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固相萃取装置的选择及主要应用领域

浏览次数:430 发布日期:2023-9-21  来源:洛肯
内容大纲
什么是固相萃取(SPE)?
SPE、LLE、SLE的差异
固相萃取步骤
常见固相萃取的应用
常见固相萃取之设备配置
 
什么是固相萃取(SPE)?
固相萃取 (Solid Phase Extraction, SPE)是常见的样品前处理技术,其结合了液固萃取(solid liquid extraction)与色谱(chromatography)技术的优点发展而来,主要用于样品的分离、纯化、富集与浓缩。

固相萃取原理与液相层析(LC)相同,其吸附剂为固态 (称固定相, stationary phase),而样品是液态,固态吸附剂以物理或化学方式吸附液体样品中的待测物及杂质,再藉由与不同介质间的吸附力 (adsorption) 与亲和力 (affinity) 差异 而达到快速分离、纯化的目的。

样品前处理的方式有很多种,但固相萃取由于操作方便、可降低样品的复杂性、降低干扰、提高灵敏度、延长管柱(column)和分析仪器的寿命等特点,目前为HPLC、LC、GC、MS分析中最常使用的前处理技术之一,其主要的三大优势包括:
1. 去除基质干扰 (simplification and purification)
样品的组成十分复杂,其所含的干扰物不仅会影响分析讯号的灵敏度,更因为有可能因其长年累月的积累而影响管柱及仪器的寿命。正确的SPE处理可大幅度的减少样品基质 (matrix) 对分析物的干扰,得到纯净的萃取物及准确的分析或定量结果。
2. 提高待测物浓度 (concentration and trace enrichment)
现今分析的浓度愈来愈低,低至ppb (10-9)、ppt (10-12) 等级,因此如何提高待测物浓度为一问题。SPE可利用待测物与干扰物滞留特性 (retention) 的不同,以大量样品流过吸附剂,再以少量溶剂将待测物冲堤而出,简单提高待测物浓度。
3. 分馏 (fractionation) 不同化合物

SPE可将样品的中多种化合物依其特性而个别分离,如极性、非极性等,以利选择更合适的方式进行分析。

SPE、LLE、SLE的差异
 
据统计,样品制备及样品前处理所耗费的时间及成本约占现今分析实验的80%左右,尔后才是量测及分析,因此更简单、方便的前处理方式为科学努力的方向。

而前处理手段百百种,包含传统液液萃取法(liquid-liquid extraction, LLE)、支持性液液萃取(supported liquid extraction, SLE)及蛋白质沈淀法(protein precipitation, PPT)等,而固相萃取因其步骤简单、安全、操作成本低等优点,已被广泛运用于医药、食品安全、环境、化工等领域。
 
  固相萃取 (SPE) 液液萃取 (LLE) 支持性液液萃取 (SLE)
方法开发 (method development) 需要 需要 需要
环境污染因素 产生少量溶剂与废弃塑料 产生大量溶剂废液 产生中量溶剂与废弃塑料
操作安全性 少量溶剂曝露 大量溶剂曝露、爆炸隐忧 少量溶剂曝露
主要发生成本 萃取管 溶剂、粉剂 萃取管
样品需求
乳化现象 (emulsion) 是,故回收率差
灵敏度 (sensitivity)
加热浓缩样品 可使用其他浓缩方法 是,无其他浓缩方法 可使用其他浓缩方法
自动化 否,劳动密集 (摇动)
速度
高通量(high throughput)
降低基质影响
限制 无特别限制 不适用于非常极性(very polar)分析物 无特别限制

固相萃取步骤
 
固相萃取的步骤大致可分为:
 
1. 活化(Conditioning):使用合适的溶剂预先润湿吸附剂,此步骤可活化吸附剂表面的配位基、提高后续吸附能力 。上样前可使用与样品预处理 相同的溶剂再次平衡。
活化步骤至萃取完成前,请避免让吸附剂呈干燥状态,以确保其吸附能力。
2. 上样 (Loading):以合适的流速将样品流过吸附剂,并选择性地将样品中的待测物(及些许杂质)保留于吸附剂上。
3. 洗涤 (Washing):以溶剂(流动相, mobile phase) 清洗固定相,选择性地去除结合强度较低的杂质及干扰物。可依实验进行多次洗涤,并逐渐增加溶剂浓度(阶段梯度, step gradient),而达成更完全的分离。
4. 冲堤 (Eluting),或称洗脱:以溶剂破坏待测物与吸附剂的结合,将待测物从吸附剂上移除、回收。若需高浓度的待测物,则可用小体积的溶剂进行冲堤。

常见固相萃取的应用
 
固相萃取的检液几乎为液态(极少数为气相),但其应用相当广泛,样品包括环境检测 (如废水、地下水、土壤)、食品安全 (如畜禽产品、中药材、谷物、海鲜、饮料) 乃至生物样品 (如血浆、尿液、口水) 皆可使用此技术分离、纯化待测物。惟样品上样前需先行制备为液体型态以利上样。
详细方法可参考附录:固相萃取标准方法列表
· 学术研究,如胜肽及蛋白质的去盐、水溶/脂溶维生素的分离
· 医学检验,如药物滥用、代谢物研究
· 制药产业,有效成份萃取、原料品管
· 环境分析,饮用水、废水的重金属、油脂污染
· 食品安全检测,如蔬果、肉类的农药、抗生素分析

常见固相萃取之设备配置
 

最常见的SPE做法是使用将含有吸附剂的A.萃取管柱安装于B.过滤装置上。为了使液体流过萃取管柱,通常会藉由C. 正压或负压(真空)装置适当加快流速,提升处理效率及质量。

A. 萃取装置(SPE cartridge, SPE column)
常见的有SPE萃取管柱、SPE萃取膜、96孔盘、微量吸管尖 (pipette tip) 等,吸附剂皆已填充于其中。现今SPE操作中,以萃取管及萃取膜最常使用,可依样品量的多寡选择合适的产品。
市售SPE产品的固定相(吸附剂)种类非常多种,如C18、正相、逆相、离子交换树脂等,可依样品的基质、溶解度、极性等特性进行挑选。
B. 过滤装置 (SPE manifold)
进行SPE时需要一装置固定萃取管或萃取膜,此装置一般称为过滤座或歧管 (SPE manifold)。可依萃取装置类型、样品数量及正、负压挑选合适的过滤装置。
 
SPE萃取管柱过滤装置 SPE萃取膜过滤装置

C. 其它设备
进行固相萃取时,通常会藉由施加「正压」或「负压(真空)」使样品及流动相稳定的流经固定相(吸附剂)以利吸附、洗涤进行,不仅加快流速,同时也可尽量干燥 (air dry) 萃取管柱或萃取膜,避免影响实验结果。
以负压辅助萃取为例,其使用真空帮浦将过滤装置内的气体分子部份抽除,以压力差提高液体流速。但流速也不宜太快以避免反应不完全,因此可挑选带有调压装置的设备或帮浦,藉由真空度的调整而控制流速。另固相萃取多以溶剂进行,如甲醇(methanol)、乙腈(Acetonitrile)等,因此为减缓化学蒸气侵蚀,建议采用具耐腐蚀特性之设备。

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