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零頂空提取器的操作原理是根據固相微萃取技術而來，屬于非溶劑型選擇性萃取法。將纖維頭浸入樣品溶液中或頂空氣體中一段時間,同時攪拌溶液以加速兩相間達到平衡的速度,待平衡后將纖維頭取出插入氣相色譜汽化室,熱解吸涂層上吸附的物質。被萃取物在汽化室內解吸后,靠流動相將其導入色譜柱,完成提取、分離、濃縮的全過程。
常見的三種萃取方式：直接萃取、頂空萃取和膜保護萃取。
1）直接萃取
直接萃取方法中，涂有萃取固定相的石英纖維被直接插入到樣品基質中，目標組分直接從樣品基質中轉移到萃取固定相中。在實驗室操作過程中，常用攪拌方法來加速分析組分從樣品基質中擴散到萃取固定相的邊緣。對于氣體樣品而言，氣體的自然對流已經足以加速分析組分在兩相之間的平衡。但是對于水樣品來說，組分在水中的擴散速度要比氣體中低3-4個數量級，因此須要有效的混勻技術來實現樣品中組分的快速擴散。比較常用的混勻技術有：加快樣品流速、晃動萃取纖維頭或樣品容器、轉子攪拌及超聲。
這些混勻技術一方面加速組分在大體積樣品基質中的擴散速度，另一方面減小了萃取固定相外壁形成的一層液膜保護鞘而導致的所謂“損耗區域”效應。
2）頂空萃取
在頂空萃取模式中，萃取過程可以分為兩個步驟：
1、被分析組分從液相中先擴散穿透到氣相中；
2、被分析組分從氣相轉移到萃取固定相中。這種改型可以避免萃取固定相受到某些樣品基質（比如人體分泌物或尿液）中高分子物質和不揮發性物質的污染。在該萃取過程中，步驟2的萃取速度總體上遠遠大于步驟1的擴散速度，所以步驟1成為萃取的控制步驟。因此揮發性組分比半揮發性組分有著快得多的萃取速度。實際上對于揮發性組分而言，在相同的樣品混勻條件下，頂空萃取的平衡時間遠遠小于直接萃取平衡時間。
3）膜保護萃取
膜保護SPME的主要目的是為了在分析很臟的樣品時保護萃取固定相避免受到損傷，與頂空萃取SPME相比，該方法對難揮發性物質組分的萃取富集更為有利。另外，由特殊材料制成的保護膜對萃取過程提供了一定的選擇性。
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