第四节　固相萃取的装置

一、固相萃取柱构造

固相萃取柱的种类很多，但从其柱的构型来分，最基本的有两种：固相萃取柱（Cartridge）和固相萃取盘（Disk）。

（一）固相萃取柱（Cartridge）

一般商品固相萃取柱的结构如图2-11所示，其柱体通常由含杂质极低的聚丙烯制成，有时为了某些特殊需要，柱体也可用玻璃或聚四氟乙烯制成。在柱的入口配有母螺丝以便于与较大的储液器相连，在其出口也配有公螺丝。固相萃取柱的容积从1～50mL不等，典型的商品固相萃取柱容积为1～6mL，填料质量多在0.1～2g之间，常用的有0.3g、0.6g、0.9g几种规格，填料的粒径多为40μm。在填料的上下两端各有一个聚乙烯（聚丙烯、聚四氟乙烯或不锈钢等）制成的筛板。如前所述，反相固相萃取柱最常用的填料是C18键合硅胶，其他填料有C8键合硅胶、苯基键合硅胶、活性炭、炭分子筛、石墨化炭黑及疏水性高聚物填料等，这些填料具有强的疏水性，对水溶液样品中的大多数有机化合物具有好的保留。正相固相萃取使用的填料有非键合硅胶、双醇基硅胶、氰基硅胶、氨基硅胶、硅酸镁等。另外，固相萃取中还使用离子交换剂、排阻色谱填料、免疫亲和色谱填料及分子模板高聚物填料等。具体实验工作中，需根据分析对象、检测手段及实验室条件合理选择合适填料、合理规格的固相萃取柱。选择时要考虑固相萃取柱对分析对象的萃取能力、样品溶液的体积、洗脱后溶液的最终体积等。还要根据样品溶液中被测物及干扰物的总量选择合适容量的萃取柱，一般被柱中吸附剂吸附的被测物及干扰物的总质量不应超过吸附剂总质量的5％，而洗脱剂的体积一般应是萃取柱柱床体积的2～5倍。

需要指出的是，商品固相萃取柱的柱构型、柱填料有时并不能满足特定工作的需要，此时可根据自己工作的需求，选择合适规格的柱体和填料，自行装填固相萃取微柱（Minicolumn）。这样可以取得比商品固相萃取柱更好的效果。

不管是商品柱还是自己装填的柱子，都要注意柱体材料、筛板材料及填料中的杂质是否会对萃取及测定产生影响，因此进行固相萃取实验时，都必须同时做空白实验。如果空白值太高，则必须对方法和固相萃取装置加以改进，从而降低污染，减少空白。

对已经选定的柱子，实验时则必须注意选择合适的溶剂，如果选择不当，有时会引起柱材料或筛板材料中增塑剂、稳定剂或柱材料本身的溶出或溶解。对各种柱体材料中杂质的溶出情况及柱体本身的溶解情况，应在使用前查阅相关手册或产品使用说明。几种常见的商品固相萃取柱的规格、萃取剂类型及其主要用途可查阅有关产品介绍手册［182～184］。

（二）固相萃取盘（Disk）

据前所述，固相萃取柱大多填充100～500mg的40μm的填料，并在柱两端配有多孔的金属或塑料筛板，这种较大颗粒填料及其特定的柱构型决定了萃取过程中当有液流通过时必有沟流现象存在，并且由于其较低的传质效率，使得萃取时的加样流速不能太大，否则会引起萃取效率的降低，得到较低的回收率。

固相萃取的另外一种操作形式是固相萃取盘。商品固相萃取盘首先出现于1989年，在这一年美国3M公司推出了Empore系列固相萃取圆盘产品。这种新型的固相萃取操作方式给分析工作者提供了一种除柱式固相萃取操作方式之外的另一种更加有效、快速的样品前处理新方法。固相萃取圆盘与过滤膜十分相似，它一般是由粒径很细（8～12μm）的键合硅胶或吸附树脂填料加少量聚四氟乙烯或玻璃纤维丝压制而成，其厚度在0.5～1mm之间。在该萃取圆盘中，聚四氟乙烯或玻璃纤维支撑基质约占总质量的10％～40％，而填料则占60％～90％。图2-12为一般的固相萃取圆盘装置示意图。

固相萃取盘的这种结构增大了面积、降低了厚度，对于同等重量的填料，固相萃取圆盘的横截面积约是固相萃取柱的10倍，还有盘式固相萃取采用了小粒径的填料。上述措施的采用必然导致萃取容量的增大和萃取流速的提高，从而使萃取效率提高。很多体系流速达到了每分钟几十毫升仍可定量萃取，例如采用直径为47mm的固相萃取圆盘萃取1L地表水仅需约20min。由于无需筛板，盘式固相萃取减少了由此引起的污染。盘片内紧密填充的填料基本消除了沟流现象的存在。固相萃取盘大而薄的结构特点决定了萃取圆盘不易堵塞。另外，圆盘萃取定量洗脱所需洗脱剂体积小，传统的液-液萃取一般需要300mL溶剂，而用Empore固相萃取盘一般仅需10～20mL溶剂，这既节约资金、益于环保，又有利于获得高的富集倍数。所以圆盘固相萃取特别适合于从较大体积的水溶液中萃取富集痕量被测物。

一般固相萃取圆盘是由纤维状网状支撑基质与粒径很细（8～12μm）的颗粒状填料压制而成。常见的支撑基质有聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）及玻璃纤维等。常见的填料有：①反相化学键合硅胶填料，包括C18、C8、C2键合硅胶，该类填料对非极性憎水有机化合物有强的吸附能力，三者中以C18键合硅胶的吸附能力最强。②非极性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物（PS-DVB）填料，该类吸附剂的作用原理大多为疏水性相互作用原理，一般而言它们对非极性有机化合物有较强的吸附能力。③脂-水两亲型高聚物吸附剂填料，该类吸附剂多由非极性苯乙烯-二乙烯基苯共聚物填料发展而来，通过在苯乙烯-二乙烯基苯等高聚物表面键合适当的亲水性基团如乙酰基、磺酸基、羧基苯甲酰基等，使高聚物的亲水性增加，从而具有脂-水两亲性，即对极性和非极性化合物均有好的吸附性，而且由于极性基团的引入，增加了填料与水溶液的亲和性，有利于固定相与分析物的紧密表面接触，从而可改善吸附萃取效果。④碳基吸附剂填料，此类吸附剂包括活性炭、碳分子筛和石墨化炭黑，其中以石墨化炭黑（GCBs）应用最为广泛，石墨化炭黑填料对极性有机化合物有强的吸附力。⑤离子交换型吸附剂填料。⑥正相固相萃取吸附剂填料，包括活性氧化铝、活性硅胶、硅镁型吸附剂、极性基团如氨基、氰基、二醇基等修饰的键合硅胶等，此类吸附剂很少被直接用于对天然样品的固相萃取，它们主要用于对复杂的天然固体或液体样品抽提物的净化处理。例如首先用正己烷或异丁醇提取天然水、底泥、土壤、食品或生物组织等样品中的有机化合物，然后再用正相固相萃取吸附剂对此提取液进行净化处理。⑦螯合型树脂填料，此类填料为含有特定螯合基团的高聚物，特定的螯合树脂对特定的金属离子有选择性的吸附。

与固相萃取柱的使用一样，具体实验工作中，需根据分析对象、需萃取的样品溶液体积大小、检测手段及实验室条件选择合适填料、合理规格的固相萃取盘。固相萃取盘的规格大小用盘的直径来表示，其规格从4.6mm到90mm不等，其中最常使用的是47mm萃取盘，此盘适合于处理0.5～1L的水样，萃取处理用时为10～20min。

由于固相萃取盘的种种优点及现有商品固相萃取盘填料种类的多样性，因而盘式固相萃取法应用日益广泛，特别适合于各种饮用水、地下水、地表水及其废水样品的分析测定。分析对象包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、二英类、酚类、苯二甲酸酯类、有机磷类杀虫剂、有机氯类杀虫剂等。几种经美国EPA验证的Empore盘固相萃取法列于表2-5。

近年来，药物和个人护理品（PPCPs）成为又一大类受到关注的新型污染物，合成麝香（SMs）是PPCPs中个人护理类用品的典型代表，它在环境中的存在、污染现状和生态毒性引人关注。环境水样中微量合成麝香的萃取一般采用C18硅胶填料，但C18硅胶固相萃取柱过样流速小，对大体积样品的萃取耗时多，效率低。蔡亚岐等采用美国Supeclo公司的47mm C18萃取盘对大体积环境水样中的7种微量合成麝香进行了萃取富集［185］。首先用20mL甲醇-二氯甲烷（1:1，体积比）分两次清洗萃取盘，抽干之后，用20mL甲醇、20mL去离子水缓慢通过萃取盘，对萃取盘进行充分活化，之后使500mL混有AHTN-d3同位素标记替代物标样的待测水样过柱。在此过程中，要保证萃取盘不要抽干，待水样全部过柱之后，用N2吹法使萃取盘充分干燥。依次加入20mL正己烷、10mL正己烷-二氯甲烷（2:1，体积比）、10mL正己烷-二氯甲烷（1:1，体积比）进行洗脱，合并洗脱液，用N2进行浓缩并定容至1mL，加入内标HCB-C13，进行GC-MS检测（图2-13）。C18萃取盘的采用大大加快了萃取速度，上述萃取过程可在20min完成，建立的分析方法对7种合成麝香的线性范围为0.001～1μg·mL-1，检出限在1.0～1.2ng·L-1（S/N=5），实际样品平均加标回收率均在78.6％～106.3％范围内，该方法适用于自来水、河水、污水等环境水样中合成麝香的分析。

采用纳米材料制备新型固相萃取盘的研究也有报道。蔡亚岐等利用单壁碳纳米管（SWCNTs）易于成膜的特点，制备了单壁碳纳米管及羧基化的单壁碳纳米管固相萃取盘［186］。制备流程如图2-14所示，首先将30mg SWCNTs均匀分散在表面活性剂溶液中，再以定量滤纸为支撑体，负压下过滤该溶液，使SWCNTs均匀分布在滤纸上，这样可形成固相萃取盘。该固相萃取盘保持了碳基吸附剂吸附能力强的优点，又克服了活性炭萃取盘对某些有机污染物不可逆吸附的缺点。单壁碳纳米管固相萃取盘在10～100min内可处理1000mL水样，萃取容量高，萃取速度快，与高效液相色谱联用，可有效富集大体积水样中酞酸酯、氯酚、烷基酚、双酚A、磺酰脲农药等不同极性污染物。其中对环境类雌激素双酚A、辛基酚和壬基酚的检测限分别达到7ng·L-1、25ng·L-1和38ng·L-1，在自来水、河水、污水中三种污染物的加标回收率均在60％～100％范围内，图2-15是污水处理厂出水中三种污染物的色谱图。

二、固相萃取的过滤装置

在进行固相萃取的操作时，为了让样品溶液顺利通过固相萃取盘或柱，大多需要采取加压或负压抽吸的方法以加快过滤速度，从而保证在较短时间内处理尽可能多的样品溶液，即保证测试工作的高效率。采取加压或负压抽吸的方法还有助于样品溶液与固定相的更紧密接触，使溶液易于进入固定相的孔隙，从而提高萃取的效率。另外，由于活化溶剂在加压的情况下与固定相的接触紧密，活化效率高，因而在加压的情况下，可用较少体积的溶剂完成对萃取柱或盘的活化，节约溶剂。同理，加压也可提高洗脱效率，从而用较少的溶剂就可将被测的分析物从固定相上洗脱下来。

固相萃取时的加压操作可通过在液体样品储液桶的上方用空气或氮气钢瓶施加1～2bars的压力来实现。当仅仅有少量（几毫升）样品溶液需处理时，可将样品溶液加入固相萃取柱的储液桶中，然后将该储液桶与一较大体积的桶状注射器相连，然后手动在注射器的活塞上加压，将样品溶液压过固相萃取柱。

最常使用的使样品溶液较快通过固相萃取柱或盘的方法是负压抽吸。这可通过将固相萃取柱或盘的下方与水泵或真空泵相连，然后用泵施加适当的真空度，从而将样品溶液抽吸通过固相萃取柱或盘。这种操作装置可自行组装，也可购买商品的固相萃取过滤装置。现在有好多固相萃取柱或盘的供应商也同时提供配套的过滤装置，这些过滤装置往往允许同时处理多个样品（最常见的为同时处理12个或24个样品），有利于提高工作效率。图2-16是负压抽吸式固相萃取过滤装置示意图。

三、磁性固相萃取装置

所谓磁性固相萃取，是利用磁性纳米颗粒作为固相萃取剂，将其分散到溶液中对目标物进行吸附，达到吸附平衡后，利用外加磁场实现萃取剂与母液的快速分离，然后将目标物洗脱，洗脱液经浓缩后再利用色谱法（或光谱法）进行定量测定的样品前处理方法，其装置和流程如图2-17所示。这种新型的固相萃取过程最大的特色是引入了磁性纳米颗粒作为固相萃取吸附剂和外加磁场作为分离装置。与常规的微米级固相萃取剂相比，纳米材料由于具有较高的比表面积和较短的吸附扩散路径，因此吸附性能更优越、萃取速率更快，目标物的洗脱也更为容易，在样品的分离富集方面有很好的应用潜力。但它同时也存在固液分离困难、上样时压力过高等问题。如果将它与磁性材料相结合得到磁性纳米颗粒，然后通过表面包覆或表面改性，使之获得功能基团，即可制得功能化磁性纳米材料。这种磁性纳米复合材料既具有磁性，又具有表面活性基团，能与金属离子、有机污染物或生物分子等发生特异性吸附。将其作为固相萃取剂，在痕量目标物的分离萃取方面有独特的应用价值。

由于磁性纳米颗粒具有超顺磁性，因此在没有外加磁场时，材料不表现磁性，可完全分散到样品中，与被分析物充分接触。吸附完成后，当在容器壁外施加外加磁场时，萃取剂产生很强的同向感应磁场，在外加磁场的作用下，吸附被分析物的萃取剂会被迅速吸附到容器壁上，从而实现快速的固液分离。该方法的优点主要有三方面：①磁性分离解决了固液分离困难的问题，显著提高了大体积环境水样的分析速度；②纳米材料比表面积大的特点使其萃取容量显著提高，大大减少了萃取剂用量；③磁性纳米颗粒制备过程简单，成本低廉，而且可以重复使用。这种磁性固相萃取方法操作简便快捷，无需特殊设备，分离过程可控，非常适合大体积水样中痕量目标物的固相萃取。

四、固相萃取的自动化

当需要分析测定的样品很多时，可根据需要选择不同程度的自动化固相萃取操作方式，这样不但可以提高工作效率，而且可以减少人为操作造成的某些误差。固相萃取的自动化研究工作大约起步于20世纪80年代后期，经过近20年的发展，其技术日益成熟，应用日益广泛，其应用领域包括环境科学、食品科学、临床化学、药物分析等研究中的所有分析化学课题。

固相萃取的自动化主要包括96孔固相萃取板系统（96-Well extraction systems）、在线固相萃取（On-line solid phase extraction）以及最近开发出来的自动化固相萃取装置（Auto SPE）。

（一）96孔固相萃取板系统

当固相萃取与后续测定之间为离线方式时，可考虑使用Agilent或其他公司开发的96孔固相萃取装置。该装置如图2-18所示，其上层为萃取板（萃取样品溶液），萃取板通过一密封垫圈与其下的收集板（收集被洗脱的分析物）相连，收集板再通过密封垫圈与最下边的真空泵连接。这种装置可进行半自动化的固相萃取操作，其同时可进行96个样品溶液的固相萃取处理，其处理一批样品所需总时间一般不超过1h。

（二）在线固相萃取

尽管离线固相萃取与传统液-液萃取相比具有萃取效率高、萃取速率快、使用有机溶剂少、富集倍数大等优点，但在某些情况下，仍感其操作费时费力、操作过程中易于被污染，且由于洗脱液有时需进一步蒸发浓缩及只有极少量洗脱液在随后的分析步骤中可被利用，故分析灵敏度有较大的损失。在线固相萃取在某种程度上可克服上述不足。在线固相萃取主要是指固相萃取与高效液相色谱、气相色谱及其他分析方法的在线联用。

固相萃取易于以柱切换（Column switching）或预柱（Precolumn）的形式实现与液相色谱的在线联用。该联用技术自20世纪80年代发展以来，由于其具有的突出优点，目前已获长足发展［187～191］。该联用体系的典型结构如图2-19所示，在该体系中，固相萃取预柱首先被置于六通阀的采样环位置，经过对萃取预柱的预处理、上样吸附富集、清洗杂质等步骤后，通过六通阀将预柱切换至注射位置，即将预柱与分析柱相连，此时可用合适的流动相将吸附于预柱上的被测物直接洗脱至分析柱，被分析物在流动相的推动下在分析柱得到分离，最终到达检测器检测。

从在线联用的分析过程可看出，其预浓缩与分析测定之间联为一体，步骤简单、与外部环境接触少，这样可将分析过程中的污染减少到最低程度；由于在线操作过程中被预柱吸附的被分析物全部进入分析柱，总体富集效率较高，测定灵敏度高，因而可用比离线操作少得多的样品进行分析测定；另外由于在线联用分析过程中预富集与色谱测定可同时进行，即在分析一个样品时可同时用预柱富集下一个样品，所以可节约分析时间，提高工作效率。

固相萃取除可与液相色谱联用外，其与气相色谱、毛细管电泳等的在线联用也有研究，这方面的具体研究情况可参阅有关文献［186，192～197］。

（三）自动化固相萃取装置

自动化固相萃取仪是一套由液体处理平台衍生开发出的能够在无人值守情况下自动化运行固相萃取方法的固相萃取装置。例如，Thermo Fisher公司的AutoTrace 280自动化固相萃取仪（图2-20），它能够全自动完成固相萃取过程中包括活化、上样、淋洗和洗脱的所有步骤，主要用于对大体积水样的在线固相萃取。AutoTrace 280的上样体积为20mL～20L，是目前市面上上样体积最大的设备，而且能够同时处理6个样品，兼容3种不同规格的SPE柱和SPE盘；还有就是采用正压上样，具有更高的重复性和稳定性。目前，这套自动化固相萃取仪已经广泛地用于各种水样中痕量目标化合物的萃取，加标回收率和重现性都能令人满意。

此外，目前市面上还有许多不同厂商生产的自动化固相萃取仪，如美国Horizon公司的SPE-DEX全自动固相萃取仪、美国Gilson公司的GX-27X ASPEC系列全自动固相萃取仪、日本GL Sciences公司的AQUA Trace ASPE 7X自动固相萃取仪，我国国内有济南海能仪器股份有限公司的Hanon Auto SPE全自动固相萃取仪和上海屹尧仪器科技发展有限公司的CLEVER全自动固相萃取仪等。这些自动化固相萃取装置各具特色，例如上海屹尧仪器科技发展有限公司的CLEVER全自动固相萃取仪，不仅从活化、上样、淋洗、吹干、洗脱、浓缩、定容整个固相萃取过程完全自动化，而且其采用的无阀陶瓷泵可以进行连续定量上样，实现了多通道的同时活化、同时上样、同时洗脱。另外，通过4个模块并联使用，最多可以实现24个样品同时进行萃取；最具特色的是其创新的在线无水硫酸钠除水功能，可以大大提高苯胺等不适合采用氮气吹扫的半挥发性有机物的回收率，结合其自动清洗样品瓶功能，解决了水溶性差的有机物的瓶壁吸附问题。

这些商品化的自动化固相萃取仪虽然结构上各有不同，但是萃取原理和方式基本相同，采用该技术的主要优势在于：第一，降低成本，包括人力成本和试剂成本；第二，更安全，减少操作者在有机溶剂下的暴露；第三，提高效率，在更短的时间内处理更多的样品。今后的发展趋势是多通道、高通量、智能化、良好的重现性和更为精确的定量。