KSIAZKA ABC techniki SPE - chem.pg.edu.pl · Materiały szkoleniowe ABC techniki SPE – dr in ....

Materiały szkoleniowe ABC techniki SPE – dr inŜ. Agata Kot-Wasik

1

AABBCC EEKKSSTTRRAAKKCCJJII ZZ

WWYYKKOORRZZYYSSTTAANNIIEEMM

TTEECCHHNNIIKKII SSPPEE


2

Rosną ca iloś ć zanieczyszczeń ś rodowiska powstają cych w zwią zku z

działalnoś cią człowieka, wywarła koniecznoś ć ich kompleksowego oznaczania.

Najwię kszy napotykany problemem stanowi obecnoś ć wielu zanieczyszczeń na

poziomie ś ladowym. Koniecznoś ć uzyskiwania rzetelnych wyników, pozwalają cych

okreś li ć zawartoś ć mikrozanieczyszczeń stała się siła napę dową rozwoju

współczesnych technik analitycznych.

Po opracowaniu bardzo czułych technik słuŜ ą cych do oznaczania i detekcji analitów,

uwagę skupiono na sposobie przygotowania próbek.

Przygotowanie próbek do analizy jest procesem złoŜ onym. Wszelkie błę dy pojawiają ce

się na tym etapie rzutują na wynik koń cowego oznaczenia. Dodatkowym utrudnieniem

jest fakt, Ŝ e pobieranie i przygotowanie próbki zajmuje blisko 2/3 czasu trwania całej

analizy.

Czasochłonnoś ć poszczególnych etapów procedury analitycznej

Wiele z tych niedogodnoś ci moŜ na unikną ć stosują c do przygotowywania próbekś rodowiskowych technikę SPE - Solid Phase Extraction. Jej gwałtowny rozwój nastą pił

w latach 90 tych. Stała się coraz czę ś ciej wybieraną techniką w zastosowaniachś rodowiskowych, ulegają c coraz wię kszej popularyzacji i standaryzacji. Dzisiaj moŜ na

juŜ ją zakwalifikować do klasycznych technik przygotowania próbek.

6%

6%

27%

61%

Pobieranie próbki

Przygotowaniepróbki

Analiza

Obróbka wyników


3

Historia SPE

Począ tki ekstrakcji o fazy stałej się gają ponad 50 lat wstecz. Od tego czasu

ukazały się setki artykułów, publikacji dotyczą cych SPE.

Technikę SPE po raz pierwszy zastosowano w 1949r (US Public Health Service,

Cincinati, OH, USA). UŜ yto Ŝ elaznych cylindrów wypełnionych ziarnistym aktywnym

wę glem (1200-1500g) do oznaczania ś ladowych iloś ci zanieczyszczeń organicznych w

próbkach wody (nieoczyszczonej i przefiltrowanej). Testowanie wę glowych filtrów

kontynuowano, badają c zawartoś ć zanieczyszczeń z procesów rafinacji ropy w wodach

powierzchniowych. Tysią ce litrów wody zostały przepuszczone przez wę glowe złoŜ a, a

zaadsorbowane anality ekstrahowano przy pomocy chloroformu. Dowiedziono, Ŝ e w

wodach powierzchniowych zalegają zanieczyszczenia o stę Ŝ eniu rzę du ppm. Bez

zastosowania wzbogacania próbki na złoŜ u wę glowym, taka analiza byłaby niemoŜ liwa.

Te pionierskie wysiłki zapoczą tkowały gwałtowny wzrost zainteresowania

aktywnym wę glem w zastosowaniach analitycznych. W toku badań okazało się , Ŝ e

wę giel aktywny posiada wiele wad, min: adsorbuje w podczerwieni, charakteryzuje sięniskim stopniem odzysku niektórych grup zwią zków. Pomimo tych niedogodnoś ci,

naleŜ y pamię tać , Ŝ e poprzez uŜ ycie aktywowanego wę gla zainicjowano rozwój

ekstrakcji do fazy stałej, jako metody wzbogacania organicznych analitów z próbek

wody.

Póź ne lata 60-te do wczesnych 80-tych to czas, w którym poszukiwano

sorbentów o jak najbardziej uniwersalnym zastosowaniu. Zdawano sobie sprawę , Ŝ e

wę giel nie adsorbuje wielu zwią zków organicznych rozpuszczonych w wodzie a

desorpcja analitów czę sto przebiega nieefektywnie i niecałkowicie.

Rozwią zanie tych problemów pojawiło się wraz z otrzymaniem materiałów

polimerowych oraz w póź niejszych latach Ŝ eli krzemionkowych. W latach 60-tych

zaprezentowano wysoce usieciowaną Ŝ ywicę polistyrenową o nazwie handlowej

Amberlite XAD-1. Potwierdzono w licznych badaniach zdolnoś ć Ŝ ywicy do adsorpcji

zwią zków organicznych znajdują cych się w próbkach wody. Kolejne lata przynosiły

nowe odkrycia.

W latach 70-tych otrzymano kopolimer styrenu i diwinylobenzenu (Amberlite

XAD-2, XAD-4), Ŝ ywicę z etylenu i dimetyloakrylanu (Amberlite XAD-7, XAD-8).


4

Po serii kopolimerów Amberlite zaczę to badać przydatnoś ć do SPE sorbentów takich

jak: Porapaks, Chromosorb a takŜ e Tenar.

Kolejnym przełomowym krokiem był wzrost zainteresowania fazami wią zanymi

chemicznie w HPLC. Postanowiono uŜ yć je równieŜ do SPE. Zostały szeroko

spopularyzowane ze wzglę du na swoje specyficzne właś ciwoś ci oraz wysoką stabilnoś ćw wielu ś rodowiskach (z wyją tkiem pH powyŜ ej 12). Krzemionka zwią zana z grupami

oktadecylowymi (C18) jest do dzisiaj najbardziej popularną fazą stacjonarną .

Obok faz polimerowych i opartych na krzemionce na przełomie lat 70-80

pojawił się wę giel nowej jakoś ci, wytwarzany w ś ciś le kontrolowanym procesie

technologicznym. Posiadał bardziej homogeniczną strukturę niŜ wę giel aktywny,

wię ksze powinowactwo do zwią zków polarnych, wyŜ szą selektywnoś ć wobec

niektórych grup zwią zkówi.

W cią gu ostatnich 15 lat modyfikowano istnieją ce sorbenty. Zastosowanie w

technice SPE znalazły Ŝ ywice modyfikowane m.in. takimi grupami chemicznymi jak:

acetylowa, hydroksymetylowa, benzoilowa, o-karboksybenzoilowa (pozwalają ce na

analizowanie polarnych zwią zków organicznych zawartych w wodachś rodowiskowych). Zsyntetyzowano równieŜ zupełnie nowe, wysoko usieciowane

polimery tj. Envi-Chrom P, LiChrolut EN, Isolute EN.

Nowinką techniczną stały się w latach 90-tych membranowe krą Ŝ ki

ekstrakcyjne, składają ce się z matrycy wykonanej z politetrafluoroetylenu (PTFE), w

którą uwikłany został sorbent. Kolejną innowacją , która znalazła zastosowanie w SPE,

okazało się wykorzystanie oddziaływań przeciwciało-antygen. Poprzez

unieruchomienie na fazie stałej przeciwciał skomponowano immunosorbenty.

Analitami w tym przypadku są antygeny. Inną moŜ liwoś cią zwię kszenia selektywnoś ci

oddziaływań pomię dzy analitem a sorbentem w SPE jest zastosowanie polimerów

drukowanych molekularnie. Odpowiednio dopasowany polimer ogranicza znaczą co

wpływ matrycy jednocześ nie pozwalają c na osią gniecie wyŜ szych współczynników

odzysku.

Mimo szeroko zakrojonych badań , po latach wysiłków stało się oczywiste, Ŝ e

nie istnieje sorbent uniwersalny. Fazy zalecane do poszczególnych grup analitów, nie

znajdują zastosowania w odniesieniu do innych. Nie naleŜ y jednak z tego powodu

zaprzestawać badań , a skierować je w stronę poszukiwania nowych, wysoko

selektywnych materiałów.


5

Podstawy teoretyczne ekstrakcji do fazy stałej- SPE

Ekstrakcja do fazy stałej (SPE – ang. Solid Phase Extraction) polega na

przeniesieniu analitów znajdują cych się w próbce ciekłej do fazy stałej. Rozdzielenie

zwią zków zachodzi w oparciu o współczynnik podziału zwią zków organicznych

miedzy wodę i stały sorbent. Uwolnienie analitów zachodzi przy pomocy

rozpuszczalnika (oznaczenie koń cowe HPLC) lub na drodze termicznej (oznaczenie

koń cowe GC).

Pomimo niewą tpliwych zalet techniki SPE nie zawsze spełnia ona swoje zadanie.

Zwią zane jest to z właś ciwoś ciami fizykochemicznymi niektórych zwią zków, które

bardzo silnie adsorbują się na powierzchni ś cianek naczyń , co moŜ e powodować duŜ e

straty analitu. W metodzie ekstrakcji cieczą rozpuszczalnik dodaje się bezpoś rednio do

naczynia z próbką , co pozwala wypłukać zaadsorbowane na ś ciankach naczyń anality.

Podstawowe zalety i wady techniki SPE przedstawiono w Tabeli .

Wady i zalety techniki SPE

Zalety metody Wady metody

• moŜliwość izolacji i wzbogacania związków lotnych i nielotnych z próbek iciekłych i gazowych,

• selektywność wzbogacenia i moŜliwość oczyszczenia substancji,

• zapobieganie procesom biodegradacji w czasie przechowywania próbek,zwłaszcza próbek wodnych, gdzie substancje często ulegają degradacji(anality wzbogacone na sorbentach moŜna przechowywać przez dłuŜszyczas),

• znaczne zredukowanie ilości uŜywanych rozpuszczalników w porównaniu ztechnikami LLE, a tym samym ograniczenie problemu toksycznychodpadów,

• eliminacja problemów związanych z tworzeniem się emulsji,

• szeroki wybór stałych sorbentów,

• łatwość automatyzacji (przy desorpcji termicznej połączenie on-line z GC,przy desorpcji rozpuszczalnikiem połączenie on-line z HPLC ),

• moŜliwość zastosowania w terenie.

• straty analitu wynikające zniecałkowitej desorpcji,

• konieczność wzbogacaniaeluatu po desorpcjirozpuszczalnikiem,

• czasami niska powtarzalność,

• czasochłonność.


6

ABC wykonania ekstrakcji za pomocą techniki SPE.

Poszczególne etapy SPE moŜ na przedstawić w sposób schematyczny nastę pują co:

a) Na złoŜ u adsorbują się anality.

1.Kondycjonowanie 2. Dozowanie próbki 3. Przemycie złoŜ a 4. Elucja

b) Na złoŜ u adsorbują się zanieczyszczenia.

1.Kondycjonowanie złoŜ a 2.

Dozowanie próbki (sorpcja) 3. Przemycie złoŜ a

AnalityZanieczyszczenia

Ad1. ZwilŜ anie i kondycjonowanie złoŜ a.

Zwil Ŝ anie i kondycjonowanie złoŜ a słuŜ y jego aktywowaniu przed

zadozowaniem próbki. Polega na przepuszczeniu okreś lonej iloś ci rozpuszczalnika w

zaleŜ noś ci od rodzaju złoŜ a i jego póź niejszego zastosowania. Pod wpływem

rozpuszczalnika poskrę cane łań cuchy wypełnienia rozprostowują się , zwię kszają c


7

powierzchnię sorpcyjną . WaŜ ne jest, aby nie dopuś cić do wyschnię cia złoŜ a pomię dzy

kondycjonowaniem a aplikacją próbki. W tym celu naleŜ y pozostawić ok. 1 mm

poprzedniego rozpuszczalnika nad warstwą wypełnienia. Jeś li dojdzie do wysuszenia

złoŜ a przed zadozowaniem próbki proces kondycjonowania naleŜ y bezwarunkowo

powtórzyć .

Ad 2. Dozowanie próbki.

Przy pomocy SPE analizuje się próbki o róŜ nej obję toś ci, od kilku mikrolitów do

kilku litrów. Ze złóŜ o charakterze niepolarnym (układ faz odwróconych), w przypadku

kiedy ekstrahujemy anality z duŜ ych obję toś ci próbek wodnych, zostaje stopniowo

wypłukiwana warstwa rozpuszczalnika pochodzą cego z etapu kondycjonowania, Wraz

z zanikiem rozpuszczalnika spada wydajnoś ć ekstrakcji oraz maleje stopień odzysku

analitów. Aby doszło do iloś ciowego przeniesienia analitów na złoŜ e, regulujemy pH

próbki wodnej, stę Ŝ enie soli i/lub rozpuszczalników organicznych. Próbki moŜ na

równieŜ przed dozowaniem odfiltrować lub odwirować , unikają c tym samym ryzyka

zapychania złoŜ a.

Przygotowaną próbkę dozujemy na kolumnę (krą Ŝ ek), zwracają c szczególną uwagę , aby

przenieś ć ją w całoś ci bez zanieczyszczania. Natę Ŝ enie przepływu cieczy przez złoŜ e

zaleŜ y od wybranej procedury analitycznej, jednakŜ e zazwyczaj nie przekracza ono

5ml/min.

Przepływ najczę ś ciej wymuszamy poprzez wytworzenie podciś nienia.

Ad 3. Przemycie złoŜ a i suszenie.

NaleŜ y rozpatrzyć dwa przypadki:

- PoŜ ą dane substancje ulegają zatrzymaniu na złoŜ u.

Kolumnę przemywamy roztworem, który nie usunie zaadsorbowanych analitów.

Najczę ś ciej stosuje się medium, w którym począ tkowo znajdowały się anality. JeŜ eli

zanieczyszczenia zostały słabo zwią zane przez złoŜ e, naleŜ y je przemyćrozpuszczalnikiem o poś redniej sile elucji. Dobieramy optymalny skład (zawartoś ć soli,

rozpuszczalników organicznych), pH, polarnoś ć .

Przemyte złoŜ e suszymy w delikatnym strumieniu gazu oboję tnego, najczę ś ciej azotu.


8

- PoŜ ą dane przez nas substancje nie ulegają zatrzymaniu na złoŜ u.

Przemywamy złoŜ e rozpuszczalnikiem, w którym znajdowały się anality. W ten sposób

wypłukujemy pozostają ce w złoŜ u substancje. W tym przypadku przemycie złoŜ a jest

ostatnim etapem procedury SPE.

Ad 3. Elucja

Zaadsorbowane anality wypłukuje się rozpuszczalnikiem, w którym

jednocześ nie nie bę dą się rozpuszczały ewentualne zanieczyszczenia. W zaleŜ noś ci od

iloś ci złoŜ a stosuje się obję toś ci od 200� l do ~ 4 ml, które dozuje się kilkoma

mniejszymi porcjami. Uzyskuje się w ten sposób wyŜ szy stopień odzysku analitów.

Eluat zbiera się i poddaje dalszej obróbce, o ile zachodzi taka potrzebaii.

Metoda SPE znalazła zastosowanie do:

� Usuwania z próbki substancji przeszkadzają cych

� Izolacji i wzbogacania analitów ś ladowych,

� Frakcjonowania składników próbki,

� Przechowywania analitów lotnych lub nietrwałych w ciekłym roztworze,

� Derywatyzacji analitów poprzez oddziaływanie z reaktywnymi grupami

sorbentu.


9

Stałe sorbenty stosowane w ekstrakcji SPE.

Sorbenty stosowane w SPE wystę pują w róŜ nych formach. MoŜ na dokonać generalnego

podziału na sorbenty umieszczone:

� W kolumnach

� Krą Ŝ kach ekstrakcyjnych.

Zasada funkcjonowania powyŜ szych urzą dzeń jest analogiczna. Anality obecne w

roztworze ulegają zaadsorbowaniu na ziarnach wypełnienia, po czym nastę puje ich

uwolnienie. RóŜ nice wynikają z odmiennego upakowania złoŜ a oraz struktury jego

ziaren, bowiem w matrycę dysków uwikłane są ziarna o znacznie mniejszej ś rednicy.

RóŜ nice w wielkoś ci ziaren: a)dysk do SPE, b) kolumienki doSPE.

Najbardziej klasyczną wersjęekstrakcji typu SPE realizuje się przy

zastoasowaniu kolumienki, której

budowę przedstawiono na rysunku

obok.

polipropylenowastrzykawka

polietylenowe fryty(20 µm)

wypełnienie na bazie Ŝ elukrzemionkowego (ziarno

40 µm, pory 60A)

ko ń cówkatypu Luer

Materiały szkoleniowe ABC techniki SPE – dr in

Ŝ. Agata Kot-Wasik

10

Porównanie ró

Ŝnych form sorbentów stosowanych w technice SPE.

Kolumienki Kr

ą Ŝki do ekstrakcji

Do małychobj ęto ś

ciDo

ś

rednichobj ęto ś

ciDo du

Ŝ

ychobj ęto ś

ciWolne kr ą Ŝ

kiKolumienki z

kr ą Ŝkami

Kr ą Ŝki w palecie

Kr ą Ŝki do

przyspieszonejekstrakcji

Kr ą Ŝki w

„pipecie”

OpisWarstwa zło

Ŝ

a sorpcyjnego między filtramiumieszczona w strzykawce z polipropylenu lub

szkła

Włókno teflonowelub szklane

wypełnione zło

Ŝem

sorpcyjnym

Cienka warstwazło

Ŝa sorpcyjnego

pomi ędzy dwomafiltrami z włókna

szklanegochronionymidodatkowymi

filtrami

Płytki składaj ącesi ę z kolumieneko pojemno

ści 1-

2 ml wypełnionemateriałem

stałym

Cienka warstwazło

Ŝa sorpcyjnego

pomi ędzy dwomafiltrami z włókna

szklanego

Masa sorbentu [mg] 10-100 100-500 500-10000 4-15 20-200 5-100 10-200

Wymiary [mm] Zale

Ŝ

ne od

ś

rednicy polipropylenowej lub szklanej„strzykawki”

Ø 25, 47, 90 Ø=4, 7, 10 Ø=50

Przepływ [ml/min] 2-5 20-25 1-10 200

Czas ekstrakcji1 litra wody [min]

200 40 100 5

Wygl ąd


11

Mniejsza ś rednica ziaren eliminuje niedogodnoś ci wynikają ce ze stosowania

kolumienek. Oto niektóre z zalet dysków:

� Krótszy czas analizy ze wzglę du na wię ksze pole przekroju poprzecznego

� Mniejsze: spadki ciś nienia, obję toś ć martwa

� Wię ksza: powierzchnia kontaktu, jednorodnoś ć i gę stoś ć upakowania, stabilnoś ćchemiczna

� MoŜ liwoś ć przepuszczania wię kszych obję toś ci próbki bez ryzyka przebicia

złoŜ a

� Mniejsza masa złoŜ a powoduje, Ŝ e oddziaływanie sorbentu z matrycą jest

znacznie ograniczone.

� Ograniczenie „kanalikowania” łatwoś ć suszenia krą Ŝ ka przed etapem elucji.

Najwię kszą niedogodnoś cią pojawiają cą się podczas stosowania krą Ŝ ków

ekstrakcyjnych są niskie wartoś ci odzysków dla niektórych zwią zków spowodowane

krótkim czasem kontaktu analitów z sorbentem.

Pomimo wielu zalet krą Ŝ ków, fakt, Ŝ e nie moŜ na ich wykonać samodzielnie w

laboratorium oraz wysoka cena (w porównaniu z kolumienkami) powoduje, Ŝ e

kolumienki są nadal najczę ś ciej uŜ ywaną formą upakowania materiału sorpcyjnego


12

Dobór fazy stałej i warunków wzbogacania.

W czasie optymalizacji warunków izolacji i wzbogacania zwią zków

organicznych z wody pod uwagę brane są przede wszystkim nastę pują ce czynniki:

polarnoś ć rozpuszczalnika i typ wypełnienia kolumienki ekstrakcyjnej. W kolejnej

Tabeli przedstawiono typy wypełnień stosowanych w technice SPE.

Typy sorbentów wykorzystywanych do ekstrakcji z uŜyciem techniki SPE.

TYP SORBENTU SYMBOL FAZA STAŁA POLARNOŚĆ/ KLASYFIKACJA ZWIĄZKU

C-2 śel krzemionkowy modyfikowany grupamietylowymi

C-8 śel krzemionkowy modyfikowany grupamioctylowymi

C-18 śel krzemionkowy modyfikowany grupamioktadecylowymi

Ph śel krzemionkowy modyfikowany grupamifenylowymi

Nie-polarny

CN śel krzemionkowy modyfikowany grupamicyjanopropylowymi

Związki niepolarne i średnio polarne

CN śel krzemionkowy modyfikowany grupamicyjanopropylowymi

Si śel krzemionkowy

Diol Diol

Florisil Dwutlenek magnezu

Polarny

NH2śel krzemionkowy modyfikowany grupamicyjanopropylowymi aminopropylowymi

Związki polarne

CN Cyanopropylosilika Ŝel Kationy

NH2śel krzemionkowy modyfikowany grupamicyjanopropylowymi aminopropylowymi

Słabe aniony, kwasy organiczne

SCX Kwas sulfonowy Mocne kationy, zasady organiczne

SAX Czwartorzędowa amina Mocne aniony, kwasy organiczne

Wymieniacz jonowy

WCX Słaby wymieniacz kationowy Słabe kationy


13

Obecnie na rynku istnieje szeroki asortyment artykułów do SPE, w tym wiele

rodzajów wypełnień . Znalezienie najbardziej optymalnego sorbentu do konkretnej

analizy moŜ e nastrę czać kłopotu. Dobór sorbentu i charakterystyki jego uziarnienia

zaleŜ y od:

� Charakteru analizowanej próbki. Właś ciwoś ci tj. polarnoś ć analitów wzglę dem

matrycy, rodzaj matrycy, obecnoś ć grup posiadają cych ładunek, rozpuszczalnoś ć , masa

czą steczkowa, stę Ŝ enie analitu(ów) i współobecnych substancji przeszkadzają cych

decydują , jak silne bę dą zachodzić oddziaływania pomię dzy analitami a złoŜ em.

� Sposobu uwalniania analitów, stosowanej metody analizy koń cowej, oraz

sposobu jej łą czenia z metodą SPE (off-line, on-line).

Przy wyborze optymalnego materiału sorpcyjnego moŜ na kierować się schematem

przedstawionym na Rysunku poniŜ ej.

Po dokonaniu wyboru optymalnego materiału sorpcyjnego naleŜ y rozwaŜ yć jego

iloś ć , która zapewni jak najbardziej iloś ciowy odzysk analitów. Zbyt duŜ a iloś ć złoŜ a

prowadzi do problemów z wyeluowaniem wszystkich zaadsorbowanych zwią zków, z

kolei zbyt mała iloś ć materiału nie jest w stanie zwią zać wszystkich analitów.

Kolejnym kluczowym aspektem jest dobór odpowiedniego medium, które

posłuŜ y kolejno do kondycjonowania, przemywania złoŜ a oraz elucji. NaleŜ y wzią ć pod

uwagę , Ŝ e ostatni z rozpuszczalników uŜ ywanych do kondycjonowania powinien byćnajsłabszym. Rozpuszczalniki stosowane do przemywania złoŜ a, naleŜ y dobrać tak, aby

wypłukiwały słabo zaadsorbowane zanieczyszczenia. Rozpuszczalnik stosowany do

elucji analitów powinien być na tyle silny, aby jego niewielka obję toś ć iloś ciowo

usunę ła ze złoŜ a interesują ce nas substancje.


Ŝ. Agata Kot-Wasik

15

Anality

JonoweNiejonowe

Wodny WodnyŚ

redniopolarnePolarneNiepolarne Kationowe Anionowe

Organiczny Średniopolarne

Organiczny Wodny

Niepolarne Polarne

OktadecylowaOktylowaC4, C2

CykloheksylowaFenyloetylowa

Cyjanopropylowa

HeksanDichlorometan

AcetonitrylAlkohole

śel krzemionkowy

Aminopropylowa

ChloroformDichlorometan

Octan etyluAlkohole

CyjanopropylowaDiolowa

AminopropylowaPA

DMA


Octan etyluAlkohole

OktadecylowaOktylowa

C4C2

CyjanopropylowaFenyloetylowa

HeksanDichlorometan

AcetonitrylAlkohole

śel krzemionkowy

Aminopropylowa


Octan etyluAlkohole

Woda

CyjanopropylowaDiolowa

AminopropylowaPA

DMA


Octan etyluAlkohole

Woda

Rozpuszczalnik

Polarno

ś ć

analitów

Zalecany rodzaj fazy stałej

Zalecany rozpuszczalnik do selektywnej elucji

PCASA

PS-APS-H

SBNH2DMA

PS-OH-

KwasySole

Bufory

KwasySole

Bufory

Rozpuszczalne w wodzie Rozpuszczalne w

rozpuszczalnikach organicznych


Ŝ. Agata Kot-Wasik

16

Schemat postępowania: wybór rozpuszczalnika oraz fazy stałej wykorzystywanych w SPE


17

Problemy towarzyszące technice SPE, ich przyczyny oraz sposobyrozwiązywania.

Podstawowe problemy, jakie spotyka się zwłaszcza w przypadku klasycznych

kolumienek stosowanych do SPE to: opory przepływu, kanalikowanie, obję toś ć martwa (ta

wpływa na czas poświecony kondycjonowaniu, myciu i suszeniu).

W tabeli poniŜ ej przedstawiono najczę ś ciej spotykane w SPE problemy, ich przyczyny i sposoby

rozwią zywania.

Problemy towarzyszą ce technice SPE, ich przyczyny oraz sposoby rozwią zywania.

Problem Prawdopodobna przyczyna Działania korygują ce

Zanieczyszczenia w matrycy Podwójna ekstrakcja, dializa

Obecnoś ć soli nieorganicznych Podwójna ekstrakcja

Obecnoś ć surfaktantówPodwójna ekstrakcja, ekstrakcjaciecz –ciecz

Obecnoś ć olejówPodwójna ekstrakcja, Ekstrakcjaciecz -ciecz

Obecnoś ć wę glowodanów Rozpuszczenie próbki

Obecnoś ć białekZmiana pH,Strą cenie białka,Degradacja białka

Próbka o wysokiej lepkoś ciRozpuszczenie próbki

Niewłaś ciwe kondycjonowanieNaleŜ y dopilnować , abysorbent podczaskondycjonowania nie wysechł

Zwi ę kszenie ciś nienia (a tym samymzmniejszenie prę dkoś ciprzepływu próbki przezsorbent)

Nie mieszają ce się reagentyNaleŜ y wysuszyć złoŜ epomię dzy dozowaniemkolejnych rozpuszczalników

Niewłaś ciwe kondycjonowanieNaleŜ y dopilnować , aby sorbentpodczas kondycjonowania niewysechł

Słabe zwią zanie analitów zwypełnieniem

Zastosować wypełnienie owi ę kszej selektywnoś ci wstosunku do analitów

Niskie współczynnikiodzysku analitów

Niewłaś ciwe mycieZmienić rozpuszczalnik uŜ yty domycia złoŜ a


18

Słaba elucja

-NaleŜ y wypróbować róŜ nesorbenty,-NaleŜ y obniŜ yć siłę elucyjnąrozpuszczalnika,- Zwię kszenie iloś cirozpuszczalnika- Zoptymalizowanieprzenoszenia masy

ZanieczyszczeniaNiewystarczają ce mycie

- Zwię kszenie iloś cirozpuszczalnika- Zoptymalizowanieprzenoszenia masy- Dobór optymalnegorozpuszczalnika doprzemywania,

Czasochłonne operacje Optymalizacja procedury

Zbę dne etapy Optymalizacja proceduryMała wydajnoś ćNiewłaś ciwie dobrana metodyka Eliminacja etapu odparowania

Granica oznaczalnoś ci niezostała osią gnię ta

Za bardzo rozcień czonyrozpuszczalnik

-Zminimalizować odparowanie-Odparować próbkę-Wzbogacić próbkę-UŜ yć kolumienki z krą Ŝ kami.

Niewłaś ciwie kondycjonowanieZwrócić uwagę na zaleceniaproducenta

Niecałkowite dozowanie próbki nasorbent

Zmniejszyć prę dkoś ć przepływupróbkiSłaba odtwarzalnoś ć

Niewystarczają ce mieszanie-Rozcień czyć próbkę-Wymieszać próbkę przedzadozowaniem


19

Technika SPE realizowana w trybie off-line i on-line

(automatyzacja)

Technika SPE zarówno w układzie off-line jak i on-line charakteryzuje sięzadowalają cymi odzyskami analitό w, jednak w tej drugiej są nieco wyŜ sze, co moŜ e byćbardzo istotne przy oznaczaniu ś ladowych i ultraś ladowych iloś ci zwią zków. Dodatkowązaletą techniki zautomatyzowanej są wartoś ci granic wykrywalnoś ci analitów w próbkach

wodnych, co z pewnoś cią liczy się najbardziej dla analityka. Szczególnie, jeś li musi

stwierdzić ich obecnoś ć na bardzo niskim poziomie stę Ŝ eń .

Korzystniejsze wyniki wzbogacania pozostałoś ci analiztów z wykorzystaniem techniki

on-line, zwią zane mogą być z iloś cią czynnoś ci wykonywanych podczas przygotowywania

próbki. Oczywiś cie im mniejsza liczba etapów, tym mniejsze prawdopodobień stwo

popełnienia błę du i utraty analitów.

WaŜ nym czynnikiem, który naleŜ y uwzglę dnić podczas planowania procesu

oznaczania substancji, jest czas analizy. Jest on nieporównywalnie krótszy dla techniki on-

line. Zwią zane jest to mię dzy innymi z tym, Ŝ e wykonuje się tylko kondycjonowanie złoŜ a,

przepuszczanie strumienia próbki oraz bezpoś rednio po tym oznaczanie koń cowe. Natomiast

w układzie off-line po wzbogaceniu analitów z próbki wodnej złoŜ e trzeba wysuszyć ,

zdesorbować anality, odparować rozpuszczalnik i rozpuś cić anality w fazie ruchomej.

Wymaga to przenoszenia próbki do dwóch róŜ nych stanowisk i montaŜ u jej, by proces mógł

przebiegać prawidłowo.

Praktyka laboratoryjna wykazała, Ŝ e proces ekstrakcji w układzie on-line moŜ liwy jest do

wykonania w czasie do 1.5 godziny, natomiast off-line od kilku do kilkunastu godzin.

Istotne znaczenie ma równieŜ obję toś ć przepuszczanej próbki przez złoŜ e sorbentu, co

dodatkowo ma wpływ na czas analizy i jest istotnym parametrem na etapie pobierania i

transportu (500-1000 ml dla off-line i 10-100 ml dla on-line).

Pomimo niewą tpliwie wielu zalet zautomatyzowana technika ekstrakcji posiada równieŜwady. OtóŜ w przypadku zastosowania ekstrakcji w układzie on-line nie ma moŜ liwoś ci

powtórzenia analizy (w przypadku off-line moŜ liwa jest kilkukrotna analiza tego samego

ekstraktu). Ponadto podczas jednego procesu analitycznego moŜ na przeprowadzać izolację i

wzbogacanie analitów tylko jednej próbki. W układzie off-line moŜ liwa jest jednoczesna

ekstrakcja analitów z kilku-kilkunastu próbek. Istnieją równieŜ statywy do ekstrakcji SPE off-


20

line, w których moŜ na umieś cić nawet 96 próbek. Dlatego biorą c pod uwagę liczbęprzygotowanych próbek przed analizą koń cową w obu przypadkach, parametr czasowy

przybiera innego znaczenia. Kolejną niekorzystną cechą techniki on-line jest efekt pamię ciś cianki i złoŜ a. Przedkolumna ekstrakcyjna nie jest wymieniana kaŜ dorazowo po jej uŜ yciu,

po przemyciu za pomocą rozpuszczalnika słuŜ y do analizy nastę pnych próbek. W zwią zku z

tym anality, które nie całkowicie zdesorbowały w pierwszej analizie oraz podczas mycia

prekolumny, mogą uwalniać się w nastę pnej analizie powodują c zafałszowanie wyników.

Technika ekstrakcji w układzie off-line wykorzystuje natomiast jednorazowe kolumienki

ekstrakcyjne. Świadomoś ć analityka dotyczą ca wad i zalet danej techniki, pozwoli wybrać

najbardziej korzystną dla jego potrzeb oraz moŜ liwoś ci ekonomicznych danego laboratorium.

W tabeli zestawiono wady i zalety prowadzenia ekstrakcji do fazy stałej zarówno w układzie

off-line jak i on-line.

Zalety i wady prowadzenia ekstrakcji do fazy stałej w układzie off-line i on-line

Sposób realizacjiprocesu ekstrakcji

Zalety Wady

MoŜliwość przygotowania kilku próbekjednocześnie

Trudności z automatyzacją operacji

MoŜliwość optymalizacji poszczególnychetapów

Czasochłonność i pracochłonność

Elastyczność etapów metody Konieczność pracy z duŜą objętościąpróbek

Układoff-line

Proste wyposaŜenie Ryzyko zanieczyszczenia próbek iekstraktów oraz strat analitów

MoŜliwość automatyzacji procesu

Analiza całej próbki

MoŜliwość pracy z mniejszą objętościąpróbek

Skomplikowane wyposaŜenie

Skrócenie czasu analizy Mała elastyczność procedury

Zmniejszenie ryzyka strat analitów izanieczyszczenia próbki

Układon-line

Poprawa precyzji analizy

Utrudniona lub niemoŜliwa optymalizacjaposzczególnych etapów


21

Odmiany techniki ekstrakcji do fazy stałej

Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika z próbki zmieszanej z wypełniaczem (ang. Matrix

solid-phase dispersion - MSPD)

Ekstrakcja analitów z próbek

stałych i półpłynnych moŜ e byćwykonana z zastosowaniem techniki

MSPD opatentowanej w 1989 roku.

Próbkę badaną umieszcza się w

naczyniu szklanym do którego

wprowadzany jest sorbent (materiał

stały przemyty rozpuszczalnikiem i

kondycjonowany wcześ niej na wzór

kolumienek do SPE). Próbkę wraz ze

sorbentem miesza się dokładnie

(homogenizacja) i przenosi do „pustej”

kolumienki (strzykawka z

polipropylenu lub szkła)

zabezpieczonej jedynie filtrem

papierowym. Całoś ć ś ciska siętłoczkiem od strzykawki i przez tak

przygotowaną kolumienkę przepuszcza

się kilka porcji rozpuszczalnika. Eluat

zbierany do naczynia poddaje się dalej

albo oczyszczaniu (np. SPE) albo

redukcji obję toś ci koń cowej

rozpuszczalnika albo teŜ analizie

koń cowej (iloś ciowej i/lub jakoś ciowej

technikami chromatograficznymi).

Wszystkie te kroki w sposób graficzny

przedstawione są na Rysunku.

moź dzierz

krok 2 wymieszaj

krok 1

próbka (0.5 g)

krok 4

krok 3 przenieś

sorbent (np. C18, 2g)

spatula tłuczek

korpus strzykawki

filtr papierowy

krok 5 ś ciś nij

tłoczek strzykawki

filtr papierowy

krok 6

rozpuszczalnik 2

odbieralnik

krok 7 eluuj anality

krok 8 ekstrakt

krok 9

- usuń nadmiar rozpuszczalnika

- przefiltruj - ANALIZA

Schemat postępowania z próbką w przypadku zastosowaniatechniki MSPD.


22

Technikę MSPD stosowano do izolacji analitów z grupy PCBs z ryb, pozostałoś ci leków z

tkanki tłuszczowej i wą troby, witamin z poŜ ywienia (warzywa i owoce), pestycydów z

warzyw, owoców, ryb i krwi.

Ekstrakcja z wykorzystaniem ruchomego elementu sorpcyjnego typu Twister TM (Stir

Bar Sorptive Extraction-SBSE)

W erze „zielonej chemii” trudno jest uzasadnić stosowanie technik ekstrakcyjnych z

uŜ yciem duŜ ych iloś ci toksycznych rozpuszczalników organicznych na etapie przygotowanie

próbki, dlatego powinno się preferować techniki bezrozpuszczalnikowe, a do takich naleŜ y

mię dzy innymi próbnik z ruchomym elementem sorpcyjnym

typu Twister TM (sprzedawany przez firmę Gerstel,

Muhlheim, Niemcy). Element sorpcyjny jest szklanym

mieszadełkiem magnetycznym o długoś ci 1.5 cm pokrytym

grubym filmem polidimetylosiloksanu. Jego pojemnoś ćsorpcyjna jest stukrotnie wię ksza od tej, którą zapewnia

włókno ekstrakcyjne SPME. Czas ekstrakcji jest krótki (rzę du

kilku minut do maksimum 1 godziny), a element sorpcyjny

po ekstrakcji polegają cej na umieszczeniu elementu Twister TM

w ciekłej próbce i mieszaniu (Rysunek) jest wycią gany i

poddawany desorpcji najczę ś ciej termicznej i analizie

chromatograficznej.

Próbniki z ruchomym elementem sorpcyjnym typu Twister TM są wykorzystywane do

ekstrakcji organicznych zanieczyszczeń (pestycydy, WWA) z takich matryc, jak woda, ś cieki,

soki, herbata, kawa, wino, mleko, keczup.

Element sorpcyjny typu Twister TM doekstrakcji typu SBSE


23

Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (SPME)

Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej jest szybką , uniwersalną , czułą , bezrozpuszczalnikową i

ekonomiczną metodą przygotowania próbek do analizy z wykorzystaniem chromatografii

gazowej (GC) lub wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC). Jest rodzajem

ekstrakcji do fazy stałej (SPE), zachowują cym wszystkie

jej zalety – prostota, niski koszt, łatwoś ć automatyzacji i

moŜ liwoś ć zastosowania w terenie, nie posiadają cym

jednocześ nie jej wad – czasochłonnoś ci i uŜ ycia

rozpuszczalników.

Sorbent naniesiony jest w tym przypadku na cienkie

włókno szklane lub kwarcowe. Taka zmiana geometrii

sorbentu ułatwia wymianę masy

podczas wzbogacania i uwalniania

zatrzymanych zwią zków.

Na Rysunku przedstawiono schemat

urzą dzenia do SPME,

produkowanego przez firmę Supelco.

Jego integralną czę ś cią jest stalowa

igła z zamocowanym w niej włóknem,

pokrytym fazą stacjonarną .

Na kolejnym Rysunku pokazano zaś wyglą d zestawu do mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej.

Technika SPME umoŜ liwia izolację i wzbogacanie zwią zków lotnych i ś redniolotnych z

matryc gazowych, ciekłych lub stałych. Czułoś ć tej techniki zaleŜ y przede wszystkim od

wartoś ci współczynnika podziału mię dzy próbką a fazą stacjonarną włókna. W zwią zku z tym

na efektywnoś ć wzbogacania wpływa rodzaj zastosowanej fazy stacjonarnej oraz jej gruboś ć .

Istotny wpływ mają teŜ inne parametry procesu takie jak: obję toś ć próbki, jej temperatura,

czas ekspozycji włókna, pojemnoś ć fiolki ekstrakcyjnej oraz mieszanie próbki.

Schemat budowy urządzenia do mikroekstrakcji dofazy stacjonarnej.1-tłok, 2-obudowa, 3-śruba prowadząca, 4-wycięcie wobudowie, 5-otwór w obudowie,6-prowadnica igły, 7-spręŜyna, 8-uszczelka, 9-igła, 10-rurka stalowa, 11-włókno pokryte fazą stacjonarną


24

Optymalizacja warunków pracy urzą dzenia do SPME umoŜ liwia osią gnię cie granicy

wykrywalnoś ci 5-50 ppt zarówno dla zwią zków lotnych, jak i nielotnych, przy czym czas

przygotowania próbki tą techniką wynosi zwykle 2-15 minut.

Liczne zalety techniki SPME, sprawiają , Ŝ e jest ona prawie uniwersalna, pozwala

bowiem, na analizę wielu rodzajów próbek – ciekłych, gazowych i stałych, czę sto o bardzo

skomplikowanym składzie, zawierają cych anality w ś ladowych iloś ciach.

Czynniki wpływaj ą ce na efektywnoś ć wzbogacenia analitów z wykorzystaniem techniki

SPME.

Na efektywnoś ć wzbogacania analitów techniką SPME wpływa wiele czynników,

m.in. rodzaje włókien. Przy wyborze włókna obowią zuje zasada „podobne rozpuszcza się w

podobnym”, tzn. polarne anality sorbowane są na polarnym włóknie, niepolarne na

niepolarnym.

W sprzedaŜ y znajduje się cała gama standardowych włókien, których przykłady

zostały przedstawione w Tabeli.

Zestaw do mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej.


25

Charakterystyka włókien uŜywanych w technice SPME.

Rodzaj fazystacjonarnej Polarność

Grubość filmu fazystacjonarnej [µµµµm]

Handloweoznaczeniewłókna

Maksymalnatemperatura pracy

włókna [0C]100 Czerwone 280

30 śółte 280Polidimetylosiloksan(PDMS)

Niepolarna

7 Zielone 34065 Niebieskie 27060 Brązowe 270

Polidiwinylosiloksan/diwinylobenzen(PDMS/DVB)

Umiarkowaniepolarna

65 (włókno elastyczne) RóŜowe 270

Poliakrylan (PA) Polarna 85 Białe 320

75 Czarne 320Carboxen/polidimetylosiloksan (Car/PDMS)

Umiarkowaniepolarna

85 (włókno elastyczne) Błękitne 320

65 Pomarańczowe 265Carbowax/diwinylobenzen (CW/DVB) Polarna

70 (włókno elastyczne) śółtozielone 265

Przy wyborze włókna waŜ na jest gruboś ć umieszczonej na nim fazy stacjonarnej.

Włókna ekstrakcyjne z grubym filmem fazy stacjonarnej lub sorbentu umoŜ liwiaj ą ekstrakcjęwię kszych iloś ci analitów niŜ cienkie, są bardziej efektywne w przypadku zwią zków lotnych i

umoŜ liwiaj ą ich transport do dozownika chromatografu praktycznie bez strat. Natomiast

włókna ekstrakcyjne pokryte cienkim filmem fazy stacjonarnej zaleca się stosować w

przypadku izolacji i wzbogacania zwią zków wysokowrzą cych, poniewaŜ umoŜ liwiaj ą one

przeprowadzenie zarówno ekstrakcji jak i desorpcji w stosunkowo krótkim czasie. Na

efektywnoś ć ekstrakcji techniką SPME oprócz rodzaju włókna wpływ mają równieŜ :

� Obję toś ć próbki Dla podwyŜ szenia efektywnoś ci ekstrakcji, obję toś ć fazy gazowej w

fiolce powinna być zminimalizowana. Najczę ś ciej fiolkę wypełnia się cieczą do

połowy jej obję toś ci. Istotny wpływ ma tu równieŜ pojemnoś ć samej fiolki.

Stwierdzono, Ŝ e jeŜ eli w fiolce o poj. 5 cm3 umieś ci się 1 cm3 cieczy to równowaga

zostanie osią gnię ta 3 razy szybciej niŜ gdy w naczyniu o pojemnoś ci 50 cm3 znajdzie

się 10 cm3.

� Temperatura i czas ekstrakcji Wzrost temperatury ułatwia transport analitów z

matrycy do fazy nadpowierzchniowej (zwię ksza się Khs), co przyspiesza sorpcjęanalitów na włóknie. Jednak nadmierny wzrost temperatury moŜ e powodowaćprzedwczesną desorpcję analitów. Wartoś ć optymalnej temperatury zaleŜ y od składu

matrycy, analitów w niej zawartych oraz zastosowanej fazy stacjonarnej.


26

Poza tym im dłuŜ szy czas ekspozycji tym wię cej miejsc aktywnych na włóknie moŜ e

być zaję tych przez czą steczki analitu; jednak przedłuŜ anie czasu, gdy wszystkie miejsca

aktywne są juŜ zaję te, nie ma juŜ wpływu na efektywnoś ć wzbogacania.

Czas i temperatura są parametrami ś ciś le zwią zanymi ze sobą , np. podniesienie

temperatury umoŜ liwia skrócenie czasu ekspozycji włókna, co znacznie przyspiesza

wykonanie analizy.

� Wysalanie Dodatek soli do próbki powoduje obniŜ enie rozpuszczalnoś ci analitów w

matrycy, w zwią zku z czym wię ksza iloś ć analitów jest sorbowana na włóknie, co

zwię ksza efektywnoś ć ekstrakcji. Zabieg ten czę sto stosuje się w analizie pestycydów

oraz zwią zków zapachowych. Efekt jest jednak zaleŜ ny od rodzaju analitów i stę Ŝ enia

NaCl w próbce.

� Desorpcja analitów z włókna ekstrakcyjnego Zwykle stosuje się desorpcjętermiczną , prowadzoną w dozowniku chromatografu gazowego i do tego celu nie jest

konieczna Ŝ adna modyfikacja jego budowy. Desorpcja powinna przebiegać w jak

najkrótszym czasie, dlatego temperatura dozownika powinna być nieco wyŜ sza od

temperatury wrzenia najwyŜ ej wrzą cego analitu. Limitowana jest ona jednak

odpornoś cią termiczną zastosowanego włókna. W przypadku analizy zwią zków mniej

lotnych lub termicznie nietrwałych technikę SPME łą czy się z techniką HPLC.

� Derywatyzacja analitów Anality czę sto wystę pują w próbkach na poziomieś ladowym a matryce próbek są bardzo złoŜ one. Wówczas zdarza się , Ŝ e składniki

matrycy, których poziom jest porównywalny lub wyŜ szy od poziomu analitów, mogąprzeszkadzać a nawet uniemoŜ liwi ć przeprowadzenie oznaczenia. Rozwią zaniem

moŜ e okazać się , przekształcenie analitu w pochodną , o strukturze chemicznej

odróŜ niają cej go od zwią zków zawartych w matrycy. Proces ten okreś la się terminem

upochadnianie (derywatyzacja). W procesie derywatyzacji (konwersji chemicznej)

nadaje się analitowi nowe cechy chemiczne i fizyczne (np. obniŜ enie temperatury

wrzenia), co umoŜ liwia zwię kszenie czułoś ci oznaczeń . Szczególną , choć wyją tkowo

uŜ yteczną wersją przekształcania w pochodne jest derywatyzacja na włóknie

urzą dzenia do SPME. W tym celu włókno mikroekstrakcyjne nasyca się odczynnikiem

derywatyzują cym, a nastę pnie tak przygotowane umieszcza się w roztworze lub w

fazie nadpowierzchniowej analizowanej próbki. Przekształcenie w pochodne nastę puje

na włóknie, co pozwala istotnie skrócić czas analizy.


27

Technika SPME coraz czę ś ciej jest wybierana przez wielu analityków jako efektywna

metoda przygotowania próbki do analizy jakoś ciowej i iloś ciowej. Główne jej zalety to:

� Szybkoś ć – wyeliminowanie praco- i czasochłonnego etapu obróbki próbki

� Eliminacja drogich i toksycznych rozpuszczalników organicznych

� MoŜ liwoś ć przeprowadzania analizy próbek w stanie stałym, ciekłym i gazowym

� Wysoka czułoś ć� Mała obję toś ć próbki

� MoŜ liwoś ć automatyzacji

� Niski koszt analizy

� Prosta aparatura umoŜ liwiaj ą ca pobieranie prób w terenie.

Technika SPME moŜ e być stosowana do analiz zwią zków polarnych i niepolarnych, w

gazach, cieczach i próbkach stałych. Łatwo łą czona jest z takimi technikami instrumentalnymi

jak: GC, GC-MS, HPLC i LC-MS.

Do nielicznych mankamentów techniki SPME zalicza się niezbyt duŜ e odzyski

analitów oraz niezbyt duŜ ą precyzję oznaczeń , co moŜ e ograniczać moŜ liwoś ć zastosowania

do analizy jakoś ciowej.

Dalsze losy techniki SPME zwią zane są z opracowaniem nowych pokryć włókien, np.

zwią zków chiralnych do analiz analitów aktywnych optycznie, jak równieŜ połą czeniem

techniki SPME z innymi technikami instrumentalnymi np. elektroforezą kapilarną oraz

automatyzacją urzą dzeń do SPME. W przyszłoś ci spodziewany jest dalszy znaczny wzrost

znaczenia techniki SPME w badaniach analitycznych.


28

Wykorzystanie SPE do oczyszczania ekstraktów.

W celu oczyszczenia uzyskanych ekstraktów stosuje się głównie takie techniki, jak:

ekstrakcję ciecz-ciecz, ekstrakcję do fazy stałej (SPE), kolumnową chromatografię cieczowąoraz chromatografię wykluczania.

W przypadku ekstrakcji z wykorzystaniem techniki SPE, ze wzglę du na fakt, iŜ etap

oczyszczania ekstraktów ma na celu selektywne zatrzymanie na złoŜ u lub elucję ze złoŜ a

izolowanych analitów z jak najmniejszą iloś cią interferentów, najwaŜ niejszymi aspektami

oczyszczania bę dą wię c:

� dobór złoŜ a (sorbentu)

� dobór rozpuszczalnika eluują cego,

� właś ciwe przygotowanie odpowiedniego złoŜ a – aktywacja poprzez wygrzewanie i

okreś lony sposób deaktywacji złoŜ a.

W Tabeli przedstawiono charakterystykę sorbentów stosowanych do oczyszczania

ekstraktów.

Charakterystyka sorbentów stosowanych do oczyszczania próbek ekstraktów.

Charakterystyka Zastosowanie Postępowanie

Florisil

� krzemian magnezuSiO2+MgO,

� polarny, zaliczanydo amfoterycznych,

� bardziej kwaśnycharakter od aluminy iŜelu krzemionkowego.

� izolacja hydrofilnych, polarnychsubstancji z niewodnych,niepolarnych mieszanin,

� analiza próbek zawierających duŜolipidów, wosków lub olejów,

� adsorpcja pestycydów z próbekśrodowiskowych, główniechlorowanych,

� oznaczanie herbicydów wŜywności i paszach,

� oznaczanie PCB w olejutransformatorowym,

� rozdzielanie związków azotowychod węglowodorowych,

� separacja związkówaromatycznych od mieszaninalifatyczno-aromatycznych,

� szeroko wykorzystywany wmetodach zalecanych przez AOACi EPA.

1. aktywacja poprzez wygrzewaniew temperaturze 130ºC przez noc wnaczyniu szklanym przykrytym foliąaluminiową,

2. ostudzenie w eksykatorze,

3. dezaktywacja 2% wody

4. wypełnienie kolumienki – wataszklana, Florisil, bezwodny Na2SO4,

5. kondycjonowanie kolumienkiodpowiednim rozpuszczalnikiem,

6. suszenie kolumienki,

7. naniesienie próbki (anality wodpowiednim rozpuszczalniku)wzbogaconej do określonejobjętości,

8. gradientowa elucja za pomocąodpowiednich rozpuszczalników.


29

Charakterystyka Zastosowanie PostępowanieAlum

ina

� tlenek glinu Al2O3,

� przygotowywana zAl(OH)3 poprzezwygrzewanie wtemp. 900ºC watmosferze CO2,

� mechanizm retencjizwiązany jest zoddziaływaniamikwas-zasada (Al2O3

jest kwasemLewisa), polarnościąi wymianą jonową,

� polarna

� wyróŜnia się trzyrodzaje:

� kwaśna Al-A, pH4,5, słaby kationit,

� zasadowa Al-B,

� pH 10,

� neutralna Al-N,

pH 7,5, neutralnaelektryczniepowierzchnia, małapojemność sorpcyjna.

� WWA,

� nitrozoaminy,

� alkaloidy,

� steroidy,

� terpeny,

� związki alifatyczne

� i aromatyczne,

� analiza odpadów rafineryjnych,

� izolacja hydrofilnych substancji zniewodnych mieszanin,

� Al-A – zatrzymywanie neutralnychi anionowych związków; witaminw analizie Ŝywności i pasz,antybiotyków i dodatków do pasz,

� Al-B – zatrzymywaniekationowych i tworzącychwiązanie wodorowe związków,pestycydów, herbicydów, cukrów,kofeiny z napojów, steroidów,

� Al-N – zatrzymywanie bogatych welektrony związków (aromatyczne,alifatyczne aminy, z grupami z O,P, S), izolacja herbicydów,dodatków do Ŝywności, analizabenzyny.

1. aktywacja poprzez wygrzewaniew temperaturze 130ºC przez noc wnaczyniu szklanym przykrytym foliąaluminiową ostudzenie weksykatorze,

2.deaktywacja wodą w zaleŜności odwymaganego stopnia: 0 - 0%

I – 2,6%

II – 5%

III – 8,4%

IV – 15%,

3. wypełnienie kolumienki - dolnąwarstwę stanowi Ŝel krzemionkowylub wata szklana, później umieszczasię aluminę i górną warstwę tworzybezwodny Na2SO4,

4. kondycjonowanie kolumienki zapomocą odpowiedniegorozpuszczalnika,

5. naniesienie próbki (anality wodpowiednim rozpuszczalniku)wzbogaconej do określonejobjętości,

6. gradientowa elucja za pomocąodpowiednich rozpuszczalników.

śel krzemionkowy

� jako grupafunkcyjna jest –OH:

SiOH

� najbardziej polarnysorbent

� zaktywowany jestlekko kwaśny

� mechanizm retencjizwiązany z tworzeniemsię wiązań wodorowychlub oddziaływań dipol –dipol

� poprzez zamianęgrupy funkcyjnejotrzymano szeroką gamęsorbentów oróŜnorodnychwłaściwościach

� matryce - polarne organicznerozpuszczalniki, oleje i lipidy,

� izolacja WWA, PCB,zderywatyzowanych fenoli,chloroorganicznych pestycydów,

� zatrzymywanie polarnychzwiązków,

� elucja przeprowadzana jestpoprzez zmianę siły elucyjnejrozpuszczalnika

aktywacja poprzez wygrzewanie wtemperaturze 130ºC przez noc wnaczyniu szklanym przykrytym foliąaluminiową,

ostudzenie w eksykatorze,

wypełnienie kolumienki, dolnąwarstwę stanowi wata szklana,później umieszcza się Ŝelkrzemionkowy i górną warstwętworzy bezwodny Na2SO4,

kondycjonowanie kolumienki zapomocą odpowiedniegorozpuszczalnika,

naniesienie próbki (anality wodpowiednim rozpuszczalniku)wzbogaconej do określonejobjętości,

gradientowa elucja za pomocąodpowiednich rozpuszczalników.

W przypadku techniki SPE optymalizacja warunków oczyszczania ekstraktów

obejmuje zarówno optymalizację uŜ ywanego sorbentu, jak i mocy rozpuszczalnika uŜ ytego

do desorpcji analitów ze złoŜ a.


30

Czę stokroć w praktyce analityczne stosowane są kombinacje dwóch i wię cej sorbentów.

Wybrane zestawy takich złóŜ zwykle dostę pnych w postaci kolumienek do SPE

przedstawiono wraz z ich zastosowaniem w Tabeli.

HEKSAN IZOOKTAN TETRACHLOROMETAN CHLOROFORM DICHLOROMETAN TETRAHYDROFURAN ETER DIETYLOWY OCTAN ETYLU ACETON DIOKSAN ACETONITRYL IZOPROPANOL METANOL WODA KWAS OCTOWY

R O S N Ą C A P O L A R N O Ś Ć

{

{

Oktadecyl (C 18 ) Oktyl (C 8 )

NIEPOLARNY Butyl (C 4 ) Cykloheksyl Fenyl (Ph)

Cyjanowy (CN) śel krzem. (SiOH)

POLARNY Aminowy (NH 2 ) Florisil (MgSiO 3 ) Tlenek glinowy (Al 2 O 3 )

I i II rzędowe aminy WYMIENIACZ (NH 2 / NH) ANIONOWY (N + ) WYMIENIACZ - COOH KATIONOWY Ph - SO 3 H

MOC ROZPUSZCZALNIKÓW POLARNOŚĆ SORBENTÓW


31

Zastosowanie techniki SPE z kolumienkami wypełnionymi róŜnymi sorbentami do oczyszczania ekstraktów.

Typ kolumienki do SPE Zastosowanie

CN/SiOH

CN

SiOH

WWA z gleby - oczyszczanie ekstraktów heksanowych

selektywna adsorpcja WWA poprzez wiązania n-n, potem elucjaacetonitrylem

usuwanie związków polarnych

NH2/C18NH2

C18

Wzbogacanie WWA z wodyusuwanie kwasów humusowychwzbogacanie WWA

SiOH-H+/SA(SiOH)

górna warstwa Ŝelukrzemionkowego impregnowana

jest H2SO4, dolna warstwa to silniekwaśny wymieniacz kationowy zgrupy kwasu benzenosulfonowego

SiOH-H+

SA

PCB z olejów - oczyszczanie ekstraktów heksanowychwg niemieckiej normy DIN 51 527

utlenianie związków towarzyszących do związków jonowych i/ lubpolarnychusuwanie związków jonowych oraz związków siarki

SA/SiOH

górna warstwa Ŝelukrzemionkowego to silnie kwaśny

wymieniacz kationowy z grupy kwasubenzenosulfonowego, dolnawarstwa to Ŝel krzemionkowy

SASiOH

PCB z olejów przepracowanych - oczyszczanie ekstraktówheksanowych

usuwanie związków jonowych oraz związków siarkiusuwanie związków polarnych

NAN

SiOH-AgNO3

PCB ze szlamów – oczyszczanie ekstraktów heksanowych

usuwanie siarki, związków siarki oraz związków polarnych

Celem zminimalizowania obję toś ci próbki niezbę dnej do realizacji tego procesu, a

przede wszystkim zuŜ ycia toksycznych rozpuszczalników oczyszczanie moŜ na

przeprowadzać stosują c mikrokolumny ekstrakcyjne w postaci pipetek Pasteura wypełnione

złoŜ em sorbentu.


32

Firmy produkują ce akcesoria do SPE

1. Ansys Technologies, Inc. www.ansysinc.com

2. Applied Separations, Inc. www.appliedseparations.com

3. ChromTech www.chromtech.com

4. P. J. Cobert Assoc., Inc. www.cobertassoc.com

5. 3M Corp. www.3m.com

6. Horizon Technology, Inc. www.horizontech.net/horizonhomepage.htm

7. International Sorbent Technology, Ltd. www.ist-spe.com

8. Mallinckrodt Baker, Inc. www.jtbaker.com

9. Orochem Technologies, Inc. www.orochem.com

10. Restek Corp. www.restekcorp.com

11. Supelco www.sigmaaldrich.com

12. United Chemical Technologies, Inc. www.unitedchem.com

13. Varian, Inc. www.varianinc.com

14. Waters Co. www.waters.com


33

Wszelkie prawa zastrzeŜ one. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całoś ci lub fragmentówniniejszych materiałów jest zabronione. Utwór nie moŜ e by ć powielany ani

rozpowszechniany za pomocą urzą dze ń elektronicznych, mechanicznych, kopiuj ą cych,nagrywają cych i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. Wykonywanie kopii

jak ą kolwiek metodą powoduje naruszenie praw autorskich do niniejszej publikacji.

i


34

ii Katalog

KSIAZKA ABC techniki SPE - chem.pg.edu.pl · Materiały szkoleniowe ABC techniki SPE – dr in ....

Documents

Transcript of KSIAZKA ABC techniki SPE - chem.pg.edu.pl · Materiały szkoleniowe ABC techniki SPE – dr in ....