Твердофазная экстракция ( ТФЭ ) [1] — это метод экстракции твердого тела и жидкости, при котором соединения, растворенные или суспендированные в жидкой смеси, разделяются, изолируются или очищаются от других соединений в этой смеси в соответствии с их физическими и химическими свойствами. Аналитические лаборатории используют твердофазную экстракцию для концентрирования и очистки образцов для анализа. Твердофазная экстракция может использоваться для выделения интересующих аналитов из самых разных матриц, включая мочу, кровь, воду, напитки, почву и ткани животных. [2] [3] [4]
ТФЭ использует сродство растворенных веществ, растворенных или суспендированных в жидкости (известной как подвижная фаза ), к твердой упаковке внутри небольшой колонки, через которую проходит образец (известной как неподвижная фаза ), для разделения смеси на желаемые и нежелательные компоненты. Результатом является то, что либо желаемые аналиты, представляющие интерес, либо нежелательные примеси в образце удерживаются на неподвижной фазе. Часть, которая проходит через неподвижную фазу, собирается или отбрасывается, в зависимости от того, содержит ли она желаемые аналиты или нежелательные примеси. Если часть, удерживаемая на неподвижной фазе, включает желаемые аналиты, их затем можно удалить из неподвижной фазы для сбора на дополнительном этапе, на котором неподвижная фаза промывается соответствующим элюентом . [5]
Возможно неполное извлечение аналитов методом SPE из-за неполной экстракции или элюирования. В случае неполной экстракции аналиты не обладают достаточным сродством к неподвижной фазе, и часть из них останется в пермеате. При неполном элюировании часть аналитов останется в сорбенте, поскольку используемый элюент не обладает достаточно сильным сродством. [6]
Многие из адсорбентов/материалов те же, что и в хроматографических методах, но ТФЭ отличается от них своими целями, отличными от хроматографии, и поэтому занимает уникальную нишу в современной химической науке.
SPE на самом деле является методом хроматографии , в том смысле, что подвижная фаза переносит смеси через неподвижную фазу, упакованную внутри колонки. Хроматографический процесс используется для создания метода экстракции твердого тела и жидкости, позволяющего разделять смесь компонентов, используя большие различия между твердой и жидкой фазой K eq , или константой равновесия , для каждого компонента в смеси. Химические соображения по выбору неподвижной и подвижной фаз аналогичны таковым для жидкостной колоночной хроматографии, и многие из используемых адсорбентов/материалов те же самые. Однако теория, процедуры и цели различны, и как метод экстракции он занимает уникальную нишу в современной химической науке.
Типичная твердофазная экстракция включает пять основных этапов. Во-первых, картридж уравновешивается неполярным или слабополярным растворителем, который смачивает поверхность и проникает в связанную фазу. Затем вода или буфер того же состава, что и образец, обычно промываются через колонку, чтобы смочить поверхность силикагеля. 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 промывается неполярным растворителем для удаления дополнительных примесей. Затем аналит элюируется полярным растворителем или буфером с соответствующим pH.
Стационарная фаза полярных функционально связанных кремниевых кислот с короткими углеродными цепями часто составляет твердую фазу. Эта стационарная фаза будет адсорбировать полярные молекулы, которые могут быть собраны с более полярным растворителем. [4]
Обращенно-фазовая ТФЭ разделяет аналиты на основе их полярности. Неподвижная фаза картриджа обращенно-фазовой ТФЭ дериватизирована углеводородными цепями, которые удерживают соединения средней и низкой полярности из-за гидрофобного эффекта. Аналит можно элюировать, промывая картридж неполярным растворителем, что нарушает взаимодействие аналита и неподвижной фазы. [4]
Обычно используется неподвижная фаза кремния с углеродными цепями. Опираясь в основном на неполярные, гидрофобные взаимодействия, только неполярные или очень слабополярные соединения будут адсорбироваться на поверхности. [4]
Ионообменные сорбенты разделяют аналиты на основе электростатических взаимодействий между интересующим аналитом и положительно или отрицательно заряженными группами на неподвижной фазе. Для осуществления ионного обмена и неподвижная фаза, и образец должны иметь pH, при котором оба заряжены.
Анионообменные сорбенты дериватизированы с положительно заряженными функциональными группами, которые взаимодействуют и удерживают отрицательно заряженные анионы, такие как кислоты. Сильноанионообменные сорбенты содержат четвертичные аммониевые группы, которые имеют постоянный положительный заряд в водных растворах, а слабоанионообменные сорбенты используют аминогруппы, которые заряжены, когда pH ниже примерно 9. Сильноанионообменные сорбенты полезны, поскольку любые сильнокислотные примеси в образце будут связываться с сорбентом и обычно не будут элюироваться с интересующим аналитом; для извлечения сильной кислоты следует использовать картридж со слабым анионообменником. Для элюирования аналита либо из сильного, либо из слабого сорбента неподвижная фаза промывается растворителем, который нейтрализует заряд либо аналита, либо неподвижной фазы, либо и того, и другого. После нейтрализации заряда электростатическое взаимодействие между аналитом и неподвижной фазой больше не существует, и аналит будет элюироваться из картриджа. [4]
Катионообменные сорбенты дериватизированы функциональными группами, которые взаимодействуют и удерживают положительно заряженные катионы, такие как основания. Сильнокатионообменные сорбенты содержат алифатические сульфокислотные группы, которые всегда отрицательно заряжены в водном растворе, а слабокатионообменные сорбенты содержат алифатические карбоновые кислоты, которые заряжены, когда pH выше примерно 5. Сильнокатионообменные сорбенты полезны, поскольку любые сильноосновные примеси в образце будут связываться с сорбентом и обычно не будут элюироваться с интересующим аналитом; для извлечения сильного основания следует использовать слабый катионообменный картридж. Для элюирования аналита из сильного или слабого сорбента неподвижная фаза промывается растворителем, который нейтрализует ионное взаимодействие между аналитом и неподвижной фазой. [4]
Неподвижная фаза поставляется в форме набитого картриджа в форме шприца, 96-луночного планшета , 47- или 90-миллиметрового плоского диска или микроэкстракции с помощью набитого сорбента ( MEPS ), метода SPE, который использует набитый сорбент в шприце для обработки жидкости . [ 7] [8] Их можно монтировать на своем определенном типе экстракционного коллектора. Коллектор позволяет обрабатывать несколько образцов, удерживая несколько сред SPE на месте и позволяя равному количеству образцов проходить через них одновременно. В стандартном картриджном коллекторе SPE можно установить до 24 картриджей параллельно, в то время как типичный дисковый коллектор SPE может вместить 6 дисков. Большинство коллекторов SPE оснащены вакуумным портом, где можно применять вакуум для ускорения процесса экстракции, протягивая жидкий образец через неподвижную фазу. Аналиты собираются в пробирках для образцов внутри или под коллектором после того, как они проходят через неподвижную фазу.
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 неподвижных фаз является кремний, 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 алифатические сульфоновые кислоты или карбоксильные группы (для катионного обмена). [4]
Твердофазная микроэкстракция (ТФМЭ) — это метод твердофазной экстракции, который включает использование волокна, покрытого экстрагирующей фазой, которая может быть жидкой ( полимер ) или твердой ( сорбент ), которая извлекает различные виды аналитов (включая как летучие , так и нелетучие) из различных типов сред, которые могут находиться в жидкой или газообразной фазе. [9] Количество аналита, извлекаемого волокном, пропорционально его концентрации в образце до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие или, в случае кратковременного предварительного равновесия, с помощью конвекции или перемешивания.