固相萃取裝置的選擇及主要應用領域
內容大綱
什么是固相萃取(SPE)?
SPE、LLE、SLE的差異
固相萃取步驟
常見固相萃取的應用
常見固相萃取之設備配置
什么是固相萃取(SPE)?
固相萃取 (Solid Phase Extraction, SPE)是常見的樣品前處理技術，其結合了液固萃取(solid liquid extraction)與色譜(chromatography)技術的優點發展而來，主要用于樣品的分離、純化、富集與濃縮。
固相萃取原理與液相層析(LC)相同，其吸附劑為固態 (稱固定相, stationary phase)，而樣品是液態，固態吸附劑以物理或化學方式吸附液體樣品中的待測物及雜質，再藉由與不同介質間的吸附力 (adsorption) 與親和力 (affinity) 差異 而達到快速分離、純化的目的。
樣品前處理的方式有很多種，但固相萃取由于操作方便、可降低樣品的復雜性、降低干擾、提高靈敏度、延長管柱(column)和分析儀器的壽命等特點，目前為HPLC、LC、GC、MS分析中最常使用的前處理技術之一，其主要的三大優勢包括：
1. 去除基質干擾 (simplification and purification)
樣品的組成十分復雜，其所含的干擾物不僅會影響分析訊號的靈敏度，更因為有可能因其長年累月的積累而影響管柱及儀器的壽命。正確的SPE處理可大幅度的減少樣品基質 (matrix) 對分析物的干擾，得到純凈的萃取物及準確的分析或定量結果。
2. 提高待測物濃度 (concentration and trace enrichment)
現今分析的濃度愈來愈低，低至ppb (10-9)、ppt (10-12) 等級，因此如何提高待測物濃度為一問題。SPE可利用待測物與干擾物滯留特性 (retention) 的不同，以大量樣品流過吸附劑，再以少量溶劑將待測物沖堤而出，簡單提高待測物濃度。
3. 分餾 (fractionation) 不同化合物
SPE可將樣品的中多種化合物依其特性而個別分離，如極性、非極性等，以利選擇更合適的方式進行分析。
SPE、LLE、SLE的差異
據統計，樣品制備及樣品前處理所耗費的時間及成本約占現今分析實驗的80%左右，爾后才是量測及分析，因此更簡單、方便的前處理方式為科學努力的方向。
而前處理手段百百種，包含傳統液液萃取法(liquid-liquid extraction, LLE)、支持性液液萃取(supported liquid extraction, SLE)及蛋白質沈淀法(protein precipitation, PPT)等，而固相萃取因其步驟簡單、安全、操作成本低等優點，已被廣泛運用于醫藥、食品安全、環境、化工等領域。
固相萃取步驟
固相萃取的步驟大致可分為：
1. 活化(Conditioning)：使用合適的溶劑預先潤濕吸附劑，此步驟可活化吸附劑表面的配位基、提高后續吸附能力 。上樣前可使用與樣品預處理 相同的溶劑再次平衡。
活化步驟至萃取完成前，請避免讓吸附劑呈干燥狀態，以確保其吸附能力。
2. 上樣 (Loading)：以合適的流速將樣品流過吸附劑，并選擇性地將樣品中的待測物(及些許雜質)保留于吸附劑上。
3. 洗滌 (Washing)：以溶劑(流動相, mobile phase) 清洗固定相，選擇性地去除結合強度較低的雜質及干擾物。可依實驗進行多次洗滌，并逐漸增加溶劑濃度(階段梯度, step gradient)，而達成更完全的分離。
4. 沖堤 (Eluting)，或稱洗脫：以溶劑破壞待測物與吸附劑的結合，將待測物從吸附劑上移除、回收。若需高濃度的待測物，則可用小體積的溶劑進行沖堤。
常見固相萃取的應用
固相萃取的檢液幾乎為液態(極少數為氣相)，但其應用相當廣泛，樣品包括環境檢測 (如廢水、地下水、土壤)、食品安全 (如畜禽產品、中藥材、谷物、海鮮、飲料) 乃至生物樣品 (如血漿、尿液、口水) 皆可使用此技術分離、純化待測物。惟樣品上樣前需先行制備為液體型態以利上樣。
詳細方法可參考附錄：固相萃取標準方法列表
· 學術研究，如勝肽及蛋白質的去鹽、水溶/脂溶維生素的分離
· 醫學檢驗，如藥物濫用、代謝物研究
· 制藥產業，有效成份萃取、原料品管
· 環境分析，飲用水、廢水的重金屬、油脂污染
· 食品安全檢測，如蔬果、肉類的農藥、抗生素分析
常見固相萃取之設備配置
最常見的SPE做法是使用將含有吸附劑的A.萃取管柱安裝于B.過濾裝置上。為了使液體流過萃取管柱，通常會藉由C. 正壓或負壓(真空)裝置適當加快流速，提升處理效率及質量。
A. 萃取裝置(SPE cartridge, SPE column)
常見的有SPE萃取管柱、SPE萃取膜、96孔盤、微量吸管尖 (pipette tip) 等，吸附劑皆已填充于其中。現今SPE操作中，以萃取管及萃取膜最常使用，可依樣品量的多寡選擇合適的產品。
市售SPE產品的固定相(吸附劑)種類非常多種，如C18、正相、逆相、離子交換樹脂等，可依樣品的基質、溶解度、極性等特性進行挑選。
B. 過濾裝置 (SPE manifold)
進行SPE時需要一裝置固定萃取管或萃取膜，此裝置一般稱為過濾座或歧管 (SPE manifold)。可依萃取裝置類型、樣品數量及正、負壓挑選合適的過濾裝置。
C. 其它設備
進行固相萃取時，通常會藉由施加「正壓」或「負壓(真空)」使樣品及流動相穩定的流經固定相(吸附劑)以利吸附、洗滌進行，不僅加快流速，同時也可盡量干燥 (air dry) 萃取管柱或萃取膜，避免影響實驗結果。
以負壓輔助萃取為例，其使用真空幫浦將過濾裝置內的氣體分子部份抽除，以壓力差提高液體流速。但流速也不宜太快以避免反應不完全，因此可挑選帶有調壓裝置的設備或幫浦，藉由真空度的調整而控制流速。另固相萃取多以溶劑進行，如甲醇(methanol)、乙腈(Acetonitrile)等，因此為減緩化學蒸氣侵蝕，建議采用具耐腐蝕特性之設備。
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什么是固相萃取(SPE)?
SPE、LLE、SLE的差異
固相萃取步驟
常見固相萃取的應用
常見固相萃取之設備配置
什么是固相萃取(SPE)?
固相萃取 (Solid Phase Extraction, SPE)是常見的樣品前處理技術，其結合了液固萃取(solid liquid extraction)與色譜(chromatography)技術的優點發展而來，主要用于樣品的分離、純化、富集與濃縮。
固相萃取原理與液相層析(LC)相同，其吸附劑為固態 (稱固定相, stationary phase)，而樣品是液態，固態吸附劑以物理或化學方式吸附液體樣品中的待測物及雜質，再藉由與不同介質間的吸附力 (adsorption) 與親和力 (affinity) 差異 而達到快速分離、純化的目的。
樣品前處理的方式有很多種，但固相萃取由于操作方便、可降低樣品的復雜性、降低干擾、提高靈敏度、延長管柱(column)和分析儀器的壽命等特點，目前為HPLC、LC、GC、MS分析中最常使用的前處理技術之一，其主要的三大優勢包括：
1. 去除基質干擾 (simplification and purification)
樣品的組成十分復雜，其所含的干擾物不僅會影響分析訊號的靈敏度，更因為有可能因其長年累月的積累而影響管柱及儀器的壽命。正確的SPE處理可大幅度的減少樣品基質 (matrix) 對分析物的干擾，得到純凈的萃取物及準確的分析或定量結果。
2. 提高待測物濃度 (concentration and trace enrichment)
現今分析的濃度愈來愈低，低至ppb (10-9)、ppt (10-12) 等級，因此如何提高待測物濃度為一問題。SPE可利用待測物與干擾物滯留特性 (retention) 的不同，以大量樣品流過吸附劑，再以少量溶劑將待測物沖堤而出，簡單提高待測物濃度。
3. 分餾 (fractionation) 不同化合物
SPE可將樣品的中多種化合物依其特性而個別分離，如極性、非極性等，以利選擇更合適的方式進行分析。
SPE、LLE、SLE的差異
據統計，樣品制備及樣品前處理所耗費的時間及成本約占現今分析實驗的80%左右，爾后才是量測及分析，因此更簡單、方便的前處理方式為科學努力的方向。
而前處理手段百百種，包含傳統液液萃取法(liquid-liquid extraction, LLE)、支持性液液萃取(supported liquid extraction, SLE)及蛋白質沈淀法(protein precipitation, PPT)等，而固相萃取因其步驟簡單、安全、操作成本低等優點，已被廣泛運用于醫藥、食品安全、環境、化工等領域。
| 固相萃取 (SPE) | 液液萃取 (LLE) | 支持性液液萃取 (SLE) | |
| 方法開發 (method development) | 需要 | 需要 | 需要 |
| 環境污染因素 | 產生少量溶劑與廢棄塑料 | 產生大量溶劑廢液 | 產生中量溶劑與廢棄塑料 |
| 操作安全性 | 少量溶劑曝露 | 大量溶劑曝露、爆炸隱憂 | 少量溶劑曝露 |
| 主要發生成本 | 萃取管 | 溶劑、粉劑 | 萃取管 |
| 樣品需求 | 少 | 多 | 中 |
| 乳化現象 (emulsion) | 否 | 是，故回收率差 | 否 |
| 靈敏度 (sensitivity) | 高 | 低 | 中 |
| 加熱濃縮樣品 | 可使用其他濃縮方法 | 是，無其他濃縮方法 | 可使用其他濃縮方法 |
| 自動化 | 可 | 否，勞動密集 (搖動) | 可 |
| 速度 | 中 | 慢 | 快 |
| 高通量(high throughput) | 高 | 中 | 高 |
| 降低基質影響 | 是 | 是 | 是 |
| 限制 | 無特別限制 | 不適用于非常極性(very polar)分析物 | 無特別限制 |
固相萃取步驟
固相萃取的步驟大致可分為：
1. 活化(Conditioning)：使用合適的溶劑預先潤濕吸附劑，此步驟可活化吸附劑表面的配位基、提高后續吸附能力 。上樣前可使用與樣品預處理 相同的溶劑再次平衡。
活化步驟至萃取完成前，請避免讓吸附劑呈干燥狀態，以確保其吸附能力。
2. 上樣 (Loading)：以合適的流速將樣品流過吸附劑，并選擇性地將樣品中的待測物(及些許雜質)保留于吸附劑上。
3. 洗滌 (Washing)：以溶劑(流動相, mobile phase) 清洗固定相，選擇性地去除結合強度較低的雜質及干擾物。可依實驗進行多次洗滌，并逐漸增加溶劑濃度(階段梯度, step gradient)，而達成更完全的分離。
4. 沖堤 (Eluting)，或稱洗脫：以溶劑破壞待測物與吸附劑的結合，將待測物從吸附劑上移除、回收。若需高濃度的待測物，則可用小體積的溶劑進行沖堤。
常見固相萃取的應用
固相萃取的檢液幾乎為液態(極少數為氣相)，但其應用相當廣泛，樣品包括環境檢測 (如廢水、地下水、土壤)、食品安全 (如畜禽產品、中藥材、谷物、海鮮、飲料) 乃至生物樣品 (如血漿、尿液、口水) 皆可使用此技術分離、純化待測物。惟樣品上樣前需先行制備為液體型態以利上樣。
詳細方法可參考附錄：固相萃取標準方法列表
· 學術研究，如勝肽及蛋白質的去鹽、水溶/脂溶維生素的分離
· 醫學檢驗，如藥物濫用、代謝物研究
· 制藥產業，有效成份萃取、原料品管
· 環境分析，飲用水、廢水的重金屬、油脂污染
· 食品安全檢測，如蔬果、肉類的農藥、抗生素分析
常見固相萃取之設備配置
最常見的SPE做法是使用將含有吸附劑的A.萃取管柱安裝于B.過濾裝置上。為了使液體流過萃取管柱，通常會藉由C. 正壓或負壓(真空)裝置適當加快流速，提升處理效率及質量。
A. 萃取裝置(SPE cartridge, SPE column)
常見的有SPE萃取管柱、SPE萃取膜、96孔盤、微量吸管尖 (pipette tip) 等，吸附劑皆已填充于其中。現今SPE操作中，以萃取管及萃取膜最常使用，可依樣品量的多寡選擇合適的產品。
市售SPE產品的固定相(吸附劑)種類非常多種，如C18、正相、逆相、離子交換樹脂等，可依樣品的基質、溶解度、極性等特性進行挑選。
B. 過濾裝置 (SPE manifold)
進行SPE時需要一裝置固定萃取管或萃取膜，此裝置一般稱為過濾座或歧管 (SPE manifold)。可依萃取裝置類型、樣品數量及正、負壓挑選合適的過濾裝置。
| SPE萃取管柱過濾裝置 | SPE萃取膜過濾裝置 |
C. 其它設備
進行固相萃取時，通常會藉由施加「正壓」或「負壓(真空)」使樣品及流動相穩定的流經固定相(吸附劑)以利吸附、洗滌進行，不僅加快流速，同時也可盡量干燥 (air dry) 萃取管柱或萃取膜，避免影響實驗結果。
以負壓輔助萃取為例，其使用真空幫浦將過濾裝置內的氣體分子部份抽除，以壓力差提高液體流速。但流速也不宜太快以避免反應不完全，因此可挑選帶有調壓裝置的設備或幫浦，藉由真空度的調整而控制流速。另固相萃取多以溶劑進行，如甲醇(methanol)、乙腈(Acetonitrile)等，因此為減緩化學蒸氣侵蝕，建議采用具耐腐蝕特性之設備。
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