固相萃取柱(Solid Phase Extraction Column,简称SPE柱)是从层析柱发展而来的一种用于萃取、分离、浓缩的样品前处理装置。主要应用于各种食品、农畜产品、环境样品以及生物样品中目标化合物的样品前处理。固相萃取技术已经被广泛地使用在许多国标(GB/T)以及行业分析标准中。

固相萃取柱的容量是指固相萃取柱填料的吸附量。对于以硅胶为基质的固相萃取柱,其容量一般在1~5 mg/100 mg,也就是柱容量是填料质量的1%~5%。而键合硅胶离子交换吸附剂填料的容量以meq/g表示,即每克填料的容量为X毫克当量。这类填料的容量通常在0.5~1.5 meq/g。

在选择固相萃取柱时,必须考虑柱容量。由于我们面对的样品基质通常都较为复杂,例如食品、生物样品等等。在固相萃取中,固相萃取吸附剂对目标化合物吸附的同时,也会吸附同类性质的杂质。因此,在考虑柱容量是应该是目标化合物加上可被吸附的杂质总量不能超过柱容量。否则在载样的过程中就可能有部分目标化合物不能被吸附,造成回收率偏低。

SPE柱的结构

柱管:吸附剂的载体,由血清级的聚丙烯制成,通常做成注射器形状。一些厂家也提供玻璃的柱管用以特殊分析(比如PAEs分析)。柱管下端出口的尺寸已标准化,可用于不同厂家的固相萃取多管真空装置。

筛板:起固定吸附剂和过滤溶液的作用。聚乙烯是常见的筛板材料,对于特殊分析也可采用特氟隆、不锈钢片或玻璃等材质。

吸附剂:固相萃取柱中发挥分离作用的物质。早期广泛应用于柱层析的Al2O3、florisil、石墨化炭黑等吸附剂在固相萃取中仍被使用;目前最常见的吸附剂是硅胶键合吸附剂,由球形硅胶颗粒键合各种官能团制得;上世纪末被发明的有机聚合物吸附剂,比如聚二乙烯基苯-N-乙烯吡咯烷酮,以重现性好、pH适用范围宽以及适用性广等优势在许多应用中已经取代硅胶键合吸附剂。

配套装置:储样器,用于增加柱管上方的容器体积,提高单次上样量;适配器,用于连接柱管与柱管、柱管与储样器。

固相萃取柱使用过程

最简单的固相萃取可以通过手工方式完成,即在固相萃取柱上端连接一个注射器,通过对注射器的挤压将萃取柱内的液体排挤出萃取柱。另外,也可以使用正压或负压固相萃取装置对批量样品进行固相萃取操作。随着科技的发展和样品数量的增多,越来越多的分析实验室开始使用自动固相萃取仪,特别是多通道固相萃取仪对批量样品进行处理。

活化(Activation ):也称溶剂化,加入合适的溶剂使吸附剂上的官能团展开,并除去吸附剂上可能存在的干扰物,对于反相吸附剂常常用中等极性溶剂(比如甲醇),正相吸附剂常常用弱极性或非极性溶剂(比如己烷);

平衡(Equilibrium ):除去活化溶剂为上样创造适宜的溶剂环境,所用溶剂通常与样品溶液的溶剂一致;对于离子交换柱,如果样品是碱性化合物平衡液中往往需要加入酸,如果样品为酸性化合物平衡液中往往需要加入碱;保留(Retention ):当样品溶液通过吸附剂,吸附剂与某些化合物的作用力超过后者与溶剂的作用力时,这些化合物就会被吸附剂固定,该过程称为保留;

淋洗(Washing ):上样后,部分干扰物与目标化合物同时被保留,需要加入合适的溶液以最大可能地除去干扰物而不影响目标化合物的保留,通常情况下用上样时的样品溶剂淋洗不会影响回收率,但洗脱强度较人的溶剂能最大程度地去除干扰物,选择淋洗液时需要在回收率和净化效果间找到平衡点;

洗脱(Elution ):让洗脱能力较强的溶剂通过吸附剂,打断吸附剂与被保留的化合物之间的作用力,使这些化合物随溶剂从吸附剂中流出;通常情况下,能刚好洗脱目标化合物的洗脱溶剂是最佳选择,此时洗掉的干扰物最少,选择洗脱液时也需要在回收率和净化效果间找到平衡点。

当复杂的样品溶液通过吸附剂(Sorbent)时,吸附剂会通过极性相互作用、疏水相互作用或离子交换等作用力选择性地保留目标物( Aimed Compound)和少量与目标物性质相近的组分,其他组分则透过吸附剂流出小柱,然后用另一种溶剂体系选择性地把目标物洗脱下来,从而实现对复杂样品的分离、纯化和富集。

在固相萃取过程中,“保留” ( Retention)和“洗脱” ( Elution)均受目标物、吸附剂和溶剂三种因素的影响,对于给定的目标物,选择合适的吸附剂、样品溶剂以及洗脱溶剂是实现成功分离的关键。

固相萃取的作用

富集:痕量分析或制备时,对目标物进行富集是必要的过程。比如,分析水中的PAHs,可以将1000 mL水样加入SPE柱,PAHs保留在柱中,然后用少量溶剂(比如2 mL)洗脱,这样PAHs就被浓缩了500倍,这意味着在相同的检测条件下,分析物的方法检测限仅为处理前的1/500。

净化:在仪器分析之前除去杂质,这一方面避免了杂质对目标物的干扰,提高了分析灵敏度,另一方面也避免了杂质对或仪器的损害。

转换溶剂:一些分析仪器对分析物溶解溶剂有特殊的要求,可以通过SPE柱进行转换。比如,采用GC法分析水中的半挥发性污染物时,如果采用直接进样,水分会影响分离并损害气相色谱柱,因而需要转换溶剂。将水样加入反相萃取柱,目标物保留在柱中与水分离,然后用对目标物溶解性强并且易挥发的有机溶剂洗脱,干燥并浓缩后即可分析。

固相萃取技术常见术语

吸附剂(Sorbent ):固相萃取柱中的填充物,能够从样品溶液中选择性地萃取某些化合物;

吸附容量(Capacity ):在特定条件下,一定质量吸附剂能够保留化合物(包括目标化合物和部分干扰物)的总质量。