第四節　固相萃取的裝置

一、固相萃取柱構造

固相萃取柱的種類很多，但從其柱的構型來分，最基本的有兩種：固相萃取柱（Cartridge）和固相萃取盤（Disk）。

（一）固相萃取柱（Cartridge）

一般商品固相萃取柱的結構如圖2-11所示，其柱體通常由含雜質極低的聚丙烯制成，有時為了某些特殊需要，柱體也可用玻璃或聚四氟乙烯制成。在柱的入口配有母螺絲以便于與較大的儲液器相連，在其出口也配有公螺絲。固相萃取柱的容積從1～50mL不等，典型的商品固相萃取柱容積為1～6mL，填料質量多在0.1～2g之間，常用的有0.3g、0.6g、0.9g幾種規格，填料的粒徑多為40μm。在填料的上下兩端各有一個聚乙烯（聚丙烯、聚四氟乙烯或不銹鋼等）制成的篩板。如前所述，反相固相萃取柱最常用的填料是C18鍵合硅膠，其他填料有C8鍵合硅膠、苯基鍵合硅膠、活性炭、炭分子篩、石墨化炭黑及疏水性高聚物填料等，這些填料具有強的疏水性，對水溶液樣品中的大多數有機化合物具有好的保留。正相固相萃取使用的填料有非鍵合硅膠、雙醇基硅膠、氰基硅膠、氨基硅膠、硅酸鎂等。另外，固相萃取中還使用離子交換劑、排阻色譜填料、免疫親和色譜填料及分子模板高聚物填料等。具體實驗工作中，需根據分析對象、檢測手段及實驗室條件合理選擇合適填料、合理規格的固相萃取柱。選擇時要考慮固相萃取柱對分析對象的萃取能力、樣品溶液的體積、洗脫后溶液的最終體積等。還要根據樣品溶液中被測物及干擾物的總量選擇合適容量的萃取柱，一般被柱中吸附劑吸附的被測物及干擾物的總質量不應超過吸附劑總質量的5％，而洗脫劑的體積一般應是萃取柱柱床體積的2～5倍。

需要指出的是，商品固相萃取柱的柱構型、柱填料有時并不能滿足特定工作的需要，此時可根據自己工作的需求，選擇合適規格的柱體和填料，自行裝填固相萃取微柱（Minicolumn）。這樣可以取得比商品固相萃取柱更好的效果。

不管是商品柱還是自己裝填的柱子，都要注意柱體材料、篩板材料及填料中的雜質是否會對萃取及測定產生影響，因此進行固相萃取實驗時，都必須同時做空白實驗。如果空白值太高，則必須對方法和固相萃取裝置加以改進，從而降低污染，減少空白。

對已經選定的柱子，實驗時則必須注意選擇合適的溶劑，如果選擇不當，有時會引起柱材料或篩板材料中增塑劑、穩定劑或柱材料本身的溶出或溶解。對各種柱體材料中雜質的溶出情況及柱體本身的溶解情況，應在使用前查閱相關手冊或產品使用說明。幾種常見的商品固相萃取柱的規格、萃取劑類型及其主要用途可查閱有關產品介紹手冊［182～184］。

（二）固相萃取盤（Disk）

據前所述，固相萃取柱大多填充100～500mg的40μm的填料，并在柱兩端配有多孔的金屬或塑料篩板，這種較大顆粒填料及其特定的柱構型決定了萃取過程中當有液流通過時必有溝流現象存在，并且由于其較低的傳質效率，使得萃取時的加樣流速不能太大，否則會引起萃取效率的降低，得到較低的回收率。

固相萃取的另外一種操作形式是固相萃取盤。商品固相萃取盤首先出現于1989年，在這一年美國3M公司推出了Empore系列固相萃取圓盤產品。這種新型的固相萃取操作方式給分析工作者提供了一種除柱式固相萃取操作方式之外的另一種更加有效、快速的樣品前處理新方法。固相萃取圓盤與過濾膜十分相似，它一般是由粒徑很細（8～12μm）的鍵合硅膠或吸附樹脂填料加少量聚四氟乙烯或玻璃纖維絲壓制而成，其厚度在0.5～1mm之間。在該萃取圓盤中，聚四氟乙烯或玻璃纖維支撐基質約占總質量的10％～40％，而填料則占60％～90％。圖2-12為一般的固相萃取圓盤裝置示意圖。

固相萃取盤的這種結構增大了面積、降低了厚度，對于同等重量的填料，固相萃取圓盤的橫截面積約是固相萃取柱的10倍，還有盤式固相萃取采用了小粒徑的填料。上述措施的采用必然導致萃取容量的增大和萃取流速的提高，從而使萃取效率提高。很多體系流速達到了每分鐘幾十毫升仍可定量萃取，例如采用直徑為47mm的固相萃取圓盤萃取1L地表水僅需約20min。由于無需篩板，盤式固相萃取減少了由此引起的污染。盤片內緊密填充的填料基本消除了溝流現象的存在。固相萃取盤大而薄的結構特點決定了萃取圓盤不易堵塞。另外，圓盤萃取定量洗脫所需洗脫劑體積小，傳統的液-液萃取一般需要300mL溶劑，而用Empore固相萃取盤一般僅需10～20mL溶劑，這既節約資金、益于環保，又有利于獲得高的富集倍數。所以圓盤固相萃取特別適合于從較大體積的水溶液中萃取富集痕量被測物。

一般固相萃取圓盤是由纖維狀網狀支撐基質與粒徑很細（8～12μm）的顆粒狀填料壓制而成。常見的支撐基質有聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）及玻璃纖維等。常見的填料有：①反相化學鍵合硅膠填料，包括C18、C8、C2鍵合硅膠，該類填料對非極性憎水有機化合物有強的吸附能力，三者中以C18鍵合硅膠的吸附能力最強。②非極性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物（PS-DVB）填料，該類吸附劑的作用原理大多為疏水性相互作用原理，一般而言它們對非極性有機化合物有較強的吸附能力。③脂-水兩親型高聚物吸附劑填料，該類吸附劑多由非極性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物填料發展而來，通過在苯乙烯-二乙烯基苯等高聚物表面鍵合適當的親水性基團如乙酰基、磺酸基、羧基苯甲酰基等，使高聚物的親水性增加，從而具有脂-水兩親性，即對極性和非極性化合物均有好的吸附性，而且由于極性基團的引入，增加了填料與水溶液的親和性，有利于固定相與分析物的緊密表面接觸，從而可改善吸附萃取效果。④碳基吸附劑填料，此類吸附劑包括活性炭、碳分子篩和石墨化炭黑，其中以石墨化炭黑（GCBs）應用最為廣泛，石墨化炭黑填料對極性有機化合物有強的吸附力。⑤離子交換型吸附劑填料。⑥正相固相萃取吸附劑填料，包括活性氧化鋁、活性硅膠、硅鎂型吸附劑、極性基團如氨基、氰基、二醇基等修飾的鍵合硅膠等，此類吸附劑很少被直接用于對天然樣品的固相萃取，它們主要用于對復雜的天然固體或液體樣品抽提物的凈化處理。例如首先用正己烷或異丁醇提取天然水、底泥、土壤、食品或生物組織等樣品中的有機化合物，然后再用正相固相萃取吸附劑對此提取液進行凈化處理。⑦螯合型樹脂填料，此類填料為含有特定螯合基團的高聚物，特定的螯合樹脂對特定的金屬離子有選擇性的吸附。

與固相萃取柱的使用一樣，具體實驗工作中，需根據分析對象、需萃取的樣品溶液體積大小、檢測手段及實驗室條件選擇合適填料、合理規格的固相萃取盤。固相萃取盤的規格大小用盤的直徑來表示，其規格從4.6mm到90mm不等，其中最常使用的是47mm萃取盤，此盤適合于處理0.5～1L的水樣，萃取處理用時為10～20min。

由于固相萃取盤的種種優點及現有商品固相萃取盤填料種類的多樣性，因而盤式固相萃取法應用日益廣泛，特別適合于各種飲用水、地下水、地表水及其廢水樣品的分析測定。分析對象包括多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）、二英類、酚類、苯二甲酸酯類、有機磷類殺蟲劑、有機氯類殺蟲劑等。幾種經美國EPA驗證的Empore盤固相萃取法列于表2-5。

近年來，藥物和個人護理品（PPCPs）成為又一大類受到關注的新型污染物，合成麝香（SMs）是PPCPs中個人護理類用品的典型代表，它在環境中的存在、污染現狀和生態毒性引人關注。環境水樣中微量合成麝香的萃取一般采用C18硅膠填料，但C18硅膠固相萃取柱過樣流速小，對大體積樣品的萃取耗時多，效率低。蔡亞岐等采用美國Supeclo公司的47mm C18萃取盤對大體積環境水樣中的7種微量合成麝香進行了萃取富集［185］。首先用20mL甲醇-二氯甲烷（1:1，體積比）分兩次清洗萃取盤，抽干之后，用20mL甲醇、20mL去離子水緩慢通過萃取盤，對萃取盤進行充分活化，之后使500mL混有AHTN-d3同位素標記替代物標樣的待測水樣過柱。在此過程中，要保證萃取盤不要抽干，待水樣全部過柱之后，用N2吹法使萃取盤充分干燥。依次加入20mL正己烷、10mL正己烷-二氯甲烷（2:1，體積比）、10mL正己烷-二氯甲烷（1:1，體積比）進行洗脫，合并洗脫液，用N2進行濃縮并定容至1mL，加入內標HCB-C13，進行GC-MS檢測（圖2-13）。C18萃取盤的采用大大加快了萃取速度，上述萃取過程可在20min完成，建立的分析方法對7種合成麝香的線性范圍為0.001～1μg·mL-1，檢出限在1.0～1.2ng·L-1（S/N=5），實際樣品平均加標回收率均在78.6％～106.3％范圍內，該方法適用于自來水、河水、污水等環境水樣中合成麝香的分析。

采用納米材料制備新型固相萃取盤的研究也有報道。蔡亞岐等利用單壁碳納米管（SWCNTs）易于成膜的特點，制備了單壁碳納米管及羧基化的單壁碳納米管固相萃取盤［186］。制備流程如圖2-14所示，首先將30mg SWCNTs均勻分散在表面活性劑溶液中，再以定量濾紙為支撐體，負壓下過濾該溶液，使SWCNTs均勻分布在濾紙上，這樣可形成固相萃取盤。該固相萃取盤保持了碳基吸附劑吸附能力強的優點，又克服了活性炭萃取盤對某些有機污染物不可逆吸附的缺點。單壁碳納米管固相萃取盤在10～100min內可處理1000mL水樣，萃取容量高，萃取速度快，與高效液相色譜聯用，可有效富集大體積水樣中酞酸酯、氯酚、烷基酚、雙酚A、磺酰脲農藥等不同極性污染物。其中對環境類雌激素雙酚A、辛基酚和壬基酚的檢測限分別達到7ng·L-1、25ng·L-1和38ng·L-1，在自來水、河水、污水中三種污染物的加標回收率均在60％～100％范圍內，圖2-15是污水處理廠出水中三種污染物的色譜圖。

二、固相萃取的過濾裝置

在進行固相萃取的操作時，為了讓樣品溶液順利通過固相萃取盤或柱，大多需要采取加壓或負壓抽吸的方法以加快過濾速度，從而保證在較短時間內處理盡可能多的樣品溶液，即保證測試工作的高效率。采取加壓或負壓抽吸的方法還有助于樣品溶液與固定相的更緊密接觸，使溶液易于進入固定相的孔隙，從而提高萃取的效率。另外，由于活化溶劑在加壓的情況下與固定相的接觸緊密，活化效率高，因而在加壓的情況下，可用較少體積的溶劑完成對萃取柱或盤的活化，節約溶劑。同理，加壓也可提高洗脫效率，從而用較少的溶劑就可將被測的分析物從固定相上洗脫下來。

固相萃取時的加壓操作可通過在液體樣品儲液桶的上方用空氣或氮氣鋼瓶施加1～2bars的壓力來實現。當僅僅有少量（幾毫升）樣品溶液需處理時，可將樣品溶液加入固相萃取柱的儲液桶中，然后將該儲液桶與一較大體積的桶狀注射器相連，然后手動在注射器的活塞上加壓，將樣品溶液壓過固相萃取柱。

最常使用的使樣品溶液較快通過固相萃取柱或盤的方法是負壓抽吸。這可通過將固相萃取柱或盤的下方與水泵或真空泵相連，然后用泵施加適當的真空度，從而將樣品溶液抽吸通過固相萃取柱或盤。這種操作裝置可自行組裝，也可購買商品的固相萃取過濾裝置。現在有好多固相萃取柱或盤的供應商也同時提供配套的過濾裝置，這些過濾裝置往往允許同時處理多個樣品（最常見的為同時處理12個或24個樣品），有利于提高工作效率。圖2-16是負壓抽吸式固相萃取過濾裝置示意圖。

三、磁性固相萃取裝置

所謂磁性固相萃取，是利用磁性納米顆粒作為固相萃取劑，將其分散到溶液中對目標物進行吸附，達到吸附平衡后，利用外加磁場實現萃取劑與母液的快速分離，然后將目標物洗脫，洗脫液經濃縮后再利用色譜法（或光譜法）進行定量測定的樣品前處理方法，其裝置和流程如圖2-17所示。這種新型的固相萃取過程最大的特色是引入了磁性納米顆粒作為固相萃取吸附劑和外加磁場作為分離裝置。與常規的微米級固相萃取劑相比，納米材料由于具有較高的比表面積和較短的吸附擴散路徑，因此吸附性能更優越、萃取速率更快，目標物的洗脫也更為容易，在樣品的分離富集方面有很好的應用潛力。但它同時也存在固液分離困難、上樣時壓力過高等問題。如果將它與磁性材料相結合得到磁性納米顆粒，然后通過表面包覆或表面改性，使之獲得功能基團，即可制得功能化磁性納米材料。這種磁性納米復合材料既具有磁性，又具有表面活性基團，能與金屬離子、有機污染物或生物分子等發生特異性吸附。將其作為固相萃取劑，在痕量目標物的分離萃取方面有獨特的應用價值。

由于磁性納米顆粒具有超順磁性，因此在沒有外加磁場時，材料不表現磁性，可完全分散到樣品中，與被分析物充分接觸。吸附完成后，當在容器壁外施加外加磁場時，萃取劑產生很強的同向感應磁場，在外加磁場的作用下，吸附被分析物的萃取劑會被迅速吸附到容器壁上，從而實現快速的固液分離。該方法的優點主要有三方面：①磁性分離解決了固液分離困難的問題，顯著提高了大體積環境水樣的分析速度；②納米材料比表面積大的特點使其萃取容量顯著提高，大大減少了萃取劑用量；③磁性納米顆粒制備過程簡單，成本低廉，而且可以重復使用。這種磁性固相萃取方法操作簡便快捷，無需特殊設備，分離過程可控，非常適合大體積水樣中痕量目標物的固相萃取。

四、固相萃取的自動化

當需要分析測定的樣品很多時，可根據需要選擇不同程度的自動化固相萃取操作方式，這樣不但可以提高工作效率，而且可以減少人為操作造成的某些誤差。固相萃取的自動化研究工作大約起步于20世紀80年代后期，經過近20年的發展，其技術日益成熟，應用日益廣泛，其應用領域包括環境科學、食品科學、臨床化學、藥物分析等研究中的所有分析化學課題。

固相萃取的自動化主要包括96孔固相萃取板系統（96-Well extraction systems）、在線固相萃取（On-line solid phase extraction）以及最近開發出來的自動化固相萃取裝置（Auto SPE）。

（一）96孔固相萃取板系統

當固相萃取與后續測定之間為離線方式時，可考慮使用Agilent或其他公司開發的96孔固相萃取裝置。該裝置如圖2-18所示，其上層為萃取板（萃取樣品溶液），萃取板通過一密封墊圈與其下的收集板（收集被洗脫的分析物）相連，收集板再通過密封墊圈與最下邊的真空泵連接。這種裝置可進行半自動化的固相萃取操作，其同時可進行96個樣品溶液的固相萃取處理，其處理一批樣品所需總時間一般不超過1h。

（二）在線固相萃取

盡管離線固相萃取與傳統液-液萃取相比具有萃取效率高、萃取速率快、使用有機溶劑少、富集倍數大等優點，但在某些情況下，仍感其操作費時費力、操作過程中易于被污染，且由于洗脫液有時需進一步蒸發濃縮及只有極少量洗脫液在隨后的分析步驟中可被利用，故分析靈敏度有較大的損失。在線固相萃取在某種程度上可克服上述不足。在線固相萃取主要是指固相萃取與高效液相色譜、氣相色譜及其他分析方法的在線聯用。

固相萃取易于以柱切換（Column switching）或預柱（Precolumn）的形式實現與液相色譜的在線聯用。該聯用技術自20世紀80年代發展以來，由于其具有的突出優點，目前已獲長足發展［187～191］。該聯用體系的典型結構如圖2-19所示，在該體系中，固相萃取預柱首先被置于六通閥的采樣環位置，經過對萃取預柱的預處理、上樣吸附富集、清洗雜質等步驟后，通過六通閥將預柱切換至注射位置，即將預柱與分析柱相連，此時可用合適的流動相將吸附于預柱上的被測物直接洗脫至分析柱，被分析物在流動相的推動下在分析柱得到分離，最終到達檢測器檢測。

從在線聯用的分析過程可看出，其預濃縮與分析測定之間聯為一體，步驟簡單、與外部環境接觸少，這樣可將分析過程中的污染減少到最低程度；由于在線操作過程中被預柱吸附的被分析物全部進入分析柱，總體富集效率較高，測定靈敏度高，因而可用比離線操作少得多的樣品進行分析測定；另外由于在線聯用分析過程中預富集與色譜測定可同時進行，即在分析一個樣品時可同時用預柱富集下一個樣品，所以可節約分析時間，提高工作效率。

固相萃取除可與液相色譜聯用外，其與氣相色譜、毛細管電泳等的在線聯用也有研究，這方面的具體研究情況可參閱有關文獻［186，192～197］。

（三）自動化固相萃取裝置

自動化固相萃取儀是一套由液體處理平臺衍生開發出的能夠在無人值守情況下自動化運行固相萃取方法的固相萃取裝置。例如，Thermo Fisher公司的AutoTrace 280自動化固相萃取儀（圖2-20），它能夠全自動完成固相萃取過程中包括活化、上樣、淋洗和洗脫的所有步驟，主要用于對大體積水樣的在線固相萃取。AutoTrace 280的上樣體積為20mL～20L，是目前市面上上樣體積最大的設備，而且能夠同時處理6個樣品，兼容3種不同規格的SPE柱和SPE盤；還有就是采用正壓上樣，具有更高的重復性和穩定性。目前，這套自動化固相萃取儀已經廣泛地用于各種水樣中痕量目標化合物的萃取，加標回收率和重現性都能令人滿意。

此外，目前市面上還有許多不同廠商生產的自動化固相萃取儀，如美國Horizon公司的SPE-DEX全自動固相萃取儀、美國Gilson公司的GX-27X ASPEC系列全自動固相萃取儀、日本GL Sciences公司的AQUA Trace ASPE 7X自動固相萃取儀，我國國內有濟南海能儀器股份有限公司的Hanon Auto SPE全自動固相萃取儀和上海屹堯儀器科技發展有限公司的CLEVER全自動固相萃取儀等。這些自動化固相萃取裝置各具特色，例如上海屹堯儀器科技發展有限公司的CLEVER全自動固相萃取儀，不僅從活化、上樣、淋洗、吹干、洗脫、濃縮、定容整個固相萃取過程完全自動化，而且其采用的無閥陶瓷泵可以進行連續定量上樣，實現了多通道的同時活化、同時上樣、同時洗脫。另外，通過4個模塊并聯使用，最多可以實現24個樣品同時進行萃取；最具特色的是其創新的在線無水硫酸鈉除水功能，可以大大提高苯胺等不適合采用氮氣吹掃的半揮發性有機物的回收率，結合其自動清洗樣品瓶功能，解決了水溶性差的有機物的瓶壁吸附問題。

這些商品化的自動化固相萃取儀雖然結構上各有不同，但是萃取原理和方式基本相同，采用該技術的主要優勢在于：第一，降低成本，包括人力成本和試劑成本；第二，更安全，減少操作者在有機溶劑下的暴露；第三，提高效率，在更短的時間內處理更多的樣品。今后的發展趨勢是多通道、高通量、智能化、良好的重現性和更為精確的定量。