分析科學(xué)家在確定最好使用哪些工具來(lái)獲得所需的結(jié)果時(shí)面臨許多挑戰(zhàn)。確定樣品前處理工具和方法是可能顯著影響成敗的重要考慮因素。
如果不必進(jìn)行任何樣品前處理工作,就再好不過(guò)了。但在現(xiàn)實(shí)中,樣品前處理往往是不可或缺的一環(huán)。您可能需要針對(duì)現(xiàn)有樣品優(yōu)化方法,以提高通量或降低每次分析的成本;蛘,您可能需要分析各種不同類型的樣品以報(bào)告新的目標(biāo)化合物。每種新的樣品類型都會(huì)帶來(lái)不同的分析挑戰(zhàn)。此外,當(dāng)今的科學(xué)家需要分析比以往濃度更低的物質(zhì),并且不能犧牲準(zhǔn)確度和精密度,面臨著巨大挑戰(zhàn)。
本書旨在幫助您認(rèn)識(shí)和了解樣品前處理技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)非常強(qiáng)大的工具:固相萃取[SPE]。這項(xiàng)技術(shù)使用了裝有色譜填料的裝置,本書將說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)如何幫助您應(yīng)對(duì)分析挑戰(zhàn)。
固相萃取的定義
SPE是一項(xiàng)樣品前處理技術(shù),采用固體顆粒色譜填料(通常裝于小柱型裝置中)對(duì)樣品的不同組分進(jìn)行化學(xué)分離。樣品幾乎總是處于液態(tài)[盡管一些特殊應(yīng)用可能會(huì)使用一些氣相樣品]。圖1所示為使用SPE裝置處理一個(gè)黑色樣品,以便對(duì)組成該樣品的各染料化合物進(jìn)行色譜分離。
可以使用色譜床分離樣品中的不同化合物,提高后續(xù)分析檢測(cè)的成功率。例如,SPE常用于選擇性去除干擾物。
嚴(yán)格來(lái)講,這項(xiàng)技術(shù)的正確名稱是“液-固相萃取”(Liquid-Solid Phase Extraction),因?yàn)樯V顆粒是固體,而樣品處于液態(tài)。這里使用的液相色譜基本原理也與HPLC所用相同,但形式不同,原因也不同。這里使用色譜法是為了更好地制備樣品,然后提交進(jìn)行分析檢測(cè)。
在樣品前處理中,樣品來(lái)源可能很廣泛,包括生物體液,例如血漿、唾液或尿液;環(huán)境樣品,例如水、空氣或土壤;食品,例如谷物、肉和海鮮;藥物;保健品;飲料;或工業(yè)產(chǎn)品。甚至蚊子頭部也可以作為樣品!當(dāng)科學(xué)家需要分析從蚊子腦部提取的神經(jīng)肽時(shí),SPE是首選的樣品前處理方法[沃特世應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù),1983年]。
SPE的四大優(yōu)勢(shì)
使用SPE有諸多優(yōu)勢(shì),其中有四大優(yōu)勢(shì)值得特別關(guān)注。
1. 復(fù)雜樣品基質(zhì)的簡(jiǎn)化以及化合物純化
對(duì)于分析化學(xué)家而言,最棘手的問(wèn)題之一,就是目標(biāo)化合物包含在復(fù)雜的樣品基質(zhì)中,例如谷物中的真菌毒素、蝦中的抗生素殘
留,或者血漿、血清或尿液中的藥物代謝物。樣品基質(zhì)中的大量干擾成分或物質(zhì)和目標(biāo)化合物在一起,導(dǎo)致分析極其困難。
首先要解決的問(wèn)題是分析本身的復(fù)雜性,因?yàn)榇嬖谌绱酥嗟某煞,必須分離之后才能鑒定和定量目標(biāo)化合物。請(qǐng)參見(jiàn)圖2。
分析的穩(wěn)定性可能不足,因?yàn)槿魏渭?xì)微變化都可能影響一對(duì)關(guān)鍵分析物的分離度。
另一個(gè)考慮因素是,原始樣品基質(zhì)中存在的所有干擾物都有可能導(dǎo)致儀器停機(jī),因?yàn)槊看芜M(jìn)樣都會(huì)積聚污染。如果在樣品前處理過(guò)程中去除了干擾物,則可以使用更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定的方法來(lái)分析目標(biāo)化合物。如圖3所示,圖中比較了原始樣品(上圖)與使用SPE方法制備的新樣品(下圖)。
簡(jiǎn)化樣品基質(zhì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提高了定量準(zhǔn)確度。圖4中化合物1的頂部藍(lán)色跡線起初看起來(lái)可以接受。但與正下方紅色的空白樣品基質(zhì)跡線相比,它實(shí)際受到了來(lái)自樣品基質(zhì)的一些污染。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)腟PE方案處理后,下方跡線顯示了不存在干擾問(wèn)題的同一化合物,使定量更加準(zhǔn)確。
另一個(gè)示例如圖5所示。上方跡線顯示,樣品基質(zhì)對(duì)化合物1和2均存在顯著干擾。下方跡線顯示,由于使用SPE進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臉悠非疤幚恚Y(jié)果得到大幅改善[干凈的基線]。請(qǐng)注意,更干凈的基線有助于提高分析結(jié)果準(zhǔn)確度。此外,如果樣品需要對(duì)該化合物進(jìn)行分離和純化,則可以獲得更純凈的提取物。
2. 減弱MS應(yīng)用中的離子抑制效應(yīng)或離子增強(qiáng)效應(yīng)
復(fù)雜樣品基質(zhì)帶來(lái)的第二個(gè)問(wèn)題體現(xiàn)在質(zhì)譜儀輸出[LC-MS或LC/MS/MS]上。為獲得適當(dāng)?shù)腗S信號(hào)響應(yīng)[靈敏度],必須形成合適的化合物離子。如果化合物離子的形成受到樣品基質(zhì)中干擾物的抑制,信號(hào)強(qiáng)度將大幅下降。
可以在圖6中看到這種效應(yīng)。上圖是注入用生理鹽水制備的目標(biāo)化合物溶液的信號(hào)。下方跡線顯示,當(dāng)分析人血漿中所含的這些相同化合物時(shí),信號(hào)響應(yīng)顯著下降[抑制率 > 90%]。對(duì)于下方跡線,僅執(zhí)行了常規(guī)蛋白沉淀步驟。該技術(shù)無(wú)法清除引起離子抑制的基質(zhì)干擾物,導(dǎo)致信號(hào)響應(yīng)不佳。
這種抑制效應(yīng)另一個(gè)很好的示例可參見(jiàn)圖7。在MS輸出的上方跡線中,血漿樣品只經(jīng)過(guò)蛋白沉淀步驟處理,可以看出特非那定峰受到80%的抑制。在下方跡線中,同樣的樣品使用SPE方法進(jìn)行了處理,可以看出離子抑制效應(yīng)非常小。由于去除了樣品基質(zhì)中的干擾物,因此能夠形成合適的化合物離子,從而獲得更出色的信號(hào)。
有時(shí),樣品基質(zhì)中的干擾物會(huì)人為增加化合物信號(hào)的報(bào)告值。這種現(xiàn)象稱為離子增強(qiáng)效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)偏高的信號(hào)值。適當(dāng)?shù)腟PE方法可以清除化合物中的干擾物,盡可能減弱該效應(yīng),從而得到更準(zhǔn)確的報(bào)告值。
3. 按類別分餾樣品基質(zhì)以分析化合物的能力
分析人員要處理的樣品可能包含許多化合物,需要按不同類別分離這些化合物,以便更有效地完成進(jìn)一步分析。例如,軟飲料的配方中包含多種化合物。可以開(kāi)發(fā)一種SPE方法來(lái)分離不同類別的化合物,例如按極性分離。極性化合物與較為非極性的化合物可以作為分離餾分收集,然后就能以更有效的方式分別分析這兩種餾分,因?yàn)樗鼈兊幕衔锵嗨贫容^高。
圖8的示例說(shuō)明了SPE的分餾能力。在這里,一種復(fù)雜的干粉樣品[紫葡萄飲料混合物]輕松分離成四種餾分:一個(gè)僅含極性化合物的餾分、一個(gè)純化的紅色化合物、一個(gè)純化的藍(lán)色化合物,最后一個(gè)餾分包含所有剩余的非極性極強(qiáng)的化合物。本書其他地方會(huì)介紹這種能力的強(qiáng)大之處。
4. 痕量目標(biāo)物的濃縮(富集)
如今,分析人員經(jīng)常需要報(bào)告濃度水平遠(yuǎn)低于以往的化合物,可能低至萬(wàn)億分之一[ppt]甚至更低。在純樣品中,這些濃度通常低于分析儀器的靈敏度。
分析環(huán)境樣品中的痕量污染物或生物體液中隨時(shí)間推移形成的代謝物就是一個(gè)很好的例子。圖9中的上方跡線顯示,原始純樣品中目標(biāo)化合物的信號(hào)響應(yīng)不佳。上方跡線使用相同的分析條件,但樣品是通過(guò)痕量濃縮策略中所用的SPE方法制備的,可以看到該化合物的信號(hào)強(qiáng)度明顯增加。利用這個(gè)結(jié)果,即可準(zhǔn)確計(jì)算出純樣品中的原始化合物濃度。
如果沒(méi)有SPE中色譜填料的保留能力,使用其他樣品前處理方法就算可行,也很難對(duì)特定化合物進(jìn)行痕量濃縮。
總結(jié)
正如我們所看到的,帶有色譜床的SPE裝置可以執(zhí)行四項(xiàng)關(guān)鍵功能,從而提高樣品分析的成功率。請(qǐng)參見(jiàn)圖10