5.5固相萃取
5.5.1固相萃取的原理与类型
固相萃取（solid phase extraction，简称SPE）是利用被萃取物质在液-固两相间的分配作用进行样品前处理的一种分离技术。

它结合了液-固萃取和柱液相色谱两种技术。

SPE以固体填料填充于塑料小柱中作固定相，样品溶液中被测物或干扰物吸附到固定相中，使被测物与样品基体或干扰组分得以分离。

SPE基本上只用于样品前处理，其操作与柱色谱类似，在被测物基体或干扰物质得以分离的同时，往往也使被测物得到了富集。

与溶剂萃取相比，固相萃取局有很多优势。

如被测物的回收率很高；被测物与基体或干扰物质的分离选择性和分离效率更高；操作简单、快速、易于自动化；不会出现溶剂萃取中的乳化现象；可同时处理大批量样品；使用的有机溶剂量少；能处理小体积样品。

正是因为SPE的这些优点，这一技术的发展速度之快是其他前样品处理技术所不及的。

目前，其应用对象十分广泛，特别是在生物、医药、环境、食品等样品的前处理中成为最有效和最受欢迎的技术之一。

SPE是发生在固定相和流动相之间的物理过程，其实质就是柱液相色谱的分离过程，其分离机制、固定相和溶剂选择等都与液相色谱有很多相似之处。

只不过用于样品前处理的SPE 分离要求不是很高，只需将大量基体物质或其他干扰组分与被测物分离，即对柱效的要求不高，也不需要特别好的峰形。

同液相色谱中分离柱的原理一样，固相萃取也是基于待测组分与样品基体在固定相上吸附和分配性质的不同来进行分离的。

固相萃取的目标要么将待测组分比较牢固的吸附在固定相上，从复杂基体中将待测组分分离富集出来；要么使待测组分在固定相上没有保留或保留很弱，而干扰组分或基体物质在固定相中具有较强保留，从而使样品中的基体物质或干扰物质得以除去。

采用SPE样品前处理技术除了主要用于消除干扰物质和大量样品中富集痕量组分外，还可以将被测物吸附到固定相中后用于原来不同的溶剂洗脱，达到变换样品溶剂，使之与后续分析方法相匹配的目的；可以用来脱去样品中的无机盐类，方便后续的色谱分析，特别是LC-MS分析。

固相萃取的主要萃取模式与LC的分离模式相同，可以分为正相固相萃取、反相固相萃取、离子交换固相萃取和吸附固相萃取等。

不同的萃取模式所使用的固定相不同。

固定相选择原则也与HPLC相同，主要依据被测物和基体物质的性质，被测物极性与固定相极性越相似，则被测物在固定相中的保留就越强。

固相萃取所用的固定相也与HPLC常用的固定相相同，只是粒度稍大一些（约30~50mm）。

正相固相萃取采用极性固定相，可从非极性溶剂样品中萃取有机酸、碳水化合物和弱阴离子等极性物质。

被萃取的极性化合物在固定相上保留的强弱取决于其极性基团与固定相表面极性基团之间的相互作用（氢键、π-π键、偶极间相互作用等）。

使用的固定相主要是以硅胶为载体的二醇基、丙氨基小柱。

反相固相萃取采用非极性或弱极性固定相，适用于萃取非极性至中等极性的化合物，应用对象最广泛，是样品前处理中使用最多的一种固相萃取模式。

被萃取物与固定相之间主要是基于范德华力和疏水相互作用。

使用的固定相主要是硅胶载体表面键合疏水性烷烃，如十八烷、辛烷、二甲基丁烷。

离子交换固相萃取采用离子交换剂固定相，用来萃取有机和无机离子性化合物，如有机碱、氨基酸、核酸、离子性表面活性剂等。

被萃取离子因与固定相表面的离子交换基团之间存在静电相互作用而保留。

所用离子交换剂通常是在硅胶载体表面接上季铵基、磺酸基、碳酸基等。

吸附固相萃取是以吸附剂（如氧化铝、硅胶、石墨碳材料、大孔吸附树脂等）作固定相。

除石墨碳材料和大孔吸附树脂也可以萃取非极性物质外，吸附固相萃取主要用于极性化合物的萃取。

吸附固相萃取在样品前处理中的应用也相当广泛。

除了上述四种主要的萃取模式之外，采用亲和固定相、分子印迹固定相等的其他萃取分离模式也有其用武之地，特别是近些年发展起来的固相微萃取技术，已经显示出了其优越的性能。

5.5.2固相萃取仪器与操作
SPE操作既可离线，也可作为后续分析仪器的在线样品预处理系统。

离线SPE的仪器既有简单的手工辅助操作的固相萃取仪，也有复杂昂贵的全自动固相萃取仪。

图5-24是实验室常用的简易固相萃取仪，它有萃取小柱、真空萃取箱和真空泵组成。

萃取小柱通常是体积在1~6mL的塑料管，在两片聚乙烯筛板之间装填0.1~2g填料。

为防止污染，一般选用医药级的聚丙烯作柱管材料。

聚合物中的添加物或微量杂质有可能在萃取过程中溶出而污染样品，在后续的高灵敏检测方法中可能会检出，如果后续分析方法的分离效率比较高（如色谱），溶出物一般都能与被测物完全分离，不至于干扰分析。

在有特殊要求的分析中，也可以采用玻璃或高纯聚四氟乙烯材料的柱管。

筛板也可能是微量杂质的来源，其材料主要为聚丙烯、不锈钢和钛合金。

金属筛板不含有机杂质，但不耐强酸强碱。

在痕量分析中，为了消除萃取小柱可能带来的微量的干扰，通常需要做空白实验。

SPE的分离介质（萃取器）除了柱管型小柱外，还有一种盘型固定相，外观上与膜过滤器相似，由含填料的聚四氟乙烯圆片或载有填料的玻璃纤维片构成，后者比较坚固，不许支撑体。

这种SPE盘的厚度只有约1mm，填料约占60%~90%。

由于填料紧密地嵌在盘片内，在萃取过程中不会产生沟流。

SPE柱与SPE盘的主要差异在于填料床厚度与直径之比（L/d）不同。

对于等质量的填料，SPE盘的截面积比SPE柱约大10倍，因此，可以允许液体样品以较高的流量通过，适合从大体积样品溶液中富集痕量组分。

如1L天然环境水样通过直径为50mm的SPE盘仅需15~20min。

这种简易固相萃取仪真空度要求不高，只需配备一般的真空水泵或油泵，甚至可以接在自来水管上，利用水流的负压抽真空。

图5-25是真空度比较高的SPE真空装置。

图5-26是全自动固相萃取仪操作原理图，只要在计算机上设定好操作程序，仪器即可自动完成全部操作。

在进行柱活化、上样、干扰物洗脱时，SPE支架如图5-26（a）所示位于托盘的前方位置。

接着，安装在机械臂上的移液针将SPE支架移动到托盘后面的位置[如图5-26（b）所示]，使SPE柱位于相应的洗脱液收集管上方并将洗脱下来的化合物收集在收集管中。

SPE目前主要与HPLC联用，通过阀切换将SPE处理后的试样直接导入HPLC。

SPE操作的基本步骤包括柱活化、上样、干扰物洗脱和目标物洗脱四步。

柱活化也称柱预处理，其目的一方面是为了打开碳链，增加萃取柱与待测组分相互作用的表面积，也就是通常所说的活化；另一方面是消除萃取柱中可能存在的有机干扰物。

未经处理的萃取柱容易引起溶质过早穿透，影响回收率，而且有可能出现干扰峰。

不同类型的萃取柱的预处理方法有所不同。

例如，反相固相萃取中C18柱的预处理通常是先用数毫升甲醇通过萃取柱，在用纯水或缓冲液顶替滞留在柱中的甲醇。

上样是将样品溶液从上方加到经过预处理的柱上端并通过SPE柱。

这时目标物被较强地。