Solid Phase Extraction, kortweg SPE, is een veelgebruikte techniek voor monstervoorbereiding in analytische laboratoria. De methode scheidt opgeloste stoffen op basis van hun affiniteit met een vaste stationaire fase (het sorbent) en wordt ingezet om analyten te concentreren, te zuiveren of matrixstoringen te verwijderen voorafgaand aan analyse met bijvoorbeeld HPLC, GC of LC-MS.
SPE is een vloeistof-vaste-stof-extractie waarbij een vloeibaar monster door een cartridge of schijf met sorbent wordt gevoerd. De doelanalyten binden aan het sorbent terwijl ongewenste matrixcomponenten doorstromen, of omgekeerd. Door selectieve wassing en elutie wordt vervolgens een geconcentreerd en gezuiverd extract verkregen dat geschikt is voor verdere instrumentele analyse. SPE is onderdeel van de verwerkingsfase binnen het bredere sample management-proces dat loopt van monsterontvangst tot rapportage en archivering.
In de Nederlandstalige literatuur worden de termen vastefase-extractie en vloeistof-vaste-stof-extractie als synoniem voor SPE gebruikt. In Engelstalige bronnen verschijnt daarnaast solid-liquid extraction als generieke beschrijving voor het principe waarbij een vloeibaar monster in contact komt met een vaste sorbentfase. Solid Phase Extraction is de meest gehanteerde term voor de analytische variant met selectieve retentie, wassing en elutie zoals beschreven in dit artikel. De afkorting SPE is breed geaccepteerd in de internationale analytische chemie en wordt ook in normteksten en validatiedocumentatie gebruikt.
Vergeleken met klassieke vloeistof-vloeistofextractie (LLE) gebruikt SPE aanzienlijk minder oplosmiddel, levert het hogere recoveries op, is het beter te automatiseren en is parallel werken eenvoudig — bijvoorbeeld met een vacuümmanifold waarin twaalf of meer cartridges tegelijk worden verwerkt. Bij LLE kunnen emulsies ontstaan die de scheiding bemoeilijken; bij SPE is dat probleem afwezig omdat de scheiding plaatsvindt via adsorptie aan een vast sorbent. SPE leent zich bovendien beter voor het opwerken van kleine monstervolumes en voor koppeling aan geautomatiseerde systemen.
Voor exhaustieve extractie van vaste matrices met organische oplosmiddelen blijft Soxhlet-extractie een klassieke techniek, vooral voor vetbepalingen en bodemanalyse.
SPME (Solid Phase Micro Extraction) is een solventvrije variant waarbij een dunne polymeerlaag op een kwarts- of metaalvezel rechtstreeks in het monster of in de headspace wordt gedompeld. De geadsorbeerde analyten worden vervolgens direct in de injectiepoort van een GC of HPLC thermisch of oplosmiddelvrij gedesorbeerd. SPE werkt met grotere sorbentbedden en grotere monstervolumes, waardoor het doorgaans een hogere absolute gevoeligheid geeft; SPME is eenvoudiger in uitvoering en genereert geen oplosmiddelafval, maar is door het kleine sorbentoppervlak gevoeliger voor saturatie bij hoge analyt-concentraties.
De drie meest gebruikte extractiemethoden in analytische laboratoria zijn SPE, vloeistof-vloeistofextractie (LLE) en superkritische vloeistofextractie (SFE). SPE gebruikt een vast sorbentbed voor selectieve retentie van analyten uit een vloeibaar monster en is de meest versatiele en automatiseerbare methode. LLE berust op de verdeling van analyten tussen twee niet-mengbare vloeistoffen en vereist geen speciale apparatuur, maar verbruikt relatief veel oplosmiddel. Superkritische CO₂-extractie gebruikt CO₂ boven het kritische punt als extractiemiddel en is bij uitstek geschikt voor vaste matrices en thermisch labiele verbindingen. SPME wordt als vierde methode onderscheiden voor toepassingen waarbij geen oplosmiddel gewenst is, met name in combinatie met GC-analyse. De keuze tussen deze methoden hangt af van de matrix, de polariteit van de analyten, de vereiste doorvoer en de beschikbare apparatuur.
Nee. HPLC en SPE maken beide gebruik van een vaste fase, maar dienen een fundamenteel ander doel. Bij SPE is de vaste fase een preparatief hulpmiddel: analyten worden geconcentreerd en gezuiverd vóór de eigenlijke analyse. Bij HPLC is de vaste fase de analytische kolom waarop componenten van elkaar worden gescheiden op basis van hun retentietijd, waarna ze kwantitatief worden gedetecteerd. SPE levert een gezuiverd extract op; HPLC levert een chromatogram. In de praktijk worden beide technieken vaak gecombineerd: SPE bereidt het monster voor, HPLC analyseert het.
De onderstaande schematische weergave toont de vier stappen van een typische SPE-procedure.
Het sorbent wordt geactiveerd door eerst een organisch oplosmiddel (vaak methanol) door de cartridge te leiden, gevolgd door water of een buffer. Hiermee worden de functionele groepen toegankelijk gemaakt en wordt de fase voorbereid op het waterige monster. Het sorbent mag tussen deze stappen niet droogvallen, omdat dit de retentie ernstig vermindert.
Na de activering met organisch oplosmiddel wordt de cartridge naspoeld met water of een buffer die qua pH en ionsterkte overeenkomt met het te verwerken monster. Deze equilibratiestap zorgt ervoor dat het sorbentbed zich in dezelfde oplosmiddelomgeving bevindt als het monster, wat de reproduceerbaarheid van de retentie sterk verbetert. Wordt de equilibratie overgeslagen, dan kan het aanwezige organische oplosmiddel de waterige monstermatrix verstoren en leiden tot verlaagde of irreproduceerbare recovery. Net als bij de conditioneringsstap geldt: laat het sorbent na de equilibratie niet droogvallen.
Het monster wordt langzaam door de cartridge gevoerd, doorgaans onder lichte onderdruk. De doorstroomsnelheid is bepalend voor de retentie: te snel doorvoeren geeft doorslag van de analyten. De analyten binden aan het sorbent, terwijl een deel van de matrix direct doorloopt.
Een waselutie verwijdert zwak gebonden, storende componenten zonder de doelanalyten te elueren. Het wasoplosmiddel wordt zo gekozen dat het net niet sterk genoeg is om de analyten los te maken — meestal water, een waterige buffer of een mengsel met een laag percentage organisch oplosmiddel.
Met een sterker oplosmiddel worden de analyten van het sorbent losgemaakt en opgevangen in een vial. Vaak wordt een klein elutievolume gebruikt zodat de analyten geconcentreerd worden. Het eluaat kan direct of na indampen en heroplossen op het analyse-instrument worden gebracht.
De keuze van het sorbent is afhankelijk van de chemische eigenschappen van de analyt en de matrix. De meest gebruikte typen staan hieronder.
C18-sorbent bestaat uit silicagel waarop octadecylgroepen zijn geënt. Het biedt sterke reversed-phase-retentie voor apolaire analyten, maar is gevoelig voor droogvallen en functioneert minder goed bij extreme pH-waarden (onder pH 2 of boven pH 8). Een polymeer HLB-sorbent (hydrofiel-lipofiel-balans) is opgebouwd uit een synthetisch copolymeer met zowel hydrofiele als lipofiele componenten. Het is pH-stabieler, minder kritisch bij droogvallen en geschikt voor een bredere range van polaire en middelpolaire analyten. HLB-type sorbents worden dan ook vaak gekozen als universele eerste keuze bij methodeontwikkeling of wanneer meerdere verbindingsklassen in één run worden gezuiverd.
Op basis van het interactiemechanisme tussen analyt en sorbent worden vier hoofdmodi onderscheiden. De keuze van de modus is bepalend voor de sorbentselectie en het oplosmiddelschema.
Reversed-phase SPE is de meest toegepaste modus. Het sorbent (bij voorkeur C18, C8 of een polymeer HLB-type) is hydrofob en retineert apolaire tot middelpolaire analyten uit waterige monsters via van-der-Waals-interacties. Eluatie vindt plaats met een organisch oplosmiddel zoals methanol of acetonitriel. Reversed-phase SPE wordt ingezet voor pesticiden, farmaceutica, PAK’s en vetoplosbare verbindingen.
Normal-phase SPE werkt omgekeerd: het sorbent is polair (silica, alumina of diol) en retineert polaire analyten uit een apolair oplosmiddelmilieu via dipool- en waterstofbruginteracties. Deze modus wordt minder frequent ingezet, maar is waardevol voor de analyse van polaire verbindingen in vetrijke matrices of organische extracten.
Ionenwisselings-SPE berust op electrostatische aantrekking tussen geladen functionele groepen op het sorbent en ioniseerbare analyten. Een sterk anionwisselaar (SAX) retineert negatief geladen verbindingen zoals zuren; een sterk kationwisselaar (SCX) retineert positief geladen verbindingen zoals organische basen en aminen. De binding wordt verbroken door de pH of de ionsterkte van het elutiemedium aan te passen. Deze modus is bij uitstek geschikt voor ionische verbindingen in complexe waterige matrices.
Mixed-mode SPE combineert twee interactiemechanismen in één sorbent, doorgaans reversed-phase én ionenwisseling. Dit biedt een hogere selectiviteit voor analyten die zowel hydrofobe als ionische eigenschappen bezitten — zoals basische geneesmiddelen of zure metabolieten — en maakt strengere wasstappen mogelijk zonder analytenverlies. Mixed-mode sorbents worden veel gebruikt in klinische bio-analyse en farmaceutische QC.
Een vergelijking van de vier modi:
De sorbenttypen per modus zijn verder uitgewerkt in de tabel onder Sorbenten en hun toepassingen hierboven.
SPE-cartridges zijn er in verschillende formaten, doorgaans aangeduid met sorbenthoeveelheid en reservoirvolume — bijvoorbeeld 100 mg / 1 ml, 500 mg / 3 ml of 1 g / 6 ml. De keuze hangt af van de monstervolumes en de te verwachten analytconcentratie. Naast cartridges zijn er ook 96-wellsformaten voor high-throughput-werk en SPE-schijven voor grote watervolumes.
Een SPE-cartridge bevat los gepakt sorbentmateriaal in een spuitvormig reservoir. Een SPE-schijf (disk) is een vlak, membraanachtig element waarin de sorbentdeeltjes zijn ingebed in een PTFE- of glasvezelmatrix. Schijven hebben een groter doorstroomoppervlak en een kleinere sorbentlaagdikte, waardoor grote watervolumes (tot enkele liters) snel kunnen worden verwerkt bij lage tegendruk. Cartridges zijn flexibeler in sorbentvolume en worden vaker ingezet voor kleinere monstervolumes en routinewerk.
Een variant op de klassieke cartridge is SPHE (Solid Phase High Efficiency Extraction). Deze cartridges hebben een geoptimaliseerde packing voor hogere doorstroming bij gelijkblijvende retentie en zijn compatibel met standaard vacuümcollectors met luer-aansluiting.
Voor reproduceerbare SPE is een vacuümmanifold of -collector onmisbaar. Dit apparaat houdt meerdere cartridges parallel onder gecontroleerde onderdruk, zodat de doorstroomsnelheid per kanaal instelbaar is. Op Labvakhandel.nl is een 12-positie vacuümcollector voor SPE verkrijgbaar. De collector wordt aangesloten op een geschikte vacuümpomp uit het assortiment pompen en vacuüm.
Voor het opvangen van eluaten worden glazen of polypropyleen vials gebruikt. Bij verdere voorbereiding van het extract — bijvoorbeeld filtreren vóór HPLC-injectie — komen spuitfilters en membraanfilters in beeld.
Bij on-line SPE is de SPE-eenheid direct gekoppeld aan het chromatografiesysteem, zodat monstervoorbereiding en analyse in één geïntegreerde run plaatsvinden. Een schakelklep stuurt het monster eerst over de SPE-kolom voor concentrering en zuivering, waarna de analyten via omschakeling rechtstreeks op de analytische kolom worden geëlueerd. Dit elimineert het handmatige eluaatopvangen, verkort de analysetijd en vermindert het risico op besmetting of verlies. Volledig geautomatiseerde platforms met een robotische arm die 96-wellsplaten verwerkt worden ingezet in high-throughput omgevingen zoals de farmaceutische industrie en klinische diagnostiek.
SPE wordt in uiteenlopende vakgebieden ingezet:
SPE wordt voortdurend door verdere automatisering en miniaturisatie verfijnd. De belangrijkste richtingen:
Een aantal punten die de reproduceerbaarheid van SPE in de praktijk bepalen:
Ondanks de brede toepasbaarheid kent SPE een aantal beperkingen. De methode vereist methodeontwikkeling per matrix-analyt-combinatie: sorbenttype, monstervolume, was- en elutieoplosmiddel moeten worden geoptimaliseerd, wat tijd en materiaal kost. Cartridges zijn eenmalig te gebruiken, wat bij grote series een aanzienlijke kostenpost vormt. Sterk lipofiele analyten kunnen onvolledig elueren, zeker wanneer een te klein elutievolume wordt gekozen. Bij handmatige uitvoering is de reproduceerbaarheid gevoelig voor variaties in doorstroomsnelheid en droogtijd. Ten slotte zijn cartridges kwetsbaar voor matrixverstoppingen bij troebele of visceuze monsters; voorfiltratie is dan noodzakelijk. Automatisering en gebruik van polymeer-sorbents kunnen een deel van deze nadelen beperken.
Bij silicageelgebaseerde sorbents zoals C18 en C8 zorgt droogvallen ervoor dat de gehydrateerde waterlaag rondom de koolstofketens verdwijnt. Hierdoor klappen de ketens ineen en wordt het contactoppervlak voor analyten drastisch kleiner. Het gevolg is een sterk verminderde en slecht reproduceerbare retentie, zelfs na opnieuw conditioneren. Polymeer-sorbents (HLB-type) zijn door hun structuur minder gevoelig voor dit effect en herstellen beter na tijdelijk droogvallen, al is voorzichtigheid ook daar geboden.
Het doorbraakvolume (breakthrough volume) is het maximale monstervolume dat door een SPE-sorbent kan worden geleid voordat de analyt het bed passeert zonder volledig geretineerd te worden. Overschrijding leidt tot analytenverlies en een lagere recovery. Het doorbraakvolume hangt af van de retentiefactor van de analyt op het gekozen sorbent, de sorbentmassa en de monstermatrix. Bij methodeontwikkeling wordt het doorbraakvolume bepaald door fractionering van het doorstroomvloeistof (load fraction) en meting van de analytconcentratie per fractie.
Recovery geeft aan welk percentage van de aanwezige analyt na de volledige SPE-procedure wordt teruggevonden in het eluaat. Een recovery van 100 procent is ideaal maar zelden haalbaar; waarden tussen 70 en 120 procent worden voor de meeste toepassingen als acceptabel beschouwd. Recovery wordt bepaald door een monster met bekende analytconcentratie door de SPE te voeren en het eluaat te vergelijken met een referentieoplossing van gelijke concentratie die niet door SPE is gegaan. Lage recovery kan wijzen op doorbraak, onvolledige elutie of adsorptie aan cartridgewanden; een te hoge waarde duidt doorgaans op matrixversterking bij de analyse. Zie voor de algemene werkwijze en acceptatiegrenzen het artikel terugvindbaarheid (recovery) bepalen.
Meer over filtratie in het laboratorium leest u in filtratiemethoden en filtermaterialen. Voor de keuze van filterpapier en aanverwante materialen, zie filterpapier, weegpapier en extractiehulzen.
Voor extractie uit vaste matrices zonder organische oplosmiddelen, zie het artikel over superkritische CO₂-extractie. SPE-extracten van lipofiele verbindingen zijn direct inzetbaar voor analyse via superkritische vloeistofchromatografie (SFC); los het monster bij voorkeur op in methanol of isopropanol voor de beste compatibiliteit met de SFC-mobiele fase. Voor eiwitconcentrering en bufferuitwisseling via ultrafiltratie of diafiltratie, zie hetzelfde artikel onder het kopje membraanscheidingstechnieken.
Bij de analyse van watermonsters op anionen wordt SPE-voorzuivering gecombineerd met ionenchromatografie voor anionen in water om organische matrixcomponenten te verwijderen die de anionkolom kunnen beschadigen.
Neem contact op voor advies over de juiste SPE-cartridges en bijbehorende apparatuur, of bekijk het assortiment filtratie-apparatuur.
SPE is ook geïntegreerd op microfluidische chips als on-chip monsterconcentrering vóór directe koppeling met nanoESI-MS. Lees meer over miniaturisatie van scheidingstechnieken in ons artikel over microfluidics en lab-on-a-chip.
Onderdeel van: Voedingslaboratorium · Milieulab
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
