(一)穿透体积及其理论预测

固相萃取的过程可以看作一个简单的色谱过程，萃取吸附剂就是固定相。在反相固相萃取中的上样过程中，流动相就是样品溶液中的水；而在洗脱过程中，流动相就是洗脱剂(大多数情况是有机溶剂)。因此进行反相固相萃取时，可用有关色谱理论预测指导萃取实践以减少盲目性。反相固相萃取的萃取对象一般为水样中的有机化合物，按有关色谱理论，反相萃取过程中，由于水是一个极弱的溶剂，此时水样中的有机化合物的保留因子k极大，因此被测物被强烈保留在反相吸附剂上而与大量的水样基体分离；洗脱时则使用了溶剂强度大的有机溶剂，此时被测物的保留因子k极小，因此被吸附剂吸附的被测物被定量洗脱，通过此吸附一洗脱的循环过程，达到对分析物的富集及纯化的目的。因此，为了取得好的萃取效果，在萃取过程中，我们希望保留因子k越大越好；而在洗脱过程中，我们希望保留因子k越小越好。

在色谱过程中，注射样品后，即在流动相的推动下连续不断地向柱末端流动并最终流出色谱柱，如果在此过程中在色谱柱末端接一对被测物有响应的检测器，则检测器对分析物的响应轮廓线必为一呈正态分布的峰型曲线。该曲线的拐点即为分析物的保留体积V_R，其与分析物的保留因子k之间的关系为：

V_R＝V₀(1＋k)

式中，V₀为色谱柱及检测器的死体积。

而固相萃取过程则与色谱过程稍有不同，样品溶液本身就是流动相，其流出曲线的轮廓线在达到最大后并不像色谱流出线那样逐渐下降，而是维持最大不变，这是由于样品溶液在不断地流入固相萃取柱。图2-21是一个典型的固相萃取流出曲线即穿透曲线示意图。图中V_B即为该萃取柱的理论穿透体积，其含义是漏出的分析物浓度是原溶液中分析物浓度的1％时样品溶液的总流出体积；V_M的含义是漏出的分析物浓度是原溶液分析物浓度的99％时样品溶液的总流出体积，此时流出液在组成上基本与原溶液一样。V₀含义与色谱中一样，其与分析物保留因子的关系仍然是：

图2-21 固相萃取穿透曲线

V_R=V₀(1＋k)                   (2-1)

式中的V₀项即固相萃取柱或盘的死体积，其值可由吸附剂的空隙率(ε)和固定相的床体积V₀进行估算。它们之间的关系是：

V₀＝V_cε                  (2-2)

而在固相萃取的萃取阶段，我们希望被分析物得到定量吸附，即在萃取阶段被分析物不要发生穿透，也就是用固相萃取处理的最大样品体积应不超过穿透体积V_B。因此在固相萃取中，我们更感兴趣的是穿透体积V_B，其与保留体积V_R之间的关系是：

V_B=V_R-2.36               (2-3)

式中，σ是标准偏差，其值取决于溶质在萃取柱中的轴向扩散，属动力学因素。因此穿透体积V_B由热力学因素和动力学因素共同决定。标准偏差σ与柱的理论塔板数之间存在如下关系：

σ＝(V₀/N^1/2)(1＋k)                 (2-4)

结合以上各公式可得：

V_B=(1+k)(1-2.3/N^1/2)V₀            (2-5)

由式(2-5)可知，一个化合物的保留因子越大，穿透体积越大；使用的固相萃取柱的理论塔板数越大，柱效越高，穿透体积越大。式(2-5)中k和V₀易于查到或计算得到，N不易得到，一般通过估计得到一个大约值，一般典型的商品固相萃取柱的理论塔板数为20左右，通过公式(2-5)，从理论上即可估算穿透体积。例如，现有-C₁₈填充固相萃取柱的柱床体积为0.75cm³，大多数反相填料的空隙率(ε)值在0.65～0.70之间，若以0.70计算，则此固相萃取柱的死体积V₀为0.75×0.70～0.525cm³，若一化合物的保留因子为3000,假设该萃取柱的理论塔板数为20，则可由式(2-5)计算得该体系的穿透体积为765mL。

(二)穿透体积的实验测定

根据式(2-5)计算得到的穿透体积只是一个大约值，在具体工作中，穿透体积大多是通过实验的方法来进行测定的。穿透体积的实验测定可按下述几种方法进行：

①最简单的测定穿透体积的方法是直接法，即以合适的恒定流速使一样品溶液流过固相萃取柱，在固相萃取柱的出口处安装一检测器，使其连续检测出口处被分析物的浓度，根据测定数据作出穿透曲线，从该曲线直接得到穿透体积，这就是直接法。该测定方法要求检测器必须有高的灵敏度，否则固相萃取柱流出液中的被分析物浓度很难测定准确；另外，测定时溶液浓度必须合适，浓度过大会造成萃取柱的过载。穿透体积的大小还与溶液的流速有关，测定穿透体积时一般要求流速尽可能与实际测定样品时的流速一致。直接法的另一个缺点是测定过程很长费时间。

②为了提高测定的速度，人们又提出了另一种测定穿透体积的方法，该方法既可按在线方式进行，又可按离线方式进行。该方法首先用固相萃取柱浓缩一系列体积不断增大但含有相同质量被分析物的溶液，然后洗脱被吸附的分析物，再用色谱仪测定洗脱液的峰高及峰面积。随着溶液体积的不断增大，分析物浓度逐渐降低，但只要固相萃取柱不发生穿透，则被固相萃取柱保留的溶质总量及随后的洗脱液的浓度就保持不变，这样上述一系列不同体积的溶液在色谱测定中得到的色谱图及峰面积均应相同。当穿透发生后，随着溶液体积的不断增大，被固相萃取柱萃取的被分析物的质量不断减少，则随后的色谱测定中的峰高及峰面积不断降低，最后作峰面积一样品体积图，从该图就可得到穿透体积。这种方法的优点是可以同时测定几种化合物的穿透体积，并且该测定是在与未知样品相同的实验条件下完成的。

相关链接：固相萃取的自动化

文章来源：《环境样品前处理技术》

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