1、209SPME-HPLC 联用萃取机理的探讨陈 超 李攻科* 陶敬奇（中山大学化学系，广州 510275）摘 要 涂层的萃取机理有多种，按照涂层类型的不同，可分为吸收机理（适合 PA、PDMS 涂层）与吸附机理（适合 PDMS/DVB、CW/DVB、CW/TPR 涂层）；按照萃取体系的不同（无限体积、充分 搅拌的体系与有限体积、静止体系）也可以 发展出另外两种萃取机理。本文初步探讨了以上的几种萃取机理。并结合实验数据，对机理的可行性、合理性进行了讨论。关键词 固相微萃取，高效液相色谱，萃取机理近年来，在样品预处理方面，最值得瞩目的是固相微萃取技术 （solid-phase microextra
2、ction, 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、静止体系也发展出另外两种萃取
3、机理。1. 基于不同体系的萃取机理1图 1 描述了 SPME 的萃取模型。在这个柱状系统中，a、b、d 分别是硅杆、涂层、样品瓶的半径，L 是涂层部分的长度， 是待测物在涂层/ 水相的分配常数，D1 和 D2 分别是待测物在涂层和水相中的扩散系数，C1和 C2 分别是分析物在涂层和水相中的浓度。*基金项目：国家自然科学基金资助项目（29977029） ；广东省自然科学基金资助项目（990292） ；感谢中山大学化学学院创新基金（批准号：01027）的支持。第一作者 陈超(1980 年出生)，男，中山大学化学与化学工程学院 98 基地班联系人 李攻科 Email: 图 1 SPME 萃取模型21
4、0以下的讨论基于两种假设：（1）萃取动力学仅是一个质量扩散过程。 （2）当溶液中待测物的浓度增加时，涂层的物理特性不会改变，即聚合物涂层不会膨胀，待测物在涂层中的扩散系数也不随待测物浓度改变而改变。上述假设下，SPME 的萃取动力学可以用下列公式来表达，这个微分式满足费克第二扩散定律： tCzyxC22（1）由于模型是一个圆柱，因此上式可以转换为： tCrrD2211（2）D 是待测物的扩散系数，C 是待测物的浓度。考虑到涂层的圆柱外形与扩散过程，沿着涂层（z 轴）方向上的浓度是不会改变的。同时沿着从中心开始的径向角（ 角）方向上的浓度也不会改变的。式（2）可简化为： tCDr12（3）对式（
5、3）进行半径的积分，被涂层吸附的待测物总量可以用一个时间函数来表达：rdtLMba,21（4）L 是涂层长度，a 是硅杆半径， b 是涂层半径。从上述公式可以衍生出两种模式，即一个无限体积充分搅拌体系和一个有限体积静止体系。1.1 无限体积、充分搅拌的体系由于待测物在水中的扩散被忽略，因此这种模式描述的是一个非常快的萃取过程。该模式适用于大体积搅拌充分的溶液，或快速移动的液体，如蒸汽或河水。萃取开始时，待测物在涂层中的浓度为： 011,Ctr（5）萃取时 C10=0，解吸时 C100。涂层外表面的待测物的浓度是一个常量，由涂层附近液态相的待测物浓度和待测物在涂层/水相的分配常数决定：tbrtb
6、r,21 （6）无限体积和充分搅拌的假设确保了 C2（r=b,t）是一个常数，它等于萃取前的待测物在溶液中的浓度 C20。同时待测物分子不能通过渗透作用进入硅杆：2110,1tarC（7）将式（5） （6） （7）代入等式（2） ，采用变量隔离法得到时间函数的涂层中待测物的浓度轮廓：这里 m 是 bYaJYbJ110的根，J，Y 是贝赛尔函数。图 2 描述了等式 (8)。纵坐标是平衡浓度C/C2 0，横坐标是涂层上的相对深度（r-a）/（b-a） 。图中的曲线代表不同的萃取时间 D1t/（b-a）2。曲线代表不同萃取阶段涂层中待测物的浓度。溶液中待测物的浓度一个常量（即不会随时间改变而变化）
7、，等于溶液的初始浓度 C2 0。在萃取前，涂层中无待测物（曲线 A） ；开始萃取瞬间，仅仅在涂层表面附近有待测物（曲线 B） ；随着萃取的延长，待测物分子扩散到涂层深处（曲线 C-E） ；最后达到平衡（曲线 F） 。曲线斜率随萃取时间延长很快降低，斜率越大，证明涂层对待测物的萃取速率越快。就如费克第一定律给出的一样： drCD1（9）F 是待测物分子的流动量（mol s-1 m-2） 。当平衡时斜率趋零，扩散停止。图中浓度轮廓曲线下方面积对应已萃取量与最大萃取量（曲线 F）的比值。大约 50%的待测物在0.1 时间后被萃取（曲线 D） ，随后耗费了 5 倍多的时间才达到总萃取量的 90%（曲线
8、 E） 。对式（8）进行半径的积分，得到萃取质量的时间函数式：bJaYmm2021bJamm2021 0 0102120120121 exp, m mmmrJYaJraJtDCtrC 图 2 涂层吸附浓度曲线图 (涂层中最初浓度为零) . 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） 1 1112021201 expm bambamba rYrJtDCrCLM （10）212图 3 是式（10）的图形表达。纵坐标是已萃取质量 M1 与平衡质量 M1的比值。横坐标是萃取时间，与图 3 相对应。D1t/（
9、b-a）2=0.5 时，萃取量为总量的 90%。分析图 2、图 3 可以看出扩散系数越小，平衡时间越长。因此，采用交联度、粘度更高的的聚合物作为涂层，虽然提高了涂层的热稳定性，使其能适合分析非挥发性化合物，但同时延长了平衡时间。图 4（见下页）是 SPME-HPLC 测定不同化合物，萃取效率随萃取时间的变化曲线图。与理论曲线相比，两者的大致趋势是吻合的。由于本实验体系是在一个快速搅拌，有限体积（4 mL）中进行。不可能满足无限体积，充分搅拌这样一个理想条件，因此不可能完全符合理论曲线。在无限体积，充分搅拌这样的条件下，无需考虑待测物重新吸附到涂层上的问题。但是在有限体积下，这种竞争吸附，吸附/
10、解吸的过程是不断的发生，直至达到最终平衡。图 5a 中，对于苊烯、芴、蒽和菲，在 30-120 min 内已达到萃取平衡。而对于芘、苯并(b)萤蒽、苯并(k)萤蒽和苯并()芘，在 240 min 内仍未达到萃取平衡。当萃取时间超过 120 min 时，苊烯、芴、蒽和菲的峰开始下降，这可能是由于在达到平衡后的时间内，这些物质被分配常数较大的多环芳烃如苯并(b)萤蒽、苯并(a)芘等所替代，从涂层上再次解吸下来的原因造成的。这些 PAHs 在有限的体系中，不断进行吸附/解吸，因此曲线出现波折摆动。图 3 在充分搅拌,无限体积中萃取质量百分比与萃取时间的关系.213从式（8）和图 3 得出，在无限体积
11、、充分搅拌的前提下，吸附过程的速度仅仅取决于待测物在聚合物涂层中的扩散系数。平衡时间正比于涂层厚度的平方，如果通过增加涂层厚度来提高灵敏度，萃取时间必然要延长。但是，如果增加硅杆的直径，而硅杆上面涂层厚度不变，表面积与体积的比值仍然恒定不变；或者增加涂层的长度均能在不延长平衡时间的前提下，提高萃取容量。这对于实验很有指导意义，为研制更好的 SPME 涂层提供了理论依据。以上讨论是一个理想的状态，假设在无限体积、充分搅拌下的情况。但是忽略了待测物在溶液中扩散的影响。实际上，在涂层周围总是有一层薄薄的，静止的水膜。在充分搅拌下，水膜的厚度会减小，但是不会消失。因此下面的讨论正是考虑待测物在此水膜中
12、的扩散。1.2 有限体积、静止的体系萃取前，涂层中无待测物：0),(1trC （11）待测物存在于溶液中： 022),(Ctr（12）由于质量平衡，待测物在涂层内外表面的流动是一样的： tbrDtbrC,21（13）图 4 萃取时间对萃取效率的影响。a PAHs 1 苊烯；2 芴；3 菲；4 蒽；5 芘；6 苯并(b)萤蒽；7 苯并(k)萤蒽；8 苯并() 芘b 屈 c 并(k)萤蒽 d 二嗪农 e 对硫磷214待测物不能在硅杆和样品瓶中渗透： 0,2tdrC（14）采用有限差分方法解上式：（1） i=1 （r=a） ， （硅杆与涂层界面） 112121 nnn CrrDCrD（15）（2）
13、i=1，2，3，.，M-1 （arb ， （涂层中）1121121121 nininini rriCri（16）（3） i=M （r=b） （涂层与溶液界面） 012211 nMnnMn CrDrrDr（17）和 02C （18）（4） i=M+1， i=M+2，i=M+3，.，N-1（brd （溶液中）（5） i=N （r=d ） （溶液和样品瓶界面） 1222121 nNnNnN CrrDCr（20）由于在萃取过程中，待测物在溶液中的浓度随时在改变，因此等式0201AV不再适合。为了得到待测物在溶液中的残留量，根据萃取前后的质量平衡关系，得到：2021Vn（21）C2是在平衡时溶液中待测物
14、浓度，C20 是初始时溶液中的待测物浓度。V2 是溶液体积。21C（22）将式（22）代入式（21） ，得到：210Vn（23）为了保证定量萃取，必须要满足即 V1 V2） 。因此可以得到1212222122 1 nininini rrirCriD （19）21502021ACVn（24）这个是定量分析的理论基础。2. 基于不同涂层的萃取机理3在 SPME 中，涂层萃取分析物存在着两种不同的机理：吸附和吸收。图 5 描述了萃取过程中使用吸收和吸附类型的 SPME 涂层时，起始及稳定状态时待测物相对于涂层的位置变化。吸附是待测物分子直接键合到涂层表面，吸收则是分子进入涂层的主体内。在实际萃取中，
15、每种涂层都同时具有吸附与吸收两种行为，只不过看那种占主要，完全以吸附或者以吸收机理工作的涂层是不存在的。以下的讨论是两种理想状态。2.1 吸附机理6-7极性 SPME 涂层中，微弱的分子间作用力（涂层从水中萃取是氢键作用力）起重要作用。由于涂层表面能发生吸附的作用点是有限的，因此当所有的吸附点都被占有时，萃取就达到了平衡（除非可以通过毛细作用渗透到孔隙中） 。这意味着样品中待测物的浓度和 SPME 涂层萃取量之间不会有很宽的线性关系。此外，吸收是非竞争过程，而吸附是竞争过程，与涂层结合能力强的分子可以取代结合能力弱的分子。因此，样品中的其它共存物将影响待测物的萃取量。采用吸附等温线可以将涂层上
16、待测物的平衡浓度和溶液中的平衡浓度联系起来。Langmuir 吸附等温线可以很好的描述 PDMS/DVB 和 CW/DVB 涂层的萃取平衡。在 Langmuir 模型中，涂层表面的吸附点是有限的，且有如下假设： 被吸附分子不可移动； 所有的吸附点吸附能力相同； 每个吸附点最多吸附一个分子； 吸附分子之间没有相互作用，不影响其平衡常数。第三点假设意味着只能在涂层表面形成单一吸附层。空的吸附点 S 与待测物分子 A 图 5 吸附与吸收萃取机理的比较左图是萃取过程的始态； 右图是萃取过程的终态（稳定态）a. 吸收 b. 大孔吸附 c. 小孔吸附216“反应”生成 Aad：adAS （25）吸附平衡时
17、，Aad 的浓度（单位 molcm-2）可以用以下方程表示：KAad10（26）S0是表面吸附点的总浓度，KA 是吸附平衡常数，A是样品中 A 的浓度。实际上采用面积浓度来描述 SPME 萃取过程是很麻烦的。如果假设孔隙大小分布均一，我们就可以用体积代替表面积，两边乘以 fV（ 为表面积，Vf 为孔隙体积） ，用体积浓度取代了面积浓度。由于涂层具有良好的重现性，因此这个假设在一定程度上是成立的。我们定义 CfA 为萃取头上待测物浓度，它在涂层上的最大值为 Cfmax： fadfAVC（27）ffS0max（28）平衡时定义SAC代替A表示 A 在样品中的浓度，同样定义fA为涂层中 A 的平衡浓
18、度：SffACK1max（29）显而易见，fA不是线性函数，除非 KA S远远小于 1（当吸附平衡常数很小，或者待测物浓度很低的时候） 。整理式（29）得： SAfffACKCmaxax1（30）以fAC1对 SA作图得直线，斜率为 f，截距为 1f。方程（29）难以直接应用，因为它需要知道待测物在样品中的平衡浓度。采用起始浓度 C0A 表达平衡时的萃取量更实际些。平衡时的质量守恒方程为： ffASASVCVC0（31）由方程（29）得待测物平衡浓度为： )(maxfAfASK（32）综合（31） （32） ，变换得：217)(max0fAfASffACVKCn （33）n 是平衡时涂层的萃取
19、量。方程（33）两边都有 f，可以得到二次方程。解方程，两个根中只有下式有意义： KVCVKC SAfSASfASAfAf 2)()( 20max20max0max （34） 实际萃取中上，只有一种物质被萃取的情况是很少是。由于吸附是竞争过程，另外一种化合物的存在必定影响待测物 A 的吸附量。下面讨论两种物质竞争吸附萃取，再引申到多种物质同时竞争吸附萃取。在化合物 B 竞争吸附下涂层上待测物 A 的浓度用下式表示： SBSAff CKC1max（35）KB 是 B 的平衡常数，SB是样品中 B 的平衡浓度。如果样品中多过两种化合物，就在分母上加上SiCK项。A 的质量守恒仍然用方程（31）表示
20、。同样得到 nA： )()1( max0 fAfASBfAffA CVKCVn（36）解方程，两个根中只有下式有意义： A SBSAffSBSASAffAfff KCKVCVCVKn2)1()(1()( 220max20max20a （37）尽管它表面上很复杂，但可以从公式中看出吸附萃取萃取的过程。SPME 萃取方式有直接萃取与顶空萃取两种方式，顶空萃取的数学表达更加复杂。2.2 吸收机理8在基于体系不同的机理中建立的模型中，假设了涂层中的扩散速度是影响整个萃取过程的速度因素。在搅拌溶液中，萃取头周围有一层薄的液膜，正是在这层液膜中的扩散速度控制了整个萃取过程快慢。这就可以得出以下结论：当建立
21、吸收模型时，待测物在涂层内部的扩散可以忽略。在下述讨论中，我们认为液相（待测物溶液）和固定相（涂层）是两个独立的部分。最初的动力学吸收过程可由下式表示：dXf,t/dt = k1Xa,t k2Xf,t (46)k1 是吸收速率常数（从水相到固定相） ；k2 是解吸速率常数（从固定相到水相） 。Xf,t、Xa,t 分218别是时间为 t 时待测物 X 在涂层中和水相中的浓度。假设溶液体积无限大，则方程(47)成立：Xa,t= Xa,t=0 (47)式中：Xa,t=0 是在萃取时间为零时待测物在水溶液中的浓度。将式（47）代入式（46）得：Xa,t= Xa,t=0（k1/k2 ）(1-e-k2t)
22、 (48)由于萃取效率相当低（ Xa,t= Xa,t=0） ，因此式（48）成立。此方程已经被成功地用于解释有机化合物吸附到 SPME 萃取头的动力学过程。当萃取时间无限大时，式（48）变为：Xf,t/Xa,t=0 = k1/k2 =KSPME (49)因此，根据上式可以用来计算待测物在涂层/水的分配系数。在一个充分搅拌的溶液中，涂层内的扩散是分配过程的速控步骤，观察到的吸收过程很快。然而在静止溶液中，动力学行为和速度控制完全不同。已经证实在低速搅拌时，平衡时间会增加，这表示在这种条件下，待测物在水相的扩散是速控步骤。参考文献1 Louch D, Mothagn S, Pawliszyn J.
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