固相微萃取

滑铁卢大学的Pawliszyn博士与AZoM谈了关于固相微萃取和他在PITTCON 2017的演讲。

您能告诉我们您是如何对样品制备技术产生兴趣的吗?

当我在20世纪80年代中期开始我的科学生涯时，人们开始大量讨论污染问题。《蒙特利尔议定书》等协议指出，我们应该努力解决对空气和环境的影响——而今天，这一点变得越来越重要。

样品制备是分析化学、环境化学和许多其他领域实践中非常重要的一部分，尽管事实上它并不总是被视为最关键或最“科学”的领域。对这类工作来说，将感兴趣的成分分离成某种形式并引入复杂的仪器(如色谱或质谱或直接光谱测量)的能力是非常重要的。

传统的制备样品的方法是使用几十毫升，甚至更大体积的有机溶剂，每个样品提取的化学物质感兴趣。但是之后你要怎么处理溶剂呢?通常它被蒸发，直接进入大气。所以用分析化学来做环境监测，就是在污染环境!

这种情况出现这么长时间的原因很简单，因为很少有科学小组研究更好的样品制备或样品提取方法。

因此，我发现有机会对分析化学产生真正重大的影响，不是通过研究新的、令人兴奋的分析技术，而是通过简化分析过程和改进样品制备的科学性。亚博老虎机网登录

因此，针对分析化学和环境监测的这一问题，我们认识到，最强大的样品制备过程是将现场取样与制备样品相结合，便于引入分析仪器的过程。这实际上是我研究的主要领域——试图开发可以促进这种方法的设备，无论是在实验室还是在实地。

这种策略包括现场取样，但在未来，分析也将越来越多地在那里进行，使用便携式仪器。当然，我不是说不会有实验室，但大部分的化学分析将在现场进行。所以这些设备将帮助我们走向现场分析的未来。

告诉我们关于固相微萃取，它是如何工作的，它与传统的萃取方法有什么不同?

当我在1990年介绍固相微萃取时，很多人认为它是萃取领域的一个范式转变。SPME设备最常用的形式基本上是一根头发直径的纤维——大约100微米——再涂上另外100微米的萃取相，其中包括适当的吸附剂。大约1厘米的涂层纤维被放置在使用金属管的注射器针-我们选择注射器的格式是因为它的高度便携，每个人都知道如何处理和使用它。

SPME在早期面临着相当大的质疑——对于有传统分离经验的科学家来说，很难理解我们如何使用微升吸入剂体积获得与使用多毫升溶剂相同的测量灵敏度!听起来不可能,当然这是因为微萃取的原则有所不同,而不是洪水样本与过量的溶剂是确保你有提取大多数目标化合物,你限制萃取相的体积非常小的量,但要充分利用萃取阶段的全部能力，从而实现高浓缩。

然后，不是将这些毫升溶剂浓缩到100微升的体积，并向仪器中注入一微升，而是简单地将整个萃取阶段注入分析仪器中。因此，这无疑是一种关于开采的思维模式转变，在早期，吸引资金是一项挑战!

固相微粒如何处理复杂的混合相样品，如土壤样品、生物样品等?

是的,这是另一个问题,似乎可能有微萃取方法的缺点,如果你把这个小纤维直接在一个复杂的样本,与数以千计甚至数以百万计的组件,它看起来可能有各种各样的东西像大分子可以干扰分析。然而，我并没有你想的那么难避免这个问题。

在这些情况下，传统上使用的一种方法是顶空分析——在SPME的早期，我们确实使用了这种方法，因为它确实提供了非常清晰的提取和分析。所有进入顶空的化合物都会从纤维中解吸，当然也会通过气相色谱柱。

然而，这样做的问题是，它并不总是能准确地反映出原始样本中的内容。顶空萃取通常是从水溶液中进行的，这意味着疏水化合物将更容易被排到顶空中，所以它们将被过度代表。还有更多的极性化合物，你可能根本看不到。

对于一些食物样品，比如薄荷叶，大量的芳香化合物进入了顶部空间，以至于你在实验室里都能闻到它的味道——在这种情况下，纤维实际上会饱和或膨胀，这使得你不可能获得适当的量化目标分析物。在这种情况下，解决方案是使用更短的提取时间，但这导致较低的灵敏度。

应对这一挑战,促进直接提取我们开发了一个方法,将第三个组件添加到设备——你有纤维支持,提取阶段涂层,然后一层非常薄的生物相容性,“限制访问介质”——本质上是一个选择性膜将允许小分子通过,但会阻止可能干扰分析的大分子和离子。这一“保护层”的设计也是为了消除对大分子的吸附。

如果我们使用像HLB这样的萃取相，我们可以在一次采样中提取出各种极性不同的化合物，在这个过程中，你会得到一个漂亮的清理。

SPME的主要应用是什么？

最初，我们已经讨论过，它被用于环境研究和食品化学。我设计这项技术并不是为了某个特定的应用领域，然而，它确实适用于许多不同的学科。

食品分析可能是使用设备最多的领域。它已经被我们合作了很长时间的一些公司商业化了，主要用于该领域。

该装置也已商业化，用于军用，用于现场识别爆炸物等。SPME非常适合这种应用，因为它不需要合格的化学家来操作设备。

目前最令人兴奋的领域是使用这种纤维对生命系统进行取样，用于动物和医学研究或临床应用。我们对植物、动物和鱼类做了大量研究。我们正在与外科医生合作，尝试在移植手术之前和期间监控器官的方法。这还不是fda批准的方法，但多伦多综合医院，我们当地的医院和加拿大最大的医院，正在与我们合作进行这些试验。

这些设备在生物方面的应用效果非常好，因为我们实际上并不提取任何组织，只提取小分子——我们称之为化学活检工具。我们有一个关于脑组织取样的项目，在此之前他们使用的是微透析，这非常有利于极性化合物和离子。作为一种提取方法，它工作得很好，但当然，这些样品与某些仪器不兼容，比如质谱仪。使用我们的纤维，我们得到的样品是如此干净，它不仅兼容，而且我们可以将它直接注入到质谱仪中!我们甚至不需要提前办理信用证。

所以你所拥有的是一个快速诊断工具,在那里你可以直接样本调查生活对象,并把它直接进入乐器没有进一步的准备——医学应用是为这个自然大感兴趣的领域,但是你可以看到它是如何对环境应用,食品检查、取证等。

固相微萃取法与传统溶剂萃取法的定量方法有何不同?

通常，传统的分析化学家会对固定体积的样品进行分析，并将其全部萃取到萃取相中。这是一种非常有限的方法，因为你需要有一个非常明确的抽样过程，来收集精确的样本量，在很多情况下，这是非常有限的。对于简单的样本，这是相当容易的，但对于更复杂的样本，这很快就变得更加困难。也很难确保执行真正详尽的提取。

因此，对于SPME，我建议完全不用担心这个问题，而只是简单地将萃取相直接放置在样品中，并根据在固定时间内迁移和富集到萃取点的成分的数量进行量化。我们称之为动力学萃取，并提出了基于时间萃取、扩散系数和样品传质条件的校准程序。

您还做了一些从复杂的生物样本中提取蛋白质的工作——SPME通常将大分子从提取中排除，那么您如何修改技术，只选择蛋白质而不是小分子呢?

当你想要提取蛋白质时，那是一个完全不同的挑战。你需要引入一些分子识别，就像一些生物传感器和亲和色谱一样——我们已经在这方面做了一些工作，并取得了一些进展，但在实践中很难表现良好。

首先，你需要设计一个包含高密度分子识别的表面。纤维上的表面积不是很高，因此需要高浓度的配体来确保有足够的灵敏度。

然后，你需要一种吸附剂，它只会选择性地与蛋白质相互作用，而不会消除特定的吸附作用。我们只需让设备与样品接触几分钟到一小时，这相对于某些传感器设计而言是一个优势，这些传感器设计以这种方式工作，可能需要工作几天、几周或几年。但是，最大的挑战仍然是设计一种消除非特异性吸附的策略。

您如何看待像固相微萃取这样的直接萃取技术在未来的发展?

我认为使用纳米颗粒作为收集媒介有很大的前景。yabo214这使得提取速度非常快——然而，与基于光纤的设备相比，它的操作不是很方便。

我一直在研究的另一项技术，在历史上一直被用于工业规模，那就是膜萃取。在我看来，膜提取是不发达的，主要是因为膜将工作最好，如果你直接与便携式仪器接口。这样，薄膜就充当了复杂样品和仪器之间的屏障，仪器对污染很敏感——只有挥发性成分穿透薄膜，使之成为一种简单、有效的清理方法。这种方法的主要挑战是校准方法能够考虑变化的对流条件，我们已经通过在剥离介质中使用校准器完成了这一任务。

你对2017年的pitcon有什么期待?

和每年一样，我期待着看到这个展览，与我的学术和工业同事讨论分析仪器的新发展，并与对我的研究领域感兴趣的参与者互动。pitcon是几十年来最具影响力的分析会议。无论是在科学会议上还是在展览地板上，会议对分析化学的综合方法都有助于加深我对我作为研究生学习的领域的理解。这是我第一次在会议上发言。在接下来的几十年里，pitcon是我学生教育策略中不可或缺的一部分。我一直钦佩和影响的贡献的获奖者Pittcon奖现在轮到我来对皮特康的观众讲话了这是一个真正的荣誉。

关于Janusz Pawliszyn

Janusz Pawliszyn，波兰格但斯克人，在格但斯克技术大学获得工程学学士学位和生物有机化学硕士学位。1979年，他移居美国，在南伊利诺伊大学获得分析化学博士学位，成为约翰·菲利普斯教授的第一个博士生。在那里，他介绍了浓度调制的概念，包括热调制，这是全面的二维气相色谱的基础。1982年至1984年期间，他在多伦多大学担任博士后研究员，与Michael Dignam教授一起设计光热偏转FT-IR仪器来研究界面。

1984年，Pawliszyn教授作为犹他州立大学的助理教授开始了他的独立科学载体，开发了基于探测激光束偏转的通用和吸收浓度梯度检测的新概念。他将这一方案应用于包括毛细管电泳在内的高效分离技术中的膜传输和微流体检测。他还建议使用激光解吸来促进快速气相色谱分离挥发性差的高分子量聚合物化合物。在他的研究中，他探索了新型光电器件的应用，如光纤、发光二极管和激光二极管，以设计微流控探测器。

几年后，这项工作的继续，导致了固相微萃取的发明和发展。1988，Pawliszyn教授移居滑铁卢大学，在那里他进步了，在1997，他晋升为一个完整的教授。他开发了一个强大的分析程序，专注于分析分离和样品制备领域。他因对无溶剂技术（包括超临界流体、固相和膜萃取技术）的基本贡献而获得国际认可，尤其是在后一领域。

这一突破出现在1989年，当时发表了第一篇论文，论述了熔融石英纤维用于从水中提取有机化学物质，并将其快速转移到毛细管气相色谱柱上。这篇论文宣告了固相微萃取技术(SPME)的发明。“SPME”一词在1990年发表的一篇论文中首次被使用。Supelco, Inc.(现为Millipore-Sigma)仅用了三年时间就将该技术商业化。固相微萃取一直是气相色谱中最重要的样品制备技术之一。他和同事在高温超临界流体萃取的基础工作后，提出了其他几种样品制备技术，如热水萃取和加速溶剂萃取。他还开发了针捕集技术和带有吸附剂界面的膜萃取技术，用于现场环境中监测有机化合物的样品制备技术。在分析分离领域，他将毛细管分离与CCD成像技术相结合，提出了全柱检测的概念。这项由他的团队开发的技术形成了Convergent Bioscience(现在的“Protein Simple”)的基础，这家总部位于多伦多的公司的技术现在亚博老虎机网登录被认为是表征蛋白质和多肽的铂金标准，它被生物技术行业广泛接受。

Pawliszyn博士与分析仪器制造商建立了强有力的合作关系，这使他能够将自己的新概念商业化。1995年，Pawliszyn博士成为分析化学工业研究主席，2003年成为加拿大研究主席，至今担任该职位。迄今为止，他已发表了550多篇出版物，Janusz的赫希指数（H指数）为85。

关于Pittcon

pitcon®是宾夕法尼亚州非营利组织匹兹堡分析化学和应用光谱会议的注册商标。由匹兹堡光谱学协会和匹兹堡分析化学家协会共同主办，Pittcon是实验室科学的主要年度会议和博览会。亚博老虎机网登录

Pittcon基金会从幼儿园到成人，为各级科学教育和外亚博老虎机网登录展提供资金。Pittcon每年捐赠100多万美元，为各种科学外联活动提供财政和行政支持，包括科学设备补助金、研究补助金、学生奖学金和实习、教师和教授奖，以及公共科学中心、图书馆和博物馆的补助金。app亚博体育

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