固相萃取技術的基本原理

[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譜技術相結合的一項技術，主要用于樣品的分離、凈化和富集。

固相萃取技術基于液固色譜理論，采用選擇性吸附、選擇性洗脫的方式對樣品進行富集、分離、凈化，是一種包括液相和固相的物理萃取過程，也可以將其近似地看作一種簡單的色譜過程。較常用的固相萃取方法是，使液體樣品溶液通過吸附劑，保留其中被測物質，再選用適當強度的溶劑淋洗雜質；然后，用少量溶劑迅速洗脫被測物質，從而達到快速分離凈化與濃縮的目的。也可選擇性吸附干擾物質，而讓被測物質流出。或同時吸附雜質和被測物質，再使用合適的溶劑選擇性洗脫被測物質。

固相萃取也適用于水樣或土樣中化合物的富集，也有專用的固相萃取盤。在處理大體積水樣時，固相萃取具有截面積大、不易堵塞、高流速、處理時間短等特點。因為保留帶在萃取盤上，不會發生“穿透”現象。該法是將萃取膜固定在圓盤上，將水樣抽濾，目標化合物被吸附在膜上，用適當的溶劑洗脫測定。

與傳統的液液分配萃取相比較，固相萃取具有表2-4的特點。

表2-4 液液分配萃取與固相萃取優缺點比較

(二)固相萃取的分類

1.反相固相萃取反相固相萃取由非極性固定相組成，適用于極性或中等極性的樣品基質。待分析農藥化合物多為中等極性到非極性化合物。洗脫時，采用中等極性到非極性溶劑。純硅膠表面的親水性硅醇基通過硅烷化反應被疏水性烷基、芳香基取代。因此，烷基、芳香基鍵合的硅膠屬于反相固相萃取類型，如LC-18、ENVI-18、LC-8、LC-4、LC-Ph等。另外，以下物質也用于反相條件：

(1)含碳的吸附物質。如ENVI-carb材料，是由石墨、無孔碳組成；多壁碳納米管等。

(2)聚合類吸附物質。如ENVI-Chrom P材料，由苯乙烯-二乙烯基苯構成，用其保留一些含有親水性官能團的疏水性物質，尤其是芳香型化合物，如苯酚，效果好于C-18鍵合硅膠。

由于分析物中碳氫鍵同硅膠表面官能團的吸附作用，使得極性溶液(如水溶液)中的有機物能保留在固相萃取物質上。這些非極性分子與非極性分子之間的吸附力為范德華力中的色散力。一般采用非極性溶劑洗脫。

2.正相固相萃取正相固相萃取由極性固定相組成，適用于極性分析物質。可以用于極性、中等極性或非極性樣品基質。極性官能團鍵合硅膠(如LC-CN、LC-NH2和LC-Diol等)、極性吸附物質(如LC-Si、LC-Florisil、LC-Alumina等)常用于正相固相萃取。

在正相條件下，分析物質如何保留取決于分析物的極性官能團和吸附劑表面的極性官能團之間的相互作用，包括氫鍵、π-π相互作用、偶極-偶極相互作用、偶極-誘導偶極相互

作用及其他。洗脫時采用極性更高的溶劑(溶劑強度因子大于0.6)。

3.離子交換固相萃取離子交換固相萃取有陰離子交換(如LC-SAX、LC-NH2)和陽離子交換(如LC-SCX，LC-WCX)之分。離子交換固相萃取適用于帶有電荷的化合物。其基本原理是靜電吸引，也就是化合物上的帶電荷基團與鍵合硅膠上的帶電荷基團之間的吸引。離子交換固相萃取用于除去樣品中的金屬離子，更常用于萃取樣品中的可解離化合物。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所分析物一樣的電荷，將會干擾所分析物的吸附。洗脫溶液一般是其pH能中和分離物的官能團上所帶電荷，或者中和鍵合硅膠上的官能團所帶電荷。當官能團上的電荷被中和，靜電吸引也就沒有了，分析物隨之而洗脫。另外，洗脫溶液也可能是一種離子強度很大或者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。

4.二級相互作用所有的鍵合硅膠都有一定數量的未反應硅醇基，這使得反相固相萃取中，除了非極性的相互作用，也有一些極性二級相互作用。如果非極性溶劑不能有效地從填料上洗脫化合物，可以添加部分極性溶劑(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。

硅羥基在硅膠表面，當pH大于4時，以Si-O-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化合物。此時，有必要在洗脫液中增加酸或堿以調整pH。

新型碳吸附劑如石墨化碳具有結構均勻、適用pH范圍廣等優點，主要用于植物色素的去除。鍵合型固相萃取劑主要為多種類型的鍵合硅膠，分極性與非極性兩類。極性鍵合硅膠有-NH2、CN等；非極性鍵合硅膠主要有-C8和-C18等，適用于提取純化樣品中的非極性和弱極性組分，可以用有機溶劑洗脫。離子交換型鍵合相主要有-COOH、-SO3H和季氨基等。高分子大孔樹脂苯乙烯-二乙烯苯(ST-DVB)類非離子型大孔樹脂可通過疏水作用吸附非極性化合物，且隨著相對分子質量的增大，組分在樹脂中保留增強。含酰胺基、氰基、酚羥基等極性功能基的吸附樹脂，它們通過靜電相互作用吸附極性物質。

除以上提到的通用型固相萃取劑外，近年來出現了一些選擇性很強的填料，如保留鄰羥基化合物的苯基硼酸鍵合硅膠，可用于血漿樣品蛋白質去除的內表面反相吸附填料(浸透限制固相萃取劑)，以及將某種專屬性抗體固定在瓊脂糖或硅膠上的親和型固相萃取劑和特異性很強的分子印跡聚合物(MIP)固相萃取劑等。

(三)固相萃取的操作步驟和方法建立

有兩種方式可實現樣品的固相萃取分離純化：一種是使雜質保留在吸附劑上，待測組分不被保留或被洗脫；另一種是待測組分保留而雜原自然流出或先被洗脫，然后待測組分再被適當的洗脫劑洗脫。對于大體積樣品如環境樣品的前處理，后者還具有組分富集作用。

固相萃取的一般操作步驟主要包括：①采用強洗脫溶劑活化并清洗填料；②以弱洗脫溶劑沖洗平衡填料；③以弱溶劑溶解樣品并上樣；④用類似或稍強于樣品溶劑的洗脫劑淋洗固相萃取柱，除去干擾組分；⑤用強洗脫劑洗脫固相萃取柱，收集目標體積段的洗脫液，洗脫液經過濃縮后進行色譜分析。

固相萃取樣品前處理方法建立的關鍵是根據樣品的理化性質選擇合適種類的固相萃取劑，然后根據回收率優化平衡溶劑、淋洗溶劑、洗脫溶劑，并確定洗脫溶劑的接收時段和體積。

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