固相萃取简介

固相萃取简介XXX1.概述多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指两个或两个以上的苯环以稠环和非稠环形式连接的化合物，是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的半挥发性碳氢化合物,迄今已发现有200 多种PAHs , 其中一些PAHs不仅具有强烈的毒性———致癌、致畸变和致突变性,还有促进致癌作用 [1-2]。

美国环保局已把16种多环芳烃列入优先控制有毒有机污染物黑名单中，在我国国家环保局第一批公布的68种优先污染物中，PAHs有7种[3]。

固相萃取(Spooled Phase Ext raction , SPE) 是一个包括液相和固相的物理萃取过程。

在固相萃取中,固相对分析物的吸附力比溶解分析物的溶剂更大。

当水样通过吸附剂床时,分析物浓缩在其表面,其它样品成分则通过吸附剂床,通过只吸附分析物而不吸附其它样品成分的吸附剂,可以得到高纯度和浓缩的分析物。

与传统的液液萃取相比,固相萃取避免了乳化现象,方法重现性好,选择性强、分离时间短、富集倍数高、精密度和准确度较高以及有机溶剂消耗低等突出的优点 [3]。

固相萃取技术自20 世纪70 年代后期问世以来，由于其高效、可靠及耗用溶剂量少等优点，广泛应用于空气、水样、蔬菜及生物样品中痕量有机化合物的萃取，已逐渐取代传统的液－液萃取，而成为样品预处理的可靠、有效方法［4］。

2.样品预处理方法选择必需遵循的原则：在进行样品预处理的过程中，为保证效果的有效性和可靠性，在选择预处理方法时必须遵守一定的准则：（1）所选方法应能有效的除去测定的干扰成份；测定组分的回收率要高；操作简便，省时，对环境不造成污染，对人体健康不产生影响。

避免使用贵重试剂，做到物美价廉。

（2）选择方法必需达到准确、结果可靠，空白、标准曲线、标准样需经过多个实验室分析人员检验合格方能推广使用。

3.固相萃取简介3.1基本原理固相萃取技术是基于液相色谱原理的一种分离、纯化方法。

其吸附剂为固定相，根据固相萃取剂对液相待测物的吸附作用，当待测物通过萃取剂时，其中某些痕量物质(目标物)就被吸附在萃取剂上。

然后采用适宜的选择性溶剂将其洗脱下来，即可得到富集、纯化的目标物[6]。

3.2分类目前，按SPE 装置的几何构型可分为SPE柱、SPE盘以及后来发展起来的固相微萃取（SPME）。

3.2.1 SPE柱SPE 柱的使用最为普遍,简单的SPE 柱就是一根直径为数毫米的小玻璃柱,或聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等塑料,或不锈钢制成的柱子。

柱下端有一孔径为20μm 的烧结筛板,用以支撑吸附剂,吸附剂的常用装填量约100～500mg。

SPE 柱虽然使用方便,应用范围广,但仍存在一些问题,如: (1) 由于柱管径较窄, 限制了流速增大, 通常只能在1 ～10ml/ min 范围内使用; (2) 采用40μm 左右的定相填料,若用较大流速会产生动力学效应,妨碍了某些组分有效地富集; (3) 对于相对较脏的样品如环境废水,含生物样品及悬浮颗粒的水样,在流过固相短柱时很容易堵塞,使水样流速降低甚至完全堵塞水样,增加了样品处理时间; (4) 40μm 颗粒的填充柱很容易产生裂隙,使短柱分离浓缩效率下降[7-8]。

图1中列出了几种利用SPE 柱检测环境水样中多环芳烃的具有代表性的方法[2]。

3.2.2 SPE盘SPE的另一种形式是SPE盘，表观上它与膜过滤器十分相似。

盘式萃取器是含有填料的聚四氟乙烯(PTFE) 圆片或载有填料的玻璃纤维片，后者较坚固，无须支撑。

填料约占SPE 盘总量的60 %～90 % ,盘的厚度约1 mm。

由于填料颗粒紧密地嵌在盘片内，在萃取时无沟流形成。

SPE 柱和盘式萃取器的主要区别在于床厚度/ 直径(LPd) 比。

Majors 等比较了SPE 盘和SPE 柱的特点，对于等重的填料，盘式萃取的截面积比SPE 柱的截面积大约10 倍，因而允许液体试样以较高的流速通过。

SPE 盘的这个特点适合从水中富集痕量的污染物，1 L 纯净的地表水通过直径为50 mm 的SPE 盘仅需15～20 min[9]。

目前盘状的固相萃取剂可分为三大类: (1) 由聚四氟乙烯网络包含了化学键合的硅胶或高聚物颗粒填料。

填料含量占90 % ，聚四氟乙烯只占10 %。

(2) 由聚氯乙烯网络包含了带离子交换基团或其它亲合基团的硅胶，如由FMC 公司生产的Anti2Disk 膜厚lmm ，由聚氯乙烯与硅胶组成，膜的孔穴平均流通直径为1μm，流速可达20～80 ml/ min。

(3) 衍生化膜。

它不同于前两种，固定相并非包合在膜中，而是膜本身经化学反应键合了各种官能团。

如二乙胺基乙烯基、季胺基、磺酸丙基等[10]。

SPE 膜的缺点在于萃取膜不能再生利用。

图2列出了几种利用SPE 膜检测环境水样中多环芳烃的具有代表性的方法。

3.3操作步骤不同类型的填料,SPE 操作方法略有不同. 现以使用C18固相萃取柱为例,其操作过程如下:(1) 固相萃取柱的活化首先用选择性溶剂将固相萃取柱吸附剂润湿备用。

萃取柱的活化过程非常重要，会对方法的精密度和准确度产生很大影响，如果在活化的过程中萃取柱变干，必须重新进行活化；(2) 样品的吸附萃取将待测样品加入小柱，使其完全通过吸附柱，再加入适当的洗涤溶剂从固相萃取柱上除去其他不需要的组份，弃去废液；(3) 固相萃取柱的洗脱这一步骤的目的是将待测物完全洗脱并收集在最小体积的级分中，最后用洗脱液把保留在固相萃取柱上需要测定的组份淋洗下来，一并滴流至收集管中。

在洗脱时，应注重少量多次的原则；(4) 提取液的脱水与浓缩提取液中可能含有水分，在干净的移液管底部放置少许玻璃棉，其上填入5～10 cm 高的无水硫酸钠(5～7 g) 制成简易的干燥柱，进行提取液脱水。

然后将提取液放在40 ℃的水浴锅上用氮气吹脱浓缩至0.5 ml～1 ml (也可用K-D浓缩器浓缩提取液) ,转移至容量瓶中备用[6]。

固相萃取的基本操作步骤如图3所示。

图3 固相萃取操作示意图3.4固相萃取的影响因素（以农药残留分析为例）3.4.1吸附剂由于环境样品多为水溶液，SPE 吸附剂多选用反相吸附材料。

农药极性由弱极性到强极性，酸碱性由酸性到碱性不一而同，要找到适合所有农药的吸附剂几乎是不可能的，多组分农药残留分析一般以最大程度吸附各种农药作为选择吸附剂的标准。

应用于环境中农药残留分析的SPE 吸附剂主要有以下几种，常见吸附剂的性能参数见图4。

图4 SPE常见吸附剂(1) 键合硅胶类吸附剂键合硅胶吸附剂是目前应用最为广泛的固相萃取固定相。

键合硅胶的表面积一般50～500 m2/ g ,表面孔径大多在5～50 nm 间。

一般碳链长,固定相含碳量高，固定相极性小；碳链短，固定相极性大。

含腈基、氨基、磺酸基的固定相极性较大，除作为正相吸附剂外，键合硅胶是最常用的反相吸附剂，已被广泛应用少数情况下用作反相吸附剂，用于极性C18于有机磷、有机氯、氨基甲酸酯、及三嗪类的分析。

用三甲基硅烷等硅烷化试剂与固定相上残留的硅醇基反应，以使残留硅醇基被封闭或惰性化称为“封端”。

“封端”可避免残留硅醇基与醇类、胺类农药以氢键键合方式发生的次级吸附。

然而,烷基链上带羟基的未封端C18键合硅胶(C18/ OH) 对于极性农药的萃取效果优于封端后硅胶，这是因为未封端的矽烷基与极性农药间存在氢键等二极作用，从而使极性农药的保留更好。

研究结果表明，C18键合硅胶对于log kw > 2 的非极性和中等极性农药有机物的富集是有效的。

(2) 有机聚合物吸附剂近年来,随着有机聚合材料的发展,有机聚合物用于固相萃取的研究日益增多。

有机聚合物吸附剂多为苯乙烯- 二乙烯基苯共聚物( PS - DVB) 、聚甲基丙烯酸甲酯(PA) 、苯乙烯- 二乙烯基苯- 乙烯基乙苯共聚物( PS - DVB - EVB) 、苯乙烯- 二乙烯基苯- 乙烯吡咯烷酮( PS - DVB - NVP) 等。

有机聚合物吸附剂具有比键合硅胶更大的表面积，一般300～1200 m2/ g。

实验证明，有机聚合类吸附剂较键合硅胶类吸附剂性能稳定，对农残类化合物包括极性较大的氨基甲酸酯类农药、氯化苯氧基乙酸类除草剂吸附更完全，回收率更高。

与键合硅胶吸附剂类似，有机聚合物吸附剂也可通过傅氏反应引入功能基团达到吸附剂的功能化修饰。

对于极性较小农药的萃取，引入非极性的叔丁基可使吸附剂的保留因子增大,获得较好的萃取效果；相反，对于极性较大的农药，引入极性基团，如乙酰基、磺酸基、羧基、羧甲基等，萃取效果明显改善。

通过化学反应在疏水性基体表面引进适当数量的亲水性基团，可达到表面亲水性修饰。

研究表明，表面亲水性修饰后的吸附剂不需活化处理即能达到很好的萃取效果。

(3) 碳基吸附剂碳基吸附剂种类繁多，比表面积大，对农药类有机物，尤其是极性有机物具有良好的吸附萃取效果。

常见的碳基吸附剂有活性炭、分子筛、多孔石墨炭等。

多孔石墨炭(PGC) 是一种基于疏水性作用和电子作用的新型碳基吸附剂，这种多重作用机理使其广泛适用于从非极性到极性的众多化合物，尤其对于具有平面分子结构且含极性基团和大π键、孤对电子的农药分析物具有强的吸附能力。

研究表明，对于极性较大的杀虫剂、除草剂等农药，PGC 效果优于C18键合硅胶和PS - DVB 等有机聚合吸附剂。

其他新型碳基吸附剂有C60富勒烯、多壁碳纳米管等，但由于此类碳基吸附剂价格昂贵，目前应用受到一定的限制。

吸附剂的选择一般根据农药分析物的kw 值进行选择，但每次不一定选择kw最大的材料作为吸附剂。

一般，若某农药的kw 约为100，则选用C18键合硅胶；若kw很小且分析要求浓缩倍数很高，则选用有机聚合物吸附剂；若需萃取极性很大的农药分析物，则选用有机聚合物吸附剂或PGC 等碳基吸附剂。

3.4.2保留体积SPE 是分析物在液相样品与固相吸附剂间的分配过程，这就意味着，萃取过程中要求保留因子kw越大越好；洗脱过程中要求保留因子kw越小越好。

当通过样品体积达到一定值时,样品中分析物会穿透流出,回收率急剧下降。

穿透体积Vb 是指滤液中的分析物浓度为原样品溶液中分析物浓度1 %时的样品溶液的总流出体积，可通过理论计算得出,如下式:其中，δv 为标准偏差；Vr 为分析物的保留体积；V为固相萃取柱死体积，其值可由吸附剂空隙率(ε)和柱床体积(Vc )根据公式V= Vcε进行估算，C18填充固相萃取柱的死体积约0.54 cm3；N 为SPE柱理论塔板数，一般商品化固相萃取柱的理论塔板数大约为20；k w 为分析物的保留因子，中等极性农药如莠去津除草剂的(log kw) 为 2.7 ，由公式(1)、(2)和(3)可预测C18SPE 柱对该农药的穿透体积约为130 mL 。