고체상 추출법은 작용 메커니즘에 따라 정상상 SPE, 역상 SPE, 이온 교환 SPE로 분류할 수 있으며, 분석 물질의 종류에 따른 SPE 정지상의 선택과 적재 시료의 종류가 달라진다.
1. 정상상 SPE
정상상 SPE 추출법에서는 고체 정지상이 극성이며 적재 용매는 무극성인 시스템으로, 주로 극성이 큰 물질을 추출하는 데 사용되는 방법이며, 적재 용매(시료)로는 용매 세기가 낮은, 즉 무극성 유기 용매인 헥세인, 클로로폼/헥세인을 사용하며, 용리 용매로는 용매 세기가 큰 메탄올이나 에탄올 등을 사용한다.
정상상 SPE에서는 분석 물질이 정지상과 극성 상호 작용에 의해 SPE 컬럼에 머무름이 있게 되는데, 이는 수소 결합, 파이-파이 상호 작용, 쌍극자-쌍극자 상호 작용, 쌍극자-유도 쌍극자 상호 작용 등이 관여된 머무름이다.
분석 물질에 한 개 이상의 극성 작용기가 있어야 극성 상호 작용이 있을 수 있는데, hydroxyl, amines, carbonyl, aromatic ring, 이중 결합, 산소, 질소, 황, 인과 같은 헤테로 원자가 포함된 화합물은 정상상 SPE 방법으로 추출이 가능하다.
정상상 SPE는 종종 분석 물질과 정지상 사이의 수소 결합에 의존한다. 수소 결합은 수소가 산소나 질소와 같은 전기 음성도가 큰 원자와 결합하는 것으로 특별히 hydroxyl기와 amino기 사이의 결합은 매우 강한 수소 결합이다. 정지상과 분석 물질 간의 상호 작용은 무극성 환경에서 일어나며, 극성 환경에서는 상호 작용이 없어진다.
이는 시료 적재 시에 분석 물질이 헥세인과 같은 무극성 또는 극성이 작은 유기 용매에 용해되어 있는 시료여야 함을 뜻한다. 고체 정지상에 흡착된 분석 물질을 용리하기 위해서는 분석 물질이 흡착된 정지상의 자리에 용리 용매가 결합하는 대신 분석 물질이 떨어져 나와야 하기 때문에 용리 단계에서는 메탄올과 같은 극성이 큰 용매를 사용해야 한다.
2. 역상 SPE
역상 SPE는 고체 정지상이 무극성이고 적재 용매가 극성인 시스템으로, 수용액 시료로부터 상대적으로 무극성인 분석 물질을 추출하는 데 적합하다. 역상 SPE에서는 옥탄올/물 분배 계수가 낮은 물, 메탄올/물, 아세토나이트릴/물 등을 적재 용매로 사용하며, 용리 용매로는 중간 정도의 옥탄올/물 분배 계수인 메탄올이나 아세토나이트릴 등이 적합하다.
추출은 분석 물질과 정지상 간의 소수성 상호 작용에 기반한 것이며 역상 HPLC 시스템과 유사한 원리로, 분석 물질의 소수성이 증가할수록 정지상에서의 머무름은 증가한다. 수용액 환경 또는 극성 환경에서의 소수성 상호 작용이 증진되나, 유기 매질이나 무극성 환경에서는 상호 작용이 끊어지게 된다.
역상 SPE에서는 무극성(소수성) 수착제를 정지상으로 사용하는데, 강한 소수성 정지상으로는 octadecyl siloxane(-C18), octyl siloxane(-C8), PS-DVB, DVB 등이 있으며, 중간 정도의 소수성 정지상으로는 cyclohexyl, phenyl, diphenyl 등이 있고, 낮은 소수성 정지상으로는 butyl, ethyl, methyl 정지상 등이 있다.
실리카 기반의 무극성 정지상인 C18 정지상과 분석 물질의 무극성 위치들과의 상호 작용에 의해서 분석 물질은 SPE 정지상에 머물러 있게 된다. 이와 같이 물과 같은 극성 용매에 녹아 있는 분석 물질이 고체 흡착제에 머무름이 생기는 것은 분석 물질 내에 있는 탄소-수소 결합과 실리카 표면에 있는 기능기 간의 인력 때문이며, 무극성-무극성 인력은 van der Waals 힘 또는 분산력에 기인한다.
고체 정지상의 종류에 따라 소수성 기능기의 세기가 다르다. C18 정지상은 가장 대중적이며 흔히 사용되고 있는 소수성이 강한 역상 SPE 정지상인데, 높은 소수성으로 인하여 C18 컬럼은 많은 화합물에 대해서 강한 머무름을 나타낸다.
하지만 넓은 범위의 화합물을 추출할 수 있기 때문에 선택성은 떨어진다. 따라서 추출에서의 선택성을 증가시키기 위해서는 C18보다는 소수성이 약한 C8을 사용하기도 한다.