Leitfaden zu SPE

Was ist Festphasenextraktion (SPE)?

Lassen Sie sich durch den Begriff Festphasenextraktion [SPE] nicht verwirren. Ein typisches SPE-Gerät hat eine 50-mal höhere Trennleistung als eine einfache Flüssig-Flüssig-Extraktion. SPE ist eigentlich eine Säulen-Flüssig-Fest-Chromatographie. Da es sich bei der SPE um eine Flüssigchromatographie [LC] handelt, gelten für sie die Grundsätze der LC. Eine Probe wird in eine Säule oder ein Kartuschengerät gegeben, die ein Bett aus geeigneten Partikeln oder eine andere Form eines chromatographischen Packungsmaterials [stationäre Phase] enthält. Das Lösungsmittel [mobile Phase] fließt durch das Bett. Durch die Wahl einer geeigneten Kombination aus mobilen und stationären Phasen können die Probenbestandteile direkt durch das Säulenbett hindurchgehen oder selektiv zurückgehalten werden.

Einzelne Verbindungen in der Probe scheinen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Gerät zu bewegen. Bei Verwendung eines schwächeren Lösungsmittels bewegen sie sich langsam und/oder werden stark zurückgehalten. Ein stärkeres Lösungsmittel beschleunigt ihren Durchgang durch das Bett und eluiert den/die Analyten in einem konzentrierteren Volumen. Die Elution aus einem SPE-Gerät erfolgt in der Regel durch Erhöhen der Stärke der mobilen Phase in einer Reihe diskreter statt kontinuierlicher Schritte, bei denen ausgewählte Analyten oder Interferenzen entweder vollständig zurückgehalten oder schnell eluiert werden. Diese Variante der Gradientenelution wird als Stufengradient bezeichnet.

Am häufigsten wird die SPE mit Miniatursäulen oder Kartuschengeräten durchgeführt. Ein Beispiel wird hier gezeigt. Eine Mischung aus drei Farbstoffen wird in einem schwachen Lösungsmittel auf die Kartusche geladen, was zu einer starken Probenretention in einem schmalen Band führt, das schwarz am Säuleneinlass erscheint. Nachfolgende Gradientenschritte mit jeweils einem stärkeren Lösungsmittel werden verwendet, um die Farbstoffe einzeln zu eluieren [gelb, rot, dann blau].

Typische SPE-Kartuschen sind Niederdruckgeräte, die aus lösungsmittelbeständigem Kunststoff oder Glas bestehen und mit Partikeln mit einem Durchmesser von ≥ 30 µm gefüllt sind. Geeignete Flussraten können durch die Schwerkraft oder mithilfe von Vakuum oder niedrigem Überdruck erreicht werden. [Letzteres erfordert das Aufsetzen einer Kappe auf den offenen Einlass einer Säule oder die Verwendung eines abgedichteten Geräts mit Einlass- und Auslassfittings.]

Die Bedeutung der Probenvorbereitung

In den letzten zwei Jahrzehnten haben große Fortschritte bei Analysegeräten und Laborinformationsmanagementsystemen dazu geführt, dass sich die Hauptaufgaben von Analytikern von den Testmessungen auf die Probenvorbereitung und Datenverarbeitung verlagert haben. Da die Anforderungen an eine höhere Empfindlichkeit, Selektivität, Genauigkeit, Präzision und Anzahl der zu verarbeitenden Proben immer höher wurden, haben die entsprechenden Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Kompetenz der Analyse und Datenerfassung die Verbesserungen bei den zahlreichen traditionellen Techniken der Probennahme und -vorbereitung überholt. Einigen Schätzungen zufolge entfallen in einem modernen Analyselabor 75 bis 80 % der Arbeitstätigkeit und der Betriebskosten auf die Aufbereitung und Vorbereitung von Proben für die Einführung oder Injektion in ein analytisches Trenn- und/oder Messgerät. Es liegt auf der Hand, dass die Entwicklung von Produkten zur Optimierung der Probenvorbereitung und die Bemühungen auf diesem Gebiet von entscheidender Bedeutung für den zukünftigen Fortschritt in der analytischen Wissenschaft sind.

Ziele der Probenvorbereitung

Die erfolgreiche Probenvorbereitung für die meisten Analysetechniken [HPLC, GC, Spektralphotometrie, RIA usw.] hat ein dreifaches Ziel: nämlich die Bereitstellung der interessierenden Probenkomponente

• in Lösung
• frei von störenden Matrixelementen
• in einer für den Nachweis oder die Messung geeigneten Konzentration

Um diese Ziele zu erreichen, wird eine Probe oder ein repräsentativer Teil davon [nicht immer leicht zu erhalten], durch traditionelle Methoden wie Lösen, Homogenisieren, Extrahieren [Flüssigkeit oder Festphase], Filtrieren, Konzentrieren, Verdampfen, Trennen, chemisches Derivatisieren, Herstellen von Standards [intern oder extern] usw. hergestellt.

In der Regel werden solche Methoden in Kombinationen aus mehreren Schritten eingesetzt, die ein Probenvorbereitungsprotokoll bilden. Je weniger Schritte und Methoden in einem bestimmten Protokoll verwendet werden, desto einfacher, praktischer, kostengünstiger und weniger zeitaufwendig ist es. Einfachere Protokolle lassen sich leichter automatisieren und führen außerdem zu einer höheren Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Sicherheit.

Innovation bei den Methoden der Probenvorbereitung

Es gibt viele Möglichkeiten, Standardwerkzeuge und -techniken zu kombinieren, um die Ziele der Probenvorbereitung zu erreichen. Am besten ist es jedoch, nach innovativen Methoden zu suchen, um die Protokolle der Probenvorbereitung zu rationalisieren:

• zur Kombination der Funktionen mehrerer Schritte, wenn möglich, in einem Vorgang
• zur Beseitigung unnötiger Probentransfers und Manipulationen
• zur größtmöglichen Reduzierung des Umfangs [Zeit-, Arbeits- und Kosteneinsparungen]
• zur kreativer Verwendung neuer Werkzeuge

Vorteile von Kartuschen für die Festphasenextraktion [SPE]

Im Vergleich zu anderen Probenvorbereitungsverfahren bietet die Festphasenextraktion mit SPE-Kartuschen folgende Vorteile:

Erreichen der Ziele der Probenvorbereitung mit der Festphasenextraktion [SPE]

• So entfernen Sie Probenbestandteile, die nach den nachzuweisenden Analyten eluieren oder stark adsorbiert sind:
  • Verwenden Sie eine Festphasenextraktion mit der gleichen Oberflächenchemie des Sorbens wie in der analytischen HPLC-Säule.
  • Passen Sie die Gradientenschritte an, um Analyten selektiv zu eluieren.
• So entfernen Sie Probenbestandteile, die mit einem nachzuweisenden Analyten koeluieren:
  • Verwenden Sie eine Festphasenextraktion mit einer anderen Sorbens-Oberflächenchemie und/oder einem anderen Trennmodus als in der analytischen Trennsäule.
  • Passen Sie die Gradientenschritte an, um Analyten selektiv zu eluieren.
• So reichern Sie Probenbestandteile an, die in geringer Konzentration vorliegen:
  • Passen Sie die Gradientenschritte an, um Analyten selektiv zu eluieren.
  • Verwenden Sie „große“ Probenvolumina in einem Lösungsmittel, das die Adsorption begünstigt.
  • Verwenden Sie ein „kleines“ Sammelvolumen in einem Lösungsmittel, das die Desorption fördert.
  • Verwenden Sie eine auf den Analyten zugeschnittene Sorbenschemie, unabhängig von der in der analytischen Trennsäule.
  • Wählen Sie die Säulenchemie der Festphasenextraktion sorgfältig aus, damit keine weitere Probenvorbereitung erforderlich ist.
• So entsalzen Sie Proben:
  • Adsorbieren Sie zunächst Analyten auf einem Umkehrphasen-Sorbens, während das Salz nicht zurückgehalten wird.
  • Nachdem das restliche Salz mit Wasser ausgewaschen wurde, desorbieren Sie die Analyten mit einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel.
• So tauschen Sie Lösungsmittel aus:
  • Adsorbieren Sie die Probe vollständig auf einem stark retentiven Sorbens und entfernen Sie das ursprüngliche Lösungsmittel durch Spülen mit einem schwächeren Eluenten.
  • Eluieren Sie den Analyten mit dem gewünschten Lösungsmittel.
• So fraktionieren Sie Verbindungsklassen:
  • Verwenden Sie eine Stufen-Gradienten-Sequenz, um eine Probe auf der Basis von Hydrophobizität, Polarität oder Ladung in Fraktionen zu unterteilen, die Gruppen von Analyten enthalten, die gemeinsame Eigenschaften aufweisen.
• So derivatisieren Sie Analyten mit Festphasenreagenzien:
  • Adsorbieren Sie ein Derivatisierungsreagenz auf der Oberfläche des Sorbens. Sammeln Sie anschließend die Probe (normalerweise ein Gas) unter Bedingungen, die eine vollständige Adsorption des Analyten begünstigen. Warten Sie, bis die Reaktion eintritt, und eluieren Sie dann das Derivat.