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固相萃取装置原理及配套真空泵
【打印页面】发布时间：2023-09-21 文章来源：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。
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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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 | 少 | 多 | 中 |
| 乳化现象 (emulsion) | 否 | 是，故回收率差 | 否 |
| 灵敏度 (sensitivity) | 高 | 低 | 中 |
| 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 | 可 | 否，劳动密集 (摇动) | 可 |
| 速度 | 中 | 慢 | 快 |
| 高通量(high throughput) | 高 | 中 | 高 |
| 降低基质影响 | 是 | 是 | 是 |
| 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。
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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