固相萃取基础知识:固相萃取小柱材质、原理及应用

文摘   2025-01-04 09:13   浙江  

固相萃取是一种基于液-固分离萃取原理,利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附,与样品基体和干扰物分离,再用洗脱液洗脱目标化合物,从而达到分离和富集目标化合物的样品前处理技术。

固相萃取填料可分为三大类:

以硅胶为基质:如C18、C8、CN、NH2、Diol、SCX、SAX等;

以聚合物为基质:如HLB、MCX、MAX、WCX、WAX等;

以无机吸附材料为主:如弗罗里硅藻土、氧化铝、石墨化炭黑等。

1、以硅胶为基质的固相萃取小柱

- C18小柱:

    - 应用领域:

        - 环境监测:广泛用于检测环境水样中的有机污染物,例如多环芳烃(PAHs)、有机氯农药、多氯联苯(PCBs)等。能从大量水样中富集这些微量的疏水性污染物,便于后续的仪器分析,提高检测灵敏度。

        - 药物分析:在生物样品(如血浆、血清、尿液等)中萃取药物及其代谢物,像常见的抗生素、镇痛药、心血管药物等。有助于去除生物样品中的内源性杂质,实现复杂样品的净化和目标化合物的富集。

        - 食品检测:用于检测食品中的添加剂、农药残留、兽药残留等,比如从水果、蔬菜提取物中富集脂溶性的农药成分,或者从肉类样品中提取兽药成分等。

    - 作用原理:基于反相吸附机制,其十八烷基链是非极性的,目标化合物中的非极性部分通过疏水相互作用与填料结合,然后可通过改变洗脱溶剂的极性来实现目标化合物的洗脱。

- C8小柱:

    - 应用领域:

        - 生物化学:常用于生物大分子样品的脱盐处理,利用其相对适中的疏水性,在保持生物大分子(如蛋白质、核酸等)不被吸附的情况下,去除样品中的盐分,利于后续的生化分析或实验操作。

        - 药物研发:可从复杂的药物合成反应体系中分离和富集目标药物中间体或产物,尤其是那些极性稍大于C18适用范围的化合物,比如部分含有多个羟基等极性基团的药物前体。

        - 化妆品检测:对化妆品中的香料、防腐剂、防晒剂等成分进行萃取和分析,协助判断化妆品的质量和安全性,去除其中可能干扰检测的油脂、乳化剂等杂质。    

    - 作用原理:同样是反相吸附,不过其烷基链较短,对化合物的保留能力相对C18稍弱,更适合极性稍大一点的化合物,通过疏水作用与目标物结合。

- CN小柱:

    - 应用领域:

        - 制药行业:在药物杂质分析中发挥作用,能够分离和富集药物中的结构类似物杂质,比如同系列药物中不同取代基的异构体杂质,有助于准确控制药物的纯度和质量。

        - 食品安全:用于检测食品中的黄曲霉毒素等真菌毒素,利用其正相或反相萃取的特性,根据样品基质和目标物的性质灵活选择萃取模式,实现对毒素的有效富集和分离。

        - 天然产物研究:对植物提取物中的中等极性成分,如某些酚类、萜类化合物等进行分离和提纯,帮助科研人员从复杂的天然产物体系中获取目标化合物用于结构鉴定和活性研究。

    - 作用原理:具有中等极性,可根据洗脱溶剂的极性选择进行正相(利用极性吸附)或反相(类似C18、C8的疏水作用,但极性影响更显著)萃取,从而实现对目标化合物的选择性保留和洗脱。

- NH2小柱:

    - 应用领域:

        - 食品分析:常用于检测食品中的碳水化合物含量,比如对糖类物质进行分离和定量分析,同时也可去除样品中一些强阴离子杂质,保证检测结果的准确性。

        - 化工生产监控:在有机酸生产过程中,可用于产品的质量检测和杂质分析,通过弱阴离子交换或极性吸附作用,富集目标有机酸并去除无机阴离子等杂质。

        - 环境科学:对环境水样中弱酸性阴离子污染物进行萃取和分析,例如某些低浓度的有机酸类环境污染物,能够在复杂的水样基质中实现目标物的分离。

    - 作用原理:兼具极性固定相和弱阴离子交换剂的双重作用,一方面可以通过极性吸附作用保留具有一定极性的目标化合物,另一方面可利用弱阴离子交换能力与阴离子化合物发生相互作用,实现选择性的保留和洗脱。    

- Diol小柱:

    - 应用领域:

        - 生物制药:在蛋白质、肽类药物的纯化过程中,可用于去除一些小分子杂质,同时基于其极性特性,对具有一定极性的药物活性成分有较好的选择性保留,有助于提高药物产品的纯度。

        - 天然产物提取:对于植物来源的天然产物,如含有多个羟基的黄酮类、花青素类等化合物,可利用Diol小柱进行富集和初步分离,为后续的进一步精制和结构鉴定提供便利。

        - 化妆品原料检测:在检测化妆品中的保湿剂、乳化剂等成分时,Diol小柱能根据这些成分的极性进行选择性萃取,去除其他无关的杂质,便于准确分析原料的质量和组成。

    - 作用原理:依靠其二醇基的极性与目标化合物产生极性吸附作用,同时对不同极性大小的化合物具有一定的分离能力,根据洗脱溶剂的极性差异来实现目标物的洗脱。

- SCX小柱:

    - 应用领域:

        - 药物分析:常用于生物样品中碱性药物(如生物碱类药物、含氨基的药物等)的萃取和富集,通过阳离子交换作用,在酸性条件下将带正电的药物分子吸附在小柱上,再进行洗脱分析,可有效去除样品中的酸性杂质和其他干扰成分。

        - 食品检测:在检测食品中的营养强化剂(如某些含氮的氨基酸类营养成分)时,利用其阳离子交换能力,实现对目标氨基酸的富集和分离,便于准确测定其含量。

        - 生物医学研究:在研究生物体内的神经递质(如儿茶酚胺类物质,它们带有氨基,呈阳离子性质)时,SCX小柱可用于从复杂的生物体液中提取和富集这些神经递质,助力后续的含量测定和生理功能研究。

    - 作用原理:含有磺酸基等强酸性基团,在酸性条件下,能够与酸性化合物中的阳离子进行交换吸附,基于化合物所带阳离子与填料磺酸基的静电相互作用实现保留,再通过改变洗脱条件(如提高洗脱液的离子强度或改变pH等)来洗脱目标化合物。

- SAX小柱:    

    - 应用领域:

        - 环境监测:用于分离和富集环境水样中含阴离子的有机污染物,比如一些含磺酸根、羧基等阴离子基团的有机染料、表面活性剂等,有助于对这些微量污染物进行准确检测和环境行为研究。

        - 食品工业:在检测食品中的有机酸(如柠檬酸、苹果酸等)以及一些阴离子型的食品添加剂(如磷酸盐类等)时,SAX小柱可通过阴离子交换作用,实现对目标化合物的富集和净化,提高检测的准确性和灵敏度。

        - 生物化学分析:对生物样品中核酸、核苷酸等含阴离子基团的生物大分子或小分子化合物进行萃取和分离,为后续的结构分析、含量测定等研究提供纯净的样品。

    - 作用原理:含有季铵盐等强碱性基团,可与酸性化合物中的阴离子进行交换吸附,利用静电相互作用将带阴离子的目标化合物吸附在小柱上,后续通过调整洗脱液的组成(如离子强度、pH等)来实现目标物的洗脱。

2、以聚合物为基质的固相萃取小柱

- HLB小柱(亲水-亲脂平衡柱):

    - 应用领域:

        - 食品安全检测:几乎涵盖了各类食品基质,可用于检测农药残留、兽药残留、食品添加剂、非法添加物等。例如在水果、蔬菜、肉类、乳制品等样品中,不管是极性的添加剂还是非极性的农药成分,HLB柱都能有效富集,大大提高检测的全面性和准确性。

        - 环境检测:广泛应用于各种环境样品,包括水样(地表水、地下水、工业废水等)、土壤、大气颗粒物提取物等,能富集其中的有机污染物,如多环芳烃、酚类化合物、内分泌干扰物等不同极性的污染物,为环境质量评估提供有力支持。

        - 生物样品分析:在血液、尿液、组织匀浆等生物样品中萃取药物、内源性代谢物等,像在药物临床试验中,HLB柱可用于处理患者的生物样本,提取药物及其代谢产物,以研究药物的药代动力学特性和疗效评估。    

    - 作用原理:填料是单分散的亲水疏水表面平衡反相吸附剂,兼具亲水性和疏水性基团,所以对极性、非极性化合物都有很好的保留效果,通过调节洗脱溶剂的极性和组成,可实现对不同极性目标化合物的选择性洗脱。

- MCX小柱(混合型强阳离子交换柱):

    - 应用领域:

        - 临床检验:常用于生物体液(如血浆、血清、脑脊液等)中碱性药物(如抗抑郁药、抗心律失常药等含有氨基等碱性基团的药物)及其代谢物的富集和净化,能有效去除样品中的酸性杂质、蛋白质等干扰成分,使后续的仪器分析更加准确可靠。

        - 法医毒物分析:在检测生物样本中的毒品及其代谢物(许多毒品成分具有碱性)时,MCX小柱可发挥强大的萃取和富集功能,帮助从复杂的尸体组织、血液等样本中提取目标毒物,为案件侦破提供关键证据。

        - 制药工艺优化:在药物合成过程中,可用于分离和提纯中间产物及目标产物,尤其是那些含有碱性官能团的化合物,通过阳离子交换和反相保留机制,提高产品的纯度和收率。

    - 作用原理:结合了阳离子交换和反相保留的机制,一方面其强阳离子交换功能可在酸性条件下吸附带正电的碱性化合物,另一方面其反相部分通过疏水作用对一些中性及酸性化合物也有一定的保留能力,最后通过合适的洗脱条件将目标化合物洗脱下来。

- MAX小柱(混合型强阴离子交换柱):

    - 应用领域:

        - 环境科学:在环境水样、土壤提取物等样品中,用于萃取和富集酸性污染物,像酸性农药、有机酸类环境污染物等,能够克服复杂环境基质的干扰,提高对目标酸性化合物的检测灵敏度。

        - 食品检测:对食品中的酸性添加剂(如苯甲酸、山梨酸等防腐剂)、有机酸(如乳酸、乙酸等影响食品风味和品质的成分)进行萃取和分析,可有效净化样品,准确测定目标化合物的含量。

        - 生物医学研究:在研究生物体内的代谢过程中,可用于提取和分析一些含阴离子基团的代谢产物,例如某些含有羧基、磺酸基的内源性代谢物,为了解生物体内的生理生化机制提供帮助。    

    - 作用原理:具有强阴离子交换和反相保留的特性,利用强阴离子交换基团与酸性化合物所带阴离子发生静电相互作用实现吸附,同时反相部分也对目标化合物有一定的保留作用,通过改变洗脱条件来实现目标物的洗脱。

- WCX小柱(混合型弱阳离子交换柱):

    - 应用领域:

        - 药物分析:在生物样品中萃取和净化含有酸性基团的药物,比如一些含有羧基的非甾体抗炎药、含有磺酸基的抗生素等,通过弱阳离子交换和反相保留作用,去除样品中的杂质,提高药物检测的准确性和回收率。

        - 食品工业:可用于检测食品中的营养成分(如某些含酸性基团的氨基酸等)以及杂质(如微量的金属离子与酸性成分结合形成的复合物等),实现对目标化合物的富集和分离,保障食品质量。

        - 天然产物开发:在从植物、微生物等天然来源提取和分离具有药用价值的化合物时,若目标化合物含有酸性基团,WCX小柱可辅助进行富集和初步纯化,便于后续的活性筛选和结构鉴定。

    - 作用原理:兼具阳离子交换和反相保留的特性,其弱阳离子交换功能在一定条件下与酸性化合物中能解离出阳离子的部分进行交换吸附,同时反相部分也参与对目标化合物的保留,通过调整洗脱条件来实现目标物的洗脱。

- WAX小柱(混合型弱阴离子交换柱):

    - 应用领域:

        - 制药行业:用于生物样品中酸性药物(如含有羧基、磺酸基等酸性基团的药物)的萃取和净化,在药物研发、质量控制等环节,能有效去除内源性杂质和其他干扰成分,提高药物分析的精度。

        - 环境监测:对环境水样中酸性有机污染物(如酸性农药、酚类等)进行富集和分离,可应对复杂的水样基质,提高目标污染物的检出率,为环境治理和保护提供数据支持。

        - 食品检测:在检测食品中的酸性成分(如有机酸、酸性防腐剂等)以及可能存在的阴离子杂质时,WAX小柱可通过弱阴离子交换和反相保留作用实现对目标化合物的萃取和净化,确保检测结果的可靠性。

    - 作用原理:具有弱阴离子交换和反相保留的功能,依靠弱阴离子交换基团与酸性化合物所带阴离子的静电相互作用实现吸附,再结合反相保留部分对目标化合物进行保留,最后通过合适的洗脱条件将目标化合物洗脱下来。          

 

3、以无机吸附材料为主的固相萃取小柱

- 弗罗里硅藻土小柱:

    - 应用领域:

        - 农药残留检测:常用于农产品(如水果、蔬菜、谷物等)中农药残留的萃取,尤其是有机磷、有机氯等多种类型的农药,能有效吸附和富集这些微量的农药成分,去除农产品中的油脂、色素等杂质,使后续检测更准确。

        - 环境分析:在土壤、沉积物等环境样品中,可用于分离和富集有机污染物,像多环芳烃、多氯联苯等,通过其对中等极性分析物的吸附特性,从复杂的环境基质中提取目标污染物,便于进一步的分析检测。

        - 油脂工业:在油脂的质量检测和成分分析中,可去除油脂中的杂质、色素以及一些微量的有害物质,同时对油脂中的某些风味成分、抗氧化剂等有一定的分离和富集作用,有助于评估油脂的品质和安全性。

    - 作用原理:是一种极性的、高活性的、弱碱性吸附剂,主要从非水相样品溶液中吸附中等极性分析物,基于极性吸附作用,通过选择合适的洗脱溶剂(通常是有机溶剂)来实现目标化合物的洗脱。

- 氧化铝小柱:

    - 应用领域:

        - 制药领域:在药物合成的后处理环节,可用于分离和纯化药物中间体及最终产品,根据氧化铝的酸性(A)、碱性(B)和中性(N)不同化学性质的固定相规格,选择合适的类型来处理不同酸碱性的药物化合物,比如用酸性氧化铝去除碱性杂质,用碱性氧化铝去除酸性杂质等。

        - 天然产物化学:对植物提取物中的各类化合物进行分离,例如从植物精油中分离不同极性和酸碱性的成分,或者从植物中提取生物碱、黄酮类等化合物时,利用氧化铝的吸附特性进行初步的富集和分离,为后续的精制工作奠定基础。    

        - 食品添加剂检测:在检测食品中的色素、香料等添加剂时,氧化铝小柱可根据这些添加剂的极性和酸碱性进行选择性吸附,去除食品基质中的其他干扰成分,便于准确测定添加剂的种类和含量。

    - 作用原理:不同化学性质(酸性、碱性、中性)的氧化铝通过其表面的活性位点与目标化合物发生吸附作用,这种吸附作用与化合物的极性、酸碱性等因素密切相关,洗脱时则根据目标化合物的性质选择合适的溶剂体系来破坏吸附作用,实现洗脱。

- 石墨化炭黑小柱:

    - 应用领域:

        - 环境监测:用于水样、土壤等环境样品中多环芳烃、有机氯农药、内分泌干扰物等难降解有机污染物的萃取和富集,石墨化炭黑对这些疏水性的、平面结构的化合物有很强的吸附能力,能有效去除环境样品中的基质干扰,提高检测灵敏度。

        - 食品检测:在检测食品中的农药残留、兽药残留、多环芳烃等污染物时,尤其是对于一些复杂基质的食品(如肉类、鱼类、加工食品等),石墨化炭黑小柱可通过强大的吸附作用富集目标污染物,同时去除样品中的油脂、蛋白质等杂质,利于后续的仪器分析。

        - 生物样品分析:在处理血液、组织等生物样品时,可用于去除内源性的色素、脂质等干扰成分,也能对一些疏水性的药物及其代谢物进行富集,为生物样品的准确分析创造条件。

    - 作用原理:依靠其特殊的石墨化结构和较大的比表面积,对平面结构的、疏水性的化合物具有很强的吸附作用,通过物理吸附方式将目标化合物吸附在小柱上,洗脱时可采用合适的有机溶剂或混合溶剂来破坏吸附作用,实现目标化合物的洗脱。

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