固相萃取

 

 

什麼是固相萃取(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，主要用於樣品的分離、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，但固相萃取由於操作方便、可降低樣品的複雜性、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)
   樣品的組成十分複雜，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，得到純淨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。

 

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SPE、LLE、SLE的差異

 

據統計，樣品製備及樣品前處理所耗費的時間及成本約佔現今分析實驗的80%左右，爾後才是量測及分析，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)及蛋白質沈澱法(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，已被廣泛運用於醫藥、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	不適用於非常極性(very polar)分析物	無特別限制

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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、提高後續吸附能力 。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，請避免讓吸附劑呈乾燥狀態，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，並選擇性地將樣品中的待測物(及些許雜質)保留於吸附劑上。
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，並逐漸增加溶劑濃度(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。

 

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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、穀物、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製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，如胜肽及蛋白質的去鹽、水溶/脂溶維生素的分離
  • 醫學檢驗，如藥物濫用、代謝物研究
  • 製藥產業，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

 

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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.萃取管柱安裝於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，提升處理效率及品質。

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，吸附劑皆已填充於其中。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，同時也可儘量乾燥 (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，建議採用具耐腐蝕特性之設備。

 

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附錄：固相萃取標準方法列表

 

環檢類檢測方法

NIEA W507.51C	水中油脂檢測方法-固相萃取重量法
NIEA W533.51B	水中鹵乙酸檢測方法-固相萃取濃縮／氣相層析儀／電子捕捉偵測器法
NIEA W539.50B	飲用水中微囊藻毒素化學檢測方法固相萃取與高效液相層析／串聯式質譜儀法
NIEA W542.51B	水中全氟與多氟化合物檢測方法－液相層析串聯式質譜儀法
NIEA W543.50B	水中抗生素類及鎮痛解熱劑類化合物檢測方法-固相萃取與高效液相層析／串聯式質譜儀法
NIEA W544.50B	水中丙烯醯胺檢測方法-固相萃取與高效液相層析／串聯式質譜儀法
NIEA W545.50B	水中新興污染物檢測方法-固相萃取與高效液相層析／串聯式質譜儀法
NIEA W602.52B	水中多氯聯苯檢測方法-固相萃取／氣相層析儀電子捕捉偵測器法
NIEA W646.50C	水中二刈和巴拉刈檢測方法-固相萃取與高效液相層析／紫外光偵測器法
NIEA W656.53B	水中有機磷農藥檢測方法-固相萃取／氣相層析儀／火焰光度偵測器或氮磷偵測器法
NIEA W658.51B	水中有機氯農藥分析方法-固相萃取/氣相層析儀/電子捕捉偵測器法
NIEA W786.50B	水中五氯硝苯檢測方法-固相萃取／氣相層析電子捕捉偵測器法
NIEA W941.51C	自然水體中腐植物質螢光強度檢測方法－II固相萃取法
NIEA M188.00C	固相萃取方法

食品類檢測方法

MOHWV0041.05	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－乙型受體素類多重殘留分析
MOHWV0002.02	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－卡巴得及其代謝物之檢驗
MOHWV0035.01	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－畜福之檢驗
MOHWP0052.01	食品中殘留農藥檢驗方法－殺草劑亞速爛之檢驗
MOHWT0006.03	食品中黴菌毒素檢驗方法－黃麴毒素M1之檢驗
TFDAV0009.00	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－泰妙素之檢驗(二)
TFDAA0074.00	食品中蘇丹色素之檢驗方法(二)
TFDAA0081.00	食用油脂中維生素E之檢驗方法(二)
TFDAA0084.01	食品中溴酸鹽之鑑別方法
TFDAO0003.00	食品中丙烯醯胺之檢驗方法
TFDAO0030.02	食品中多環芳香族碳氫化合物之檢驗方法
TFDAO0007.01	食品中三聚氰胺之檢驗方法
TFDAV0027.01	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－孔雀綠、結晶紫及其代謝物之檢驗
TFDAV0031.00	食品中動物用藥殘留量檢驗方法－四環黴素類抗生素之檢驗

其他檢測方法

RA02I004.001

尿液中苯乙胺類之檢驗方法(二)

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參考資料：

1. Waters^TM Beginner’s Guide to SPE
2. Mass Spectrometry for the Clinical Laboratory, 2017, Pages 37-62
3. Comprehensive Sampling and Sample Preparation, 2012
4. Solid Phase Extraction Guide, Thermo Fisher
5. 環境檢驗所 環保署
6. 衛生福利部食品藥物管理署