SPE固相萃取技術（固相萃取儀器裝置）(六)

4.固相萃取材料

4.1鍵合硅膠固相萃取材料

C18

主要官能團：十八烷基（Octadecyl）；C18主要作用力是非極性，第二作用力是極性、陽離子交換。

      C18是十分常用的非極性材料。在所有反相硅膠填料中，C18的非極性吸附能力zui強。強非極性化合物被C18 吸附后很難洗脫。C18難吸附非常極性的分子，如碳水化合物（Carbohydrates）等。

      通常C18被當作zui沒有選擇性的填料，因為絕大多數有機分子或多或少含有非極性基團，C18可以從水溶液中吸附這些有機化合物。因此，C18對于同時分離不同結構的化合物時較為適用。由于C18的選擇性較低，其zui終萃取物往往沒有其他選擇性高的填料。C18是的除鹽SPE柱，因為樣品中的鹽在C18柱上沒有保留。C18的極性副作用力比其他SPE填料低許多。主要是碳鏈較長的原因。

C8

主要官能團：辛基（Octyl）；主要作用力是非極性，第二作用力是極性、陽離子交換。

     C8的性質與C18十分相近，但對非極性化合物的吸附能力沒有C18強，因為C8的碳鏈相對較短。正因為如此，對于一些在C18上吸附太強難以洗脫的化合物，可以用C8來取代。C8的極性作用力比C18要強。因為C8的碳鏈較短不能覆蓋硅膠的表面。盡管如此，極性作用力依然不是C8的主要作用力。

C2

主要官能團：乙基（Ethyl）；主要作用力是非極性、極性，第二作用力是陽離子交換。

      因為C2的碳鏈十分短，使得硅膠上的硅烷醇（Si-OH）較為暴露在填料表面。這使得C2具有相當顯著的極性特點。通常在實際應用中，如果目標物在C18或C8上吸附作用太強，可用C2來取代。C2的極性作用力比CN要略為強些。

CH

主要官能團：環己基（Cyclohexyl）；主要作用力是非極性，第二作用力是極性、陽離子交換。

環己基是中等極性的SPE填料。對特定的化合物有相當的選擇性。當作為非極性填料使用時，CH基的極性與C2大致相同。在用CH柱從水溶液中分離苯酚這類極性化合物時，CH填料表面的極性特性顯得十分重要。由于CH基的這種選擇性，當C18、C8、C2不能選擇性地吸附目標化合物時，可以考慮使用CH。

PH

主要官能團：苯基（Phenyl）；主要作用力是非極性，第二作用力是極性、陽離子交換。

      苯基在非極性萃取是十分常用的填料。其極性與C8相當。由于苯環的電子云作用，PH基與CH基相同，具有一定的選擇性。

CN

主要功能團：氰丙基（Cyanopropyl）；主要作用力是非極性，極性，第二作用力是陽離子交換。

      氰丙基是常用的中等極性填料。當目標化合物在C18、C8的吸附是不可逆時，改用CN基填料較為有效。另一方面，當使用極性填料（如Si或2OH時）發現目標化合物的吸附是不可逆時，也可以用CN基填料取代極性填料。

2OH

主要官能團：二醇基（Diol）；主要作用力是極性，非極性，第二作用力是陰離子交換。

      二醇基是具有相當極性的填料，特別適用于從非極性溶劑中萃取極性化合物。二醇基十分相似于未鍵合的Si-OH能夠與化合物形成較強的氫鍵。與硅膠類似，二醇基能夠分離結構相似的化合物，如異構體。由于二醇基具有碳氫鏈結構，所以也有相當的非極性吸附功能。如從極性的尿液中萃取THC。

NH2

主要官能團：氨丙基（Aminopropyl）；主要作用力是極性、陰離子交換，第二作用力是非極性、陽離子交換。

      NH2基填料具有所有官能團的特征。因此在使用NH2填料時要特別注意溶劑/樣品基液環境。NH2基是很強極性及強氫給予體的填料，具有陰離子交換劑的功能。NH2的pKa值為9.8，當體系pH值低于9.8時，NH2帶正電。

      與SAX基比較，NH2屬于弱陰離子交換劑。因此，要吸附強陰離子時，NH2是十分理想的填料。如硫酸等在SAX上的吸附是不可逆的，就是選用NH2填料。

      雖然NH2具有非極性特征，能夠從極性溶液中萃取非極性化合物，但是其強極性特征使得非極性特征比其他特征要弱得多。與2OH及SI一樣，NH2特別適用于分離異構體。

PSA

主要官能團：乙二胺-N-丙基（Ethylenediamine-N-propyl）；主要作用力是極性、陰離子交換，第二作用力是陽離子交換、非極性。

      PSA的特征與NH2相同是陰離子交換劑。PSA有兩個胺基，具有較高的離子交換容量（1.4 meq/g，而NH2為1.1 meq/g）。其pKa較高，伯胺基為10.1，仲胺基為10.9。PSA的陰離子交換能力比NH2要強。PSA的功能團是一個很好的二元配位體，這使PSA成為很好的螯合填料。其多碳結構使得PSA的非極性作用力比NH2要強。因此，如果強極性化合物在NH2上吸附力太強，就可以用PSA代替。

DEA

主要官能團：二乙基胺丙基（Diethylaminopropyl）；主要作用力是極性、陰離子交換，第二作用力是陽離子交換、非極性。

      類似于PSA，DEA也與NH2具有相同的特征。作為陰離子交換劑，其吸附容量相對較小（1.0 meq/g），同時，由于其官能團的碳鏈使其具有較高的非極性特征。DEA的pKa值為10.7。DEA的碳鏈使得其即使在有胺官能團存在下也具有中等的極性特征。DEA的極性比C8強，但是比C2或CN弱。

SAX

主要官能團：*基胺丙基（Trimethylaminopropyl）；主要作用力是陰離子交換，第二作用力是非極性、極性、陽離子交換。

      SAX是zui強的陰離子交換劑。由于其功能團是季胺，這種填料總是帶正電。由于官能團上的碳原子被胺遮蔽，SAX的非離子作用力十分小。在非極性溶劑中SAX具有一些極性特征，但是由于胺的空間阻礙及季胺的性質，SAX的極性作用力不能很好地形成氫鍵。

      由于SAX的強陰離子作用力，這種SPE柱一般不用于吸附很強的陰離子，如硫酸等。因為吸附后難以洗脫。由于SAX不能通過改變pH值來使其中性化，洗脫一般使用的是高選擇性的反離子。SAX對于弱陰離子是很好的SPE填料。如羧酸類化合物。這類化合物在弱陰離子交換劑上不能很好地被吸附。

CBA

主要官能團：羧甲基（Carboxymethyl）；主要作用力是陽離子交換，第二作用力是非極性、極性。

      CBA基屬于中等極性的填料。在實際應用中CBA基顯極性還是非極性特征取決于環境的情況。

      CBA基一個十分有用的特征是其弱陽離子交換的性質。在有機化合物中，zui常見的陽離子是胺類。胺類的pKa一般都較高，在中性化時需要在較高的堿性條件下進行。正因為如此胺類化合物一般較難從類似于SCX基這種強陽離子交換劑上洗脫下來。另外，大多數陽離子并沒向陰離子一樣有很大范圍的相反離子（counter-ion）選擇性，這樣就限制了利用高選擇性的相反離子洗脫的可能性。

     由于CBA基的pKa值為4.8，在出現上述問題時，采用CBA填料就能夠很好地解決洗脫問題。在pH4.8以上，CBA帶負電，可以吸附帶陽離子的目標化合物；當pH值在4.8以下時，CBA變為中性，這樣被吸附的目標化合物就可以被洗脫下來。正是這個原因，在處理強陽離子時，CBA基填料是的陽離子交換劑。

PRS

主要官能團：丙磺酸基（Sulphonylpropyl）；主要作用力是陽離子交換，第二作用力是極性、非極性。

      PRS基是個極性非常強的陽離子交換劑。其非極性作用力很弱，一般難以利用。在非極性溶劑中，PRS基具有極性及氫鍵合作用力。PRS基的pKa值非常低，一般陽離子必須用高離子強度的溶液洗脫或將目標化合物中性化從而將其洗脫。一般來說，PRS基只適用于弱陽離子的吸附，如吡啶類化合物。

SCX

主要官能團：丙苯磺酸基（Propylbenzenesulphonyl）；主要作用力是非極性、陽離子交換，第二作用力是極性。

      SCX是強陽離子交換劑，具有很低的pKa值。其離子性質與PRS基相近。SCX與PRS主要的不同之處在于SCX填料表面的苯環具有較高的非離子作用能力。這種非離子特點在用離子交換機理從水相中萃取目標化合物時必須考慮。

     CX基的雙重性對于目標化合物既離子又有非離子特征時特別有用。在吸附目標化合物后，可以用非極性溶劑及高離子強度的溶劑洗滌SPE柱而不會造成目標化合物流失。目標化合物可以用一種能夠同時破壞非極性及離子作用力的溶劑洗脫。如甲醇/HCl。SCX的這種雙重特性比單一功能的填料在清除雜質是要好得多。

4.2無機固相萃取材料

SI

主要官能團：非鍵合的活性硅土（Unbonded, activated silica）；主要作用力是極性，第二作用力是陰離子交換。

      SI被人們認為是zui強的極性填料。未鍵合的活性硅具有酸性。硅膠的這種特性使得其可以吸附空氣中的水分，因此必須注意在使用前需確保其干燥。由于SI的高極性，在使用SI填料進行極性吸附時一定不能使用極性溶劑處理SI柱。如果需要在SPE柱預處理時使用極性溶劑，則應該改用2OH或NH2填料。

      在分離結構相似的化合物時，SI是理想的填料。將目標化合物溶在非極性溶劑中，然后通過增加THF或乙酸乙酯來逐漸增加溶劑的極性將機構相近的化合物分開。

弗羅里硅藻土

      弗羅里硅藻土是極性吸附劑。適用于從非極性的基液中萃取極性化合物（如胺類、羥基類及含雜原子或雜環化合物）。

氧化鋁

結構：Al2O3

      酸性氧化鋁（Al-A）的pH約為5，具有很高的活性。酸性氧化鋁可以通過鋁金屬的中心與化合物羥基的氫形成氫鍵將化合物吸附。或通過離子交換將帶有負電荷的化合物吸附。可以通過控制氧化鋁表面的pH來控制其吸附作用。用酸洗氧化鋁可以使得其吸附堿性化合物的能力下降。酸性氧化鋁主要用于吸附極性化合物或具有陰離子官能團的化合物。

      中性氧化鋁（Al-N）的pH約為6.5，具有很高的活性。中性氧化鋁可以通過鋁金屬的中心與化合物羥基的氫形成氫鍵將化合物吸附。或通過離子交換將帶有負電荷的化合物吸附。可以通過控制氧化鋁表面的pH來控制其吸附作用。中性氧化鋁的表面能夠通過其鋁原子中心與帶有高負電荷的雜原子（雜環化合物）作用。如：N、O、P、S。也可以與富電的芳香結果的化合物作用。這種填料可以將胺類或芳香族化合物從水相或非水相基液中吸附。

    堿性氧化鋁（Al-B）的pH約為8.5，具有很高的活性。堿性氧化鋁可以通過鋁金屬的中心與化合物羥基的氫形成氫鍵將化合物吸附。或通過離子交換將帶有負電荷的化合物吸附。可以通過控制氧化鋁表面的pH來控制其吸附作用。用堿性溶液淋洗這種填料使得填料表面帶負電。具有陽離子官能團的化合物可以通過堿性氧化鋁表面的負電荷吸附。堿性氧化鋁主要用于吸附極性化合物或具有陽離子官能團的化合物。

活性碳

      活性碳是zui早使用的含碳固相萃取材料。主要用于萃取中等極性至低極性的有機化合物。由于這種材料對部分目標化合物的吸附常常是不可逆的，而且對一些化合物的回收率較低。因此，目前很少使用這種材料。

石墨碳黑（Graphitized carbon black）

      石墨碳黑（GCB）是通過對碳黑加熱(2700-3000℃)而得到的。主要用于萃取非極性及中等極性有機化合物。早期的石墨碳黑是無孔的。表面積在100m2/g。近期的石墨碳黑表面積可達210 m2/g。由于氧的化學吸附，碳黑表面結構上含有氧復合物。其結構類似于含氫醌、醌、等。這些功能團具有很強的極性，可以吸附一些酸性化合物。由于這些功能團的存在，石墨碳黑表面帶有一些正電荷，具有陰離子交換的功能。

多孔石墨碳（Porous Graphitized carbon）

      多孔石墨碳 (PGC) 具有平面晶體的表面，六個碳原子組成的平面六角形具有顯著的疏水（非極性）特征。對石墨碳進行處理后得到的多孔石墨碳商品化的多孔石墨碳的顆粒大小與硅膠材料相近。其平均表面積在120 m2/g。多孔的平均直徑為25 nm。多孔率為75%。這種材料幾何結構穩定，不會膨脹及收縮。可以在所有的pH范圍使用。多孔石墨碳萃取機理與傳統的C18及PS-DVB聚合材料有明顯的不同。由于多孔石墨碳是通過范德華力將其多層水晶結構合為一體，多孔石墨碳可以通過疏水作用及電子作用吸附非極性以及極性化合物，包括水溶性的化合物。

4.3高聚物固相萃取材料

為了解決硅膠材料的多種作用力的問題，人們開始采用高聚物作為色譜或SPE材料。為了滿足固相萃取的要求，這些高聚物往往需要經過交聯，使其性質更加穩定。目前較為常見的是聚苯乙烯-二乙烯苯[(poly)styrene-divinyl- benzene，簡稱PS-DVB或SDB]為填料的聚合物SPE柱。由于聚合物填料沒有以硅膠為基質常見的硅羥基，因而萃取機理單一，不會產生鍵合硅膠柱常見的副作用力。采聚合物SPE柱的另一個好處是這種材料可以在pH1-14廣范圍使用。

GDX 401

GDX401是由二乙烯苯和含氮雜環化合物共聚而成的高分子聚合物。中等極性，略呈堿性。表面積為370 m2/g。

GDX403

GDX403是由二乙烯苯和N-乙烯吡咯烷酮共聚而成的高分子聚合物。同時具有親水及親脂的特點。表面積為280 m2/g。由于是共聚物所以可以在pH0-14范圍使用。可以用于取代C18柱。

H2O-Philic DVB（J.T. Baker）

H2O-Philic DVB填料是疏水二乙烯苯共聚物。可以在pH0-14范圍使用。可以用于取代C18柱。其功能類似于Waters的Oasis HLB。柱容量為 0.85 μeq/mg。

H2O- Philic SC-DVB（J.T. Baker）

H2O-Philic SC-DVB填料是疏水磺酸-二乙烯苯共聚物。屬于非極性及陽離子交換混合型SPE柱。可以在寬pH范圍使用。其反相非極性柱容量為0.85 μeq/mg；陽離子交換柱容量為0.8 μeq/mg。該填料類似于Oasis MCX。

H2O- Philic SA-DVB柱（J.T. Baker）

H2O-Philic SC-DVB填料是疏水季胺-二乙烯苯共聚物。屬于非極性及陰離子交換混合型SPE柱。可以在寬pH范圍使用。其反相非極性柱容量為0.8 μeq/mg；陽離子交換柱容量為0.6 μeq/mg。該填料類似于Oasis MAX。

Oasis HLB柱（Waters）

HLB填料是N-乙烯吡咯烷酮-二乙烯苯共聚物。同時具有親水及親脂的特點。其表面積比普通的C18填料高2-3倍，因此其柱容量也比普通C18柱高。HLB柱可以用于取代C18柱。

Oasis MCX柱（Waters）

MCX填料是N-乙烯吡咯烷酮-苯磺酸共聚物。屬于陽離子交換及反相非極性混合填料。這種填料沒有傳統硅膠填料的羥基的影響。由于是共聚物所以可以在pH0-14范圍使用。其陽離子容量為1 meq/gram。

Oasis MAX柱（Waters）

MAX填料是乙烯吡咯烷酮-季胺基共聚物。屬于陰離子交換及反相非極性混合填料。這種填料沒有傳統硅膠填料的羥基的影響。由于是共聚物所以可以在pH0-14范圍使用。其陰離子容量為0.3 meq/gram。

4.4混合型固相萃取材料

早在90年代初，混合型SPE柱（mixed-mode SPE columns）就已經面世。混合型SPE柱的填料一般具有兩個以上的萃取。有的是兩種不同填料混合物，也有是在同一填料上鍵合不同的萃取官能團。zui常見的是非極性官能團（如C8）與離子交換官能團（如強陽離子交換劑或強陰離子交換劑）。對于一些基質較為復雜（干擾物多，特別是離子干擾物及非極性干擾物較多）的樣品，或樣品中存在的待監測目標化合物性質不同，用單一萃取機理的SPE柱難以達到的萃取接過時，就可以使用混合型SPE柱。

      如下圖所示，應用混合型SPE柱（C8-丙苯磺酸基）對于5含有大量離子及非極性干擾物樣品中的弱堿性或兩性化合物的萃取分離，可以先將樣品的pH值調節到目標化合物呈中性，通過非極性作用力與填料上的C8官能團結合，此時可以用極性強的水等溶劑zui大限度地處去離子干擾物。之后，調節環境pH使目標化合物呈陽離子狀態，被丙苯磺酸基吸附。此時可以用包括甲醇在內的有機溶劑洗滌，以除去非極性干擾物。zui后，通過調節環境pH至堿性，使目標化合物呈中性，通過有機溶劑洗脫。下圖是應用多種作用力從復雜樣品基質中分離目標化合物的示意圖。

      應用混合型SPE柱進行藥物篩選分析樣品前處理就是利用混合型SPE柱不同功能團對性質不同的酸性、中性、堿性藥物進行一次性萃取的一個例子。

鍵合硅膠C8– 強陽離子交換混合柱

      zui典型的鍵合硅膠型混合柱是Varina公司生產的Bond Elut Certify。這種混合型SPE柱具有C8及磺酸基。

鍵合硅膠C8 – 強陰陽離子交換混合柱

      zui典型的鍵合硅膠型混合柱是Varina公司生產的Bond Elut Certify II。這種混合型SPE柱具有C8及強陰離子交換劑。

聚合物混合型柱

      以聚合物為材料的混合型柱的代表應該是Waters公司生產的Oasis MCX及Oasis MAX。前者是具有非極性與強陽離子交換劑的功能；后者則具有非極性與強陰離子交換劑的功能。

4.5免疫親和固相萃取材料

免疫檢測（Immunoassay）具有速度快、靈敏度高、花費低的特點。當是，這種技術較難區別交叉反應物，不能夠定量分析。將免疫檢測技術與色譜技術結合在一起就成為了具備兩者特點的免疫色譜技術（Immunochromatogrphic techniques）。免疫親合萃取（Immunoaffinity extraction）技術是免疫色譜技術的一個主要應用。免疫親合固相萃取柱 (IASPE) 與經典的固相萃取柱的不同之處在于IASPE柱中的功能組分是抗體，而不是我們常說的功能團。這些抗體包括單克隆及多克隆抗體。通過共價結合、包埋或生物分子俘獲等方式將這些抗體固定在固相萃取材料上就形成了免疫親合固相萃取材料。

     免疫親合萃取的基本原理如下圖所示，將樣品載入免疫親合固相萃取柱上，目標化合物及交叉反應物（cross-reactants）被鍵合保留在免疫親合柱上。通過溫和的洗滌步驟將弱鍵合干擾物除去。zui后將小心地用混合溶劑或緩沖溶液將目標化合物洗脫。

     目前已有許多商品化的免疫親合固相萃取柱面世。免疫親合固相萃取技術已經被應用于生物毒素（如黃曲霉素、玉米烯酮、赭曲霉素等）、多環芳烴（PAHs）及除草劑的萃取凈化。

4.6分子印記固相萃取材料

分子印記固相萃取柱是以分子印記聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIP）為填料的。這種材料對目標化合物的親合力具有類似于抗體的高選擇性。

分子印記聚合材料具有高穩定性和高選擇性。所吸附的目標化合物在三維立體結構及功能團必須滿足分子印記聚合材料相對應的結構。因為只有符合上述條件的目標化合物才能夠很好地“鑲嵌"在分子印記材料上。

       分子印記聚合材料的合成可通過共價及非共價方式進行。共價合成方式較少使用。較多使用的是非共價方式。如下圖所示，非共價合成方式一般分為三步：*步是將印記模板與帶有功能團的單體組合為一體。第二步是在交聯劑及聚合引發劑的作用下完成*步得到的單體-模板與剛性多孔共聚物聚合；第三步是將印記模板除去得到具有特定結構的分子印記聚合材料

      目前，市場上已有多種商品化的分子印記固相萃取柱面市。其應用有包括鹽酸克侖特羅在內的β-興奮劑、苯塔松、三嗪類藥物、茶堿、尼古丁及其同系物、三苯氧胺（抗雌激素）等。

4.7限進介質固相萃取材料

在使用JTONE系列固相萃取柱萃取富集生物樣品中的小分子分析物中，經常遇到樣品中的大分子蛋白質、核酸等遇到疏水性反相SPE填料時發生變性。變性后的大分子吸附在填料的表面，造成SPE柱堵塞、柱效下降、吸附容量減少等問題。限進介質SPE填料在一定程度上解決了上述問題。這種SPE填料同時具有對大分子的體積排阻功能及對小分子的萃取功能。

      人們通過對填料孔徑的控制及對填料表面進行適當的親水性修飾，使得生物或環境樣品中的大分子不能進入填料的孔徑內。而表面親水性的填料使得生物大分子在填料表面不會發生不可逆的變性及吸附。

     由于大分子不被吸附，所以在死體積或近于死體積的情況下被洗脫除去。而填料孔內的反相或離子交換官能團則吸附樣品中的小分子。這樣就實現了在大分子存在的條件下選擇性地吸附小分子的目的。

     目前RAM主要應用領域是生物體液的分析。包括細胞培養液、牛奶、尿液、清、漿等。主要測定的藥物包括：安定類、β阻滯劑、阿托品、普魯卡因等堿性藥物、激素類。也有用于有機磷酸三酯農藥的樣品凈化。在環境監測中的應用主要包括河水、湖水、地表水、廢水中的除草劑殘留、農藥殘留及激素殘留的樣品處理。

SPE固相萃取技術（固相萃取儀器裝置）(六) 參考資料：杭州聚同電子有限公司  http://www.hz-jtone。。ｃｏｍ