An Agilent Guide to SPME Analysis

An Agilent Guide to
SPME Analysis

Jessica Westland
Sample Preparation Application Scientist 
March 26, 2020

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An Agilent  Guide  to SPME Analysis;  DE.222337963

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Agilent offers high-quality products for SPME sample preparation

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Solid Phase Microextraction (SPME) is a fast, solvent-less sample extraction 
technique.

It is used for extracting organics from a matrix (solid, liquid, or gaseous) into 
or onto a stationary phase immobilized on a fiber.

In SPME, analytes establish equilibria among the sample matrix, the 
headspace above the sample, and a polymer-coated fused fiber.
Two types of extraction:
• Headspace (most common)
• Direct immersion (application specific) – SPME fiber is immersed into the aqueous 

sample

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Sample preparation technique

What is Solid Phase Microextraction (SPME)

Headspace

Immersion

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SPME characteristics

Parts of the SPME Fiber/Arrow

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SPME fiber hub colors

Key Component 

– The Phase

85 μm Polyacrylate

Grey

30 μm PDMS

Gold

100 μm PDMS

Red

7 μm PDMS

Green 

95/10

μm CAR-WR/PDMS

Dark Blue

65 

μm DVB/PDMS

Violet

80/10 

μm DVB/CAR-WR/PDMS

Dark Grey

Acronym

Full Name

PDMS

Polydimethylsiloxane

PA

Polyacrylate (aka acrylate)

DVB

Divinylbenzene

C-WR

Carbon Wide Range

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SPME Arrow hub colors

Key Component 

– The Phase

100 

μm Polyacrylate

Grey

120 

μm CAR WR/PDMS

Light Blue

100 μm PDMS

Red

120 

μm DVB/CAR WR/PDMS

Dark Grey

250 

μm PDMS

Black

120

μm DVB/PDMS

Violet

Acronym

Full Name

PDMS

Polydimethylsiloxane

PA

Polyacrylate (aka acrylate)

DVB

Divinylbenzene

C-WR

Carbon Wide Range

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SPME Functionality

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Fibers/Arrows MUST be preconditioned prior to first use (or after sitting)

• Done at a specified temperature in an inert gas phase environment (He or N2)

Fibers/Arrows MUST be conditioned prior to and/or after desorption of sample 

– cleans the fiber

• Done at a hotter temperature than the injection/inlet temperature

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SPME functionality

Fiber/Arrow Conditioning

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The Agilent manual injection kit (p/n 5191-5877) will allow the end user to extract samples 
using SPME fibers or arrows and then inject the samples into a GC inlet.

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SPME functionality

SPME Manual Sampling

Part

Component

1

Extraction guide

2

Injection guide

3

Arrow/fiber syringe

4

Large inner diameter (id) locking screw

5

Small inner diameter (id) locking screw

Alignment ring (p/n G7371-67001)

*Not included in kit

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Manual SPME sampling: SPME fibers and Arrows

A detailed step-by-step guide (with images) to assist with the 
installation of a SPME fiber or Arrow into the manual sampling holder 
for either headspace or immersion sampling and adjustments for the 
injector penetration depth.

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Agilent demonstration guide: 5994-1732EN

SPME Manual Sampling

Agilent’s SPME fibers and Arrows work directly with your current rail system.

11

SPME functionality

SPME Automated Sampling

PAL SPME Arrow tool
PAL3 Series RSI and 
PAL RTC

PAL SPME fiber tool
PAL3 Series RSI and 
PAL RTC

PAL-xt Holder
For PAL and PAL-xt systems 
with CombiPAL and PAL 
Combi-xt - Fibers Only

PAL SPME tool
For older PAL system 
Models (or corresponding 
OEM rails). Fibers only.

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Due to their larger diameter, SPME Arrows require instrumental changes in addition to 
obtaining the SPME Arrow option on the PAL3 rail system

.

12

You need an enlarged GC turn top assembly

You must use an inlet liner with a larger diameter 

SPME Automated Sampling
Changes for SPME Arrows

GC Model

Agilent Part No.

7890B GC

G3452-60930

8890/8860 GC 

G3450-60638

Intuvo 9000

G4585-60633

Inner 

Diameter

Requirement

Agilent 

Part No.

0.75 mm

SPME fibers only

5190-4048

2 mm

Both SPME fibers 

and Arrows

5190-6168

0.75 mm id

2 mm id

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SPME Applications

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Equilibrium condition

• Sorbent material

• Temperature

• Time

Kinetics influence

• Stirring/agitation

• Salting out

• pH Value

• Temperature

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Applications

SPME Sampling

Supelco 2011 - Michel, F., Buckendahl, K., Basics in Solid Phase Micro Extraction (SPME), EuroAnalysis presentation

Extraction Time

Intensity

Time control critical for 

quantitation, needs auto-sampling

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Applications

SPME Sampling 

– Salting out

Arrow 120 

μm CAR WR/PDMS

Black trace 

– with NaCl at 3 ppb

Blue trace 

– without NaCl at 3 ppb

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Speed
• Shorter extraction speed
• For same response as fibers

– Improved productivity
– Higher sample throughput

Sensitivity
• Higher response
• At same extraction time as fibers

– Lower detection limits
– Improved precision

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Applications

SPME Fiber or Arrow

Extraction Time

Intensity

SPME Arrow

SPME fiber





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Applications

SPME Fiber or Arrow

5 ppb BTEX with 5 min incubation and 3 min 
extraction
Black trace 

– Arrow

Blue trace 

– fiber

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Applications

Analyte Relation to Phase Type

Thinner coatings

For higher MW compounds

Can accept higher conditioning temperature

Thicker coatings

Require longer extraction times

Use lower conditioning temperature

Absorbent 

Adsorbent 

85 μm Polyacrylate

30 μm PDMS

100 μm PDMS

7 μm PDMS 

65 

μm DVB/PDMS

95/10

μm CAR-WR/PDMS

80/10 

μm DVB/CAR-WR/PDMS

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Applications

Analyte Relation to Phase Type

85 μm Polyacrylate

30 μm PDMS

100 μm PDMS

7 μm PDMS 

65 

μm DVB/PDMS

Nonpolar

Bipolar

Nonpolar high MW compounds

Nonpolar semi-volatiles

Volatiles

Polar semi-volatiles

Gases and volatiles

Polar volatiles

Odors and flavors

Polar

95/10

μm CAR-WR/PDMS

80/10 

μm DVB/CAR-WR/PDMS

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Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a large class of organic compounds containing 
two or more fused aromatic rings. PAHs are considered compounds of concern by every 
environmental organization; their concentration in water is strictly regulated. 

20

Learn more, search 5994-1301EN at www.agilent.com

Examination of Lower Molecular Weight PAHs in Drinking Water Using Agilent 
PDMS SPME Fibers

SIM chromatogram of naphthalenes with PDMS fibers

(black trace = 100 µm; green trace = 30 µm; blue trace = 7 µm)

SIM chromatogram of fluoranthene and pyrene with PDMS fibers

(black trace = 100 µm; green trace = 30 µm; blue trace = 7 µm)

Naphthalene

1-Methylnaphthalene

2-Methylnaphthalene

Fluoranthene

Pyrene

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Toluene (R2 = 0.9990)

Linear;  Origin:  Ignore;  Weight: None.

The production of safe drinking water is an important issue, and legislation has established 
allowed levels of chemical substances in drinking water, whether they occur naturally, as 
deliberate additions, or as contaminants.

21

Learn more, search 5994-1104EN at www.agilent.com

Analysis of BTEX in Water with a CAR-

WR/PDMS 95 μm SPME Fiber

MTBE

Benzene

Toluene

Ethylbenzene

m/p-Xylene

o-Xylene

Toluene linear calibration curve

1.25 ppb on column (Replicate #3; CAR-WR/PDMS 95 µm SPME Fiber)

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The addition of NaCl increased the extraction efficiency for the analytes of interest.

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Learn more, search 5994-1045EN at www.agilent.com

Determination of VOCs in Water by GC/MS after Headspace-Solid-Phase 
Microextraction (HS-SPME)

Chromatogram of 0.8 ppb BTEX standard analyzed by a 120 μm CAR WR/PDMS; SPME Arrow with NaCl (red trace) and without NaCl (black trace)

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Since terpenes have high vapor pressures, and are extremely volatile, they are excellent candidates for static 
headspace (HS) gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) analysis. 

23

Learn more, search 5994-1411EN at www.agilent.com

SPME-GC/MS of Selected Terpenes using Agilent DVB/CAR-WR/PDMS 
SPME Fiber

Selected terpenes in cannabis flower sample 3648: (-)-Isopulegol, Terpineol, b-Caryophyllene, and (+)-Cedrol

Agilent products and solutions are intended to be used for cannabis quality control and safety testing in laboratories where such use is permitted under state/country law.

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PAL SPME Arrows provided the sensitivity and robustness needed to profile the predominant terpenes in an 
unknown variety of cannabis plant samples

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Learn more, search 5994-1046EN at www.agilent.com

SPME Arrow Sampling of Terpenes in Cannabis Plant Material

Flower samples profiled with the use of the 120 μm DVB/CAR WR/PDMS (p/n 5191-5861) Arrow

Flower sample 1367 

Flower sample 3648 

Flower sample 3812 

Flower sample 3813

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Agilent products and solutions are intended to be used for cannabis quality control and safety testing in laboratories where such use is permitted under state/country law.

Organophosphorus insecticides are among the most widely used pesticides throughout the 
world. As a result of their widespread use their residues have been detected in samples such 
as surface waters, soil, and agricultural products.

25

Learn more, search 5994-1546EN at www.agilent.com

Analysis of Parathion-Ethyl in Water with an 

85 μm Polyacrylate SPME Fiber

Integrated Chromatogram of Parathion (ethyl) in water

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• Immersion sampling sensitivity is improved by filling the sampling vial to a 

minimum of 80%

• Immersion sampling works best for low concentration water-based sample 

matrices

• When using immersion for samples containing sugars, proteins, and 

particulate matter, rinse the fiber in water before desorption.

• This will extend fiber life and reduce injection port contamination.

• Position the fiber just below the sample surface for immersion sampling and 

maintain this position consistently for all extractions.

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Best practices

Immersion Sampling

Immersion

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The main compound responsible for cork taint is 2,4,6-trichloroanisole. It is one of the most 
odor intense compounds known and has a distinct musty, moldy aroma.

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Learn more, search 5994-1564EN at www.agilent.com

SPME-GC/MS of 2,4,6-trichloroanisole Using Agilent DVB/PDMS SPME Fiber

2,4-Dichloroanisole and 2,4,6-Trichloroanisole @ 25 ppb in Red Wine

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SPME Troubleshooting
Make troubleshooting faster and easier by closely observing and keeping 
complete records of your analytical methodologies

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Improper alignment is one of the main causes of fiber/arrow damage.

•

Follow Agilent’s Demonstration Guide (5994-1732EN) to ensure proper alignment and set up of 

the manual sample holder

•

Retract fiber into protective needle during insertion into vial/injection port and removal

•

Check for proper alignment of the PAL3 fiber/arrow needle with the injector, vial trays, and vials

•

Make sure that the insertion depths into the vials and injection port are properly set

•

Use larger splitless inlet liners without glass wool or adsorbents

–

p/n 5190-4056 (5/pk): splitless, straight, 0.75 mm id

–

p/n 5190-4047 (1/pk): splitless, straight, 1 mm id

–

p/n 5190-6168 (1/pk): splitless, straight, 2 mm id (use for SPME Arrows)

•

Avoid stress of the needle by keeping agitation speed low

–

Agitator module: < 600 rpm

–

Heatex Stirrer module: < 1300 rpm

Note: All Agilent SPME fiber assemblies use 23 gauge

needles for increased strength and less bending

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SPME troubleshooting

Needle Bends/Fiber Breaks

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Septum of sample vial cap is too thick

• Use on Agilent screw headspace magnetic caps (p/n 5188-2759; 18 mm) PTFE/silicone septa (top 

white, bottom blue) on Agilent amber screw top headspace sampling vials (p/n 5188-6537; 20 mL)

Septum in injection port is too thick or too tight

• Loosen the nut slightly to allow for improved injection

Septum coring

• Use a septum-less injector system (i.e. Merlin Microseal)

– Fibers:

• p/n 5182-3445: Merlin Microseal 100 psi nut
• p/n 5182-3444: Merlin Microseal general-purpose replacement Microseal

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SPME troubleshooting

Septum Issues

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Coatings will discolor when heated too high or there are leaks in the flow path

• Minimize oxygen in carrier gas, condition fibers in oxygen free gas flow

– p/n CP17970: Gas Clean oxygen purifier
– p/n CP17973: Gas Clean carrier gas purifier

• Reduce the injection port temperature to the recommended maximum setting
• Carbowax/DVB may slightly darken during use

– Sensitive to temperature (< 260 

°C is recommended)

• The polyacrylate coated fiber will discolor above 280 

°C

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SPME troubleshooting

Discolored Coatings

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Endogenous peaks in chromatogram

•

Precondition fiber/arrow prior to sampling

•

Use low-bleed septa to minimize injection port septum bleed or a septum-less injector system (i.e. Merlin 

Microseal)

•

Replace the inlet liner

Interfering peaks

•

Change GC column or temperature program rate

Carryover from previous analysis of the fiber

•

Bake out fiber/Arrow at the recommended conditions for several more minutes

Poor reproducibility

•

Time of extraction and temperature are the two most critical conditions to control

•

Make sure the positioning of the fiber/arrow is consistent from sample to sample

•

Apply uniformly across all extractions with any pH or salt adjustments

•

Use internal standards, surrogates, or the standard addition technique to compensate for variations in 

sample matrix

•

Maintain the same headspace volume and agitation conditions across all extractions

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SPME troubleshooting

Data Analysis

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Agilent offers high-quality products for SPME sample preparation

Agilent puts together the supplies for both manual and automated SPME sampling

Agilent follows the market trends to keep you up to date with application notes and technical 
collateral

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Solid phase microextraction (SPME)

SPME Summary

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Columns, Sample Prep and Supplies Questions

Do you have questions about the following during a potential lab shutdown?

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support!

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