SPE固相萃取技術(shù)的原理,類型,方法和應(yīng)用.ppt

固相萃?。⊿PE）技術(shù),翟宇君 奧秘科技有限公司 客服: 0531-8856-3956,固相萃取技術(shù)SPE,一、 概述 二、 SPE基本原理 三、 SPE法的優(yōu)點(diǎn) 四、 SPE裝置 五、 SPE的類型 六、 SPE方法的建立 七、 SPE的應(yīng)用,一、概述,所謂萃取法 ,就是從樣品中提取組分 ,傳統(tǒng)的方法是液液萃取法 ( LLE) ,即用液體作為提取劑 ;我們這里探討的SPE ,是用固體物質(zhì)作為萃取劑 ,采用高效、高選擇性的固定相 進(jìn)行萃取的樣品預(yù)處理技術(shù)。 SPE技術(shù)自上世紀(jì)70年代后期問世以來，發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于環(huán)境、制藥、臨床醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域 。,一、概述,借助SPE所要達(dá)到的目的是： （1）從試樣中除去對(duì)以后的分析有干擾物質(zhì)；（2）富集痕量組分，提高分析靈敏度； （3）變換試樣溶劑，使之與分析方法想匹配； （4）原位衍生； （5）試樣脫鹽。 使用SPE方法，要盡可能避免柱因超載而被穿透，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性 。,一、概述 樣品類型,SPE可以用于所有類型樣品的處理，但是液體樣品是最容易處理的。,Survey response %,二、SPE基本原理,SPE是一種吸附劑萃取，樣品通過填充吸附劑的一次性萃取柱，分析物和雜質(zhì)被保留在柱上，然后分別用選擇性溶劑去除雜質(zhì)，洗脫出分析物，從而達(dá)到分離的目的。 SPE的分離模式主要取決于填充劑的類型和溶劑的性質(zhì)。,二、SPE基本原理,SPE也是一個(gè)柱色譜分離過程，分離機(jī)理、固定相和溶劑的選擇等方面與高效液相色譜（HPLC）有許多相似之處。 但是SPE柱的填料粒徑（40m）要比HPLC填料（310m）大。由于短的柱床和大的粒徑，SPE柱效比HPLC色譜柱低得多。 因此，用SPE只能分開保留性質(zhì)有很大差別的化合物。 與HPLC的另一個(gè)差別是SPE柱是一次性使用。,三、SPE法的優(yōu)點(diǎn),(1 ) 簡(jiǎn)單、快速和簡(jiǎn)化了樣品預(yù)處理操作步驟 ,縮短了預(yù)處理時(shí)間。 (2 ) 處理過的樣品易于貯藏、運(yùn)輸 ,便于實(shí)驗(yàn)室間進(jìn)行質(zhì)控。 (3 ) 可選擇不同類型的吸附劑和有機(jī)溶劑用以處理各種不同類的有機(jī)污染物。 (4) 不出現(xiàn)乳化現(xiàn)象 ,提高了分離效率。 (5) 僅用少量的有機(jī)溶劑 ,降低了成本。 (6) 易于與其他儀器聯(lián)用 ,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線分析。,四、 SPE裝置,Cleaned polyethylene frits,Sorbent bed,Luer tip,“Shrink-wrapped“ polypropylene,五、 SPE的類型,在SPE法中最常用的吸附劑是硅膠或鍵合相的硅膠即在硅膠表面的硅醇基團(tuán)上鍵合不同的有機(jī)基團(tuán)，如烷基鏈或其它官能團(tuán)，如-OH、-C6H5、-NH2、-CN等。實(shí)際上吸附劑角色是由這些新接上的含官能基碳鏈來完成。 以硅膠為基質(zhì)的吸附劑主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 粒徑（e.g.40m)、孔徑（ e.g.60A）、表面積（600m2/g)、鍵合量易控制；機(jī)械強(qiáng)度高；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；適應(yīng)性廣；可使用的溶劑種類多。,五、 SPE的類型 硅膠表面的官能團(tuán),Si,Si,OH,OH,Free silanol,Adsorbed water,Siloxane bridge (dehydrated silanol),Geminal silanol,Si OH,2,O O,OH,Si OH,Bound and reactive silanols,Si,Si O,Si O,H,H,五、 SPE的類型,依據(jù)柱中填料（吸附劑）來劃分，可將SPE法分為吸附型和鍵合相分配型（BPC）。 吸附型SPE是采用極性較強(qiáng)的硅膠、硅藻土和氧化鋁等吸附劑，樣品進(jìn)入柱中，分析物的極性官能團(tuán)先迅速被吸附至極性吸附劑上，而后以低極性溶劑轉(zhuǎn)至中極性溶劑陸續(xù)洗去雜質(zhì)及洗脫出分析物。,五、SPE的類型 以硅膠為基質(zhì)的固定相的分類,NON-POLAR PHASES,C18,Octadecyl,C2,Ethyl,CH,Cyclohexyl,PH,Phenyl,POLAR PHASES,CN,Cyanopropyl,2OH,Diol,NH2,Aminopropyl,SI,Silica,ION-EXCHANGE PHASES,SCX,Strong cation exchanger,CBA,Weak cation exchanger,SAX,Strong anion exchanger,NH2,Weak anion exchanger,SPECIALTY PHASES,PBA,CERTIFY,ENVIRELUT,ACCUCAT,Increasing polarity,五、 SPE的類型 硅膠鍵合非極性固定相,填充劑使用非極性烷烴類化學(xué)鍵合相 （C18、C8、C6H5-C6H11等）的SPE分離方式稱為反相BPC。最適用于極性基質(zhì)中萃取非極性化合物。 當(dāng)樣品溶液通過萃取柱時(shí)，雜質(zhì)不被保留，直接通過柱子除去，只有分析物保留在柱上，只要選用一種合適的洗脫溶劑既可將其從柱上洗下。,五、SPE的類型 分析物與非極性固定相的作用力,NH2,SO3-,Van der Waals forces,Silica base,Bonded functional group (C8),五、 SPE的類型 硅膠鍵合極性固定相,填充劑使用極性鍵合固定相（-NH2、-CN、-2OH等官能團(tuán)）的SPE分離方式稱為正相BPC。 其對(duì)極性分析物的吸附力不及分配型SPE大，故洗脫容易。在實(shí)際使用中，先以非極性溶劑清洗管柱，繼而加樣，分析物立刻會(huì)被吸附，然后以非極性溶劑洗去雜質(zhì)，最后以極性溶劑洗脫分析物。,五、 SPE的類型 分析物與極性固定相的作用力,O,Dipolar attraction or hydrogen bonding,Silica base,N,C,O,OH,O,H,O,H,H,五、 SPE的類型 硅膠鍵合離子交換劑,填充劑為硅膠基質(zhì)的離子交換官能團(tuán)有：季胺、氨基、二氨基、苯磺酸基、羧基等。 此外常用的還有聚合物，如苯乙烯-而乙烯苯共聚物XAD-2及PRP-1等。相對(duì)于鍵合相填料，聚合物可適用于全部pH范圍，因而應(yīng)用廣泛。 對(duì)于酸性化合物，如有機(jī)酸、無機(jī)陰離子、酸性蛋白等，一般采用陰離子交換SPE柱； 對(duì)于堿性化合物，如有機(jī)胺、金屬離子、兒茶酚胺和堿性蛋白等，采用陽(yáng)離子交換SPE柱。,SCX PRS CBA SAX PSA NH2,Strong anion Strong anion, pKa 1 Weak anion, pKa 4.8 Strong cation Weak cation, pKa 10.9, 10.1 Weak cation, pKa 9.8,NHCH2CH2NH2,0.7meq/g 0.3meq/g pH-sensitive 0.8meq/g pH-sensitive pH-sensitive,硅膠鍵合離子交換劑 Weak or Strong Acids/Bases,五、SPE的類型 分析物與離子交換劑的作用力,NH3+,Electrostatic attraction,Silica base,OH,CO2H,SO3-,CO2-,OCON(CH3)2,+N,基體對(duì)選擇合適分離機(jī)制有著重要影響（e.g.),Suggested mechanism Non-polar Polar Ion exchange,五、 SPE的類型 混合模式固定相,六、 SPE方法的建立,SPE操作步驟包括有柱子類型的選擇、柱預(yù)處理、加樣、洗去干擾物和回收分析物四個(gè)步驟。 在加樣和洗去干擾物步驟中，部分分析物有可能穿透SPE柱造成損失，而在回收分析物步驟中，分析物可能不被完全洗脫，仍有部分殘留在柱上。最理想的情況是分析物100%地回收到收集的組分中，但這并不是總能達(dá)到的。,SPE柱子類型的選擇,1、Reversed-phase bonded silica sorbents having alkyl groups such as octadecyl (C18, C18), octyl (C8, C8), or ethyl (C2, C2) covalently bonded to the silica gel backbone or cyclohexyl (CH) or phenyl groups and sorbents composed of polymeric resins such as polystyrenedivinylbenzeneinteract primarily with analytes via van der Waals forces. 2、Nonionic watersoluble compounds can be retained by reversed-phase sorbents but may not be as well retained as analytes that are soluble in methanol or methanolwater miscible mixtures. 3、Normal-phase polar sorbents, such as silica, alumina, and Florisil, and cyano (CN) bonded phases interact by polar-dipole/dipole forces between polar functional groups in the analyte and the polar surface of the sorbent. 4、Amino (NH2) and diol sorbents interact with analytes by hydrogen bonding. 5、Hexane-soluble analytes are best retained by normalphase sorbents such as silica or Florisil or polar functionally substituted bonded phases such as amino or diol. 6、Strong cation-exchange (SCX) and strong anion-exchange (SAX) sorbents interact primarily through electrostatic attractions between the sorbent and the analyte. 7、Graphitized carbon sorbents exhibit both nonspecific van der Waals interactions and anionexchange, or electrostatic, attraction for analytes.,1、Dependence of Sorption on Sample pH If a compound is ionizable, the extraction will be pH dependent.,Monomethyl (MMP), Monoethyl (MEP), Mono-n-propyl (MPRP), Mono-n-butyl (MBP), Mono-n-pentyl (MPEP), Mono-n-octyl (MOP) Phthalates（鄰苯二甲酸鹽酯）,2、Dependence of Sorption on Sample Volume Breakthrough volume as the point at which 1% of the sample concentration at the entrance of the sorbent bed is detected at the outlet of the sorbent bed. The type and quantity of sorbent, hydrophobicity and ionizability of the analytes, and sample volume and pH interactively determine the breakthrough volume. The breakthrough volume for a specific mass of sorbent can be established by either loading variable-volume samples of constant concentration or variable-volume samples of variable concentration, in which case the latter comprises a constant molar amount loaded 。Alternatively, methods exist for predicting the breakthrough volume.,六、 SPE方法的建立 柱預(yù)處理-Condition,柱預(yù)處理有兩個(gè)目的:一個(gè)目的是除去填料中可能存在的雜質(zhì)；另一個(gè)目的是使填料溶劑化，提高固相萃取的重現(xiàn)性。填料未經(jīng)預(yù)處理或者未被溶劑濕潤(rùn)，能引起溶質(zhì)過早穿透，影響回收率。 對(duì)于非極性相和離子交換SPE柱使用的柱預(yù)處理溶劑為易溶于水的甲醇、 乙腈、四氫呋喃和丙酮。通常還要用水或緩沖液洗去殘留在柱上的有機(jī)溶劑。,六. SPE方法的建立 柱預(yù)處理-Condition,對(duì)于極性的SPE柱，非極性溶劑適合用于預(yù)處理過程 。通常很少有人用極性溶劑去處理極性的SPE柱， 因?yàn)闃O性溶劑會(huì)與鍵合相發(fā)生作用 ，減少吸附劑的與樣品作用的表面積。,六、 SPE方法的建立 柱預(yù)處理 Why Condition？,Conditioned sorbent Unconditioned sorbent,Good transport between sample,and sorbent,六、 SPE方法的建立 加樣- Load Sample,預(yù)處理后，試樣溶液被加至并通過SPE柱。在該步驟，分析物及雜質(zhì)被保留在吸附劑上。 為了防止分析物的流失，試樣溶劑強(qiáng)度不宜過 高。當(dāng)以反相機(jī)理萃取時(shí)，以水或緩沖劑作為溶劑，其中有機(jī)溶劑量不超過10%（V/V）。為克服加樣過程中分析物流失，可采用弱溶劑稀釋試樣、減少試樣體積、增加SPE柱中的填料量和選擇對(duì)分析物有較強(qiáng)保留的吸附劑等手段。,六、 SPE方法的建立 除去干擾雜質(zhì)-Wash,用中等強(qiáng)度的溶劑，將干擾組分洗脫下來，同時(shí)保持分析物仍留在柱上。對(duì)反相萃取柱，清洗溶劑是含適當(dāng)濃度有機(jī)溶劑的水或緩沖溶液。通過調(diào)節(jié)清洗溶劑的強(qiáng)度和體積，盡可能多地除去能被洗脫的雜質(zhì)。 為了決定最佳清洗溶劑的濃度和體積，加試樣于SPE柱上，用510倍柱床體積的溶劑清洗，依次收集和分析流出液，得到清洗溶劑對(duì)分析物洗脫廓形。增加清洗溶劑強(qiáng)度，根據(jù)不同強(qiáng)度下分析物的洗脫廓形，決定清洗溶劑合適的強(qiáng)度和體積。,六、 SPE方法的建立 分析物的洗脫和收集-Elution,這一步驟的目的是將分析物完全洗脫并收集在最小體積的組分中，同時(shí)使比分析物更強(qiáng)保留的雜質(zhì)盡可能多地仍留在SPE柱上。 洗脫溶劑的強(qiáng)度是至關(guān)重要的。較強(qiáng)的溶劑能夠使分析物洗脫并收集在一個(gè)小體積的級(jí)分中，但有較多的強(qiáng)保留雜質(zhì)同時(shí)被洗脫下來。當(dāng)用較弱的溶劑洗脫，分析物級(jí)分的體積較大，但含較少的雜質(zhì)。為了提高分析物的濃度或要進(jìn)行溶劑轉(zhuǎn)換，可以把收集到的分析物級(jí)分用氮?dú)獯蹈?，再溶于小體積適當(dāng)?shù)娜軇┲小?六、 SPE方法的建立,Retention Rinsing Elution,Sample matrix Wash solvent Elution solvent,六、 SPE方法的建立,從SPE的操作步驟可以看出，SPE的重現(xiàn)性受多個(gè)因素的影響，實(shí)驗(yàn)條件是影響重現(xiàn)性的主要原因。提高重現(xiàn)性的方法有 （1）使用替代物，加入適當(dāng)?shù)奶娲镒鰠⒈龋?（2）加入樣品量適當(dāng)，不超出穿透量和穿透體積； （3）選擇合適的洗滌液和洗脫液，確保分析物在操作中不流失。,七、 SPE的應(yīng)用 非極性SPE柱,Vitamin K1 from Serum using C8,3,O,O,Surrogate, vitamin K1(25), contains additional 1-methyl butyl group,七. SPE的應(yīng)用 非極性SPE柱,Condition: 2.0mL MeOH, 1.0mL H2O Load Sample: 50mL serum, 30mL I.S., 1mL H20 Wash: 21.0mL H20, dry under vacuum for 1 minute Elute: HPLC mobile phase - AcCN/IPA/DCM (7:1:2 v/v) 2150mL SPE柱: C8柱 選擇C8是因?yàn)榫S生素K1是親脂性的 ，并且比C18柱更易于洗脫下來，洗脫之前一定要除去柱上的水分。 分析儀器：HPLC-DAD 檢測(cè)器,七、 SPE的應(yīng)用 極性SPE柱,HO,Cholesterol膽固醇 cholesteryl ester膽甾醇酯 Triglyceride甘油三酸酯 Diglyceride甘油二酯 Monoglyceride甘油一酸酯 free fatty acid 脂肪酸 Phospholipid磷脂,Class Fractionation of a Lipid Mixture on NH2 Sorbent,七、 SPE的應(yīng)用 極性SPE柱,Sample pre-treatment: Plasma lipids were extracted and dried, then reconstituted in CHCl3. Method development started from consideration of lipid structure (possible anion exchange, H-bonding, dipolar and non-polar interactions. TLC data provided indication on suitable sorbent types for screening. Solubility data was also used to devise suitable wash/elution solvent trials.,七、 SPE的應(yīng)用 極性SPE柱,Solvent type P Lipid class eluted A 2:1 CHCl3/IPA 4.07 All neutral lipids B 2% AcOH in EtOEt 2.86 Fatty acids C MeOH 5.10 All phospholipids D Hexane 0.01 Cholesteryl esters E 1% EtOEt/10% 0.44 Triglycerides DCM in hexane F 5% EtOAc in hexane 0.32 Cholesterol G 15% EtOAc in hexane 0.62 Diglycerides H 1:1 CHCl3/MeOH 4.43 Monoglycerides,七、 SPE的應(yīng)用 極性SPE柱,C, CE,TG, DG,MG,CE,PL,A,C,D,PL,FA,B,C, TG,DG,MG,CE,D,FA,PL,C, TG,DG,MG,A three cartridge sequence that permits best separation,七、SPE的應(yīng)用 極性SPE柱,C,