固相萃取技術在樣品處理中的應用

【原文為胖丁丁作品】

　　在2003版的“食品衛生檢測方法”標準系列中，有一個較大的改動就是很多項目，尤其是農藥項目的前處理普遍使用了固相萃取技術(詳見表1 )。現針對這一技術的原理、使用和誤區進行探討。

　　一、固相萃取技術簡介

　　固相萃取(Solid Phase Extraction，簡稱SPE)技術，發展于上世紀70年代，由于其具有高效、可靠、消耗試劑少等優點，在許多領域取代了傳統的液-液萃取而成為樣品前處理的有效手段。

　　一些傳統的介紹SPE的書籍將其歸于一個液相色譜的原理，這其實是引起使用不當的主要源由之一。把SPE小柱看作一根液相色譜柱，不如把它看成單純的萃取劑更合適，因為：液相色譜的重點在于分離，而SPE的重點在于萃取。

　　固相萃取技術在樣品處理中的作用分兩種：一是凈化，二是富集，這兩種作用可能同時存在。

　　固體萃取和液-液萃取相比，其長處在于方便和消耗試劑少，短處在于批次間的重復性難以保證。出現這種情況的原因在于：液體試劑的重復性好，只要其純度可靠，不同年代的產品的物理化學性質都是可靠的。而固體萃取劑就算保證了純度外，還存在著顆粒度的差異，外形的差異等液體試劑不存在的且難以衡量的因素，不同年代不同批號的萃取性質可能會有較大的區別。

　　從理論上和廠家宣傳來看，固相萃取應該在色譜分析的前處理上得到很好的應用：有機溶劑用得很少，可批量處理樣品，既可富集，又能除雜質，給人印象是前處理的革命性進步。然而現實情況，起碼在國內，雖然推廣了多年，實際應用還是相當有限。

　　SPE應用得不廣，與我們的使用方式和期望有關，也與它本身的局限有關。對于供應商來說，從經濟利益出發，向來都是忽略固相萃取的局限與不足。固相萃取可以作為前處理手段的一個很好補充，但是在使用時，一定要清醒知道到它的優點和缺點，注意因地制宜，揚長避短。

　　二、固相萃取的應用優勢

　　在什么項目的前處理適合使用固相萃取技術，即用固相萃取會比普通的溶劑萃取更理想，個人認為有以下幾種情況：

　　(一) 水中有機物的前處理。

　　此類常規處理基本上是用與水不相溶的有機溶劑振蕩萃取，用固相萃取的優勢在于

　　(1) 可以定量地重復前處理過程。

　　溶劑振蕩的操作一般只能要求到控制時間的程度，卻無法控制振蕩頻率，強度，動作，我們知道，每個人的振蕩動作是不同的，就是同一個人，也很難保證始終劃一的動作。所以說，溶液萃取的動作是不定量，不能重復的。

　　而在應用固相萃取時，比較容易保持過柱和洗脫速度的均一和穩定，因此，固相萃取的萃取過程是可以重復，可定量的。

　　(2) 現場處理。

　　水中有機物的分析有一個長期困擾我們的瓶頸。即有機物在池塘水庫等環境中能保持相對穩定，但是一旦進入采樣瓶這個小環境中，就會迅速發生變化，所以很多水的有機物分析方法要求即采即分析，最多不能超過4 個小時，可一般的情況是，從取水回到實驗室的時間就遠遠不止4 小時了，樣品發生了變化，分析結果的可靠性可想而知。

　　如果引入固相萃取技術，由于其設備簡單，體積小，易于攜帶，完全可以做到在現場一邊采樣，一邊進行前處理。采樣者帶回實驗室的是固相萃取柱，而不是水樣。這樣就能保證我們處理的是真正成份穩定的水樣。

　　從實際應用來說，在水的檢測中用固相萃取技術取代傳統液液萃取還有相當的工作需要摸索，目前尚不能完全取代，但是其發展的前景很值得看好。

　　(3) 有機試劑消耗量的減少。

　　在處理水樣時，如果用固相萃取，則只需要在洗脫時用到有機溶劑，用量比傳統液液萃取要少數十倍以上。對于實驗者的人身保護和環境保護有著積極的意義。

　　(二) 批量生物材料的藥物成分萃取

　　這是固相萃取在實際應用中比較成功的范例，主要是指在醫院中檢測血樣和尿樣時的前處理工作，由于對藥物成份的吸附是固相萃取的優勢，加上樣品單一，組成固定，在確定方法后很適合大規模批量的凈化操作。

　　(三)免疫親和固相萃取。

　　萃取的理想狀態就是特異性富集或特異性排斥，可是不論是溶液萃取還是固相萃取，基本上是相似相溶的，最多做到“某一類”層次上的萃取，而無法達到“某一種”層次的萃取。

　　在固相萃取柱的基礎上加上免疫親和技術，可以利用其生物特異性選擇吸附，能夠達到近于理論的完美萃取。

　　實際困難在于雖然其概念很好，但是由于技術難度相對較高，可供應用的更少。

　　三、固相萃取的應用局限性

　　(1)樣品局限性

　　固相萃取不適于處理固體樣品。對于固體，必須將其先制備為液體形態才能進行固相萃取操作，這一點就遠不如液體萃取了。

　　即使是液體樣品，固相萃取也有其額外的苛刻要求，即液體必須潔凈度高，不能有懸浮物或其它固體顆粒，否則會在柱前形成堵塞，無法繼續過柱及洗脫操作。所以固體樣品要制備成液體，液體樣品最好還要過濾。相比來說，溶劑萃取就不存在這個麻煩，稍臟點也影響不大。

　　(2)結構局限性

　　固相萃取柱的結構很簡單，除了塑料管，只有篩板和填料了。就這簡單的結構，帶來了便利，也帶來了與生俱來的矛盾，一些我們在用溶劑萃取時永遠不會遇到的矛盾。

　　矛盾1 液面的問題。

　　當我們進行活化、凈化，洗脫等典型的固相萃取操作時，會使用不同溶劑，這時的操作要求在液面下降到篩板時換加不同溶劑，加得太晚，會使填料中干涸產生氣泡，影響結果的穩定性(甚至會因為溶液的張力問題而使液面無法下降)。相反，如果加得太晚，會使加入溶液和在篩板上的原有溶液混合，產生一個其實是我們不希望存在的、無法預料極性的新洗脫液，使結果的可靠性大打折扣。

　　加液加到篩板，說得容易做起來難，如果單獨做一個樣品可以緊盯液面操作。但是在批量操作時只會顧此失彼，固相萃取技術實用的一個重要意義就在于，其可以方便可靠地批量處理樣品，如果這個意義削弱的話，其實用性也就大大降低。

　　液面問題是制約固相萃取應用成功的主要瓶頸，雖隱蔽卻無法回避。

　　解決的方法有兩種。

　　第一種解決方法是干脆不用理會液面的困擾，每次都做到抽空溶液，這種做法倒是不會產生篩板上的溶液混合的問題，但是又會出現一個新的問題，即填料看起來是抽干了，但實際表面還是有數量不定的液體，每次干涸程度不一致，也無法重復。

　　另一種解決方法就是在使用固相萃取器時用電導探針測試，這個方法比較精確，但是也有一個新的問題，探針需要一個清洗過程，否則會有交叉污染的可能，而且有這類裝置的固相萃取器價格一般相當地昂貴。且一個探針在同一時間只能探測一個樣品管，要同時監測一批小柱則很困難。

　　矛盾2 填料的裝填松緊問題。

　　用液體萃取時我們從來不用考慮整個溶劑的密度是否均勻，但是對于固體填料，我們卻不能忽略這個問題。在同一批次甚至同一包里的幾個小柱，加上相同溶液時，我們會發現液體過柱的速度是不均勻的，總是有快有慢。

　　由于生產工藝和成本的綜合考慮，固相萃取小柱不可能采用類似填充液相色譜柱的勻漿高壓法，所以填料的裝填松緊不均勻是必然的。這就造成一個問題，由于液體流過的速度不一樣，在每次加液的時間也會不一樣，不利于同步批次處理樣品。而且回收率也會不同。看過一些公司的所謂全自動固相萃取器，其原理都有一個假設，即每根小柱的流過速度應該一致，可惜，這真的是假設――“假”的“設”想。

　　矛盾3 填料的質量穩定問題

　　在我們開啟一瓶二氯甲烷或丙酮時，只要買的不是偽劣產品，就是不同公司的也可以放心使用，因為它們的萃取性能是穩定可靠的。而固相萃取則不同，就是同一公司的正品填料，每次的產品性質還是有些許差異，不同公司的相差更大。而如果換一家公司的固相萃取柱或同一公司不同批次的小柱，都需要我們把所有的項目做一遍質量評估，那估計也沒有太多人愿意使用。

　　矛盾4 不能加熱

　　一般的加熱行為可以改善吸附作用，可是由于固相萃取柱的套管是由塑料制造的，一加熱就會變形，所以只能做常溫操作。

　　(3)項目局限性

　　從各家供應商提供的資料來看，做得比較好的應用主要在處理藥物方面，即分子量比較大，性質比較穩定的那些物質。液體萃取的相似相溶理論已經久經考驗，而固相萃取靠的是吸附與洗脫，已經完全不是經典的萃取過程了，并不是所有的項目都適合用。很多經典的液體萃取實驗到現在也不能轉化到固相萃取，即使轉化，效果也不理想。

　　四、應用固相萃取技術時的注意事項。

　　1. 盡量慢。

　　我們在用固相萃取時，面臨的一個問題就是：液體應該以什么速率過柱流出，我的經驗是，要想效果好，就要慢，盡量慢。

　　對于固相萃取柱中的填料，我們如果局部放大地看，能夠看到其實它們是有很多的空隙，液體流通的渠道很多，如果流得快，相當比例的待測組分還來不及與填料充分作用就地從通道流失；所以要慢，給它們一個充分作用的機會。

　　如何慢呢?一個竅門就是不要用配合抽氣機使用的所謂固相萃取器，而采用再普通不過的重力法。利用重力的作用使液體向下流出。在實驗速度上，重力法遠不如吸力法，但是在實驗效果方面，重力法遠比吸力法優勝，用吸力法只能得到譜帶吸附，用重力法卻能得到柱頭吸附，在速度和效果兩者的平衡中，我們還是傾向于優先保證好的效果。

　　舉例來說，一個3 ml 500mg的C18小柱，如果加甲醇活化，其甲醇全部流至篩板時間約為20 分鐘，而在過樣品液時，25ml的液體最多2 小時可以流完，而且用重力法如果得當，工作速率不一定比吸力法差很多。因為我們可以充分利用空閑時間，用吸力法必須有人在旁邊守候，而重力法由于不需要用電，可以充分利用午休和晚上時間過柱，液體量大時接個堆疊接頭和延長管即可，安排好實驗步驟，工作效率一樣很高。另外，重力法不需要抽氣機和固相萃取器。

　　2. 盡量少。

　　在固相萃取條件選擇上，有人為了提高提取效率，盡量多加液體，或選擇填料量大的小柱，我覺得大可不必如此。尤其在用重力法時，由于效率高，很多情況下是柱頭吸附，并不是所有的填料都在起作用，填料多了不僅液體流出速度會更慢，而且在洗脫時的擴散會很明顯。

　　因此建議，夠用就行，在能保證效率時，填料盡量少，加液也不宜多。

　　3. 實驗條件不宜過分細化。

　　固相萃取從原理上是色譜分離，但是在操作時最好只把它作為吸附萃取劑使用，由于填料性質、松緊常有差異，因此在實際實驗中不必因為追求效果的最佳化而設計出很復雜的洗脫程序。

　　在建立條件中，我們應該盡量多利用現成的資料，盡快地建立起體系，同時要對操作過于復雜的步驟保持警惕性，在實驗效果，實驗速率和易操作性三者中取得平衡點。

　　4. 只用一次

　　固相萃取柱最好只用一次。因為從嚴格的意義上來說，很多物質的吸附是不可逆的，一次吸附，無法洗脫，影響著下一次吸附，雖然有人做過重復利用的實驗，但是總體來說為了節省一點經費而大大增加了結果的不可靠性和不確定性，是很不合算的行為。

　　因此建議，只用一次。如果想節省經費可以從減少填料量和使用小容積管入手，盡量用堆疊接頭和延長管。

　　5. 慎用固相萃取器

　　所有的供應商都會在推薦固相萃取柱的同時，推銷固相萃取器，最簡單的固相萃取器也要幾千，如果貼個進口商標價格更要加幾倍，這樣的價格還不包括抽氣機。但是這樣的配置就是再加上調速開關，也很難得到好的結果，主要問題就是把小柱的不平行性放大了。

　　建議：實在不適合重力法的才用固相萃取器。

　　至于全自動固相萃取器，應該說，現在市面上還沒有比較理想、適合食品檢測的機器，主要問題就是無法解決一批小柱中液面下降不一致的問題，加上價格很昂貴，性價比也自然不高。帶液面測量的也不能對多批量的小柱同時檢測，且有交叉污染的危險。

　　目前的全自動固相萃取器基本上是走重力法路線，倒是回避了密封的難題。

　　6. 不可忽視傳統的液體萃取 。

　　有些人在初次接觸固相萃取時，總覺得它能取代液體萃取，實際上就象毛細管電泳無法取代液相色譜一樣。固相萃取在某些場合比液體萃取合適，但是在更多情況下，還是傳統的液體萃取更可靠更合適。這一點從目前實驗技術的實際發展可以得到印證。

　　關于液固萃取，我們不要僅僅把它看作是一個提取過程，從另一個角度來看，它還是一個凈化過程，是把固形干擾物排除凈化的過程。理解這一點，有助于我們優化選擇實驗方法。

　　7. 實用性是實驗設計成功與否的最終準繩

　　在設計一個實驗時，開始要考慮到其技術上是否先進。而在實際運用中，最終決定這個方法是否可行，是否能夠存在的關鍵是實用性。一個實驗方法不僅要解決問題，而且能夠在人力，物力，財力三方面達到平衡，且滿足可持續、可重復操作的要求。

　　因此，再先進的技術，也要服從實用性，否則就沒有生命力。