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固相萃取技术

更新时间:2023-05-26   点击次数:593次


  •   固相萃取技术是一种基于色谱理论的样品前处理方法,它采用选择性吸附、选择性洗脱的方式对样品进行富集、分离及纯化。对比传统的液-液萃取,固相萃取具有选择性强、分离时间短、回收率高、不易乳化、有机溶剂用量少及易于自动化等优点,被广泛地应用在水质检测、制药、环境分析、食品分析及烟草分析等领域。

    固相萃取的原理

      固相萃取就是利用固体吸附剂吸附液体样品中的目标物,使目标物与样品的基体和干扰化合物分离,然后再用洗脱液洗脱或加热介吸附,达到分离和富集目标物的目的。

      固相萃取不需要大量互不相溶的溶剂,处理过程中不会产生乳化现象;因采用GX、高选择性的吸附剂(固定相),固相萃取能显著减少溶剂的用量;固相萃取的预处理过程简单,费用低。

      固相萃取是近年来发展迅速的一种样品前处理技术,目前在国外已逐渐取代溶剂萃取法,其相对于溶剂萃取法有如下优点:①分析物回收率高;②无需相分离,分析物各组分易收集;③溶剂用量少,减少了对环境的污染;④样品消耗少;⑤更有效地分离富集目标分析物;⑥操作简单、省时省力,易于实现自动化。

    固相萃取的分类

      固相萃取实质上是一种液相色谱分离,其主要分离模式也与液相色谱相同,可分为正相固相萃取、反相固相萃取及离子交换固相萃取。固相萃取所用的吸附剂也与色谱常用的固定相相同,只是在粒度上有所区别。

      正相固相萃取所用的吸附剂都是极性的,吸附剂极性大于洗脱液极性,用来萃取极性物质。在正相萃取时目标物如何保留在吸附剂上,取决于目标物的极性官能团与吸附剂表面的极性官能团之间的相互作用,其中包括了氢键、π-π键相互作用、偶极一偶极相互作用、偶极一诱导偶极相互作用以及其他的极性一极性作用。

      反相固相萃取所用的吸附剂极性小于洗脱液极性,所萃取的目标物通常是中等极性到非极性化合物,目标物与吸附剂间的作用是疏水性相互作用,主要是非极性-非极性相互的色散力。

      离子交换固相萃取用的吸附剂是带有电荷的离子交换树脂,所萃取的目标物是带有电荷的化合物,目标物与吸附剂之间的相互作用是静电吸引力。

    固相萃取装置及填料类型

      目前发展出来的固相萃取装置有固相萃取柱和固相萃取盘两种,其中以固相萃取柱Z为常用。

      固相萃取柱的结构如下图所示,由固相萃取剂(固定相)、柱管和筛垫三部分组成。柱管的材料可为医用级丙烯、玻璃或纯聚四氟乙烯,其中后两种材料更有利于降低固相萃取柱的空白值,容积1~6mL,两片聚乙烯筛垫之间填装有0.1~2g的固相萃取剂。

    固相萃取柱的结构.jpg

      固定相在固相萃取中起关键作用,固相萃取柱中的固定相与色谱柱固定相除了粒径上的差别外,化学性质基本相似。固相萃取剂除要求对流动相和被富集的化合物呈化学惰性外,还应在保持吸附可逆性的同时具有很高的吸附能力,吸附平衡要快,选择固定相基本上遵循相似相溶的原则。

      分析物的极性与固定相极性越相近,保留越好,因此要尽可能选择与目标分析物极性相似的固定相。可应用于固相萃取的固定相填料种类繁多,较常用的有吸附型填料、化学键合型硅胶和聚合树脂类等。

      吸附型填料有:活性炭、硅藻土、硅酸镁、氧化铝等。就化学键合型硅胶,正相的有氨基、二醇基等;反相的有C1、C2、C6、C8、C18、环己基、苯基等;离子交换型的有季胺基、氨基、二氨基、苯磺酸基、羧基等,而且各种新型吸附剂也在不断被开发出来,下表为常见填料列表。

    固相萃取剂类型.jpg

    固相萃取操作方法

      固相萃取操作可分为柱预处理、上样、柱洗涤、分析物洗脱四个步骤,如下图所示。每个步骤设计合理与否都会对实验的回收率产生影响,导致溶质过早穿透、干扰物洗涤、目标物流失、洗脱等,而分析物被回收一般亦较难实现。

    固相萃取操作流程.jpg

      1、预处理

      预处理又称为活化,即使用适宜的溶剂通过色谱柱,再用水或缓冲液冲洗、替代滞留在柱中的溶剂,活化过程中应使固定相始终浸于溶液中。活化的目的在于去除填料中可能存在的杂质,并使填料溶剂化,以提高萃取的重现性,若未充分活化,可能导致溶质过早穿透而影响回收率。

      2、上样

      预处理过后,即可添加试样通过固相萃取柱,在此过程中,目标分析物被吸附在固定相中。分析物是否被充分吸附是影响试验回收率的关键。因此,为防止分析物的流失,试样溶液中溶剂的强度不可太大,同时可采取以下几个方法尽量减少分析物的流失:①用强度较弱的溶剂稀释溶液;②减少加样体积;③增加固定相填料的量;④选择Z适宜的固定相。

      上样体积主要取决于固相萃取柱固定相填料的量和类型、试样中各组分物质的浓度和极性等因素,可通过实验获得穿透体积来确定。穿透体积是指在固相提取时化合物随样品溶液的加入而不被自行洗脱下来所能流过的Z大液样体积,Z终的加样体积要小于穿透体积,以防止在柱洗涤过程中目标分析物流失。

      3、柱洗涤

      柱洗涤则是在上样后采用强度适宜的溶剂将干扰物淋洗下来,同时使目标分析物能保留在固定相上,通过不断调整洗涤剂的种类、比例和体积,可获得Z佳洗涤溶剂配比,以达到Z佳洗涤效果。

      4、目标物的洗脱与收集

      目标物洗脱与收集是通过加入对目标分子亲和力更强的溶剂,将其洗脱下来,同时将与固定相作用力更强的干扰物保留在柱上,收集洗脱液。

      洗脱溶剂的强度影响洗脱效果,当使用溶剂的强度较强时,较少量的溶剂即可洗脱,但当样品成分较为复杂时,与固定相作用力强于目标物的杂质也可能被洗脱下拉,造成干扰。

      当使用强度稍弱的溶剂时,为了充分洗脱,所用的溶剂量较大,收集到的溶液需再经氮吹浓缩。因此,应根据实际情况调整溶剂强度与用量,以得到Z佳的富集纯化效果。

    固相萃取影响因素

      1、吸附剂

      目前常用的吸附剂有正、反相吸附剂、离子交换吸附剂和抗体键合吸附剂等,试验时尽量选择与目标化合物极性相似的吸附剂,其用量大小与目标物性质(极性、挥发性)及其在水样中的浓度直接相关。

      2、洗脱溶剂

      在固相萃取中,洗脱溶剂的选择与目标物性质及使用的吸附剂有关,楼蔓藤等罔给出了常见有机溶剂的极性和洗脱强度,试验过程中可根剧被测物的物理、化学性质选用。洗脱剂体积应以淋洗为前提,体积Z小的为Z佳,可通过多次洗脱法(小体积),根据回收率的变化曲线找到Z佳的洗脱液体积,显然,洗脱体积越小富集倍数越高。

      3、保留体积

      在加样过程中,保留体积是固相萃取技术的关键因素之一。它代表了进行痕量富集时能有效处理的水样体积。根据色谱分析仪的Z小检出量和水样中有机物的浓度,可以估算出欲富集的Z小水样体积。另外,样液的pH值也影响样品的吸附效率。

      4、流速

      流速的控制对固相萃取至关重要,流速过大将引起固相萃取柱的穿漏,流速太小则处理速度太慢。柱预处理过程中流速适中,保证溶液充分湿润吸附剂即可,上样和洗脱过程则要求流速尽量慢些,以使分析物尽量保留在柱内或达到洗脱,否则会导致分析物流失,影响回收率的大小。尤其离子交换过程,进行比较缓慢,应采用较低的流速(0.5-2.0mL/min)。

    固相萃取在环境样品分析中的应用

      鉴于固相萃取相比于传统溶液萃取的诸多*性,该技术被越来越广泛地应用于包括环境分析、食品、药品、临床研究、工业生产在内的各领域。美国环境保护局亦将其列入诸多环境污染物的分析方法中,下表中列出了一部分以固相萃取作为前处理手段的EPA方法。近年来,固相萃取技术在国内环境分析中的应用也日益增多,在水、大气、土壤、沉积物等环境样品的分析中均有涉及。

    固相萃取作为前处理手段的EPA方法.jpg

      1、环境水样分析中的应用

      固相萃取技术被广泛应用于环境水样中痕量有机污染物的富集,20世纪80年代,我国松花江、黄浦江、太湖等的水质监测中已较广泛采用了固相萃取技术(测定卤代烃、含氯农药、氯苯、氯酚、苯胺、硝基物、多氯联苯、多环芳烃和酞酸酯等)。要从水样中提取出有机物,就要使水的洗脱能力Z弱,因此,对环境水样的处理一般采用反相萃取。

      有学者采用C18固相萃取柱萃取水中36种半挥发性有机物(SVOCs),包括硝基苯类、氯苯类、有机氯农药类、有机磷农药类、多环芳烃类等五类有机化合物,用GC-MS分析,得到较好的结果,平均回收率为51%~118%,相对标准偏差在1.90%~9.79%之间,方法检出限为0.02~0.32μg/L。

      有学者利用固相萃取-气相色谱法对水中的84种多氯联苯进行定性和定量分析,结果表明该方法具有较高的灵敏度、准确度和精密度,回收率高,平均回收率为95.3%,平均RSD为8.0%,尤其对低氯代PBCs。

      2、在环境空气中痕量有机物分析中的应用

      环境空气污染物中,挥发性物质占90%,其余为颗粒状污染物,颗粒状污染物可用滤膜捕集。对挥发性和半挥发性物质一般用固相萃取(固体吸附),溶液吸收或低温冷凝富集采样。

      在常温或低温下使空气通过固相萃取柱,待测的有机化合物保留在柱上,而空气中的正常组分如氮、氧等则通过小柱流出,从而将待测物直接从空气中提取,再通过热解析脱附进入气相色谱仪进行分离和定量分析。使用固相萃取采样可以达到对空气中污染物采样、分离、富集的一体化,具有方便、快捷、GX的特点。

      有学者利用固相萃取柱净化-液相色谱法测定大气中多环芳烃,16种多环芳烃检测限为0.023~0.45μg/L,日内(n=5)和日间(n=5)相对标准偏差分别小于1.20%和2.3%,结果表明该法具有快速、灵敏、准确、重现性好的优点,适合于大气中痕量多环芳烃的测定。

      3、在固态样品中的应用

      固相萃取技术在固态样品中的应用主要发挥净化和富集的作用。通常将固态样品*行溶解和萃取,萃取所得的溶液通过固相萃取柱净化,以进一步去除干扰物,并对目标分析物进行富集。

      有学者采用固相萃取-离子色谱法同时快速检测土壤中7种有效阴离子的含量,7种阴离子的检出限分别为0.20,0.40,0.60,0.80,0.80,1.60,0.10μg/g,相对标准偏差(n=7)为1.3%~4.3%,加标回收率为90.0%~106.0%,结果表明该法简单,快速,可靠。

      有学者应用加速溶剂萃取-固相萃取净化-气相色谱法测定土壤中的多环芳烃和有机氯,该法缩短了前处理时间,提高了净化效率,结果准确度和灵敏度较高,方法简便,适用于批量土壤样品的分析。