Твердофазная экстракция ( ТФЭ ) [1] представляет собой метод твердожидкостной экстракции, с помощью которого соединения, растворенные или суспендированные в жидкой смеси, отделяются, выделяются или очищаются от других соединений в этой смеси в соответствии с их физическими и химическими свойствами. характеристики. Аналитические лаборатории используют твердофазную экстракцию для концентрирования и очистки проб для анализа. Твердофазную экстракцию можно использовать для выделения интересующих аналитов из широкого спектра матриц, включая мочу, кровь, воду, напитки, почву и ткани животных. [2] [3] [4]
ТФЭ использует сродство растворенных веществ, растворенных или суспендированных в жидкости (известных как подвижная фаза ), к твердой насадке внутри небольшой колонки, через которую проходит образец (известной как неподвижная фаза ), для разделения смеси на желаемые и нежелательные компоненты. В результате либо нужные интересующие аналиты, либо нежелательные примеси в образце остаются в неподвижной фазе. Та часть, которая проходит через неподвижную фазу, собирается или выбрасывается в зависимости от того, содержит ли она нужные аналиты или нежелательные примеси. Если часть, оставшаяся на неподвижной фазе, включает нужные аналиты, их можно затем удалить из неподвижной фазы для сбора на дополнительном этапе, на котором неподвижную фазу промывают соответствующим элюентом . [5]
Возможно неполное извлечение аналитов методом ТФЭ, вызванное неполной экстракцией или элюированием. В случае неполной экстракции аналиты не обладают достаточным сродством к стационарной фазе и часть их останется в пермеате. При неполном элюировании часть аналитов остается в сорбенте, поскольку используемый элюент не обладает достаточно сильным сродством. [6]
Многие из адсорбентов/материалов такие же, как и в хроматографических методах, но ТФЭ отличается от хроматографии, и поэтому занимает уникальную нишу в современной химической науке.
ТФЭ на самом деле является методом хроматографии в том смысле, что подвижная фаза проводит смеси через неподвижную фазу, упакованную внутри колонки. Хроматографический процесс используется для создания метода твердожидкостной экстракции, позволяющего разделить смесь компонентов за счет больших различий между твердой и жидкой фазой K eq или константой равновесия для каждого компонента в смеси. Химические соображения по выбору неподвижной и подвижной фаз аналогичны тем, которые применяются для жидкостной колоночной хроматографии, и многие используемые адсорбенты/материалы такие же. Однако теория, процедуры и цели различны, и как метод добычи он занимает уникальную нишу в современной химической науке.
Типичная твердофазная экстракция включает пять основных этапов. Сначала картридж уравновешивают неполярным или слабополярным растворителем, который смачивает поверхность и проникает в связанную фазу. Затем воду или буфер того же состава, что и образец, обычно промывают через колонку для смачивания поверхности кремнезема. Затем образец добавляется в картридж. Когда образец проходит через неподвижную фазу, полярные аналиты в образце будут взаимодействовать и удерживаться на полярном сорбенте, в то время как растворитель и другие неполярные примеси проходят через картридж. После загрузки образца картридж промывают неполярным растворителем для удаления дальнейших примесей. Затем аналит элюируют полярным растворителем или буфером с соответствующим pH.
Неподвижная фаза полярных функционально связанных кремнеземов с короткими углеродными цепями часто образует твердую фазу. Эта неподвижная фаза будет адсорбировать полярные молекулы, которые можно собрать более полярным растворителем. [4]
ТФЭ с обращенной фазой разделяет аналиты в зависимости от их полярности. Неподвижная фаза картриджа для ТФЭ с обращенной фазой образована углеводородными цепями, которые удерживают соединения средней и низкой полярности благодаря гидрофобному эффекту. Аналит можно элюировать, промывая картридж неполярным растворителем, что нарушает взаимодействие аналита и неподвижной фазы. [4]
Обычно используется стационарная фаза кремния с углеродными цепочками. Опираясь преимущественно на неполярные гидрофобные взаимодействия, на поверхности адсорбируются только неполярные или очень слабополярные соединения. [4]
Ионообменные сорбенты разделяют аналиты на основе электростатических взаимодействий между интересующим аналитом и положительно или отрицательно заряженными группами на неподвижной фазе. Чтобы произошел ионный обмен, и неподвижная фаза, и образец должны иметь такой уровень pH, при котором оба заряжены.
Анионообменные сорбенты представляют собой производные положительно заряженных функциональных групп, которые взаимодействуют и удерживают отрицательно заряженные анионы, например кислоты. Сильные анионообменные сорбенты содержат четвертичные аммониевые группы, которые имеют постоянный положительный заряд в водных растворах, а слабые анионообменные сорбенты используют аминные группы, которые заряжаются, когда pH ниже примерно 9. Сильные анионообменные сорбенты полезны, поскольку любые сильнокислотные примеси в проба связывается с сорбентом и обычно не элюируется интересующим аналитом; для восстановления сильной кислоты следует использовать слабый анионообменный картридж. Для элюирования аналита из сильного или слабого сорбента неподвижную фазу промывают растворителем, который нейтрализует заряд аналита, неподвижной фазы или того и другого. Как только заряд нейтрализуется, электростатическое взаимодействие между аналитом и неподвижной фазой больше не существует, и аналит элюируется из картриджа. [4]
Катионообменные сорбенты представляют собой производные функциональных групп, которые взаимодействуют и удерживают положительно заряженные катионы, например основания. Сильные катионообменные сорбенты содержат группы алифатических сульфокислот, которые в водном растворе всегда заряжены отрицательно, а слабые катионообменные сорбенты содержат алифатические карбоновые кислоты, которые заряжаются при pH выше примерно 5. Сильные катионообменные сорбенты полезны, поскольку любые сильноосновные примеси в пробе связывается с сорбентом и обычно не элюируется интересующим аналитом; для восстановления сильного основания следует использовать картридж со слабым катионообменником. Для элюирования аналита как из сильного, так и из слабого сорбента неподвижную фазу промывают растворителем, нейтрализующим ионное взаимодействие между аналитом и неподвижной фазой. [4]
Неподвижная фаза поставляется в виде упакованного картриджа в форме шприца, 96-луночного планшета , плоского диска диаметром 47 или 90 мм или микроэкстракции с помощью устройства с насадочным сорбентом ( MEPS ), метода ТФЭ, в котором используется упакованный сорбирующий материал. в шприце для манипуляций с жидкостью . [7] [8] Они могут быть установлены на вытяжном коллекторе соответствующего типа. Коллектор позволяет обрабатывать несколько образцов, удерживая на месте несколько сред ТФЭ и обеспечивая одновременное прохождение через них равного количества образцов. В стандартном картриджном коллекторе SPE можно установить до 24 картриджей параллельно, тогда как в типовом дисковом коллекторе SPE можно разместить 6 дисков. Большинство манифольдов ТФЭ оснащены вакуумным портом, через который можно применить вакуум для ускорения процесса экстракции путем протягивания жидкой пробы через неподвижную фазу. Аналиты собираются в пробирки для проб внутри или под коллектором после прохождения стационарной фазы.
Картриджи и диски для твердофазной экстракции можно приобрести с несколькими неподвижными фазами, каждая из которых разделяет аналиты в зависимости от различных химических свойств. Основой большинства стационарных фаз является кремнезем, связанный с определенной функциональной группой. Некоторые из этих функциональных групп включают гидрофобные алкильные или арильные цепи переменной длины (для обращенной фазы), четвертичные аммониевые или аминогруппы (для анионного обмена) и группы алифатической сульфоновой кислоты или карбоксильные группы (для катионного обмена). [4]
Твердофазная микроэкстракция (ТФМЭ) — это метод твердофазной экстракции, который предполагает использование волокна, покрытого экстрагирующей фазой, которая может быть жидкой ( полимер ) или твердой ( сорбент ), которая экстрагирует различные виды аналитов (в том числе как летучие , так и нелетучие) из различных сред, которые могут находиться в жидкой или газовой фазе. [9] Количество аналита, экстрагируемого волокном, пропорционально его концентрации в образце до тех пор, пока достигается равновесие или, в случае кратковременного предварительного равновесия, с помощью конвекции или перемешивания.