در حالت ایده‌آل، خوشحال کننده خواهد بود اگر مجبور به انجام هیچ گونه آماده‌سازی نمونه نباشید. اما در واقعیت، اغلب آماده سازی نمونه ضروری است. شما ممکن است نیاز به بهینه سازی روشی برای نمونه موجود داشته باشید تا توان عملیاتی را بهبود بخشید یا هزینه هر آنالیز را کاهش دهید. یا ممکن است از شما خواسته شود که طیف گسترده ای از انواع مختلف نمونه ها را آنالیز کنید تا در مورد ترکیبات جدید مورد نظر گزارش دهید. هر نوع نمونه جدید می تواند چالش های آنالیزی متفاوتی را به همراه داشته باشد. علاوه بر این، امروزه دانشمندان با چالش قابل توجهی در گزارش مقادیر در سطوح غلظت پایین تر از قبل، بدون به خطر انداختن دقت و صحت مواجه هستند. استخراج فاز جامد یک روش قدرتمند برای بهبود آماده سازی نمونه می باشد
استخراج فاز جامد (SPE)
تعریف استخراج فاز جامد
استخراج فاز جامد یا SPE یک روش آماده‌سازی نمونه است که از ذرات جامد، پرشده، معمولاً در یک نوع کارتریج برای جداسازی شیمیایی اجزای مختلف نمونه استفاده می‌کند. نمونه‌ها عموما در حالت مایع هستند (اگرچه برنامه‌های تخصصی ممکن است با برخی از نمونه‌ها در فاز گاز اجرا شوند). شکل 1 نمونه ای را نشان می دهد که به رنگ سیاه می باشد و روی یک کارتریج SPE بارگذاری می شود تا ترکیبات رنگی که نمونه را تشکیل می دهند، از نظر کروماتوگرافیکی از هم جدا شوند.
SPE اغلب برای حذف انتخابی ترکیبات مزاحم که در آنالیز تداخل ایجاد میکنند، استفاده می شود.
از نظر فنی نام صحیح این فناوری «استخراج فاز مایع- جامد» است، زیرا ذرات کروماتوگرافی جامد هستند و نمونه در حالت مایع است. از همان اصول اولیه کروماتوگرافی مایع که در HPLC استفاده می شود، در اینجا نیز استفاده می شود، اما با فرمت متفاوت و به دلیل متفاوت. در اینجا از کروماتوگرافی برای آماده سازی بهتر نمونه قبل از ارسال آن برای آنالیز استفاده می شود.
چهار مزیت عمده SPE
استفاده از SPE مزایای زیادی دارد، اما چهار مزیت اصلی شایسته توجه ویژه است.
ساده سازی ماتریس نمونه پیچیده همراه با خالص سازی ترکیب
یکی از دشوارترین مشکلات برای یک شیمیدان آنالیزی (analytical chemist) زمانی است که ترکیبات مورد نظر در یک ماتریکس نمونه پیچیده باشد، مانند مایکوتوکسین ها در غلات، باقی مانده های آنتی بیوتیک در میگو یا متابولیت های دارو در پلاسما، سرم یا ادرار وجود دارد. تعداد زیاد ترکیبات یا مواد مداخله گر در ماتریس نمونه همراه با ترکیبات مورد نظر، آنالیز را بسیار دشوار می کند.
اولین مشکلی که باید حل شود، پیچیدگی حاصل از خود آنالیز است که به دلیل وجود بسیاری از ترکیبات موجود در نمونه است که باید برای شناسایی و تعیین مقدار ترکیب مورد نظر از هم جدا شوند.
ملاحظات دیگر این است که وجود تمام تداخل ها در ماتریس نمونه اصلی می تواند منجر به ایجاد مشکل در دستگاه آنالیزی به دلیل تجمع آلودگی با هر تزریق شود. اگر تداخل ها به عنوان بخشی از آماده سازی نمونه حذف شوند، ترکیبات مورد نظر را می توان با روشی ساده تر و قوی تر آنالیز کرد. این را می توان در شکل 2 مشاهده کرد که نمونه اصلی در بالا را با نمونه جدید آماده شده توسط SPE در پایین مقایسه می کند.
یک مزیت دیگر از حذف عوامل مزاحم و ساده کردن ماتریس نمونه بهبود دقت اندازه گیری است. کروماتوگرام آبی رنگ ترکیب 1 در شکل 3 در ابتدا قابل قبول به نظر می رسد. با این حال، اما در مقایسه با ماتریس نمونه شاهد که درست در زیر آن نشان داده شده است، مقداری آلودگی از ماتریس نمونه مشاهده می شود. کروماتوگرام پایین در شکل 3 با استفاده از یک پروتکل SPE مناسب بدست آمده است، و همان ترکیبات را بدون مشکل تداخل نشان می‌دهند که اندازه گیری را بسیار دقیق‌تر می‌کند.
مثال دیگری در شکل 4 نشان داده شده است. کروماتوگرام فوقانی تداخل قابل توجهی از ماتریس نمونه در هر دو ترکیب 1 و 2 نشان می دهد. کروماتوگرام پایین تر نتایج بسیار بهبود یافته (خط پایه تمیز) را به دلیل آماده سازی مناسب نمونه با SPE نشان می دهد. توجه داشته باشید که خط پایه بسیار تمیزتر دقت نتایج آنالیز را بهبود می بخشد. همچنین در صورتی که نمونه نیاز به جداسازی و خالص سازی آن ترکیب داشته باشد، می توان عصاره بسیار خالص تری به دست آورد.
کاهش سرکوب یا افزایش یون در برنامه های MS
مشکل دوم در مورد ماتریس های نمونه پیچیده زمانی قابل مشاهده است که به خروجی طیف سنج جرمی ( LC/MS یا LC/MS/MS) نگاه می کنیم. برای پاسخ مناسب سیگنال MS (حساسیت)، یون ترکیب باید به درستی تشکیل شود. در مواردی که تشکیل یون ترکیب با تداخل ماتریس نمونه سرکوب می شود، قدرت سیگنال به شدت کاهش می یابد.
این اثر سرکوب را می توان در شکل 5 مشاهده کرد. در طیف بالا در شکل 5 خروجی MS، جایی که نمونه پلاسما فقط با یک مرحله رسوب پروتئین تهیه شد، می توانیم ببینیم که پیک ترفنادین تا 80 درصد سرکوب شده است. در طیف پایین، جایی که همان نمونه با روش SPE آماده سازی شده است، می توانیم حداقل سرکوب یون را مشاهده کنیم. از آنجایی که تداخل‌های ماتریس نمونه حذف شدند، این امر به یون ترکیب اجازه می‌دهد تا به درستی شکل بگیرد و سیگنال بهتری ایجاد کند.
در برخی موارد، تداخل ناشی از ماتریس نمونه می تواند به طور مصنوعی سیگنال گزارش شده برای یک ترکیب را افزایش دهد. این افزایش یون نامیده می شود که منجر به یک مقدار گزارش شده نادرست بالا می شود. یک روش SPE مناسب با پاک کردن تداخل‌ها از ترکیب، این اثر را به حداقل می‌رساند و در نتیجه مقدار گزارش شده صحیح تر می باشد.
قابلیت تقسیم کردن ماتریس نمونه برای آنالیز ترکیبات بر اساس گروه یا دسته
یک تحلیلگر ممکن است با نمونه‌ای مواجه شود که حاوی ترکیبات زیادی است و باید آنها را بر اساس طبقه‌بندی جدا کرد تا آنالیز به‌طور مؤثرتری انجام شود. به عنوان مثال، یک نوشابه حاوی طیف وسیعی از ترکیبات در فرمولاسیون آن است. یک روش SPE می تواند برای جداسازی کلاس های مختلف ترکیبات، به عنوان مثال بر اساس قطبیت آنها، توسعه یابد. ترکیبات قطبی را می توان به عنوان یک بخش جدا از ترکیبات غیرقطبی تر جمع آوری کرد. این دو بخش را می توان به طور جداگانه به روشی بسیار کارآمدتر آنالیز کرد زیرا ترکیبات آنها شبیه تر است.
نمونه ای از قدرت تفکیک توسط SPE در شکل 6 نشان داده شده است. در اینجا، یک نمونه پیچیده از پودر خشک (مخلوط نوشیدنی انگور بنفش) به راحتی به چهار بخش تقسیم می شود: یک بخش از ترکیبات قطبی، یک ترکیب قرمز خالص، یک ترکیب آبی خالص، و یک بخش حاوی تمام ترکیبات بسیار غیر قطبی باقی مانده.
شکل 6- آماده سازی نمونه توسط SPE
تغلیظ ترکیباتی که در سطح غلظتی بسیار پایین هستند
امروزه تحلیلگران اغلب نیاز به گزارش در مورد ترکیبات با غلظت بسیار پایین تر از قبل دارند، به اندازه یک قسمت در تریلیون (ppt) و حتی کمتر. معمولاً این سطوح در یک نمونه تمیز کمتر از قابلیت حساسیت دستگاه های آنالیزی است.
یک مثال خوب از این مورد، آنالیز برای آلاینده های در مقادیر کم (Trace) در نمونه های محیطی یا تغییرات غلظتی یک متابولیت در طی زمان در مایعات بیولوژیکی است. کروماتوگرام بالایی در شکل 7 پاسخ ضعیف نمونه تمیز اولیه را برای ترکیب مورد نظر نشان می دهد. کروماتوگرام پایین، با استفاده از شرایط آنالیزی یکسان اما با تغلیظ آنالیت در نمونه به روش SPE بدست آمده و افزایش چشمگیری در قدرت سیگنال برای این ترکیب را نشان می دهد. با این نتیجه می توان یک محاسبه دقیق از غلظت ترکیب اصلی در نمونه تمیز انجام داد.
بدون قابلیت بازداری مواد پرشده در ستون SPE برای ترکیب یا ترکیبات مورد نظر، توانایی تغلیظ آن ترکیب خاص، اگر نگوییم غیرممکن بسیار دشوار خواهد بود.
