SPE固相萃取技術(shù)（固相萃取儀器裝置）(二)

固相萃取（Solid Phase Extraction，簡稱SPE）技術(shù)，發(fā)展于上世紀(jì)70年代，由于其具有、可靠、消耗試劑少等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的液－液萃取而成為樣品前處理的有效手段。

       一些傳統(tǒng)的介紹SPE的書籍將其歸于一個(gè)液相色譜的原理，這其實(shí)是引起使用不當(dāng)?shù)闹饕从芍弧０裇PE小柱看作一根液相色譜柱，不如把它看成單純的萃取劑更合適，因?yàn)椋阂合嗌V的重點(diǎn)在于分離，而SPE的重點(diǎn)在于萃取。固相萃取技術(shù)在樣品處理中的作用分兩種：一是凈化，二是富集,這兩種作用可能同時(shí)存在。

固體萃取和液－液萃取相比，其長處在于方便和消耗試劑少，短處在于批次間的重復(fù)性難以保證。出現(xiàn)這種情況的原因在于：液體試劑的重復(fù)性好，只要其純度可靠，不同年代的產(chǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì)都是可靠的。而固體萃取劑就算保證了純度外，還存在著顆粒度的差異，外形的差異等液體試劑不存在的且難以衡量的因素，不同年代不同批號(hào)的萃取性質(zhì)可能會(huì)有較大的區(qū)別。

      從理論上和廠家宣傳來看，固相萃取應(yīng)該在色譜分析的前處理上得到很好的應(yīng)用：有機(jī)溶劑用得很少，可批量處理樣品，既可富集，又能除雜質(zhì)，給人印象是前處理的革命性進(jìn)步。然而現(xiàn)實(shí)情況，起碼在國內(nèi)，雖然推廣了多年，實(shí)際應(yīng)用還是相當(dāng)有限。

     SPE應(yīng)用得不廣，與我們的使用方式和期望有關(guān)，也與它本身的局限有關(guān)。對于供應(yīng)商來說，從經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)，向來都是忽略固相萃取的局限與不足。固相萃取可以作為前處理手段的一個(gè)很好補(bǔ)充，但是在使用時(shí)，一定要清醒知道到它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，注意因地制宜，揚(yáng)長避短。

固相萃取理論

反相固相萃取

反相分離包括一個(gè)極性或中等極性的樣品基質(zhì)（流動(dòng)相）和一個(gè)非極性的固定相。分析物通常是中等極性到非極性。幾種SPE材料屬于反相類，如烷基，或芳香基鍵合的硅膠（LC-18，ENVI-18，LC-8，ENVI-8，LC-4，和LC-Ph）。在這里，純硅膠（一般孔徑為60—40mm大小的顆粒）表面的親水性硅醇基通過硅烷化學(xué)反應(yīng)，被含有疏水性的烷基或芳香基取代了。

    由于分析物中的碳?xì)滏I同硅膠表面官能團(tuán)的吸附作用，使得極性溶液（例如，水）中的有機(jī)分析物能保留在這些SPE物質(zhì)上。這種非極性-非極性吸附力通常稱為范德華力或色散力。為了從反相SPE管或片上洗脫被吸附的化合物，一般采用非極性溶劑去破壞這種化合物被吸附到填充物質(zhì)上的力。LC-18和LC-8是標(biāo)準(zhǔn)的單鍵合硅膠，而ENVI-18和ENVI-8則屬于聚合鍵合類填料，具有很高的硅表面覆蓋率和較高的碳含量。這類聚合鍵合類填料具有更強(qiáng)的抗酸堿性，因而更適合于環(huán)境應(yīng)用，如從酸化的液體樣品中富集有機(jī)化合物。所有使用過的鍵合硅膠相都有一定數(shù)量的未反應(yīng)硅醇基，它將成為二級(jí)相互作用之源。在萃取或保留強(qiáng)極性分析物或污染物時(shí)，這種二級(jí)相互作用是非常有用的，但是對分析物的吸附也可能是不可逆。

以下物質(zhì)也用于反相條件：ENVI-Carb（碳），ENVI-Chrom P(聚合類)和Hisep(聚合涂層的鍵合硅膠)。含碳的吸附物質(zhì)，如ENVI-Carb材料，是由石墨和無孔碳組成，它對極性和非極性樣品中的極性和非極性有機(jī)化合物有較高的吸附能力。該碳表面是正六圓環(huán)的原子結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子在石墨層上相互聯(lián)接。這種正六圓環(huán)結(jié)構(gòu)對某些分子有很強(qiáng)的選擇性，比如平面型芳香化合物或類正六圓環(huán)分子和可形成許多表面觸點(diǎn)的烴鏈分子。分析物的保留取決于其結(jié)構(gòu)（形狀和大小），而不是其上官能團(tuán)與吸附劑表面的相互作用。洗脫時(shí)，使用中等極性到非極性溶劑。與烷基鍵合硅膠相比，尤其是在鍵合硅膠不靈時(shí)，ENVI-Carb顯示出*的結(jié)構(gòu)和選擇性優(yōu)勢。

聚合類吸附物質(zhì)，如ENVI-Chrom P是苯乙烯-二乙烯基苯物質(zhì)，用之保留一些含有親水性官能團(tuán)的疏水性化合物，尤其是芳香型化合物。有時(shí)在反相條件下，苯酚很難保留在C18鍵合硅膠上，這主要是因?yàn)樗谒械娜芙舛却笥谟袡C(jī)相。而ENVI-ChromP在反相條件下可很好地保留苯酚。洗脫時(shí)，使用中等極性到非極性溶劑，這是因?yàn)椋酆项愄盍蠈λ械娜軇┒际呛芊€(wěn)定的。

Hisep是一個(gè)疏水基（類似C18）鍵合硅膠涂上一層親水聚合物，常用于反相條件，這種有孔的聚合物能阻止不需要的大分子被吸附到硅膠表面。聚合物的孔徑大小只充許所分析的疏水性有機(jī)小分子化合物（如藥物）接近硅膠表面，而不需要的大分子（如蛋白質(zhì)）則被聚合物層隔離在外，沒有機(jī)會(huì)接近硅膠表面，并被沖洗出固相萃取管。Hisep固相萃取過程類似于LC-18固相萃取過程。

正相固相萃取

正相固相萃取包括了一個(gè)極性分析物質(zhì)、中等極性到非極性的物質(zhì)（如丙酮，鹵化溶劑和正己烷）和二個(gè)極性固定相。極性官能團(tuán)鍵合硅膠（如LC-CN，LC-NH2和LC-Diol）和極性吸附物質(zhì)（如LC-Si,LC-Florisil,ENVL-Florisil和LC-Alumina）常用于正相條件。在正相條件下，分析物如何保留取決于分析物的極性官能團(tuán)與吸附劑表面的極性官能團(tuán)之間的相互作用，具體包括氫鍵、相互作用、偶極一偶極相互作用和偶極-誘導(dǎo)偶極相互作用及其它。因此，由以上幾種機(jī)理所吸附的分析物，應(yīng)用比樣品本身更極性的溶劑去破壞其相互作用，這樣分析物才隨之而洗脫。

鍵合硅膠LC-CN、LC-NH2和LC-Diol，有一個(gè)帶有極性官能團(tuán)的較短烷基鏈鍵合在硅膠表面上。因?yàn)闃O性官能團(tuán)的存在，這種硅膠相對于反相硅膠更具有親水性。常用的正相硅膠，它能從非極性的樣品中吸附極性化合物。這種固相萃取管已用于吸附和選擇性洗脫結(jié)構(gòu)很類似的化合物（如異構(gòu)體）、復(fù)雜的混合物或者象藥物和脂類化合物。為了利用它這種疏水性，它也可用于反相條件（如水溶液樣品）。

LC-Si填料是一種沒有衍生的硅膠，一般用來作所有鍵合硅膠的基體。這種硅膠極親水，必須保持干燥，這就要求所分析的樣品必需無水。硅膠用于從非極性物質(zhì)中吸附化合物官能團(tuán)的都是表面自由羥基。LC—Si從非極性物質(zhì)中吸附極性化合物，然后用一種極性更強(qiáng)的有機(jī)溶劑洗脫。多數(shù)情況下，ＬC-Ｓi是作為一種吸附劑，當(dāng)硅膠基體用于有機(jī)萃取時(shí)，分析物不停留在硅膠上，而不要的化合物則被吸附在硅膠上，隨之扔掉。這種過程稱為樣品前處理。

ＬC-Florisil和ENVI-Florisil固相萃取是一個(gè)鎂化硅膠，通常用在樣品的有機(jī)萃取，用其進(jìn)行有機(jī)樣品的前處理。它是一種強(qiáng)極性物質(zhì)，可以有效地從非極性物質(zhì)中吸附極性化合物。ENVI-Florisil固相萃取是由聚四氟乙稀或者不銹鋼濾片制作。這種對環(huán)境過程非常重要的結(jié)構(gòu)祥述在美國環(huán)境保護(hù)組織的方法中。ENVI-Florisil己用氣相色譜分析法測定其背境較小。

LC-Alumina固相萃取用于吸附和樣品前處理的過程，Al2O3材料可為酸性（Al2O3-A， pH約為5）、堿性（Al2O3-B， pH約為8.5）或者中性（Al2O3-Ｎ pH，約為6.5）。Al2O3的活性水平隨水加入的多少，從1級(jí)到５級(jí)而變化，裝管時(shí)，Al2O3可在裝管前預(yù)處理或者裝管后再處理。

離子變換固相萃取

離子交換固相萃取適用于帶有電荷的化合物（一般為水溶液，也有有機(jī)溶液）。陰離子（負(fù)電荷）化合物可用ＬC-SAX或ＬC-NH2鍵合硅膠管進(jìn)行分離；陽離子（正電荷）化合物可用ＬC-SCX或ＬC-WCX鍵合硅膠管進(jìn)行分離。基本原理是靜電吸引，也就是化合物上的帶電電荷基團(tuán)與鍵合硅膠上的帶電電荷基團(tuán)之間的吸引。為了從水溶液中將化合物吸引到離子交換樹脂上，樣品的pH值一定要保證其分離物的官能團(tuán)和鍵合硅膠上的官能團(tuán)均帶電荷。如果某種離子帶有與分析物一樣的電荷，它將會(huì)干擾分析物的吸附。當(dāng)然這種情況也可能是罕見的。洗脫溶液一般是其pH值能中和分離物官能團(tuán)上所帶電荷，或者中和鍵合硅膠上官能團(tuán)所帶電荷。當(dāng)官能團(tuán)上的電荷被中和，靜電吸引也就結(jié)束，分析物則隨之洗脫。另外，洗脫溶液也可能是一種其離子強(qiáng)度很大或含有另一種離子能取代被吸附的化合物，這樣被吸附的化合物也隨之而洗脫。

陰離子交換

LC-SAX是一種脂肪族季銨類鹽鍵合在硅膠上的物質(zhì)，季銨鹽是一種很強(qiáng)的堿，帶有一個(gè)正電荷，能交換或吸附溶液中的陰離子，稱之為陰離子交換（SAX）。季銨鹽的pH值很高（>14），在水溶液中，所有的pH條件下,都能帶上電荷。這樣LC-SAX可分離很強(qiáng)的陰離子化合物（很低的pH值,<1）或弱陰離子化合物（中等的pH值,>2），只要樣品在其pH條件下，分析物帶有電荷即可。對于陰離子分析物（酸性），為使之帶上電荷，其pH值必需大2個(gè)單位。大多數(shù)情況下，被分析物是強(qiáng)酸性的或弱酸性的。

因?yàn)榛衔锉晃降厝绱酥o，只有在不要求其陰離子回收率時(shí)（化合物被分離，然后扔掉），才能用LC-SAX萃取強(qiáng)陰離子。弱陰離子則能用LC-SAX分離，因?yàn)樗鼈兡鼙涣硗庖环N陰離子所取代或者被一種酸性溶液所洗脫，該酸性溶液的pH值可中和被取代的陰離子（pH小２個(gè)單位）。如果要求強(qiáng)陰離子其回收率時(shí)，可選用LC-NH2。

LC-NH2固相萃取填料適用于正相分離，當(dāng)用于水溶液時(shí)也做為一種弱陰離子交換樹脂（WAX）。LC-NH2填料含有一個(gè)脂肪族季氨丙基，并鍵合在硅膠表面上。這種伯胺基的pH值大約為9.8。因?yàn)槠溆糜陉庪x子交換，樣品的pH值必需小于9.8至少２個(gè)單位，此pH還必需保證所分析的陰離子化合物帶上電荷（比其pH值大２個(gè)單位）。LC-NH2也可適用于強(qiáng)陰離子或弱陰離子分離回收，這是因?yàn)楣枘z表面的氨基能被中和強(qiáng)陰離子或弱陰離子（比其pH大２個(gè)單位），這樣強(qiáng)陰離子或弱陰離子都能被洗脫。弱陰離子也能用一種溶液（pH比該陰離子的pH小２個(gè)單位）而洗脫，或者加入另外一種陰離子取而代之。

陽離子交換

LC-SCX填料含有一個(gè)脂肪族磺酸基，并鍵合在硅膠表面上。這種磺酸基有很強(qiáng)的酸性（pH值<１），它能吸附或者交換溶液的陽離子，稱之為強(qiáng)陽離子交換（SCX）。在所有的pH條件下，這種鍵合官能團(tuán)都能帶有電荷，只要該pH能保證所分析化合物帶有電荷，因此其能用于強(qiáng)陽離子（pH值＞14）或弱陽離子（pH值<12）化合物的分離。對于所分析的陽離子（堿性）化合物，樣品的pH要比其pH值小２個(gè)單位，以保正其帶電荷。多數(shù)情況下，所分析的化合物是強(qiáng)堿性的或弱堿性的。

當(dāng)不要求強(qiáng)陽離子回收或者被洗脫時(shí)，LC-SCX固相萃取管可用于強(qiáng)陽離子的分離。弱陽離子則可以用LC-SCX分離和洗脫。洗脫時(shí)，用一種pH比其pH大2個(gè)單位的溶液（中和分析物的電荷），或者加入另外一種陽離子取而代之。如果要求強(qiáng)陽高子回收率，可選用LC-WCX。

LC-WCX固相萃取填料含有一個(gè)脂肪族羧酸基團(tuán)，并鍵合在硅膠表面上。這種羧基是一種弱酸性陰離子，所以它可作為一種弱性陽離于交換（WCX）。LC-WCX上羧基的pH約為4.8。當(dāng)pH比其pH大2個(gè)單位時(shí)，它保持帶負(fù)電荷，能分離此pH下帶電荷的陽離子。LC-WCX適用于強(qiáng)陽離子或弱陽離子分離和回收，因?yàn)楣枘z表面的羧基能被中和（pH比其pH小２個(gè)單位），強(qiáng)陽離子或者弱陽離子則被洗脫。對于弱陽離子可用一種溶液（pH比陽離子pH大２個(gè)單位）中和而洗脫，或者加入另外一種陽離子取而代之。

在很多情況下，由離子交換固相萃取所吸附的分析物被洗脫在水溶液中。如果必需使用酸性溶液或者堿性溶液去洗脫固相萃取管上的分析物，同時(shí)分析物又必需以有機(jī)溶劑來分析，而有機(jī)溶劑又不溶于水，這時(shí)可根據(jù)情況，試用含有酸的甲醇（98%甲醇、2%濃鹽酸）或者含有堿的甲醇（98%甲醇、2%氫氧化氨）來洗脫。由于甲醇很容易揮發(fā)，樣品可再溶解在另一種溶劑里。如果需要一個(gè)很強(qiáng)（非極性）的溶劑從固相萃取填料上去洗脫所分析物，可加一些二鹵甲烷、正己烷、乙酸乙脂到酸或堿性的甲醇里。

二級(jí)相互作用

以上詳述了化合物在固相萃取方法中是如何保留的基本原理。對鍵合硅膠可能有二級(jí)相互作用的存在。

對反相鍵合硅膠，基本原理是非極性的相互作用。然而，由于硅膠只是主體，有一少部分硅甲醇存在，這就有一些極性二級(jí)相互作用（正如我們在正相固相萃取取所談）將要發(fā)生。如果非極性溶劑不能有效地從反相固相萃取填料上洗脫化合物，就有必要加些極性溶劑（如甲醇），以破壞極性相互作用而保留的化合物。在這種情況下，甲醇與硅膠上的羥基形成氫鍵， 打斷了分析物與硅膠上的羥基形成的氫鍵。

硅甲醇在硅膠表面，Si-OH，也可為酸性，當(dāng)pH大于4時(shí)，以Si-O-型式存在。這時(shí)在硅膠基體上也可能發(fā)生陽離子交換的二級(jí)相互作用，能吸附陽離子或堿性分析物。在這些情況，調(diào)整洗脫溶液的pH非常重要，以破壞這些相互作用而洗脫分析物（酸中和硅甲醇或堿中和分析物）。可選用含有酸的甲醇（98%甲醇、2%濃鹽酸）或者含有堿的甲醇（98%甲醇、2%濃氫氧化氨），或者用一種熔于甲醇的非極性有機(jī)溶劑來洗脫。

正相鍵合硅膠通過其鍵合基團(tuán)展示了極性保留機(jī)理，但是也有一些二級(jí)相互作用發(fā)生在分析物與聯(lián)接鍵合基團(tuán)的烷基鏈之間。在這種情況下，更非極性的溶劑或極性—非極性混和溶劑可用來做洗脫溶劑。作為反相鍵合硅膠，硅膠基體與分析物之間的二級(jí)相互作用和陽離子交換作用也可能發(fā)生。

離子交換鍵合硅膠不僅能提供這種分析物與硅膠上部分非極性基團(tuán)之間的非極性二級(jí)相互作用，而且還有分析物與硅膠基體之間的極性和陽離子交換作用。要從這些填料上洗脫分分析物，一個(gè)準(zhǔn)確的pH、離子強(qiáng)度和有機(jī)物的含量是必要的。

固相萃取中的PH影響

用在固相萃取中的溶液有很大pH范圍的溶液有。硅膠作為基體原料，如高壓液相色譜柱，通常穩(wěn)定的pH范圍是2-7.5。當(dāng)pH高于和低于這個(gè)范圍，鍵合相就會(huì)水解和從硅膠上斷鏈下來，或者硅膠本身就溶解了。然而，在固相萃取中，常常溶液只與吸附劑接觸較短的時(shí)間。實(shí)際上固相萃取管都是一次性使用，允許任何pH溶液以達(dá)到*保留和洗脫效果。如果固相萃取管對pH極限的穩(wěn)定性非常重要時(shí)，聚合或碳鍵合固相萃取材料均可選用，如ENVI-Chrom P或ENVI-Carb。這些材料在1-14pH范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。

對于鍵合硅膠上反相固相萃取過程，如果希望保留分析物，預(yù)處理的溶液和樣品（基本上或全部為水溶液）的pH應(yīng)調(diào)至zui適宜分析物保留。如果，分析物是酸或堿性的，通常情況下，使用的pH應(yīng)該阻止化合物帶電荷。中性化合物（無酸性和堿性基團(tuán)）的保留，一般不受pH影響。相反，也能調(diào)節(jié)pH，使樣品中不需要的化合物保留在固相萃取的填料上，而分析物則不被保留而流出。在適當(dāng)?shù)膒H，分析物的再次親水性和陽離子交換作用則能被利用。

吸附劑(如ENVI-Chrom P和ENVI-Carb)用于反相條件，則應(yīng)選擇pH，使分析物zui大程度地保留在反相硅膠上。一般使用有機(jī)溶劑洗脫時(shí)，這一點(diǎn)上的pH無足輕重。令人吃驚的是，當(dāng)溶液在中性pH條件下，苯酚可帶電荷，它能更好的保留在ENVI-Chrom P上，而不是溶液在酸性pH，苯酚不帶電荷的情況。這表明，相對鍵合硅膠吸附劑對某些化合物有不同的選擇性。當(dāng)使用這類填料時(shí)，應(yīng)對樣品和預(yù)處理溶液的pH范圍有所研究。

對于鍵合硅膠或吸附劑上的正相固相萃取過程，pH一般是無關(guān)重要的。因?yàn)樵谶@些過程中所用的溶劑一般為非極性有機(jī)溶劑，而不是水。

離子交換固相萃取是如何保留化合物，很大程度上取決于樣品和預(yù)處理溶液的pH。為了保留化合物，樣品的pH應(yīng)保證分析物和硅膠表面的官能團(tuán)帶上相反的電荷。