 30） fAC1 对 SAC1 作 得直线，斜率为 AfA KC 1 ，截距为 max1 fC 。方（

17、29）难直 应用，因为它需知道 在样品 的平衡浓 。采用始浓 C0A平衡时的萃取量更实 。平衡时的量守currency1方为ffASSAS VCVCVC 0A （31）216由方（29）得 平衡浓 为)( max fAfAfASA CCKCC（ 32）综合（31）（32）， 换得)()(maxmax0fAffASfAffSAAffA CCVKVCCVVCKVCn（33）n是平衡时涂层的萃取量。方（33） 有 fAC ，可得到 方。解方， 根 有 有fiKVVCVCVKVCVCKVKVCVKCn SSAffSASAffASASAfAf2)(2)( 20max20max20max （ 34）实萃取

18、 ， 有一种 被萃取的 是很少是。由于吸附是竞争， 一种合 的在 A的吸附量。 面讨论 种 竞争吸附萃取， 引申到多种 同时竞争吸附萃取。在合 B竞争吸附 涂层 A的浓 用 SBBSAASAAffA CKCKCKCC1max （35）KB是B的平衡 数， SBC 是样品 B的平衡浓 。如样品 多 种合 ，就在分母加 SiiCK 。A的量守currency1 currency1用方（31）。同样得到nA)()1()(maxmax0fAffASSBBfAffSAAffAA CCVKVCKCCVVCKVCn（36）解方， 根 有 有fiASBBSSAffSBBSASAffAASBBSASAfAfff

19、AAKCKVVCVCCKVKVCVCKKCKVKVCVKCVCn2)1()(1(2)(2)1(220max20max20max（37）尽管它面很复杂，但可从 看出吸附萃取萃取的。SPME萃取方有直 萃取顶空萃取 种方，顶空萃取的数学更加复杂。2.2 吸收机理8在基于体系不同的机理 建 的 ， 了涂层 的 速 是整 萃取的速 因素。在搅拌溶液 ，萃取 ”有一层的液，是在 层液 的 速 控 了整 萃取快慢。就可得出 结论建 吸收 时， 在涂层 的 可忽略。217在 讨论 ，认为液相（ 溶液）和固 相（涂层）是 独 的 分。最初的 学吸收可由 dXf,t/dt = k1Xa,t k2Xf,t (46

20、)k1是吸收速率 数（从 相到固 相） k2是解吸速率 数（从固 相到 相）。Xf,t、Xa,t分 是时间为t时 X在涂层 和 相 的浓 。 溶液体积无限大， 方(47) Xa,t= Xa,t=0 (47) Xa,t=0是在萃取时间为零时 在 溶液 的浓 。将（47）代入（46）得Xa,t= Xa,t=0（k1/k2）(1-e-k2t) (48)由于萃取效率相低（ Xa,t= Xa,t=0），因此（48） 。此方已经被 功用于解释有机合 吸附到SPME萃取 的 学。萃取时间无限大时，（48） 为Xf,t/Xa,t=0 = k1/k2 =KSPME (49)因此，根据可用来计算 在涂层/ 的分

21、系数。在一 充分搅拌的溶液 ，涂层 的 是分 的速控步骤，观察到的吸收很快。currency1而在静 溶液 ， 学行为和速 控 完全不同。已经证实在低速搅拌时，平衡时间 加， 在 种条件 ， 在 相的 是速控步骤。参考文献1 Louch D, Mothagn S, Pawliszyn J. Dynamics of Organic Compound Extraction from Water Using Liquid-Coated Fused Silica Fibers, AnalChem, 1992,64(10):1187-11992 张道宁，吴采樱，艾飞 . 固相微萃取 高分子涂层的fl究，

22、色谱， 1999， 17(1) 10-133 黄悯嘉，游静，梁冰，欧庆瑜 . 固相微萃取的涂层进 ，色谱， 2001， 19（ 4） 313184 Chong S L, Wang D, Hayes J D. et al. Sol-Gel Coating Technology for the Preparation of Solid Phase Microextraction Fibers of EnhancedThermal Stability. Anal Chem, 1997,69:3889-38985 王震宇 . 采用溶胶 - 凝胶技术涂层的新 固相微萃取方法及其应用, 色谱， 1999， 17:280-2836 Liu Y, Shen Y F, Lee M L. Porous Layer Solid Phase Microextraction Using Silica Bondes Phases. Anal Chem, 1997,69:190-195218