固相萃取技术及其应用

固相萃取技术及其应用

固相萃取（Solid Phase Extraction.SPE)是个由柱色谱分离过程、分离机理、固定相和溶剂的
选择等组成的试样预处理技术，由液固萃取和液相色谱技术相结合发展而来，与高效液相色谱有许多相似之处。但是，SPE柱的填料粒径（＞40μm)大于HPLC填料（3~10μm),SPE柱色谱与HPLC色谱的差别是柱低、塔板数少、分离效率较低、一次性使用，用SPE只能分开保留性质有很大差别的化合物。
由于SPE实现了选择性的提取、分离、浓缩三位一体的过程，操作时间短、样品量小、干扰物质少，因此可用于挥发性和非挥发性物质分析并具有很好的重现性。借助于SPE可以实现：从试样中除去对以后的分析有干扰的物质；富集痕量组分，提高分析灵敏度；变换试样溶剂，使之与分析方法相匹配；原位衍生；试样脱盐；试样的储存和运送。SPE作为制备液体试样优先考虑的方法，取代了传统的液－液萃取法。因此，自SPE出现以来，一直以10%的年增长率扩大其应用。
1 固相萃取的原理［1]
SPE 就是利用固体吸附剂吸附液体样品中的目标物，使目标物与样品的基体和干扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或加热介吸附，达到分离和富集目标物的目的。固相萃取不需要大量互不相溶的溶剂，处理过程中不会产生乳化现象；因采用高效、高选择性的吸附剂（固定相），固相萃取能显著减少溶剂的用量：固相萃取的预处理过程简单，费用低。
固相萃取实质上是一种液相色谱分离，其主要分离模式也与液相色谱相同，可分为正相固相萃取、反相固相萃取及离子交换固相萃取。SPE 所用的吸附剂也与色谱常用的固定相相同，只是在粒度上有所区别。正相固相萃取所用的吸附剂都是极性的，吸附剂极性大于洗脱液极性，用来萃取极性物质。在正相萃取时目标物如何保留在吸附剂上，取决于目标物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用，其中包括了氢键、π-π键相互作用、偶
极一偶极相互作用、偶极一诱导偶极相互作用以及其他的极性一极性作用。反相固相萃取所用的吸附剂极性小于洗脱液极性，所萃取的目标物通常是中等极性到非极性化合物，目标物与吸附剂间的作用是疏水性相互作用，主要是非极性一非极性相互的色散力。离子交换固相萃取用的吸附剂是带有电荷的离子交换树脂，所萃取的目标物是带有电荷的化合物，目标物与吸附剂之间的相互作用是静电吸引力。
2
固相萃取的吸附剂（固定相）
2.1 吸附剂（固定相）的选择目标物的佳保留（即佳吸附）取决于目标物极性与吸附剂极性的相似程度，两者极性越相似，则保留越好（即吸附越好）。因此，选择固相萃取中
的固定相吸附剂时，要尽量选择与目标物极性和样品溶剂极性相似的吸附剂，当目标物极性适中时，正、反相固相萃取都可使用。吸附剂的选择还受样品溶剂洗脱强度的制约，溶剂强度在正，反固相萃取中的顺序是不同的（见表1),如果样品溶剂的洗脱强度太强，目标物
将得不到保留或保留很弱，例如，样品溶剂是正己烷时，用反相固相萃取就不合适了，这是因为正己烷对反相固相萃取是强溶剂，目标物将不会吸附在吸附剂上：当样品溶剂是水时就可以用反相固相萃取，这是因为水对反相固相萃取是弱溶剂，不会影响目标物在吸附剂上的吸附。
在选择固相萃取分离模式和吸附剂时，要考虑以下儿点：①目标物在极性或非极性溶剂中的溶解度；②目标物有无可能离子化，从而决定是否采用离子交换固相萃取；③目标物有无可能与吸附剂形成共价键，如果能形成共价键，再洗脱时有可能会遇到麻烦：④非目标物与目标物在吸附剂上的竞争程度，这关系到目标物与干扰化合物能否很好地分离。
2.2
国相萃取常用的吸附剂固相萃取实质上是一种液相色谱的分离，所以凡是液相色谱柱填料的材料都能用于固相萃取，但由于液相色谱的柱压相对较高，要求柱效较高，故对填料粒度的要求较为严格，对填料的粒径分布要求也较高（范围很窄）。固相萃取柱上所加压一般都
不大，分离的目的只是把目标物与干扰化合物和基体分开，对柱效的要求一般不高，因此它的填料都较粗，一般小于40μm即可，粒径分布要求也不严格，成本较低。固相萃取常用吸附剂的类型及用途参见表2,其中所用填料为硅胶，而Al2O3,Florisil、
固相萃取装置
3.1柱的类型
（1)SPE柱。SPE柱的使用普遍，简单的SPE柱就是一根直径为数毫米的小玻璃柱，或聚内烯、聚乙烯，聚四氟乙烯等塑料，或不锈钢制成的柱子。柱下端有一孔径为20μm的烧结筛板，用以支撑吸附剂。也可以用填加玻璃棉来代替筛板，这样既能支撑固体吸附剂又能让液体流过，在筛板上填装量的吸附剂，然后在吸附剂上再加一块筛板，以防止加样品时破坏柱床。基于对纯度的考虑，般选用无添加剂且含有微量杂质的医用聚丙烯作为柱体材料，以免在萃取过程中污染试样，为了降低SPE空白中的杂质，可选用玻璃、纯聚四氟乙烯作为柱体材料，筛板材料是另一个可能的杂质来源，制作筛板的材料有聚丙烯，纯聚四氟乙烯，不锈钢和钛。金属筛板不含有机杂质，但易受酸的腐蚀。由于从柱体、筛板和填料都可能向试样中引进杂质，在建立和验证SPE方法时，做空白萃取实验。
（2)SPE盘。SPE的另一种形式是SPE盘，表面上与膜过滤器相似，盘式萃取器是含有填料的纯聚四氟乙烯圆片，或坚固并无需支撑载有填料的玻璃纤维片，填料约占 SPE盘总量的60%~90%,盘的厚度约 1mm.SPE 柱和盘式萃取器的主要区别在于床厚度与直径之比，对于等重的填料，盘式萃取的载面积比柱式萃取大10倍，因而允许液体试样以较高的流量流过。
（3)固相微萃取－3,1990年，加拿大 Waterloo大学 Pawliszyn 在固相萃取基础上首创了固相微萃取（SPME)分离新技术。美国 Supelco 公司于1993年推出了商品化的SPME装置，在分析化学领域引起了极大的反响。SPME装置形如一微量进样器，由手柄和萃取头或纤维头两部分组成，手柄用于安装或固定萃取头，可以永远使用：萃取头长1cm,是在涂有不同吸附剂，接在不锈钢丝上的熔融纤维，外套细不锈钢管（保护石英纤维不被折断），纤维头
在钢管内可以伸缩，细不锈钢管可以穿透橡胶或塑料垫片进行取样或进样，平时萃取头收纳于萃取头鞘内。使用时萃取头浸于液体中或液上萃取浓缩样品中的某些化合物，而后不经任何溶剂洗脱直接进入气相色谱仪汽化室，被萃取物在汽化室内解吸附后，靠流动相将其导入色谱柱，从而完成提取、分离、浓缩的全部过程。
SPME 的关键在于选择石英纤维上的涂层（吸附剂），要使目标物能吸附在涂层上而干扰化合物和溶剂不吸附，一般说来，对非极性目标物应选择非极性涂层，对极性目标物应选择极性涂层。
3.2 离线 SPE 和在线 SPE
（1)离线 SPE.自动 SPE 仪可以完成离线 SPE操作。离线 SPE与分析分别独立进行，SPE仅为以后的分析提供试样，对于与 SPE 柱相配合的 SPE装置，溶剂凭借重力就可以通过萃取柱，但流量较低，使用注射器加压或吸滤瓶抽气可增加溶剂的流量，多支管抽气装置能够同时处理数个萃取柱，为了使试样溶液与填料有足够的接触，溶剂流量不能过高。对于SPE柱，流量应保持在每分钟数毫升；SPE 盘的截面积大，允许溶剂以较大的流量通过。
（2)在线 SPE.在线 SPE 又称在线净化和富集
技术，主要用于HPLC分析，它通过阀切换将 SPE处理试样与分析统一在一个系统中。
4 固相萃取的操作程序［2-]
（1)活化吸附剂。在萃取样品之前要用适当的溶剂淋洗固相萃取柱，使吸附剂保持湿润。对于反相固相萃取采用的弱极性或非极性吸附剂，通常用水溶性有机溶剂进行淋洗活化，对于正相固相萃取采用的极性吸附剂，通常用目标物所在的有机溶剂（样品基体）进行淋洗，对于离子交换固相萃取选用的吸附剂，萃取非极性有机溶剂中的样品时，可用样品溶剂来淋洗；萃取极性溶剂中的样品时，可用水溶性有机溶剂淋洗后，再用适当pH值并含有定有机溶剂和盐的水溶液进行淋洗。为了使固相萃取柱中的吸附剂能保持湿润，应在吸附剂上保持1 mL 左右活化处理溶剂。
（2)上样。将液态或溶解后的固态样品倒入活化后的固相萃取柱子，然后利用抽真空，加压或离心的方法使样品进入吸附剂。
（3)洗涤和洗脱。在样品进入吸附剂中且目标物被吸附后，可先用较弱的溶剂将弱保留的干扰化合物洗掉，然后再用较强的溶剂将目标物洗脱下来加以收集，淋洗和洗脱可采用真空或离心的方法，将淋洗液或洗脱液流过吸附剂，在多数情况下，使目标物保留在吸附剂上，后用强溶剂洗脱，这样更有利于样品的净化。在选择对目标物吸附很弱或不吸附，而对干扰化合物有较强吸附的吸附剂时，可先让目标物淋洗下来加以收集，让干扰化合物保留在吸附剂上，从而实现两者的分离，
5 固相萃取技术的应用
与液一液萃取和固相萃取相比，SPE具有操作时间短，样品量小，不需萃取溶剂、适于分析挥发性与非挥发性物质，重现性好等优点，SPE法可用于环境化学、食品、医药卫生、临床化学、生物化学、法医学等领域中复杂目标物样品微量或痕量的分离、富集和分析，SPE的大技术优势是处理浓度很低的试样。
万伟等建立了一种能同时浓缩低极性到高极性农药类内分泌干扰物质的SPE-GC-MS方法，
在海河流域的环境调查中，应用该方法检测出了DDT、六六六等农药，SPE在环境分析中的其他应用见表 3[6-10]
固相萃取已广泛应用于环境分析，为环境分析工作者提供了一种较为理想的前处理技术，以代替传统的提取、净化和浓缩方法［11-12],20世纪90年代以来，固相萃取技术及其在生物样本分析中的应用方面的论文每年都发表有百篇左右［1].Okazaki等研究奥弗拉辛及其二甲基和 N-氧基代谢物时，比较了 SPE和LLE(液一液萃取）的提取回收率，用LLE 法提取时上述3种物质的回收率分别为39.5%,54.7%和小于5%,而采用SPE法时回收率均可达到98%;文献［15]报道了 SEP-C18 柱固相萃取技术分析对虾试样中上霉素残留的方法；王勇等［16]报道了用SEP-PAKC18 柱固相萃取技术和反相高效液相色谱法测定复方甘草片中微量吗啡含量的方法：张志强等口采用y-AL2O3固相萃取和HPLC法，对云南红豆杉和东北红豆杉培养细胞中的紫杉醇进行了定量分析，经固相萃取柱后的红豆杉浸膏
粗品可直接上高效液相色谱柱。