一文带你全面了解固相萃取前处理技术

赵桂芝 0 2024-07-31

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固相萃取(Solid Phase Extraction，SPE)是一种样品前处理技术，常用于复杂基质样品的分离、纯化和浓缩，从而提高分析目标物的回收率，更有效地将分析物与干扰杂质分离。且其操作简单、省时、省力，被广泛应用于医药、食品、环境、商检、化工等领域。今天小析姐带你全面了解SPE固相萃取那些事儿。

什么是SPE？

图1 SPE洗脱原理

SPE技术处理复杂基质样品的洗脱原理如图1所示。通过固体填料的选择性吸附和淋洗液洗脱将液体样品中的目标化合物与干扰杂质分离，以达到富集、分离、净化样品的目的。SPE是一个包括液相和固相的物理萃取过程，在固相萃取过程中，固体填料对目标化合物的吸附力大于样品母液，当样品通过SPE柱时，目标化合物被吸附在固体填料表面，其他组分则随样品母液通过柱子，之后再用适当的溶剂将目标化合物洗脱并收集，然后进行色谱分析。

固相萃取的填料主要分为两部分，一部分是基质，另一部分是作用基团。按照基质分类，SPE小柱可以分为硅胶基质小柱，聚合物基质小柱和吸附型小柱。顾名思义，硅胶基质小柱就是以硅胶为支撑基质的固相萃取填料，它的基本骨架是利用硅-氧-硅键相连；而聚合物基质小柱是以高分子聚合物作为基质交联而成；吸附性小柱包括佛罗里硅土，石墨化碳，氧化铝等小柱。聚合物基质相对于硅胶基质有较大的优势，其应用pH适用范围广，可以在全pH值范围内使用，同时具有超强的作用位点，因此具有相对宽泛的应用领域。

图2 不同类型固相萃取材料的作用机理

固相萃取材料按照作用基团（作用机理）分类，主要分为正相萃取，反相萃取，离子交换和螯合作用。正相萃取SPE的吸附剂是极性的，如氧化铝、硅胶和硅镁吸附剂等，主要用来吸附萃取极性物质。反相萃取SPE所用的吸附剂是非极性或者是弱极性的，如C8，C18，苯基等，其目标物主要是非极性的物质，一些弱极性的物质也可以用非极性柱萃取。离子交换型SPE的吸附剂是具有正、负电荷的离子交换树脂。根据电荷的不同也分为两类：阳离子交换树脂，其作用基团主要是磺酸基或者羧基；阴离子交换树脂，其作用基团主要是季铵基或者氨基。螯合作用的SPE主要是利用一些螯合基团对重金属进行吸附萃取的机理。螯合基团包括乙二胺型、亚氨乙酸型等等。通常地，在为方法挑选合适的SPE小柱时，需根据被分析物的性质、存在形式以及所在基质等特点选择合适的固相萃取材料，实现目标物的萃取，分离和富集。

SPE优势

①净化复杂基质样品

复杂基质的样品如果直接上机分析，通常目标化合物会被大量杂质干扰，造成目标物分离度不佳、基线漂移、定量不准确等现象，分析结果将会直接影响样品的质量等级。且样品中的干扰物，会对仪器和色谱柱造成污染，甚至会直接堵塞色谱柱、造成仪器停机。如果在样品前处理过程中去除了干扰物，则可以使用更简单、更稳定的方法来分析目标化合物。

图3 净化与未净化复杂基质样品的HPLC谱图比对

②减弱目标化合物在MS应用中的基质干扰

质谱分析中，如果化合物离子的形成受到样品基质中干扰物的抑制，信号强度将大幅下降。如图4所示。在MS输出的上方基线中，血浆样品只经过蛋白沉淀步骤处理，可以看出特非那定峰受到80%的抑制。在下方基线中，同样的样品使用SPE方法进行了处理，可以看出离子抑制效应非常小。由于去除了样品基质中的干扰物，因此能够形成合适的化合物离子，从而获得更出色的信号。

图4 过SPE小柱前后的血浆样品LC/MS谱图比对

③痕量目标化合物的富集

分析人员经常需要测试浓度水平低于ppb，甚至低至万亿分之一（ppt）的化合物，这些目标物在样品的浓度，通常低于分析仪器的灵敏度。分析环境样品中的痕量污染物或生物体液中的代谢物就是一个很好的例子，如果样品经过SPE处理富集后，峰响应会明显增加。

图5 痕量化合物经SPE小柱富集前后的响应值对比

SPE一般步骤

①反相模式

（1）SPE小柱依次用甲醇、水活化6-10倍柱体积，请勿使小柱变干；

（2）上样溶解于强极性溶剂（通常是水）的样品；

（3）使用强极性溶剂（如5%甲醇-95%水）洗脱不需要的组分；

（4）使用极性较小溶剂（如100%甲醇）洗脱目标组分。

②正相模式

（1）SPE小柱用非极性溶剂（如正己烷）活化6-10倍柱体积；

（2）将样品溶液上样到柱床上；

（3）使用非极性溶剂（如正己烷）洗脱不需要的组分；

（4）使用极性更强的溶剂（如乙酸乙酯）洗脱目标组分。

③离子交换模式

（1）使用6-10倍保留体积的去离子水或弱缓冲液活化小柱；

（2）上样溶解于去离子水或缓冲液的样品；

（3）使用弱缓冲液洗脱不需要的弱结合组分；

（4）使用洗脱强度更强的缓冲液洗脱目标组分。

SPE溶剂选择

使用下表回答下列有关 SPE 方法的问题。

市场发展

在有机和生物基质的前处理中，固相萃取是一种有效的方法，可以有效地富集目标物，并去除干扰，固相萃取后一般在经历浓缩定容后，即可送入气相色谱、液相色谱、GCMS、LCMS分析。

据相关报告指出，2023年全球固相萃取市场规模为70亿美元。从2023年到2033年，全球固相萃取需求预计将以4.4%的复合年增长率增长。据估计，到2033年底，全球市场将达到110亿美元。预计从2023年到2033年，北美市场的复合年增长率将达到5.5%。固相萃取分为仪器装置和消耗品，就固相萃取装置，另有报告指出，2019年，全球固相萃取装置市场规模达到了23亿元，预计2026年将达到28亿元，年复合增长率(CAGR)为2.5%。北美是最大的也是增长率最高的市场。

在应用的基础上，固相萃取市场分为制药、环境、学术、医院和临床等。药品需求的增长和分析技术的发展等因素正在推动固相萃取市场的增长。环境污染加剧等因素也扩大了固相萃取在水质管理行业的使用。全球对环境安全的日益关注产生了对高效提取技术的高需求，随着提取方法的进步，环境市场的规模不断扩大。越来越多的具有严格监管标准的药品和农用化学品，以及不断增长的消费者需求，也在推动固相萃取市场的扩张。

固相萃取在学术界的应用并不十分普遍，但它可以从复杂的溶液中提取出小样本容量的样品进行表征和鉴定，以及从复杂样品中分离出感兴趣的化合物。固相萃取技术也广泛的应用在医药、食品、环境、商检、化工等领域，应用于再生、纯化、分离或浓缩等环节，还经常用于血液样本的实验室分析，这需要高效的处理措施，并将处理风险降至最低。

内容来源：太玮科技液质小知识瓦克仪器

责任编辑：展源

审核人：何发

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