除了将多种萃取机理混合在一起具有多种作用机理的固相萃取材料之外，还有另一类具有两种作用机理的SPE柱。这种SPE柱是将同一根柱分为上下两层，各装填不同萃取机理的吸附剂，并用20μm的聚乙烯滤膜隔离。如Varian公司生产的SAX／PSA柱、FL／C18柱等。虽然这种固相萃取柱也具有两种或两种以上的作用机理，但这两种作用机理并不能同时起作用。而是类似于双柱串联萃取，上层用于吸附杂质，下层用于吸附目标化合物。

但在双柱串联萃取中，可以将上下柱分离，仅洗脱下柱，而在双层SPE柱中，由于两种吸附剂装填在同一根SPE中，上层填料在吸附杂质后无法如前者一样与下层分离。因此，在选择洗脱溶液时要小心，以避免将上层杂质共洗脱。

Shimelis等将PSA／石墨炭黑双层SPE柱应用于食品中二十多种理化性质不同的农药残留物的萃取。在此应用中，PSA主要用于对包括脂肪酸在内的干扰物进行吸附，而石墨炭黑则用于萃取样品中的农药残留物。实验结果发现，洗脱溶剂对吸附在PSA层的脂肪酸影响很大，如果洗脱溶剂选择不当，洗脱馏分中的干扰物就会增多，甚至影响GC-MS分析。

因此，PSA／石墨炭黑SPE柱较为适用于非脂肪类食品或低脂肪类食品。对于奶类、肉类等高脂肪类食品，必须注意样品中的脂肪酸含量不能大于PSA层的容量，否则过剩的脂肪酸就会随洗脱溶液流出，影响对目标化合物的分析。