浅谈SPE技术的利与弊--固相萃取技术的利弊评价

固相萃取（Solid Phase Extraction，简称SPE）技术，发展于20世纪70年代，由于其具有高效、可靠、消耗试剂少等优点，在许多领域取代了传统的液－液萃取而成为样品前处理的有效手段。一些传统的介绍SPE的书籍将其归于液相色谱的原理，这其实是引起使用不当的主要原由之一。把SPE小柱看作一根液相色谱柱，不如把它看成单纯的萃取剂更合适，因为液相色谱的重点在于分离，而SPE的重点在于萃取。

固相萃取技术在样品处理中的作用分两种：一是净化，二是富集，这两种作用可能同时存在。

固体萃取和液－液萃取相比，其优点是操作方便和消耗试剂少，缺点是批次间的重复性难以保证。出现这种情况的原因在于：液体试剂的重复性好，只要其纯度可靠，不同年代的产品的物理化学性质都是可靠的。而固体萃取剂就算保证了纯度，还存在着颗粒度的差异，外形的差异等液体试剂不存在的且难以衡量的因素，不同年代不同批号的萃取剂性质可能会有较大的区别。

从理论上说，固相萃取应该在色谱分析的前处理上得到很好的应用：有机溶剂用得很少，可批量处理样品，既可富集，又能除杂质，给人印象是前处理的革命性进步。然而现实情况是，至少在国内，虽然推广了多年，实际应用还是相当有限。这与我们的使用方式和期望有关，也与它本身的局限有关。

固相萃取可以作为前处理手段的一个很好补充，但是在使用时，一定要明确其优点和缺点，注意因地制宜，扬长避短。

SPE的应用优势

哪些分析任务的前处理适合使用固相萃取技术，即用固相萃取会比普通的溶剂萃取更理想，个人认为有以下几种情况：

水中有机物的前处理

此类常规处理基本上是用与水不相溶的有机溶剂振荡萃取，用固相萃取的优势在于以下几方面：

可以定量地重复前处理过程

溶剂振荡的操作一般只能要求到控制时间的程度，却无法控制振荡频率，强度，动作，我们知道，每个人的振荡动作是不同的，就是同一个人，也很难保证始终划一的动作。所以说，溶液萃取的动作是不定量，不能重复的。

而在应用固相萃取时，比较容易保持过柱和洗脱速度的均一和稳定，因此，固相萃取的萃取过程是可以重复，可定量的。

现场处理

水中有机物的分析有一个长期困扰我们的瓶颈。有机物在池塘水库等环境中能保持相对稳定，但是一旦进入采样瓶这个小环境中，就会迅速发生变化。现场分析要求最多不能超过4 h，可一般的情况是，从取水回到实验室的时间就远远不止4 h了，样品发生了变化，分析结果的可靠性可想而知。

如果引入固相萃取技术，由于其设备简单，体积小，易于携带，完全可以做到在现场一边采样，一边进行前处理。采样者带回实验室的是固相萃取柱，而不是水样，这样就能保证处理结果的可靠性。

从实际应用来说，在水的检测中用固相萃取技术取代传统液液萃取还有相当多的工作需要摸索，目前尚不能完全取代，但是其发展的前景很值得看好。

减少有机试剂消耗量

在处理水样时，如果用固相萃取，则只需要在洗脱时用到有机溶剂，用量比传统液液萃取要少得多。对于实验者的人身保护和环境保护有着积极的意义。

批量生物材料的药物成分萃取

这是固相萃取在实际应用中比较成功的范例，主要是指在医院中检测血样和尿样时的前处理工作，由于对药物成份的吸附是固相萃取的优势，加上样品单一，组成固定，在确定方法后很适合大规模批量的净化操作。

免疫亲和固相萃取

萃取的理想状态是特异性富集或特异性排斥，可是不论是溶液萃取还是固相萃取，基本上是相似相溶的，最多做到“某一类”层次的萃取，而无法达到“某一种”层次的萃取。在固相萃取柱的基础上加上免疫亲和技术，可以利用其生物特异性选择吸附，能够达到理想的萃取效果。

实际困难在于虽然其理论很好，但是由于技术难度相对较高，可供应用的更少。

SPE的局限性

样品局限性

固相萃取不适于处理固体样品。对于固体，必须将其先制备为液体形态才能进行固相萃取操作，这一点就远不如液体萃取了。

即使是液体样品，固相萃取也有其额外的苛刻要求，即液体必须洁净度高，不能有悬浮物或其他固体颗粒，否则会在柱前形成堵塞，无法继续过柱及洗脱操作。所以固体样品要制备成液体，液体样品最好先经过过滤。相比来说，溶剂萃取就不存在这个麻烦，略带杂质也影响不大。

结构局限性

固相萃取柱的结构很简单，除了塑料管，就只有筛板和填料。简单的结构，虽然带来了便利，也带来了与生俱来的矛盾，一些在用溶剂萃取时永远不会遇到的矛盾。

液面的问题

当进行活化、净化，洗脱等典型的固相萃取操作时，会使用不同溶剂，这时的操作要求在液面下降到筛板时换加不同溶剂，加得太晚，会使填料中干涸产生气泡，影响结果的稳定性（甚至会因为溶液的张力问题而使液面无法下降）。相反，如果加得太晚，会使加入溶液和在筛板上的原有溶液混合，产生无法预料极性的新洗脱液，使结果的可靠性大打折扣。

加液加到筛板，说得容易做起来难，如果单独做一个样品可以紧盯液面操作。但是在批量操作时只会顾此失彼，固相萃取技术实用的一个重要意义就在于方便可靠地批量处理样品，如果这个意义削弱的话，其实用性也就大大降低。

液面问题是制约固相萃取应用成功的主要瓶颈，虽隐蔽却无法回避。解决的方法有两种，一是干脆不用理会液面的困扰 ，每次都做到抽空溶液，这种做法倒是不会产生筛板上的溶液混合的问题，但是又会出现一个新的问题，即填料看起来是抽干了，但实际表面还是有数量不定的液体，每次干涸程度不一致，也无法重复。另一种解决方法就是在使用固相萃取器时用电导探针测试，这个方法比较精确，但是也有一个新的问题，探针需要清洗，否则会有交叉污染的可能，而且有这类装置的固相萃取器价格一般相当昂贵。且一个探针在同一时间只能探测一个样品管，要同时监测一批小柱则很困难。

填料的装填松紧问题

用液体萃取时我们从来不用考虑整个溶剂的密度是否均匀，但是对于固体填料，却不能忽略这个问题。在同一批次甚至同一包里的几个小柱，加上相同溶液时，我们会发现液体过柱的速度是不均匀的 ，总是有快有慢。

由于生产工艺和成本的综合考虑，固相萃取小柱不可能采用类似填充液相色谱柱的匀浆高压法，所以填料的装填松紧不均匀是必然的。这就造成一个问题，由于液体流过的速度不一样，每次加液的时间也会不一样，不利于同步批次处理样品，而且回收率也会不同。看过一些公司的所谓全自动固相萃取器，其原理都有一个假设，即每根小柱的流过速度应该一致，可惜，这只是“假”的设想。

填料的质量稳定问题

在我们开启一瓶二氯甲烷或丙酮时，只要买的不是伪劣产品，就是不同公司的也可以放心使用，因为它们的萃取性能是稳定可靠的。而固相萃取则不同，就是同一公司的正品填料，每次的产品性质还是有些许差异，不同公司的相差更大。而如果换一家公司的固相萃取柱或同一公司不同批次的小柱，都需要把所有的项目做一遍质量评估，从而也可能导致没有太多人愿意使用。

不能加热

一般的加热行为可以改善吸附作用，可是由于固相萃取柱的套管是由塑料制造的，一加热就会变形，所以只能做常温操作。

项目局限性

从各家供应商提供的资料来看，做得比较好的应用主要在处理药物方面，即分子量比较大，性质比较稳定的那些物质。液体萃取的相似相溶理论已经久经考验，而固相萃取靠的是吸附与洗脱，已经完全不是经典的萃取过程了，并不是所有的项目都适合。很多经典的液体萃取实验到现在也不能转化到固相萃取，即使转化，效果也不理想。

使用SPE的注意事项

尽量慢

我们在用固相萃取时，面临的一个问题是：液体应该以什么速率过柱流出，我的经验是，要想效果好，就要慢，尽量慢。

对于固相萃取柱中的填料，如果局部放大地看，能看到很多的空隙，液体流通的渠道很多，如果流得快，相当比例的待测组分还来不及与填料充分作用就从通道流失；所以要慢，给它们一个充分作用的机会。

如何慢呢？一个窍门就是不要用配合抽气机使用的所谓固相萃取器，而采用再普通不过的重力法。利用重力的作用使液体向下流出。在实验速度上，重力法远不如吸力法，但是在实验效果方面，重力法远比吸力法优胜，用吸力法只能得到谱带吸附，用重力法却能得到柱头吸附，在速度和效果两者的平衡中，我们还是倾向于优先保证好的效果。

举例来说，一个3 ml 500mg的C18小柱，如果加甲醇活化，其甲醇全部流至筛板时间约为20 min，而在过样品液时，25ml的液体最多2 h可以流完，而且用重力法如果得当，工作速率不一定比吸力法差很多。因为我们可以充分利用空闲时间，用吸力法必须有人在旁边守候，而重力法由于不需要用电，可以充分利用午休和晚上时间过柱，液体量大时接个堆叠接头和延长管即可，安排好实验步骤，工作效率一样很高。另外，重力法不需要抽气机和固相萃取器。

尽量少

在固相萃取条件选择上，有人为了提高提取效率，尽量多加液体，或选择填料量大的小柱，我觉得大可不必如此。尤其在用重力法时，由于效率高，很多情况下是柱头吸附，并不是所有的填料都在起作用，填料多了不仅液体流出速度会更慢，而且在洗脱时的扩散会很明显。因此建议，够用就行，在能保证效率时，填料尽量少，加液也不宜多。

实验条件不宜过分细化

固相萃取从原理上是色谱分离，但是在操作时最好只把它作为吸附萃取剂使用，由于填料性质、松紧常有差异，因此在实际实验中不必因为追求效果的最佳化而设计出很复杂的洗脱程序。

在建立条件中，我们应该尽量多利用现成的资料，尽快地建立起体系，同时要对操作过于复杂的步骤保持警惕性，在实验效果、实验速率和易操作性三者中取得平衡点。

只用一次

固相萃取柱最好只用一次。因为从严格的意义上来说，很多物质的吸附是不可逆的，一次吸附，无法洗脱，就会影响着下一次吸附，虽然有人做过重复利用的实验，但是总体来说为了节省一点经费而大大增加了结果的不可靠性和不确定性，是很不合算的行为。因此建议，只用一次。如果想节省经费可以从减少填料量和使用小容积管入手，尽量用堆叠接头和延长管。

慎用固相萃取器

供应商通常会在推荐固相萃取柱的同时，推荐使用固相萃取器，除了价格昂贵外，这样的配置即使加上调速开关，也很难得到好的结果，主要问题就是把小柱的不平行性放大了。建议实在不适合重力法的才用固相萃取器。

现在市面上还没有比较理想、适合食品检测的全自动固相萃取器，主要问题就是无法解决一批小柱中液面下降不一致的问题，加上价格昂贵，性价比较低。带液面测量的也不能对多批量的小柱同时检测，且有交叉污染的危险。目前的全自动固相萃取器基本上是走重力法路线，倒是回避了密封的难题。

液体萃取不可替代

有些人在初次接触固相萃取时，总觉得它能取代液体萃取，实际上就象毛细管电泳无法取代液相色谱一样，固相萃取在某些场合比液体萃取合适，但是在更多情况下，还是传统的液体萃取更可靠。这一点从目前实验技术的实际发展可以得到印证。

关于液固萃取，我们不要仅仅把它看作是一个提取过程，从另一个角度来看，它还是一个净化过程，是把固形干扰物排除净化的过程。理解这一点，有助于我们优化选择实验方法。

实用性决定实验设计成功与否

在设计一个实验时，开始要考虑到其技术上是否先进。而在实际运用中，最终决定这个方法是否可行，是否能够存在的关键是实用性。一个实验方法不仅要解决问题，而且能够在人力、物力、财力三方面达到平衡，且满足可持续、可重复操作的要求。因此，再先进的技术，也要服从实用性，否则就没有生命力。

案例分析

2003版的“食品卫生检测方法-理化部分”的色谱实验部分，相对于1996年的版本，引入了一些新的技术，主要是普遍采用了仪器法。进步虽然明显，可错误依然很多，有些甚至是一脉相承。尤其是某些新引入的国标，只能让人无比感慨标准批准机构的宽容与勇敢。

虽然在2003版国标中大范围地引入了固相萃取技术，但是如果直接套用书中的方法，其实用性相当低。下面以农药检测中最常用的佛罗里硅土举例，讲解新国标应用固相萃取技术的主要问题和解决方法。

新国标中对于佛罗里硅土的处理从头到尾如出一辙：“在650℃下活化4~5h，临用前用3％的水去活化。再取一支玻璃层析管，上下各装1.5cm高的无水硫酸钠，中间加入10 g处理后的佛罗里硅土，最后都是淋洗和浓缩的步骤。

以上的步骤看起来很清晰，但是可操作性却很差，主要表现在以下几个方面。

（1）“在650℃下活化4~5h”。高温活化的过程虽然是5 h，但是马弗炉从650℃降到室温就需要10 h以上，所以光是活化就是一整天的时间。

（2）“临用前用3％的水去活化”，由于处理后的佛罗里硅土吸附性太强，所以要加入水来灭活，3％的概念是指按照佛罗里硅土重量的3％加入水量，但是谁也无法保证加入的水是均匀的，这是一个结果平行的隐患。

（3）“装入玻璃层析管”，应该注意到这是一个在实验前才能做的工作，而不能将材料做好后储备起来。

（4）“淋洗和浓缩”，这是实用性最差的阶段。一般的淋洗后体积为100ml，而浓缩后的体积要求一般在2?ml左右。这样就需要用到旋转蒸发器，而旋转蒸发器的工作效率是很低的。

从以上4 点可以看到，这一系列操作的问题在于所有的材料均要在临实验前手工装备完成，而且还要经过耗时耗力的浓缩过程。如果这是在一个科研机构开发方法，或一天只处理一个样品则是勉强可行，但是对于基层检验机构则是完全不现实的。

要解决以上的问题，方法就是首先要利用现成的、可长期保存的商品柱代替手工装填柱，其次要尽量避免大体积的浓缩过程。

商品的佛罗里硅土柱各家公司均有售，个人推荐使用的规格为3ml，500mg，至于品牌选择，一定要买大公司的独立包装柱。佛罗里硅土的填料其实很普通，关键在于厂家在制造前是否经过严格的烧烤过程。

由于使用商品柱，所以加3％的水去活化变成一件不可能的事情，但是据我的实际操作经验，完全可以利用样品本身去活化，所以这一步骤是可以去除的。

至于“淋洗和浓缩”步骤，建议不一定要非全部洗脱出来再浓缩定容，在淋洗曲线的某一点，洗脱出的溶液浓度正好与实际样品液浓度一致，只要能控制在某一点的洗脱液接收，完全可以避免复杂的浓缩过程，这一点，对于那些本身就对热不稳定的项目更加重要。例如GB/T 5009.146-2003“植物性仪器中有机氯和拟除虫菊酯类农药多种残留的测定”，要求在手工填装的佛罗里硅土柱加入2ml石油醚试液，再用100ml石油醚+乙酸乙酯（95+5）后洗脱，最后将100ml浓缩至1ml后测定。而通过上述所提的淋洗曲线，会发现在首2ml淋洗液无待测物洗脱，第2~3ml是比实际值高一倍的洗脱液，第3~5ml的洗脱液则与实际样液浓度一致，所以可以直接取第3~5ml的洗脱液测定，而不用经过一个全部洗脱后再浓缩的过程。

这样，就可以提出以下的“实用版”植物性食品中有机氯和拟除虫菊酯类的前处理步骤：

（1） 取干燥样品5.0 g于250ml碘量瓶中，加石油醚50ml，放在振荡机上振荡30 min。（如果是含水分样品，则先加入适量无水硫酸钠混合，等其脱水后再同上处理）。

（2）用三角漏斗过滤，收集滤液（滤液可轻度浓缩）。固定竖立净化柱，净化柱上接堆叠接头，上接24?ml空管。

（3） 加全部滤液进入空管内，过柱。

（4）等滤液全部从柱底端流完后，加入3ml石油醚+乙酸乙酯（95+5），洗脱液放弃，整个过程小柱加盖，防止挥发。

（5）第一次加入的洗脱液流完后，再加入3ml石油醚+乙酸乙酯（95+5），在小柱底端收集洗脱液）

（6）进样。