顶空固相微萃取法：快速、简便、便宜的风味化合物分析方法

（一）概述

顶空固相微萃取法（HS-SPME）是将萃取纤维置于液体或固体样品顶空中进行萃取的技术。萃取过程中，被分析的有机物在萃取头与萃取体系之间达到平衡。由于不同的成分其在不同相中的分配系数不同，因此不同的挥发性物质在萃取头表面的吸附量不同。HS-SPME采样的装置与普通的注射器类似，上面是一个由活塞构成的手柄，下面是萃取头。萃取头由弹簧、纤维涂层、纤维附着套管和隔垫刺穿头组成。HS-SPME典型装置如图6-6所示。

图6-6 顶空固相微萃取（HS-SPME）的典型装置

由于挥发性组分在样品顶部空间的浓度高且分子在气相中扩散系数比在液相中快4个数量级，HS-SPME达到吸附平衡所用时间短。另外，对于HS-SPME，纤维置于样品顶部上空，属于非直接地从样品中吸附分析物，纤维涂层可免受样品中一些非挥发性组分如腐殖物或蛋白质的污染。可任意调节样品的温度、搅拌速度、样品溶液的pH或增加离子强度，以增强样品中的挥发性物质扩散，但不影响纤维涂层的正常使用。

（二）纤维涂层

1.常见涂层种类

表6-1所示为常见的HS-SPME涂层种类。商业化纤维涂层的极性范围从非极性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）到极性的Carbowax。每种纤维涂层都有不同的厚度，100μm PDMS属于通用型，适于多数挥发性香气物质的萃取。若用30μm PDMS，萃取时间可稍短些，而7μm PDMS适于萃取极性较大沸点较高的半挥发性物质。PA涂层适于吸附极性化合物，且对于醇类、酚类物质具有较好的选择性。

表6-1 常见的SPME纤维涂层及适用分析对象

续表

2.涂层的选择

HS-SPME萃取率决定于分析物在纤维涂层与样品之间的分配系数和相比β（样品相与固定相的体积比），分配系数越大或相比β越小，萃取率越高。涂层的种类可根据分析物的极性、挥发性并参照使用的经验进行选择。纤维涂层的厚度与相比β有关，它决定了HS-SPME对于分析物的敏感性和涂层的最大吸附量。纤维涂层的厚度应比较适当，涂层厚，吸附量大但扩散慢，萃取时间长；若涂层薄，萃取时间较短，易于达到吸附平衡，但是可萃取的量较小，分析灵敏度低。混合相涂层更适于分析多组分挥发性样品。也可以研制出具有特定选择性的纤维涂层，例如分子印迹聚合物涂层或亲和色谱涂层，从而实现对特定分析物的选择性萃取。表6-2所示为各类香味化合物适宜的萃取纤维类型。

表6-2 各类香味物质适用的纤维涂层(https://www.xing528.com)

（三）HS-SPME与其他分析方法的比较

1.与直接注射比较

调配香精时常用乙醇、丙三醇、丙二醇、脂肪酸三甘酯、苯甲醇、柠檬酸三乙酯、糖浆、水等作为溶剂。当香精样品用的是挥发性溶剂时，在气相色谱或气-质联机上能够直接分析，但存在的缺陷是色谱图上的溶剂峰很强，需要的峰很小或被遮盖。此时，若将样品用HS-SPME处理，即可去除或减小溶剂峰，获得满意的分析结果。

2.与静态顶空比较

当萃取时间较短时（如1min），HS-SPME常获得与静态顶空相似性的分析结果，但HS-SPME还会将有些高沸点的物质萃取出来。在萃取时间较短时，HS-SPME的分析灵敏度较低，但只要能满足仪器的检测要求，选用较短的萃取时间较好，因为此时纤维的吸附量与样品的浓度常存在线性关系。

3.与动态顶空比较

动态顶空法分析出的成分稍多，有贡献的组分并不会增多，但动态顶空法花费的时间较长。所以，欲通过快速分析，选择HS-SPME方法较好。

4.与同时蒸馏萃取比较

HS-SPME与同时蒸馏萃取具有互补性。HS-SPME对分子质量较小、沸点较低的挥发性成分的萃取率较高；而蒸馏萃取对分子质量较大、沸点较高的挥发性成分的萃取率较高，在全面分析挥发性构成时，两种方法常同时采用。

（四）HS-SPME在香气分析中的应用

1992年，Hawthorne S B首次用熔融硅胶纤维萃取分析了咖啡中的咖啡因含量，随后又用同样的方法测定了茶、碳酸饮料、水果汁及酒精饮料中的萜类、脂类、有机酸等香气物质的含量。由于操作简单、分析快速，HS-SPME常用于不同品牌饮料的分析鉴别。Jetti R R等采用顶空固相微萃取-气相色谱法对草莓中的香气化合物进行定量分析，研究了在加利福尼亚州和俄勒冈州种植的10个草莓品种。Steffen A等用HS-SPME分析甜橙汁挥发性香成分，结果表明，在样品中加入盐，SP ME吸附量明显增大，17种甜橙汁香成分都被检测了出来。在分析物的测定浓度范围内，所用HS-SPME-GC方法可呈现出较好的线性关系。Riu-Aumatell M等通过顶空固相微萃取和气相色谱—质谱（HS-SPME和GC-MS）可快速评估几种商业水果（梨，杏和桃）的挥发性情况，该方法可分析出97种风味化合物，是一种快速、简便且便宜的方法。此外，通过挥发性化合物，可以区分有机和常规生产的果汁以及添加了调味剂的果汁。F Bangerth等用PDMS纤维SPME取样24min，再用6min的快速气相色谱-飞行时间质谱法[GC-（TOF）MS]分析，检测出了29种苹果挥发性香成分，且这些香成分在10^-12～10^-6g/L浓度范围内存在线性定量关系。T Cai等采用顶空固相微萃取技术（HS-SPME）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对苹果白兰地不同馏出物中的香气成分进行了分析，结果表明共检测出48种化合物，包括27种酯、7种醇、7种有机酸，以及微量醛、酮和萜烯。这些化合物以辛酸乙酯、癸酸乙酯、己酸乙酯、苯甲酸乙酯、己醇、异戊醇和苯乙醇为主。此外，Louise Urruty将SPME与人工神经网络统计系统（Artificial Neuron Networks，ANN）结合，研究出了一种快速有效地评价新型草莓杂交品种的方法，认为HS-SPME和GC-MS是从香气成分上鉴别筛选草莓品种的强有力分析手段。