SPE固相萃取技術（固相萃取儀器裝置）(二)

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

       一些傳統的介紹SPE的書籍將其歸于一個液相色譜的原理，這其實是引起使用不當的主要源由之一。把SPE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，因為：液相色譜的重點在于分離，而SPE的重點在于萃取。固相萃取技術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性難以保證。出現這種情況的原因在于：液體試劑的重復性好，只要其純度可靠，不同年代的產品的物理化學性質都是可靠的。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，不同年代不同批號的萃取性質可能會有較大的區別。

      從理論上和廠家宣傳來看，固相萃取應該在色譜分析的前處理上得到很好的應用：有機溶劑用得很少，可批量處理樣品，既可富集，又能除雜質，給人印象是前處理的革命性進步。然而現實情況，起碼在國內，雖然推廣了多年，實際應用還是相當有限。

     SPE應用得不廣，與我們的使用方式和期望有關，也與它本身的局限有關。對于供應商來說，從經濟利益出發，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很好補充，但是在使用時，一定要清醒知道到它的優點和缺點，注意因地制宜，揚長避短。

固相萃取理論

反相固相萃取

反相分離包括一個極性或中等極性的樣品基質（流動相）和一個非極性的固定相。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反應，被含有疏水性的烷基或芳香基取代了。

    由于分析物中的碳氫鍵同硅膠表面官能團的吸附作用，使得極性溶液（例如，水）中的有機分析物能保留在這些SPE物質上。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上的力。LC-18和LC-8是標準的單鍵合硅膠，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的抗酸堿性，因而更適合于環境應用，如從酸化的液體樣品中富集有機化合物。所有使用過的鍵合硅膠相都有一定數量的未反應硅醇基，它將成為二級相互作用之源。在萃取或保留強極性分析物或污染物時，這種二級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，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化合物有較高的吸附能力。該碳表面是正六圓環的原子結構，每個碳原子在石墨層上相互聯接。這種正六圓環結構對某些分子有很強的選擇性，比如平面型芳香化合物或類正六圓環分子和可形成許多表面觸點的烴鏈分子。分析物的保留取決于其結構（形狀和大小），而不是其上官能團與吸附劑表面的相互作用。洗脫時，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，ENVI-Carb顯示出*的結構和選擇性優勢。

聚合類吸附物質，如ENVI-Chrom P是苯乙烯-二乙烯基苯物質，用之保留一些含有親水性官能團的疏水性化合物，尤其是芳香型化合物。有時在反相條件下，苯酚很難保留在C18鍵合硅膠上，這主要是因為它在水中的溶解度大于有機相。而ENVI-ChromP在反相條件下可很好地保留苯酚。洗脫時，使用中等極性到非極性溶劑，這是因為，聚合類填料對所有的溶劑都是很穩定的。

Hisep是一個疏水基（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）則被聚合物層隔離在外，沒有機會接近硅膠表面，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極性分析物質、中等極性到非極性的物質（如丙酮，鹵化溶劑和正己烷）和二個極性固定相。極性官能團鍵合硅膠（如LC-CN，LC-NH2和LC-Diol）和極性吸附物質（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與吸附劑表面的極性官能團之間的相互作用，具體包括氫鍵、相互作用、偶極一偶極相互作用和偶極-誘導偶極相互作用及其它。因此，由以上幾種機理所吸附的分析物，應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，有一個帶有極性官能團的較短烷基鏈鍵合在硅膠表面上。因為極性官能團的存在，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構很類似的化合物（如異構體）、復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中吸附化合物官能團的都是表面自由羥基。LC—Si從非極性物質中吸附極性化合物，然后用一種極性更強的有機溶劑洗脫。多數情況下，ＬC-Ｓi是作為一種吸附劑，當硅膠基體用于有機萃取時，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固相萃取是一個鎂化硅膠，通常用在樣品的有機萃取，用其進行有機樣品的前處理。它是一種強極性物質，可以有效地從非極性物質中吸附極性化合物。ENVI-Florisil固相萃取是由聚四氟乙稀或者不銹鋼濾片制作。這種對環境過程非常重要的結構祥述在美國環境保護組織的方法中。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級到５級而變化，裝管時，Al2O3可在裝管前預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，也有有機溶液）。陰離子（負電荷）化合物可用ＬC-SAX或ＬC-NH2鍵合硅膠管進行分離；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與鍵合硅膠上的帶電電荷基團之間的吸引。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和鍵合硅膠上的官能團均帶電荷。如果某種離子帶有與分析物一樣的電荷，它將會干擾分析物的吸附。當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上所帶電荷，或者中和鍵合硅膠上官能團所帶電荷。當官能團上的電荷被中和，靜電吸引也就結束，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，季銨鹽是一種很強的堿，帶有一個正電荷，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個單位。大多數情況下，被分析物是強酸性的或弱酸性的。

因為化合物被吸附地如此之緊，只有在不要求其陰離子回收率時（化合物被分離，然后扔掉），才能用LC-SAX萃取強陰離子。弱陰離子則能用LC-SAX分離，因為它們能被另外一種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個單位）。如果要求強陰離子其回收率時，可選用LC-NH2。

LC-NH2固相萃取填料適用于正相分離，當用于水溶液時也做為一種弱陰離子交換樹脂（WAX）。LC-NH2填料含有一個脂肪族季氨丙基，并鍵合在硅膠表面上。這種伯胺基的pH值大約為9.8。因為其用于陰離子交換，樣品的pH值必需小于9.8至少２個單位，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個單位）。LC-NH2也可適用于強陰離子或弱陰離子分離回收，這是因為硅膠表面的氨基能被中和強陰離子或弱陰離子（比其pH大２個單位），這樣強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填料含有一個脂肪族磺酸基，并鍵合在硅膠表面上。這種磺酸基有很強的酸性（pH值<１），它能吸附或者交換溶液的陽離子，稱之為強陽離子交換（SCX）。在所有的pH條件下，這種鍵合官能團都能帶有電荷，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個單位，以保正其帶電荷。多數情況下，所分析的化合物是強堿性的或弱堿性的。

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

LC-WCX固相萃取填料含有一個脂肪族羧酸基團，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pH比其pH大2個單位時，它保持帶負電荷，能分離此pH下帶電荷的陽離子。LC-WCX適用于強陽離子或弱陽離子分離和回收，因為硅膠表面的羧基能被中和（pH比其pH小２個單位），強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，同時分析物又必需以有機溶劑來分析，而有機溶劑又不溶于水，這時可根據情況，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，樣品可再溶解在另一種溶劑里。如果需要一個很強（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相互作用（正如我們在正相固相萃取取所談）將要發生。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pH大于4時，以Si-O-型式存在。這時在硅膠基體上也可能發生陽離子交換的二級相互作用，能吸附陽離子或堿性分析物。在這些情況，調整洗脫溶液的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溶劑來洗脫。

正相鍵合硅膠通過其鍵合基團展示了極性保留機理，但是也有一些二級相互作用發生在分析物與聯接鍵合基團的烷基鏈之間。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相互作用和陽離子交換作用也可能發生。

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之間的非極性二級相互作用，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，一個準確的pH、離子強度和有機物的含量是必要的。

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，通常穩定的pH范圍是2-7.5。當pH高于和低于這個范圍，鍵合相就會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間。實際上固相萃取管都是一次性使用，允許任何pH溶液以達到*保留和洗脫效果。如果固相萃取管對pH極限的穩定性非常重要時，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范圍內都是穩定的。

對于鍵合硅膠上反相固相萃取過程，如果希望保留分析物，預處理的溶液和樣品（基本上或全部為水溶液）的pH應調至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應該阻止化合物帶電荷。中性化合物（無酸性和堿性基團）的保留，一般不受pH影響。相反，也能調節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。在適當的pH，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。一般使用有機溶劑洗脫時，這一點上的pH無足輕重。令人吃驚的是，當溶液在中性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。當使用這類填料時，應對樣品和預處理溶液的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一般是無關重要的。因為在這些過程中所用的溶劑一般為非極性有機溶劑，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處理溶液的pH。為了保留化合物，樣品的pH應保證分析物和硅膠表面的官能團帶上相反的電荷。