固相微萃取

固相微萃取 (solid phase microextraction, SPME)
國立臺灣師範大學化學系學士班 俞姿宇

固相微萃取（SPME, 讀做”spee-mee”）是一種重要的樣品前處理方法，可以與多種分析儀器串聯使用²，像是在氣相層析儀 (gas chromatography, GC)、質譜等分析儀器的進樣。SPME 優於一般傳統的萃取方法就是不需要使用溶劑，成本低廉，萃取時間短、樣品需求量少，而且可應用在食品、環境分析，不論是否揮發的物質都能使用，靈敏度高，偵測極限可達 ppb。此方法由加拿大滑鐵盧大學 Pawliszyn 教授在 1989 年發表，將採樣、萃取、濃縮、進樣整合成單一步驟即可完成，萃取裝置很簡單，如圖一，外觀像一個針筒，但是在接觸樣品的前端是熔融矽纖維，纖維上塗覆 10 μm – 100 μm 的固定相，暴露在樣品中，等待分析物吸附上去。纖維若無損壞可重複使用。¹

圖一、固相微萃取裝置。（圖片來源:本文作者俞姿宇繪製）

操作步驟簡單快速，樣品通常被貯存在有橡膠隔膜的樣品瓶中，首先，將萃取裝置的鋼針刺入樣品瓶中，伸出塗布固定相的纖維，等待一段時間，分配平衡後，再收回纖維，拔出鋼針。再刺入進入氣相層析儀或高效能液相層析儀 (high performance liquid chromatography, HPLC)，分別以加熱汽化或是溶劑脫附，讓分析物進入儀器中進行分離，做進一步的定性分析。依照與樣品的接觸情況，歸為三種萃取方式，分別是直接浸入式、頂空萃取式、薄膜保護式。³

圖二、SPME萃取步驟。（圖片來源：本文作者俞姿宇繪製）

直接浸入式固相微萃取 (direct immersion-SPME, DI-SPME)

纖維直接浸在樣品裡面，等待平衡，為一般性樣品使用。

$$\displaystyle m=\frac{K_{fs}V_f}{K_{fs}V_f+V_s}\times C_0V_s$$（式一）

$$m=$$ 萃取到的分析物質量 (μg)
$$V_f=$$ 固定相 (纖維塗層) 的體積
$$V_s=$$ 樣品的體積
$$C_0=$$ 萃取前的分析物濃度 (μg/mL)
$$K=$$ 樣品在固液相之間的平衡常數 $$=C_f/C_s$$

當樣品體積遠大於固定相體積時，式一可簡化為 $$m=K_{fs}V_fC_0$$，表示萃取量與樣品初始濃度成正比，因此可以製作檢量線做定量分析。

頂空固相微萃取 (headspace-SPME, HS-SPME)

「頂空」是指樣品液面與瓶蓋間的蒸氣部分，樣品建議佔有瓶子三分之二的空間，萃取效率較高¹，適用於汙穢的樣品，避免纖維汙染，分析物揮發性高或是固態樣品，例如在全血樣品中萃取有揮發性的酒精，頂空萃取能避免萃取到不需要的雜質。¹

薄膜保護固相微萃取 (membrane-SPME)

適用於強鹼、強腐蝕性的樣品，避免纖維損傷，選用適當的薄膜，能對分析物有選擇性，降低基質效應，提高再現性。

影響固相微萃取的因素：

1. 纖維上塗覆的固定相材質種類
   SPME 所使用的固定相和 GC 類似，通常會按照分析物的性質與需求來選擇固定相的種類與厚度。常用的材質有聚二甲基矽氧烷 (polydimthylsiloxane, PDMS)、活性碳吸附劑 (Carboxen^TM, CAR, Carbowax^®_, CW)、二乙烯基苯 (divinylbenzene, DVB)、聚丙烯酸 (polyacrylate, PA)。也可以相混以達到最佳吸附效果如：PDMS/DVB、CW/TPR、CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS 等等。

2. 吸附／脫附溫度
   在動力學上，溫度越高，擴散速率越快。吸附是放熱反應，在熱力學上，上升溫度萃取到的量會下降，需要找到萃取效率最佳的溫度。脫附是吸熱反應，因此可以升溫到樣品以及固定相所能承受的溫度，即是最有效率的脫附溫度。

3. 吸附／脫附時間
   不用等到完全平衡，只要每次纖維在樣品中停留的時間保持一定即可。若固定相的厚度較厚，吸附的分子也較多，時間脫附需要長一點。

4. 攪拌
   可使用磁石攪拌，但磁石不易洗淨；或是用超音波震盪 (sonication)，攪拌效果佳，但是要注意纖維上的靜相不要被震下來。

5. pH 值
   調整 pH 值使需要被分析的物質存在於分子狀態，若在溶液中解離將不利於揮發。

6. 溶劑添加
   加入與水互溶的有機溶劑，如丙酮，能提升萃取效果。

7. 鹽類添加
   利用鹽析 (salting out) 的原理，溶液離子強度增加，有機物析出，提升萃取量。

8. 樣品體積
   建議大於 2 毫升，小於 2 毫升的樣品可能會讓分析物的濃度隨體積而變。

參考文獻

1. Robinson, J. W.; Frame, E. M. S.; Frame II, G. M. (2005), Undergraduate Instrumental Analysis (6th ed.). CRC Press. p754-755
2. 徐剛, 史茗歌, 吳明紅, 劉寧, & 師千惠. (2013). 固相微萃取的原理及應用. 上海大學學報 (自然科學版).
3. Vas, G.; Vekey, K. J. (2004), Mass Spectrom. 39 233-254