固相微萃取的操縱與原理

固相萃取(SolidPhaseExtractionSPE)就是利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附，與樣品的基體和干擾化合物分離，然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附，達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的。

　　與液-液萃取相比固相萃取有很多優(yōu)點(diǎn)：固相萃取不需要大量互不相溶的溶劑，處理過程中不會(huì)產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，它采用﹑高選擇性的吸附劑(固定相)，能顯著減少溶劑的用量，簡化樣品于處理過程，同時(shí)所需費(fèi)用也有所減少。一般說來固相萃取所需時(shí)間為液-液萃取的1/2，費(fèi)用為液-液萃取的1/5。其缺點(diǎn)是：目標(biāo)化合物的回收率和精密度要低于液-液萃取。

　　一.固相萃取的模式及原理

　　固相萃取實(shí)質(zhì)上是一種液相色譜分離，其主要分離模式也與液相色譜相同，可分為正相(吸附劑極性大于洗脫液極性)，反相(吸附劑極性小于洗脫液極性)，離子交換和吸附。固相萃取所用的吸附劑也與液相色譜常用的固定相相同，只是在粒度上有所區(qū)別。

　　正相固相萃取所用的吸附劑都是極性的，用來萃取(保留)極性物質(zhì)。在正相萃取時(shí)目標(biāo)化合物如何保留在吸附劑上，取決于目標(biāo)化合物的極性官能團(tuán)與吸附劑表面的極性官能團(tuán)之間相互作用，其中包括了氫鍵，π—π鍵相互作用，偶極-偶極相互作用和偶極-誘導(dǎo)偶極相互作用以及其他的極性-極性作用。正相固相萃取可以從非極性溶劑樣品中吸附極性化合物。

　　反相固相萃取所用的吸附劑通常是非極性的或極性較弱的，所萃取的目標(biāo)化合物通常是中等極性到非極性化合物。目標(biāo)化合物與吸附劑間的作用是疏水性相互作用，主要是非極性-非極性相互作用，是范德華力或色散力。

　　離子交換固相萃取所用的吸附劑是帶有電荷的離子交換樹脂，所萃取的目標(biāo)化合物是帶有電荷的化合物，目標(biāo)化合物與吸附劑之間的相互作用是靜電吸引力。

　　固相萃取中吸附劑(固定相)的選擇主要是根據(jù)目標(biāo)化合物的性質(zhì)和樣品基體(即樣品的溶劑)性質(zhì)。目標(biāo)化合物的極性與吸附劑的極性非常相似的時(shí)，可以得到目標(biāo)化合物的較佳保留(較佳吸附)。兩者極性越相似，保留越好(即吸附越好)，所以要盡量選擇與目標(biāo)化合物極性相似的吸附劑。例如：萃取碳?xì)浠衔?非極性)時(shí)，要采用反相固相萃取(此時(shí)是非極性吸附劑)。當(dāng)目標(biāo)化合物極性適中時(shí)，正﹑反相固相萃取都可使用。吸附劑的選擇還要受樣品的溶劑強(qiáng)度(即洗脫強(qiáng)度)的制約。

　　樣品溶劑的強(qiáng)度相對該吸附劑應(yīng)該是較弱的，弱溶劑會(huì)增強(qiáng)目標(biāo)化合物在吸附劑上的保留(吸附)。溶劑強(qiáng)度在正﹑反固相萃取中的順序是不同的(見圖3—13)。如果樣品溶劑的強(qiáng)度太強(qiáng)，目標(biāo)化合物將得不到保留(吸附)或保留很弱。例如：樣品溶劑是正己烷時(shí)用反相固相萃取就不合適了，因?yàn)檎和閷Ψ聪喙滔噍腿∈菑?qiáng)溶劑(見圖3—13)，目標(biāo)化合物將不會(huì)吸附在吸附劑上;當(dāng)樣品溶劑是水時(shí)就可以用反相固相萃取，因?yàn)樗畬Ψ聪喙滔噍腿∈侨跞軇?，不?huì)影響目標(biāo)化合物在吸附劑上的吸附。

　　固相萃取選擇分離模式和吸附劑時(shí)還要考慮以下幾點(diǎn)：

　　1.目標(biāo)化合物在極性或非極性溶劑中的溶解度，這主要涉及淋洗液的選擇。

　　2.目標(biāo)化合物有無可能離子化(可用調(diào)節(jié)pH值實(shí)現(xiàn)離子化)，從而決定是否采用離子交換固相萃取。

　　3.目標(biāo)化合物有無可能與吸附劑形成共價(jià)鍵，如形成共價(jià)鍵，在洗脫時(shí)可能會(huì)遇到麻煩。

　　4.非目標(biāo)化合物與目標(biāo)化合物在吸附劑上吸附點(diǎn)上的競爭程度，這關(guān)系到目標(biāo)化合物與干擾化合物是否能很好分離。

　　二.固相萃取常用的吸附劑(固定相)

　　鑒于固相萃取實(shí)質(zhì)上是一種液相色譜的分離，故原則上講，可作為液相色譜柱填料的材料都可用于固相萃取。但是，由于液相色譜的柱壓可以較高，要求柱效較高，故其填料的粒度要求較嚴(yán)格，過去常用10μm粒徑填料，現(xiàn)在柱多用5μ的m填料，甚至用了3μm的填料(隨著HPLC泵壓的提高，填料的粒徑在逐漸減小)。對填料的粒徑分布要求也很窄。固相萃取柱上所加壓一般都不大，分離目的只是把目標(biāo)化合物與干擾化合物和基體分開即可，柱效要求一般不高，故作為固相萃取吸附劑的填料都較粗，一般在40μm即可用，粒徑分布要求也不嚴(yán)格，這樣可以大大降低固相萃取柱的成本。常用于固相萃取的吸附劑類型及用途參見表3—4。

　　三.固相萃取的裝置及操作程序

　　較簡單的固相萃取裝置就是一根直徑為數(shù)毫米的小柱(圖3—14)，小柱可以是玻璃的，也可以是聚丙稀﹑聚乙烯﹑聚四氟乙烯等塑料的，還可以是不銹鋼制成的。小柱下端有一孔徑為20μm的燒結(jié)篩板，用以支撐吸附劑。如自制固相萃取小柱沒有合適的燒結(jié)篩板時(shí)，也可以用填加玻璃棉來代替篩板，起到既能支撐固體吸附劑，又能讓液體流過的作用。在篩板上填裝一定量的吸附劑(100㎎~1000㎎，視需要而定)，然后在吸附劑上再加一塊篩板，以防止加樣品時(shí)破壞柱床(沒有篩板時(shí)也可以用玻璃棉替代)。目前已有各種規(guī)格的﹑裝有各種吸附劑的固相萃取小柱出售，使用起來十分方便(圖3—15)。

　　固相萃取的一般操作程序如下：

　　1.活化吸附劑：在萃取樣品之前要用適當(dāng)?shù)娜軇┝芟垂滔噍腿⌒≈允刮絼┍３譂駶?，可以吸附目?biāo)化合物或干擾化合物。不同模式固相萃取小柱活化用溶劑不同：

　　(1)反相固相萃取所用的弱極性或非極性吸附劑，通常用水溶性有機(jī)溶劑，如甲醇淋洗，然后用水或緩沖溶液淋洗。也可以在用甲醇淋洗之前先用強(qiáng)溶劑(如己烷)淋洗，以消除吸附劑上吸附的雜質(zhì)及其對目標(biāo)化合物的干擾。

　　(2)正相固相萃取所用的極性吸附劑，通常用目標(biāo)化合物所在的有機(jī)溶劑(樣品基體)進(jìn)行淋洗。

　　(3)離子交換固相萃取所用的吸附劑，在用于非極性有機(jī)溶劑中的樣品時(shí)，可用樣品溶劑來淋洗;在用于極性溶劑中的樣品時(shí)，可用水溶性有機(jī)溶劑淋洗后，再用適當(dāng)PH值的﹑并含有一定有機(jī)溶劑和鹽的水溶液進(jìn)行淋洗。

　　為了使固相萃取小柱中的吸附劑在活化后到樣品加入前能保持濕潤，應(yīng)在活化處理后在吸附劑上面保持大約1ml活化處理用的溶劑。

　　2.上樣：將液態(tài)或溶解后的固態(tài)樣品倒入活化后的固相萃取小柱，然后利用抽真空(圖3—16)，加壓(圖3—17)或離心(圖3—18)的方法使樣品進(jìn)入吸附劑。

　　3.洗滌和洗脫：在樣品進(jìn)入吸附劑，目標(biāo)化合物被吸附后，可先用較弱的溶劑將弱保留干擾化合物洗掉，然后再用較強(qiáng)的溶劑將目標(biāo)化合物洗脫下來，加以收集。淋洗和洗脫同前所述一樣，可采用抽真空，加壓或離心的方法使淋洗液或洗脫液流過吸附劑。

　　如果在選擇吸附劑時(shí)，選擇對目標(biāo)化合物吸附很弱或不吸附，而對干擾化合物有較強(qiáng)吸附的吸附劑時(shí)，也可讓目標(biāo)化合物先淋洗下來加以收集，而使干擾化合物保留(吸附)在吸附劑上，兩者得到分離。圖3—19給出了兩種方法的示意圖。在多數(shù)的情況下是使目標(biāo)化合物保留在吸附劑上，較后用強(qiáng)溶劑洗脫，這樣更有利于樣品的凈化。圖3—20給出了固相萃取

　　所采用的一般程序示意圖。

　　為了方便固相萃取的使用，很多廠家除了生產(chǎn)各種規(guī)格和型號的固相萃取小柱之外，還研制開發(fā)了很多固相萃取的裝置，使固相萃取使用起來更加方便簡單。如Supelco公司提供了給單個(gè)固相萃取小柱加壓的單管處理塞(圖3—21)，可方便的與固相萃取小柱配套使用。又如，為了能使多個(gè)固相萃取小柱同時(shí)進(jìn)行抽真空，Supelco公司提供了12孔徑和24孔徑的真空多歧管裝置(圖3—22)，可同時(shí)處理多個(gè)固相萃取小柱。我國中科院大連化學(xué)物理研究所，國家色譜研究分析中心也研制開發(fā)了真空固相萃取裝置。

　　圖3—23給出了如何根據(jù)樣品的基體(溶劑)，目標(biāo)化合物和干擾化合物的性質(zhì)來選擇固相萃取模式的流程圖

　　四.固相微萃取(SolidphaseMicro-ExtractionSPME)

　　固相微萃取是在固相萃取基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的萃取分離技術(shù)，與液—液萃取和固相萃取相比，具有操作時(shí)間短，樣品量小，無需萃取溶劑，適于分析揮發(fā)性與非揮發(fā)性物質(zhì)，重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。很多研究結(jié)果表明，在樣品中加入適當(dāng)?shù)膬?nèi)標(biāo)進(jìn)行定量分析時(shí)，其重現(xiàn)性和精密度都非常好。固相微萃取裝置外型如一只微量進(jìn)樣器，由手柄(holder)和萃取頭或纖維頭(fiber)兩部分構(gòu)成，萃取頭是一根1㎝長，涂有不同吸附劑的熔融纖維，接在不銹鋼絲上，外套細(xì)不銹鋼管(保護(hù)石英纖維不被折斷)，纖維頭在鋼管內(nèi)可伸縮或進(jìn)出，細(xì)不銹鋼管可穿透橡膠或塑料墊片進(jìn)行取樣或進(jìn)樣。手柄用于安裝或固定萃取頭，可永遠(yuǎn)使用(圖3—24)

　　固相微萃取關(guān)鍵在于選擇不石英纖維上的涂層(吸附劑)，要使目標(biāo)化合物能吸附在涂層上，而干擾化合物和溶劑不吸附，一般是：目標(biāo)化合物是非極性時(shí)選擇非極性涂層;目標(biāo)化合物是極性時(shí)選擇極性涂層。

　　固相微萃取的采樣方法是將固相微萃取針管(不銹鋼套管)穿過樣品瓶密封墊，插入樣品瓶中。然后推出萃取頭，將萃取頭浸入樣品(浸入方式)或置于樣品上部空間(頂空方式)，進(jìn)行萃取。萃取時(shí)間大約2—30分鐘，以達(dá)到目標(biāo)化合物吸附平衡為準(zhǔn)。較后縮回萃取頭，將針管拔出(圖3—25)。

　　固相微萃取可用于氣相色譜，也可用于液相色譜(圖3—25)。用于GC時(shí)，是將固相微萃取針管(不銹鋼套管)插入GC進(jìn)樣口，推手柄桿，伸出纖維頭，使用進(jìn)樣口的高溫?zé)峤馕繕?biāo)化合物，解吸后被載氣帶入色譜柱。用于HPLC時(shí)，是將固相微萃取針管(不銹鋼套管)插入固相微萃取/HPLC接口解吸池，然后再利用HPLC的流動(dòng)相通過解吸池洗脫目標(biāo)化合物，并將目標(biāo)化合物帶入色譜柱。