SPE（固相抽出）の入門ガイド

固相抽出（SPE）とは？

固相抽出（SPE）という用語に惑わされないでください。一般的な SPE 装置には、単純な 1 回の液液抽出の 50 倍の分離能があります。SPE は、実際はカラムを用いた液固クロマトグラフィーです。SPE は液体クロマトグラフィー（LC）であるため、LC の原理に基づいています。サンプルは、クロマトグラフィー充塡剤として適切な粒子または他の形態の固定相が充塡されたカラムまたはカートリッジへと導入されます。溶媒（移動相）は充塡剤ベッドを通って流れます。移動相と固定相を適切に組み合わせることで、サンプル成分は、カラムベッドをそのまま通過するか、選択的に保持されます。

サンプル内の個々の化合物は通常、装置内を異なる速度で移動しているように見えます。弱溶媒を使用すると、ゆっくり移動したり、強く保持される場合があります。より強い溶媒を使用すると、ベッドを通過する速度が上がり、より濃縮された容量で分析種が溶出されます。SPE 装置からの溶出は通常、連続的なステップではなく、一連の明確なステップで移動相の強度を高めることによって行われます。この間、選択した分析種または不純物は、完全に保持されるかまたは迅速に溶出されます。このグラジエント溶出のバリエーションはステップグラジエントと呼ばれます。

一般に、SPE は小型カラムまたはカートリッジ装置を使用して行います。以下に例を示します。3 種の色素の混合物を弱溶媒中でカートリッジにロードすると、強いサンプル保持が起き、カラムインレットの部分に黒く狭いバンドが現れます。その後のグラジエントステップで、それぞれ徐々に強くなる溶媒を用いて行うと、色素が個別に溶出します（黄色、赤、青の順）。

通常の SPE カートリッジは、耐溶媒性プラスチック製またはガラス製の低圧デバイスで、直径 30 μm 以上の粒子が充塡されています。適切な流速は、重力または真空・低い加圧をかけることで得られます。（加圧する場合は、カラムの開口部にキャップを取り付けたり、インレットフィッティングおよびアウトレットフィッティング付きの密閉装置を使用したりする必要があります。）

サンプル前処理の重要性

過去 20 年間、分析装置およびラボ情報管理システムの飛躍的な進歩により、分析者の主な作業が、アッセイ測定からサンプル前処理およびデータ解析に変りました。より高い感度、選択性、正確性、精度、および解析するサンプル数に対する要件が厳しくなるにつれて、それに対応する分析およびデータ収集の速度向上と高度化が達成され、サンプル収集および前処理における多くの従来の手法の改良をしのいでいます。推定によれば、現代の分析ラボにおける作業活動と運用コストの 75～80% は、分析的分離および/または測定装置への導入または注入のためのサンプルの前処理と調製に費やされています。分析科学における今後の進歩には、サンプル前処理プロトコルを合理化するための取り組みや製品が不可欠であることは明らかです。

サンプル前処理の目標

ほとんどの分析手法（HPLC、GC、分光光度法、RIA など）に対応したサンプル前処理には 3 重目的、つまり、検出または測定に適した濃度の目的のサンプル成分
を、

• 干渉するマトリックス要素を含まない
• 溶液中で提供する
• という目的があります。

これらの目標を達成するために、サンプルまたはその代表的な部分（入手が困難な場合もあります）を溶解、均質化、抽出（液相または固相）、ろ過、濃縮、蒸発、分離、化学的誘導体化、標準化（内部または外部）などの従来の方法で調製します。

通常は、サンプル前処理プロトコルを構成する複数のステップを組み合わせて使用します。どのプロトコルでも、使用するステップや方法が少ないほど、よりシンプルで便利、コスト効率が高く、かかる時間も少なくなります。シンプルなプロトコルは、自動化が容易で、正確性、信頼性、再現性、安全性の向上にもつながります。

サンプル前処理法におけるイノベーション

標準的なツールと手法を組み合わせてサンプル前処理の目標を達成するには、さまざまな方法があります。一方、サンプル前処理プロトコルを合理化するための以下のような革新的な方法を模索するのが理想的です。

• 可能であれば、複数のステップの機能を 1 つの操作に組み合わせる。
• 不要なサンプルの移動や操作を排除する。
• できる限り規模を縮小する（時間、労力、コストの節約）。
• 新しいツールをクリエイティブな方法で使用する。

固相抽出（SPE）カートリッジのメリット

SPE カートリッジを使用した固相抽出には、他のサンプル前処理プロセスと比較して以下の利点があります。

固相抽出（SPE）でサンプル前処理の目的を達成

• 目的の分析種の後に溶出するサンプル成分や強く吸着したサンプル成分を除去する方法：
  • 分析 HPLC カラムと同じ吸着表面を持つケミストリーで固相抽出を実施します。
  • 分析種が選択的に溶出するようにグラジエントステップを調整します。
• 目的の分析種と共溶出するサンプル成分を除去する方法：
  • 分析カラムとは異なる吸着表面を持つケミストリーまたは分離モードで固相抽出を実施します。
  • 分析種が選択的に溶出するようにグラジエントステップを調整します。
• 低濃度で含まれるサンプル成分を濃縮する方法：
  • 分析種が選択的に溶出するようにグラジエントステップを調整します。
  • 吸着促進溶媒に「多量」のサンプル容量を使用します。
  • 脱離促進溶媒に「少量」の回収容量を使用します。
  • 分析カラムとは無関係に、分析種に合わせて調整された吸着剤ケミストリーを使用します。
  • 固相抽出カラムのケミストリーを慎重に選択することで、さらなるサンプル前処理が不要になります。
• サンプルを脱塩する方法：
  • まず、逆相吸着剤に分析種を吸着させ、保持されない塩をそのまま流します。
  • 次に、残った塩を水で洗い流した後、水混和性有機溶媒を使用して分析種を脱離させます。
• 溶媒を交換する方法：
  • サンプルを保持力の強い吸着剤に完全に吸着させ、弱溶離液で元の溶媒をフラッシュして除去します。
  • 目的の溶媒で分析種を溶出します。
• 化合物のクラスを分画する方法：
  • ステップグラジエントシーケンスを使用して、疎水性、極性、または電荷に基づいて、共通の特性を持つ分析種のグループを含む画分にサンプルを分けます。
• 固相試薬を用いて分析種を誘導体化する方法：
  • 吸着剤の表面に誘導体化試薬を吸着させ、分析種が完全に吸着する条件でサンプル（通常は気体）を回収します。反応が起きるのを待ち、次に誘導体を選択的に溶出します。