SPE常見操作的背后原理

發布日期：2023-02-28

核心提示：SPE

1、為什么SPE小柱操作要強調流速？

答：SPE小柱的填料裝填壓實以后，形成柱床，當溶劑流過小柱，速度過快將導致兩個問題，一個問題是對于鍵合相填料，由于流速快而使得其不能充分浸潤舒展，因而導致其保留活性降低；其次過快的流速導致小柱可能形成溝渠，使得填料未被充分浸潤，降低了吸附填料與樣品的接觸面積，影響了目標物質的傳質過程，因而導致回收率降低。對于0.5-3.0mL/min的小柱流速通常是不會產生溝渠效應的，另外溝渠的形成與柱床高度有關，對于薄膜型的萃取膜片或者膜盤，由于橫截面大，柱床低，在高流速下不會導致嚴重的溝渠效應，因此適合在高流速的大體積水樣的富集，對于離子交換和特異性吸附，填料和分析目標物的相互作用時間比常規小柱長，流速的控制，確保了好的保留效果。

溝渠效應：

SPE小柱的填料裝實后，當通過小柱的流速較低時，液體是以層流的方式通過填料層，將填料層浸潤充分，濕潤的液面截層逐級向前推進，見附圖；當流速過大的時候，而柱床厚度較高時，可能會在填料內部形成溝渠通道，液流將通過溝渠，快速通過小柱，而使得填料的浸潤變得不充分，這樣將使得體與填料的接觸面積大大降低，嚴重影響填料對目標物質的保留效果。

2、溶劑環境的pH怎么影響化合物在小柱上的保留，為什么我們要關注化合物的pKa值，在C18小柱中需要考慮這些因素嗎？

答：首先我們來說一下，Ka指的是酸度系數，又名酸離解常數，可以理解為酸離解H離子的能力，而pKa=-lgKa，對于酸，在環境pH下存在如下平衡：

左邊的A-/HA，實際是指溶劑環境下，離子態和分子態的比例，右邊反映了左側兩者的轉化關系，取決于（pH-pKa)的數值大小。對于離子交換小柱，保持目標物的離子化而非分子態，是一個關鍵點，這對于離子交換作用機理的交換柱，將直接關系到其實驗成敗。而對于硅膠鍵合C18小柱的萃取，由于硅膠（—SiOH）不能完全“封端”，在pH大于4.0的情況下，硅膠都會帶上負電荷，因而會使得能電離的化合物與硅膠作用，增強了這種附帶的次級作用理（主作用力為非極性相互作用力），而使得此類物質在硅膠-C18上的保留增強，若只考慮C18的非極性作用力，必然會導致回收結果的不盡人意。

3、中性氧化鋁，酸性氧化鋁、堿性氧化鋁，怎么區分？

答：Al2O3 的主要作用力是通過金屬鋁中心與化合物的羥基形成氫鍵來吸附，或者通過離子交換作用。中性氧化鋁（Al-N）：pH為6.5，中性氧化鋁主要通過鋁原子中心與帶有高負電荷的雜原子作用，如：N、O、P、S及富電子的芳香族化合物。

先理解酸化后和堿化后的氧化鋁，氧化鋁的性能變化：

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O；

Al2O3 + 2NaOH= 2NaAlO2(偏鋁酸鈉) + H2O

酸化的氧化鋁和堿化的氧化鋁，使得氧化鋁表面的電荷性發生改變，如酸性氧化鋁帶正電荷的中心容易吸附陰離子，并且產生偶極作用，吸附極性化合物；而堿性則吸附極性和含陽離子官能的化合物。

4、為什么在農殘檢測過程中GCB常見于凈化模式，而不用于富集模式？

答：SPE的凈化模式常被用來吸附雜質，而富集模式常被用來吸附目標物質，GCB是一種石墨化碳黑，是將炭黑在惰性氣氛下加熱到2700-3000℃烘焙而成，它由六個碳原子構成平面六角形，并且層疊而成，對于芳香平面分子，很容易嵌入，而具有較強吸附芳香化合物的選擇性，對于其他分析物也有較好的吸附性能，填料的吸附與解吸附的性能將直接影響填料的使用范圍，對于GCB而言，其吸附性能較強，但是解吸附的可逆性稍差，需要選擇合適強度的溶劑來釋放被吸附的物質，因而造成了解析溶劑匹配較為困難，由于其對色素等的優秀吸附性能，因而在農殘樣品處理中，常用來吸附色素等雜質，而不是選擇用來保留目標化合物。

5、HLB小柱為什么與傳統的硅膠鍵合C18不一樣，廠商建議可以不活化平衡？

答：SPE小柱活化平衡的目的有兩個，一是使得鍵合官能團填料的濕潤和舒展，使之保持對目標化合物的最大吸附活性，另外一個目的就是去除填料本身可能引入的雜質。我們知道硅膠鍵合C18，是在硅膠微球表面鍵合疏水性的C18官能團，為了使得其保持對目標物的充分的吸附活性，需要在濕潤的環境上樣，在填料表層形成的液膜（活化平衡）和上樣的溶劑分子有良好的相容性，目標物在膜間進行傳質，與鍵合C18發生疏水作用而保留，C18本身不具備水浸潤性，直接上水樣，C18蜷縮，而且強的疏水性導致其與溶劑中的目標物質接觸傳質變得困難，因此活化平衡必不可少，HLB小柱采用聚合物改性材料，增加了親水基團，使得在上樣溶劑時就能很好的和水溶劑互溶，因而填料的官能團能在上樣溶劑的環境下就與目標物分子充分接觸，而發生傳質，使得目標物質被充分保留住。

6、淋洗步驟通常需要干燥，這個原因是什么？

答：淋洗液通常要干燥，主要作以下考量：

（1）通常由于反相萃取在化合物的前處理中使用的比較多，正如反相色譜在色譜中作為常見的分離方法一樣，在反相萃取中的淋洗液常為水相或者含水的緩沖溶液，去除水份，可以便于后續干燥濃縮步驟。

（2）有的項目，在淋洗步驟完成后，直接用一定體積的洗脫液，比如1ml的甲醇洗脫，此過程將洗脫與定容集為一步處理，前一步的處理必然對洗脫步驟的定量結果產生影響。

（3）便是溶劑互溶問題，當淋洗步驟使用的溶劑極性與洗脫溶劑的極性差異較大時，會產生乳化分層，洗脫阻力大，洗脫液被稀釋的風險等，導致洗脫效果的差異，以致于實驗結果的失敗。

7、我們在使用硅膠鍵合填料類型的色譜柱的時候，出于對色譜學的常識，知道了硅膠鍵合填料一般廠商建議的pH使用范圍為2-8，那么對于使用硅膠鍵合的填料的固相萃取小柱，是否需要嚴格遵守這樣一條規定？

答：首先，我們需要了解到，廠家建議的pH2-8的耐受范圍，是為了保證色譜柱的正常使用壽命，硅膠鍵合相在超出耐受的pH范圍使用，會導致鍵合相與硅膠基質的斷裂，因此會損害色譜柱柱效和保留特性，但是我們知道這個pH耐受值范圍外的溶劑對于色譜柱的影響，主要是一個積累性的過程，在溶劑沖刷下，逐漸溶解而導致色譜柱性能改變和不可逆，壽命減短。

SPE小柱和色譜柱的一個差異就是，SPE是一次性消耗品，在耐受的溶劑范圍外，短暫時間的溶劑沖刷對于小柱的保留特性影響甚微，并不會導致其保留顯著差異，因此其使用的pH范圍更寬，一般可以在pH值范圍1-10使用，而不會導致其結果的差異性。

編輯：songjiajie2010

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