固相萃取技术的基本原理

[db:作者] / 2022-11-28 00:00

固相萃取(solid phase extraction，SPE)，是由液固萃取和液相色谱技术相结合的一项技术，主要用于样品的分离、净化和富集。

固相萃取技术基于液固色谱理论，采用选择性吸附、选择性洗脱的方式对样品进行富集、分离、净化，是一种包括液相和固相的物理萃取过程，也可以将其近似地看作一种简单的色谱过程。较常用的固相萃取方法是，使液体样品溶液通过吸附剂，保留其中被测物质，再选用适当强度的溶剂淋洗杂质；然后，用少量溶剂迅速洗脱被测物质，从而达到快速分离净化与浓缩的目的。也可选择性吸附干扰物质，而让被测物质流出。或同时吸附杂质和被测物质，再使用合适的溶剂选择性洗脱被测物质。

固相萃取也适用于水样或土样中化合物的富集，也有专用的固相萃取盘。在处理大体积水样时，固相萃取具有截面积大、不易堵塞、高流速、处理时间短等特点。因为保留带在萃取盘上，不会发生“穿透”现象。该法是将萃取膜固定在圆盘上，将水样抽滤，目标化合物被吸附在膜上，用适当的溶剂洗脱测定。

与传统的液液分配萃取相比较，固相萃取具有表2-4的特点。

表2-4 液液分配萃取与固相萃取优缺点比较

(二)固相萃取的分类

1.反相固相萃取反相固相萃取由非极性固定相组成，适用于极性或中等极性的样品基质。待分析农药化合物多为中等极性到非极性化合物。洗脱时，采用中等极性到非极性溶剂。纯硅胶表面的亲水性硅醇基通过硅烷化反应被疏水性烷基、芳香基取代。因此，烷基、芳香基键合的硅胶属于反相固相萃取类型，如LC-18、ENVI-18、LC-8、LC-4、LC-Ph等。另外，以下物质也用于反相条件：

(1)含碳的吸附物质。如ENVI-carb材料，是由石墨、无孔碳组成；多壁碳纳米管等。

(2)聚合类吸附物质。如ENVI-Chrom P材料，由苯乙烯-二乙烯基苯构成，用其保留一些含有亲水性官能团的疏水性物质，尤其是芳香型化合物，如苯酚，效果好于C-18键合硅胶。

由于分析物中碳氢键同硅胶表面官能团的吸附作用，使得极性溶液(如水溶液)中的有机物能保留在固相萃取物质上。这些非极性分子与非极性分子之间的吸附力为范德华力中的色散力。一般采用非极性溶剂洗脱。

2.正相固相萃取正相固相萃取由极性固定相组成，适用于极性分析物质。可以用于极性、中等极性或非极性样品基质。极性官能团键合硅胶(如LC-CN、LC-NH2和LC-Diol等)、极性吸附物质(如LC-Si、LC-Florisil、LC-Alumina等)常用于正相固相萃取。

在正相条件下，分析物质如何保留取决于分析物的极性官能团和吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用，包括氢键、π-π相互作用、偶极-偶极相互作用、偶极-诱导偶极相互

作用及其他。洗脱时采用极性更高的溶剂(溶剂强度因子大于0.6)。

3.离子交换固相萃取离子交换固相萃取有阴离子交换(如LC-SAX、LC-NH2)和阳离子交换(如LC-SCX，LC-WCX)之分。离子交换固相萃取适用于带有电荷的化合物。其基本原理是静电吸引，也就是化合物上的带电荷基团与键合硅胶上的带电荷基团之间的吸引。离子交换固相萃取用于除去样品中的金属离子，更常用于萃取样品中的可解离化合物。为了从水溶液中将化合物吸引到离子交换树脂上，样品的pH一定要保证其分离物的官能团和键合硅胶上的官能团均带电荷。如果某种离子带有与所分析物一样的电荷，将会干扰所分析物的吸附。洗脱溶液一般是其pH能中和分离物的官能团上所带电荷，或者中和键合硅胶上的官能团所带电荷。当官能团上的电荷被中和，静电吸引也就没有了，分析物随之而洗脱。另外，洗脱溶液也可能是一种离子强度很大或者含有另一种离子能取代被吸附的化合物，这样被吸附的化合物也随之而洗脱。

4.二级相互作用所有的键合硅胶都有一定数量的未反应硅醇基，这使得反相固相萃取中，除了非极性的相互作用，也有一些极性二级相互作用。如果非极性溶剂不能有效地从填料上洗脱化合物，可以添加部分极性溶剂(如甲醇)，以破坏极性相互作用而保留的化合物。在这种情况下，甲醇与硅胶上的羟基形成氢键，打断了分析物与硅胶上的羟基形成的氢键。

硅羟基在硅胶表面，当pH大于4时，以Si-O-存在。这时在硅胶基体上也可能发生阳离子交换的二级相互作用，能吸附阳离子或碱性化合物。此时，有必要在洗脱液中增加酸或碱以调整pH。

新型碳吸附剂如石墨化碳具有结构均匀、适用pH范围广等优点，主要用于植物色素的去除。键合型固相萃取剂主要为多种类型的键合硅胶，分极性与非极性两类。极性键合硅胶有-NH2、CN等；非极性键合硅胶主要有-C8和-C18等，适用于提取纯化样品中的非极性和弱极性组分，可以用有机溶剂洗脱。离子交换型键合相主要有-COOH、-SO3H和季氨基等。高分子大孔树脂苯乙烯-二乙烯苯(ST-DVB)类非离子型大孔树脂可通过疏水作用吸附非极性化合物，且随着相对分子质量的增大，组分在树脂中保留增强。含酰胺基、氰基、酚羟基等极性功能基的吸附树脂，它们通过静电相互作用吸附极性物质。

除以上提到的通用型固相萃取剂外，近年来出现了一些选择性很强的填料，如保留邻羟基化合物的苯基硼酸键合硅胶，可用于血浆样品蛋白质去除的内表面反相吸附填料(浸透限制固相萃取剂)，以及将某种专属性抗体固定在琼脂糖或硅胶上的亲和型固相萃取剂和特异性很强的分子印迹聚合物(MIP)固相萃取剂等。

(三)固相萃取的操作步骤和方法建立

有两种方式可实现样品的固相萃取分离纯化：一种是使杂质保留在吸附剂上，待测组分不被保留或被洗脱；另一种是待测组分保留而杂原自然流出或先被洗脱，然后待测组分再被适当的洗脱剂洗脱。对于大体积样品如环境样品的前处理，后者还具有组分富集作用。

固相萃取的一般操作步骤主要包括：①采用强洗脱溶剂活化并清洗填料；②以弱洗脱溶剂冲洗平衡填料；③以弱溶剂溶解样品并上样；④用类似或稍强于样品溶剂的洗脱剂淋洗固相萃取柱，除去干扰组分；⑤用强洗脱剂洗脱固相萃取柱，收集目标体积段的洗脱液，洗脱液经过浓缩后进行色谱分析。

固相萃取样品前处理方法建立的关键是根据样品的理化性质选择合适种类的固相萃取剂，然后根据回收率优化平衡溶剂、淋洗溶剂、洗脱溶剂，并确定洗脱溶剂的接收时段和体积。

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