NOWE ROZWIĄZANIE METODYCZNE W ZAKRESIE PRZYGOTOWANIA PROBEK DO ANALIZY

Transkrypt

1 NOWE ROZWIĄZANIE METODYCZNE W ZAKRESIE PRZYGOTOWANIA PROBEK DO ANALIZY Jacek Namieśnik Katedra Chemii Analitycznej Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej Gdańsk, ul. G. Narutowicza 11/12 jacek.namiesnik@pg.gda.pl 1

2 Wzrost zaludnienia a produkcja chemiczna Planowany wskaźnik wzrostu ogólnoświatowa produkcja substancji i odczynników chemicznych wzrost zaludnienia Rok Założenia: -produkcja wyrobów chemicznych wzrasta o 3% w skali roku -zaludnienie globu wzrasta tempie 0.77% / rok Źródło: OECD Raport,

3 Wytwarzanie odpadów w przemyśle chemicznym Współczynnik E: masa odpadów powstająca przy produkcji danego odczynnika czy też wyrobu (kg/kg) Rodzaj produktu wyroby chemiczne wyroby chemiczne specjalnego przeznaczenia farmaceutyki Produkcja w skali globalnej (tony) < Współczynnik E <

4 Klasyfikacja zanieczyszczeń środowiska Zanieczyszczenia środowiska Związki podlegające uregulowaniom prawnym Związki nie podlegające uregulowaniom prawnym Dioksyny (PCDD+PCDF) Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne Polichlorowane bifenyle Pestycydy chloroorganiczne Kompleksy metali Estrogeny Fitoestrogeny Bisfenol A Bromowane opóźniacze zapłonu Surfuktanty niejonowe i produkty ich rozkładu i metabolizmu Alkilofenole Związki wywołujące zakłócenia równowagi hormonalnej w organizmach żywych (związki endokrynne) Pozostałości farmaceutyków Pochodne ftalanów Syntetyczne związki zapachowe Środki higieny osobistej 4

5 Pozostałości farmaceutyków w środowisku Pharmaceutical Products Pharmaceutical and Personal Care Products Endocrine Disrupting Compounds Non steroidal Anti-inflammatory Drugs Active Pharmaceutical Ingredients PP s PPCP s EDC s NSAID s API s Pharmaceutical in the Environment PIE 5

6 Chemia środowiska (chemoróżnorodność) 6

7 Domena chemicznej niewiadomej WZROST RÓŻNORODNOŚCI CHEMICZNEJ W ZAKRESIE NISKICH STĘŻEŃ Ch.G. Daughton, Renewable Res. J., 23, 6-22 (2005) 7

8 Zamknięty system Ekotoksykologia Chemia środowiska analityka i monitoring środowiska Ocena zagrożenia chwilowego i zagrożenie dla człowieka WIEDZA O ŚRODOWISKU Ocena zagrożenia środowiskowego Zarządzanie i polityka środowiskowa Ocena i analiza danych o stanie środowiska 8

9 Rozwój analityki środowiskowej mg μg ng pg fg ag Jakie informacje są potrzebne? Przykład: -stężenie ksenobiotyku w atmosferze: 1 pg/m 3 -objętość atmosfery: 3 x m 3 -całkowita ilość ksenobiotyku: 3000 kg Na poziomie attogramów dany analit można wykryć w każdej próbce CZY TAKA INFORMACJA JEST ISTOTNA Z PUNKTU WIDZENIA ŚRODOWISKA I/LUB EKOTOKSYKOLOGII??? 9

10 Cele i zadania analityki i monitoringu środowiska Identyfikacja źródeł i oszacowanie wielkości i zasięgu oddziaływania emisji, Oszacowanie poziomu imisji, Badania losu środowiskowego ksenobiotyków, Ocena skuteczności zabiegów sozotechnicznych, Ocena toksyczności i ekotoksyczności zanieczyszczeń, Badania procesów bioakumulacji zanieczyszczeń przez organizmy żywe. 10

11 Wyzwania związane z analityką i monitoringiem zanieczyszczenia środowiska występowanie zanieczyszczeń w poszczególnych elementach środowiska w postaci złożonych mieszanin; brak możliwości oceny potencjalnego wpływu złożonej mieszaniny na środowisko ze względu na różnorodność strukturalną i możliwe interakcje; dążność do uzyskania informacji o oddziaływaniu złożonej mieszaniny na środowisko (np. w wyniku zastosowania biotestów ang. bioassay); konieczność określenia specyficznych mechanizmów wywoływania efektów toksycznych zakłócenie równowagi hormonalnej immunotoksyczność neurotoksyczność toksyczność dioksynopodobna 11

12 Obszar wykorzystania informacji o stanie środowiska Występowanie i poziomy stężeń poszczególnych analitów Konwencje Dyrektywy Badania porównawcze Badanie losu środowiskowego ksenobiotyków Względy naukowe Wzrost świadomości o stanie środowiska Lepsze poznanie rozkładu ksenobiotyków w poszczególnych elementach środowiska Monitoring tendencji przestrzennych i czasowych stężeń poszczególnych zanieczyszczeń Zapewnienie danych wyjściowych i weryfikacja efektów modelowania procesów środowiskowych Wzrost świadomości o stanie środowiska Lepsze poznanie rozkładu ksenobiotyków w poszczególnych elementach środowiska Oszacowanie efektywności pomiarów Zapewnienie danych wyjściowych dla procesów decyzyjnych Zapewnienie danych wyjściowych do analizy kosztów i strat Ocena skuteczności zabiegów sozotechnicznych 12

13 Co to jest analityka chemiczna? CHEMIA ANALITYCZNA KONTROLA I ZAPEWNIENIE JAKOŚCI WYNIKÓW ANALITYCZNYCH + = ANALITYKA CHEMICZNA 13

14 PROCEDURA ANALITYCZNA (METODYKA ANALITYCZNA) METODA ANALITYCZNA TECHNIKA ANALITYCZNA ANALIT MATRYCA próbka DOKŁADNIE OPISANY SPOSÓB POSTĘPOWANIA 14

15 Techniki bezpośrednie BRAK ETAPU PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO ANALIZY IDEALNE ROZWIAZANIE ALE -ograniczona liczba technik!! -NIE MOŻNA OCZEKIWAĆ, ŻE SZYBKO POJAWIĄ SIĘ NOWE!! 15

16 Znane typy technik bezpośrednich: Techniki potencjometryczne (elektrody jonoselektywne- ISE) Spektrometria absorpcji atomowej ze wzbudzeniem bezpłomieniowym (w kuwecie grafitowej) Spektrometria emisyjna (ze wzbudzeniem w indukowanej plaźmie ICP) Neutronowa analiza aktywacyjna (NAA) Spektrometria fluorescencji rentgenowskiej (XRF) Techniki analizy powierzchni (AES, ESCA, SIMS, ISS) IMMUNOANALIZA (IMA) 16

17 Częstotliwość popełniania błędów na poszczególnych etapach procedury analitycznej -100% -50% -1% 0 +1% +50 % +100% POBIERANIE PRÓBEK TRANSPORT PRZECHOWYWANIE PRZYGOTOWANIE PRÓBEK ANALIZA INSTRUMENTALNA OBRÓBKA DANYCH POMIAROWYCH Kontrola i zapewnienie jakości wyników pomiarowych WYNIK KOŃCOWY ANALIZY 17

18 CELE I ZADANIA ETAPU PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO ANALIZY CHROMATOGRAFICZNEJ LP ZADANIE Zapewnienie stabilności próbki na etapie transportu i przechowywania. Uzyskanie homogeniczności pobranej próbki. Usunięcie składników przeszkadzających (interferentów). Chemiczna konserwacja analitów (derywatyzacja) do postaci łatwej do: izolacji, rozdzielania składników mieszanin, wykrywania i oznaczania ilościowego. Wymiana matrycy próbki na matrycę przyjazną w stosunku do stosowanego przyrządu pomiarowego. Podniesienie stężenia analitu w próbce do analizy do poziomu umożliwiającego przeprowadzenie analizy ilościowej. Zmniejszenie ilości zużywanych odczynników (w tym także rozpuszczalników). SPOSÓB REALIZACJI Konserwacja chemiczna. Konserwacja termiczna. Liofilizacja. Mielenie. Mieszanie. Analiza sitowa. Odpylanie (próbki gazowe). Usuwanie zawiesiny (próbki ciekłe). Osuszanie próbek. Odtlenianie próbek. Usuwanie składników reaktywnych. Derywatyzacja in situ (w trakcie pobierania próbek analitów). Derywatyzacja w kolumnie. Derywatyzacja w wycieku z kolumny. Ekstrakcja analitów z próbki przy użyciu: strumienia gazu płuczącego odpowiedniego rozpuszczalnika (w tym także płynów w stanie nadkrytycznym) urządzeń membranowych desorbera termicznego Wykorzystanie szerokiego spektrum technik wzbogacania analitów (w wielu przypadkach operacja ta jest połączona z etapem wymiany matrycy). Wykorzystanie tzw. bezrozpuszczalnikowych technik przygotowania próbek. Zmniejszenie skali oznaczeń. Wprowadzenie do praktyki analitycznej Systemów Całkowitej Analizy Chemicznej (Total Chemical Analysis System - TAS) oraz μtas 18

19 Procedury analityczne dla różnych obiektów materialnych Przygotowanie próbek do analizy SPE w układzie off-line Pasywne techniki pobierania próbek analitów SPE SPE w układzie on-line 19

20 SPE w układzie off-line MeOH H 2 O Próbka H 2 O MeOH naniesienie próbki ( sorpcja ) przemycie złoża sorbentu elucja analitów ( desorpcja ) odparowanie rozpuszczalnika do sucha w strumieniu azotu rozpuszczenie suchej pozostałości w fazie ruchomej oznaczenie końcowe za pomocą techniki HPLC/DAD/MS 20

21 SPE w układzie on-line Kolumna analityczna Detektory Kolumna SPE Pompa 2 DAD MS PRÓBKA Ściek ETAP 1- izolacja i wzbogacanie analitów z próbek wody 21

22 Porównanie etapu ekstrakcji (SPE) w układzie off-line i on-line Objętość próbki 1000 ml Objętość próbki 100 ml Wstępne przygotowanie próbki t= 2 min Wstępne przygotowanie próbki t= 2 min SPE (w układzie offline) Przygotowanie kolumienek t= 18 min Przygotowanie kolumienek t= 8 min SPE (w układzie online) EKSTRAKCJA SPE t= 70 min EKSTRAKCJA SPE t= 35 min Suszenie złoża kolumienki SPE t= 5 min Przełączenie zaworu Elucja analitów t= 20 min Odparowanie rozpuszczalnika t= 200 min ANALIZA HPLC-DAD-MS t= 25 min Czas całkowity 70 minut Rozpuszczenie pozostałości t= 30 min Czas całkowity 370 minut 22

23 Technika SPE-HPLC-DAD-MS umożliwia wykrywanie śladowych ilości (na poziomie ppt) różnych farmaceutyków w próbkach wody Ekstrakcja (SPE) w układzie: Off-line On-line RSD % Odtwarzalność % Granica wykrywalności ng/l < < ,

24 PORÓWNANIE TECHNIKI SPE-HPLC-DAD-MS W UKŁADZIE ON-LINE WZGLĘDEM UKŁADU OFF-LINE: PORÓWNANIE TECHNIKI SPE-HPLC-DAD-MS W UKŁADZIE OFF-LINE WZGLĘDEM UKŁADU ON-LINE : bardzo dobra odtwarzalność wyników mała objętość próbek do analizy krótszy czas analizy możliwość automatyzacji procesu wysoki koszt wyposażenia efekty pamięci złoża, brak możliwości powtórzenia danej analizy, brak możliwości wzbogacania analitów z kilku próbek równocześnie (w przypadku układu of-line jest możliwe prowadzenie kilku operacji ekstrakcji równocześnie) 24

25 EKSTRAKCJA CIECZ-CIECZ W OTWARTEJ KOLUMIENCE EKSTRAKCYJNEJ (Open Column Liquid-Liquid Extraction OCLLE) Można traktować jako kombinację trzech technik ekstrakcyjnych: -ekstrakcji ciecz- ciecz (LLE) -ekstrakcji do fazy stałej (SPE) -mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej (SPME) Kolumienki ekstrakcyjne (jednorazowego użytku) zawierają złoże ZIEMI OKRZEMKOWEJ o wysokiej czystości. J. Klein, L. Adler, J. AOAC Intern., 86, 1015 (2003) 25

26 TOK POSTĘPOWANIA POWANIA Wprowadzenie próbki wody do kolumienki Adsorpcja analitów i wody na powierzchni sorbentu Elucja za pomocą rozpuszczalnika J. Klein, L. Adler, J. AOAC Intern., 86, 1015 (2003) 26

27 ASPEKTY PRAKTYCZNE Wykorzystuje się kolumienki ekstrakcyjne (jednorazowego użytku) typu ChemElut. Zalety: brak dodatkowego oprzyrządowania nie występuje zjawisko tworzenia się emulsji (po dodaniu roztworu soli do próbki) zatrzymywanie (nieodwracalne) zanieczyszczeń nieorganicznych w złożu sorbenta 27

28 ROZWIĄZANIE ZANIE KONSTRUKCYJNE NACZYNKA FILTRACYJNEGO POŁĄ ŁĄCZONEGO Z KOLUMIENKĄ EKSTRAKCYJNĄ Naczynko filtracyjne własnej konstrukcji wraz z kolumienką SPE: A- wata szklana B- kulki szklane (Empore 3M, Filter Aid 400) C- filtr szklany (Whatman GF/F 0,7 µm) D- kolumienka SPE 1- nakładka z tworzywa PTFE 2- szklana rurka 3 - podkładka z tworzywa PTFE 4 - uszczelka z silikonu Wolska L., Galer K., Górecki T., Namieśnik J., Talanta, 50, 985 (1999) 28

29 SCHEMAT PROCEDURY OZNACZANIA ANALITÓW W Z GRUPY WWA I PCB W PRÓBKACH WODY PO ETAPIE EKSTRAKCJI ANALITÓW (MATERIA ZAWIESZONA + WODA) Naftalen-d8 Benzo(a)antracen-d12 PCB 209 Próbka wody Przepuszczenie strumienia próbki przez naczynko filtracyjne i kolumienkę SPE (C18) Elucja: DCM (10 ml/min) Liofilizacja kolumienki i naczynka filtracyjnego (6h) FILTRAT ZAWIESINA Wymywanie analitów z kolumienki (DCM, 2 x 2 ml) Przeniesienie filtra do naczynka ekstrakcyjnego Odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika w strumieniu N 2 (300 μl) Oznaczanie analitów z grupy WWA i PCB (GC MS) próbka: 2 μl Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika wspomagana ultradźwiękami 3 ml DCM (30 min) 1 ml DCM (10 min) Odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika w strumieniu N 2 (300 μl) Oznaczanie analitów z grupy WWA i PCB Wolska L., Galer K., Górecki T., Namieśnik J.,Talanta, 50, 985 (1999) (GC MS) próbka: 2 μl 29

30 OZNACZANIE ZWIĄZK ZKÓW W ESTROGENNYCH W ŚCIEKACH I SZLAMACH filtr (2,8 μm) Ścieki surowe (50 ml) oczyszczone (100 ml) dodatek wzorca odzysku (RS) przemywanie (MeOH) Szlam 2 g (m.m.)/~0,2 g (s.m.) dodatek wzorca odzysku (RS) ekstrakcja (ASE) SPE oczyszczanie filtratu (Oasis HLB, 200 mg) SPE oczyszczanie ekstraktu (Florisil) dodatek wzorca wewnętrznego (IS) elucja (5-8 ml/min) odparowanie do sucha dodatek wzorca wewnętrznego (IS) (alkilofenole) (związki steroidowe) (koniugaty) M. P. Fernandez, T. M. Noguerol, S. Lacorte, I. Buchanan, B. Pina, Anal. Bioanal. Chem., 393, 957 (2009) 30

31 PROCEDURA OZNACZANIA AMFETAMINY I ZWIĄZKÓW AMFETAMINOPODOBNYCH W WODACH POWIERZCHNIOWYCH I WODACH ŚCIEKOWYCH (UHPLC-MS/MS -wykorzystanie wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej) próbka wody (po wirowaniu) 50 ml wzorzec wewnętrzny (~100 ng/l) kwas mrówkowy (ph 2) SPE kolumienka ekstrakcyjna (150 mg) (OASIS MCX) KONDYCJONOWANIE: MeOH (6 ml) woda (Milii-Q) - 3 ml zakwaszona woda (ph 2) - 3 ml PRZEMYWANIE: 2 % roztwór amoniaku w wodzie (5 ml) WYMYWANIE: 2 % roztwór amoniaku w metanolu (8 ml) Ekstrakt ODPAROWANIE (w strumieniu azotu -35 C) ROZPUSZCZENIE roztwór wodny MeOH (10 %) - 1 ml próbka 20 μl UHPLC-MS/MS C18, średnica ziaren: 1,7 μm l. Bijlsma, J. V. Sancho, E. Pitarch, M. Ibanez, , F. Hernandez, Białystok J. Chromatogr. A, 1216, 3078 (2009) 31

32 METODYKA JEDNOCZESNEGO OZNACZANIA SZEROKIEGO SPEKTRUM PESTYCYDÓW W W PRÓBKACH ŻYWNOŚCI QuECHERS Quick - szybkość Easy - łatwość Cheap - mały koszt Effective - skuteczność Rugged - elastyczność Safe bezpieczeństwo M. Anastussides, S. J. Lehetay, D. Stajnbaher, F. J. Schenck, J.AOAC Intern., 86, 412 (2003) 32

33 METODYKA QuECHERS Próbka (owoce, warzywa) Dodatek acetonitrylu (10 ml) Wymieszanie (1 min) Dodatek MgSO 4 (4 g) NaCl (1 g) Wymieszanie (30 s) Odwirowanie (1 min) Pobieranie próbki z fazy acetonitrylowej (1 ml) do próbówki OCZYSZCZANIE EKSTRAKTU Wymieszanie (1 min) Dodanie roztworu (5%) kwasu mrówkowego Dodatek roztworu wzorcowego Analiza próbek ekstraktu (GC-MS) M. Anastussides, S. J. Lehotay, D. Stajnbaher, F. J. Schenck, J.AOAC Intern., 86, 412 (2003) 33

34 KLUCZOWY ETAP PROCEDURY - OCZYSZCZANIE EKSTRAKTU Dodatek odpowiedniego sorbentu bezpośrednio do próbki ekstraktu Wytrząsanie Odwirowanie Regulacja ph ANALIZA PRÓBEK EKSTRAKTU GC-MS, LC-MS Ta technika ekstrakcyjna jest opisana w katalogu firmy RESTEK jako d - SPE 34

35 NOWE ROZWIĄZANIA ZANIA W ZAKRESIE EKSTRAKCJI DO FAZY STAŁEJ Akronim Termin anglojęzyczny Termin polskojęzyczny MISPE Molecularly Imprinted Solid Phase Extraction Ekstrakcja do fazy stałej z wykorzystaniem sorbentu z nadrukiem molekularnym (odwzorowaniem cząsteczkowym) ISPE Immunoaffinity Solid Phase Extraction Ekstrakcja do fazy stałej z wykorzystaniem immunosorbentów SPME Solid Phase Microextraction Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej SBSS Stir Bar Sorptive Extraction Ekstrakcja z wykorzystaniem wirującego elementu sorpcyjnego RAM s Restricted Area Materials Sorbenty do chromatografii żelowej (wykluczenia) 35

36 SCHEMAT PRZYGOTOWANIA POLIMERU Z ODWZOROWANIEM CZĄSTECZKOWYM (nadrukiem molekularnym) monomery z grupami funkcyjnymi polimeryzacja cząsteczka matrycy (wzorca) samoorganizacja (dopasowanie grup funkcyjnych i matrycy) ekstrakcja cząsteczek matrycy (wzorca) odczynnik sieciujący oznaczanie cząsteczek matrycy (wzorca) selektywna kawitacja M. Lasakova, P. Jandera, J.Sep. Sci., 32, 799 (2009) 36

37 SORBENTY Z ODWZOROWANIEM JONOWYM (IIP( IIP s) Sorbent do izolacji i wzbogacania rtęci Hg (II) Polymeryzacja Elucja Kwas metakrylowy (MAA) - monomer Trimetyloakrylan trimetylopropylu (TMPTM) czynnik sieciujący 1-(2-tiazoliloazo)-2-naftol (TAN) specyficzny ligand dla Hg (II) I. Dakova, I. Karadjova, V. Georgieieva, G. Georgiev, Talanta, 78, 523 (2009) 37

38 MEZOPOROWATY ŻEL KRZEMIONKOWY O WŁAŚCIWOW CIWOŚCIACH CIACH MAGNETYCZNYCH blokada porów (polimeryzacja metakrylanu metylu) depozycja nanocząstek kobaltu (na zewnętrznej powierzchni) mezoporowaty żel krzemionkowy ochrona (pokrycie) nanocząstek kobaltu (przez cienki film węglowy) usunięcie polimeru - polimetakrylanu metylu z wnętrza porów (mineralizacja) A.-H. Lu, W.-C. Li, A. Kiefer, W. Schmidt, E. Bill, G. Fink, F. Schuth, J. Am. Chem. Soc., 126, 8616 (2004) 38

39 SORBENTY O WŁAŚCIWOW CIWOŚCIACH CIACH MAGNETYCZNYCH ZASTOSOWANIE - dyspersyjny wariant techniki SPE ZALETY - możliwość łatwego oddzielenia od roztworu i przenoszenia do innego medium poprzez zastosowanie pola magnetycznego (magnesu) zamiast procesu wirowania ROZWIĄZANIA - naniesienie warstwy porowatego polimeru na magnetyczny rdzeń (Fe 3 O 4 ) - naniesienie na zewnętrzną powierzchnię porowatego sorbentu nanocząstek o właściwościach magnetycznych 39

40 EKSTRAKCJA ANALITÓW W ZA POMOCĄ RUCHOMEGO ELEMENTU SORPCYJNEGO (Stir Bar Sorptive Extraction SBSE) nakrętka pojemnik szklany badana próbka mieszadełko magnetyczne pokryte warstwą PDMS M. Kawaguchi, R. Ito, K. Saito, H. Nakazawa, J. Pharm. Biomed. Anal., 40, 500 (2006) 40

41 MEMBRANOWA MIKROEKSTRAKCJA DO FAZY STACJONARNEJ (M-SPME( SPME) włókno szklane film polarnego sorbentu (PEG) membrana hydrofobowa (PDMS) Dodatkowe zadanie membrany PDMS to zapewnienie stabilności mechanicznej filmu PEG (w warunkach prowadzenia desorpcji termicznej - film PEG stanowi ciecz) A. Kloskowski, M. Pilarczyk, J. Namieśnik, Anal. Chem., 81, 7363 (2009) 41

42 TECHNIKA M-SPME (polarne anality organiczne) stężenie analitu włókno polietylenoglikol membrana PDMS badane medium ciekłe K PEG/WODA >> K PDMS/WODA 0 75 ~175 ~200 odległość od osi włókna [μm] stan równowagi A. Kloskowski, M. Pilarczyk, J. Namieśnik, Anal. Chem., 81, 7363 (2009) 42

43 TECHNIKA M-SPME Zalety Ograniczenia Zwiększona efektywność ekstrakcji w stosunku do włókien komercyjnych Możliwość stosowania jako medium zatrzymującego związków rozpuszczalnych w wodzie Zwiększona swoboda w doborze fazy polarnej Wykorzystanie zjawiska podziału analitów pomiędzy dwie fazy-brak występowania zjawiska adsorpcji i/lub wykluczania Skomplikowana procedura wytwarzania włókna Powłoka nie jest dostępna komercyjnie Brak odpowiednich danych fizykochemicznych umożliwiających przewidywanie efektywności ekstrakcji A. Kloskowski, M. Pilarczyk, J. Namieśnik, Anal. Chem., 81, 7363 (2009) 43

44 WYKORZYSTANIE TECHNIKI EKSTRAKCJI ANALITÓW ZA POMOCĄ KILKU RUCHOMYCH ELEMENTÓW W SORPCYJNYCH (Multi - Stir Bar Sorptive Extraction -MSBSE) V próbka ciekła derywatyzacja derywatyzacja derywatyzacja zmniejszenie procesu adsorpcji analitów na ściankach bezwodny kwas octowy tetraetyloboran sodu chloromrówczan etylu metanol 0,25 V 0,25 V 0,25 V 0,25 V ruchomy element sorpcyjny pokryty warstwą PDMS E. Van Hoeck, F. Canale, Ch. Cordero, S. Compernolle, C. Bicchi, P. Sandra, Anal. Bioanal. Chem., 393, 907 (2009) 44

45 NOWY WARIANT TECHNIKI EKSTRAKCJI ZA POMOCĄ RUCHOMEGO ELEMENTU SORPCYJNEGO (Multi - Stir Bar Sorptive Extraction M - SBSE) Etap desorpcji analitów wełna szklana 4 elementy sorpcyjne (anality z róźnych części tej samej próbki) rurka do desorpcji termicznej GC-MS derywatyzacja alkoholi (BSTFA) derywatyzacja amin i kwasów (chloromrówczan etylu) derywatyzacja fenoli (bezwodny kwas octowy) ekstrakcja niepolarnych analitów derywatyzacja związków cynoorganicznych (tetraetyloboran sodu) E. Van Hoeck, F. Canale, Ch. Cordero, S. Compernolle, C. Bicchi, P. Sandra, Anal. Bioanal. Chem., 393, 907 (2009) 45

46 DYNAMICZNA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ (Solid - Phase Dynamic Extraction SPDE) IDEA rozwiązanie alternatywne w stosunku do SPME odpowiednim sorbentem jest pokryta wewnętrzna ścianka igły większa powierzchnia kontaktu międzyfazowego większa odporność mechaniczna elementu sorpcyjnego (w stosunku do włókna ekstrakcyjnego urządzenia do SPME) bardziej skomplikowany tok postępowania przyczyną mniejszego zainteresowania J. Lipiński, Fresenius J. Anal. Chem., 369, 57 (2001) 46

47 DYNAMICZNA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ (SPDE) igła urządzenia do SPDE pobieranie próbki (aspiracja) ścianka igły sorpcja PDMS zjawisko podziału strumień gazu dozowanie ścianka igły PDMS zjawisko podziału strumień gazu desorpcja (elucja) Schematyczne przedstawienie zasady pracy urządzenia do SPDE J. Van Durme, K. Demeestere, J. Dewulf, F. Ronsse, L. Braeckman, J. Pieters, H. Van Langenhove, J. Chromatogr. A., 1175, 145 (2007) 47

48 DYNAMICZNA EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ (SPDE) Pierwsze urządzenie do SPDE (homemade) opracowano w roku (Jak do tej pory brak jest odpowiedniego urządzenia dostępnego na rynku) J. Van Durme, K. Demeestere, J. Dewulf, F. Ronsse, L. Braeckman, J. Pieters, H. Van Langenhove, J. Chromatogr. A., 1175, 145 (2007) 48

49 MIKROEKSTRAKCJA LOTNYCH ZWIAZKÓW W ORGANICZNYCH z wykorzystaniem pułapki denudacyjnej wewnątrz igły (Inside Needle Capillary Adsorption Trap INCAT) Rozwiązanie identyczne co do idei jak w przypadku techniki dynamicznej ekstracji do fazy stałej (SPDE) M. E. McComb, R.D. Oleschuk, E. Miller, H. D. Gesser, Talanta, 44, 2137 (1997) 49

50 MINIATUROWE URZĄDZENIE DO EKSTRAKCJI ANALITÓW (złoże e włókien w ekstrakcyjnych w igle) Y. Saito, I. Ueta, M. Ogawa, A. Able, K. Yogo, S. Shirai, K. Jinno, Anal. Bioanal. Chem., 393, 861 (2009) 50

51 MINIATUROWE URZĄDZENIE DO EKSTRAKCJI ANALITÓW (złoże e granulowanego sorbenta wewnątrz igły) I. Ueta, Y. Saito, M. Hosoe, M. Okamoto, H. Ohkita, S.Shirai, H. Tamura, K. Jinno, J. Chromatogr. B., 877, 255, (2009) 51

52 WARSTWA SORBENTU W NACZYNKU EKSTRAKCYJNYM (Sorbent Layer in Extraction Vial SLiVE) masa analitu w próbce, Przykład Odzysk [%] H. Frank, Separation Science: Application of polymer chemistry, 5th Conference on Separation and Related Techniques, NoSSS2009, Tallin,

53 URZĄDZENIE DO TERMODESRPCJI ogrzewanie połączone z dozownikiem GC gaz nośny pokrywa naczynka ekstrakcyjnego uszczelnienie grzejnik gaz nośny H. Frank, Separation Science: Application of polymer chemistry, 5th Conference on Separation and Related Techniques, NoSSS2009, Tallin,

54 NANOEKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ (Soild - Phase Nanoextraction - SPNE) ZASADA: Wykorzystanie silnego powinowactwa pomiędzy związkami z grupy WWA i nanocząstkami złota SPOSÓB REALIZACJI: Próbki ciekłe (woda) o objętości rzędu 500 μl (!!!) miesza się z roztworem koloidalnym złota. Następuje ilościowe wiązanie analitów z grupy WWA z powierzchnią nanocząstek złota, które następnie odwirowywuje się z wykorzystaniem ultrawirówki. Na etapie oznaczeń końcowych wykorzystuje się technikę HPLC-FD (detektor fluorescencyjny). Możliwość oznaczania analitów z grupy WWA w wodzie na poziomie ppb ppt H. Wang, A. D. Campiglia, Anal. Chem., 80, 8202 (2008) 54

55 NANOEKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ SPNE (Oznaczanie zawartości wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w wodzie pitnej na poziomie ppt) próbka wody 500 μl roztwór koloidalny złota (20 nm) (950 μl, stężenie 7, cząstek złota/ml) wytrząsanie (5 min) wirowanie (10 min) zebranie osadu dodatek pentatiolu (2 μl) n-oktanu (48 μl) ~ 40 min wytrząsanie (5 min) wirowanie (10 min) zebranie roztworu znad osadu HPLC i / lub LETRSS H. Wang, S. Yu, A. D. Campiglia, Anal. Biochem., 385, 249 (2009) 55

56 EKSTRAKCJA ZA POMOCĄ ROZPUSZCZALNIKA WSPOMAGANA PRZEZ CYKLICZNĄ ZMIANĘ CIŚNIENIA (Pressure Cycles Assisted Extraction -PCAE) zawór r ciśnieniowy zawór r spustowy zawór r ciśnieniowy zawór r spustowy celka ekstrakcyjna celka ekstrakcyjna zawór odcinający cy zawór odcinający cy Zestaw do ekstrakcji zawór odcinający cy P. K. Andy Hong, S. Nakra, Chemosphere, 74, 1360 (2009) butla ze sprzęż ężonym gazem 56

57 WPŁYW ZMIENNEGO CIŚNIENIA GAZU NA EFEKTYWNOŚĆ EKSTRAKCJI ZA POMOCĄ ROZPUSZCZALNIKA (PCAE) agregaty glebowe Pod wpływem ciśnienia ciecz z dużą ilością rozpuszczonego gazu wypełnia pory (np. rozpuszczalnik nasycony azotem) ziarna piasku cząstki mułu domeny gliniaste materia organiczna objętość porów implozja eksplozja kompresja dekompresja Rozpad agregatów w glebowych: W trakcie dekompresji następuje tworzenie pęcherzyków gazu wewnątrz porów. Powtarzanie cykli kompresja - dekompresja wywołuje zastępowanie cieczy przez gaz. Dodatkowe cykle wywołują nacisk na cząstkę gleby od strony cieczy (w czasie szybkiej kompresji) lub nacisk ze strony gazu obecnego wewnątrz porów (w czasie szybkiej dekompresji). Kiedy odporność ścianek na nacisk jest przekroczona zachodzi rozpad i rozbicie agregatów glebowych w wyniku implozji lub eksplozji, co prowadzi do zwiększenia powierzchni kształtu zanieczyszczeń z ekstrahentem. P. K. Andy Hong, S. Nakra, Chemosphere, 74, 1360 (2009) Przemywanie: Następuje proces rozpuszczania zanieczyszczeń w organicznym rozpuszczalniku. W momencie spadku ciśnienia (dekompresji) zachodzi proces tworzenia się gazu wewnątrz porów, co powoduje wypychanie rozpuszczalnika z rozpuszczonymi zanieczyszczeniami 57

58 ZASADA PRACY URZĄDZENIA DO EKSTRAKCJI ANALITÓW Z PRÓBKI STAŁEJ W ZŁOŻU Z U FLUIDALNYM (FBE) element chłodz odzący odpowietrzenie ekstrakcja filtr dolna komora ogrzewanie chłodzenie M. Gfrerer, M. Stadlober, B. M. Gawlik, T. Wenzl, E. Lankmayr, Chromatographia, 53, 442 (2001) 58

59 EKSTRAKCJA ANALITÓW W Z PRÓBKI STAŁEJ W ZŁOŻU Z U FLUIDALNYM (Fluidized Bed Extraction - FBE) Urządzenie do ekstrakcji produkuje firma Janke & Kunkel GmbH & Co. KG, IKA-Labortechnuk Labortechnuk, Staufen,, Germany H. Siegel, GIT Fachz. Lab., 41, 486 (1997) 59

60 DYSPERSYJNA MIKROEKSTRAKCJA W UKŁADZIE CIECZ-CIECZ (Dispersive Liquid - Liquid Microextraction -DLLME) próbka wody dodatek rozpuszczalnika rozpraszającego (aceton 1 ml) z dodatkiem rozpuszczalnika ekstrakcyjnego (C 2 Cl 4 8 μl) wytrząsanie (uzyskanie mętnego roztworu) wirowanie (uzyskanie fazy ekstraktu ~ 5 ml) ANALIZA M. Rezaee, Y. Assadi, M-R. M. Hosseini, E. Aghaee, F. Ahmadi, S. Berijani, J. Chromatogr. A., 1116, 1 (2006) 60

61 MIKROEKSTRAKCJA POPRZEZ EMULGACJĘ WSPOMAGANA ULTRADZWIĘKAMI (Ultrasound Assisted Emulsification Microextraction -USAEME) 10 ml 100 μl emulgacja wspomagana ultradźwiękami 35 C, 5 min wirowanie próbka dodatek emulgatora (chloroform) faza organiczna 30 μl A. R. Fontana, R. G. Wuilloud, L. D. Martinez, J. C. Altamirano, J. Chromatogr. A., 1216, 147 (2009) 61

62 Dyspersyjna mikroekstrakcja w układzie ciecz-ciecz z wykorzystaniem procesu zestalania pływającej kropli rozpuszczalnika (Dispersive Liquid-Liquid Microextraction based on solidification of floating organic drop- DLLME-SFO) Próbka wody (5 ml) dodatek 0,5 ml rozpuszczalnika rozpraszającego (aceton) z niewielką ilością rozpuszczalnika ekstrakcyjnego (10 μl dodekanolu) wytrząsanie wirowanie (uzyskanie małych kropelek dodekanolu na powierzchni roztworu) schłodzenie probówki w łaźni lodowej przeniesienie zestalonego rozpuszczalnika ekstrakcyjnego do innej fiolki szybkie stopienie zestalonej kropli pobieranie próbek rozpuszczalnika do analizy M. R. Khalili-Zanjani, Y. Yarnini, S. Shariati, , J. A. Jonsson, Anal. Białystok Chim. Acta, 58, 286 (2007) 62

63 Schemat procedury izolacji analitów z grupy chlorobenzenów z wody z wykorzystaniem techniki DLLME-SFO 63

64 BUDOWA URZĄDZENIA ESy (ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz przez mikroporowatą membranę - MMLLE) ścieki donor (próbka wody) próbka hydrofobowa membrana porowata analit akceptor (rozpuszczalnik organiczny) wprowadzenie do kolumny GC rozpuszczalnik T. Barri, S. Bergstrom, J. Norberg, J. A. Jonsson, Anal. Chem., 76, 1928 (2004) 64

65 EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ W POŁĄCZENIU Z EKSTRAKCJĄ PRZEZ MIKROPOROWATĄ MEMBRANĘ (Microporous Membrane based Solid Phase Extraction - MMSPE Polymer - Coated Hollow Fiber Microextraction - PC-HFME) Można traktować jako rozwiązanie, w którym wykorzystuje się zalety takich technik jak SPME, SBSE, LPME. 1. Naniesienie cienkiego filmu polimeru (np. DHPMM) na powierzchnię odcinków (~ 1,2 cm) mikroporowatego włókna z polipropylenu (średnica wewnętrzna: 0,6 mm, grubość ścianki: 0,2 mm, średnica porów: 0,2 μm) 2. Umieszczenie w badanej próbce (20 ml) 3. Ekstrakcja z mieszaniem próbki (30 min) 4. Wysuszenie 5. Elucja za pomocą rozpuszczalnika wspomagana ultradźwiękami (100 μl DCM) 6. Derywatyzacja analitów (jeśli konieczna) 7. Odparowanie nadmiaru rozpuszczalnika (do sucha) 8. Rozpuszczenie suchej pozostałóści - DCM (20 μl) 9. Analiza ekstraktów - GC-MS (5 μl) Ch. Basherr, V. Suresh, R. Renu, H. K. Lee, J. Chromatogr. A., 1033, 213 (2004) M. I. Carpinteiro, I. Rodriguez, R. Cela, M. Ramil, J. Chromatogr. A., 1216, 2825 (2009) 65

66 Wyzwania w zakresie analityki chemicznej BADANY OBIEKT MATERIALNY Pobieranie próbek NADAL KRYTYCZNE (OBARCZONE DUŻĄ NIEPEWNOŚCIĄ) ETAPY PROCEDUR ANALITYCZNYCH Transport i przechowywanie próbek Przygotowanie próbek do analizy DOBRZE ZBADANE I SCHARATKERYZOWANE ETAPY PROCEDUR ANALITYCZNYCH Oznaczenia końcowe Obróbka danych INFORMACJE O SKŁADZIE BADANEGO OBIEKTU MATERIALNEGO 66

67 Rozwój Zrównoważony ŚRODOWISKO Zdrowie Stan zrównoważony Efektywność SPOŁECZEŃSTWO Sprawiedliwość GOSPODARKA 67

68 Wyzwania metodyczne WPROWADZENIE KONCEPCJI ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU DO LABORATORIÓW ANALITYCZNYCH ZIELONA CHEMIA ANALITYCZNA Poszukiwanie nowych bezpośrednich technik analitycznych Bezrozpuszczalnikowe techniki przygotowania próbek do analizy NOWE CZYNNIKI EKSTRAKCYJNE Wykorzystanie cieczy jonowych na etapie przygotowania próbek do analizy Zastosowanie wody w stanie podkrytycznym jako dogodnego czynnika ekstrakcyjnego (Subcritical Hot Water Extraction SHWE) CZYNNIKI WSPOMAGAJĄCE OPERACJE I CZYNNOŚCI W LABORATORIUM CHEMICZNYM Zastosowanie promieniowania mikrofalowego Zastosowanie promieniowania ultradźwiękowego Zastosowanie promieniowania UV Miniaturyzacja urządzeń i integracja systemów analitycznych Ocena uciążliwości środowiskowej laboratorium i metodyk analitycznych zastosowanie techniki OCENA CYKLU ŻYCIA (LCA) 68

69 Synonimy terminu ZIELONA CHEMIA Język angielski Environmentally Benign Chemistry Clean Chemistry Atom Economy Benign by Design Chemistry Język polski Chemia przyjazna dla środowiska Chemia prośrodowiskowa Czysta chemia Ekonomia Atomów Chemia ekologiczna Ekologiczna Technologia Chemiczna 69

70 Parametry decydujące o zielonym charakterze analityki chemicznej eliminacja (lub co najmniej ograniczenie zużycia odczynników chemicznych a w szczególności rozpuszczalników organicznych; zmniejszenie emisji par i gazów oraz ścieków i odpadów stałych wytwarzanych w laboratoriach analitycznych; eliminację z toku analizy odczynników o wysokiej toksyczności i/lub ekotoksyczności (np. zastępowanie benzenu przez inne rozpuszczalniki); zmniejszenie praco- i energochłonności postępowania analitycznego (w przeliczeniu na 1 analit). ). 70

71 Zielone media wykorzystywane w laboratoriach analitycznych Medium płyn w stanie nadkrytycznym ciecze jonowe przegrzana woda (woda w stanie podkrytycznym) gaz obojętny Obszar wykorzystania czynnik ekstrakcyjny (SFE) strumień fazy ruchomej (SFC) czynnik ekstrakcyjny medium reakcyjne czynnik ekstrakcyjny (HWE, SHWE) czynnik ekstrakcyjny strumień fazy ruchomej (GC) 71

72 Ciecze jonowe- rozpuszczalniki XXI wieku Spełniają wymogi ZIELONEJ CHEMII CIECZE JONOWE - sole zawierające: kation organiczny anion (najczęściej nieorganiczny) W temperaturze pokojowej sole te stanowią ciecze. 72

73 Terminologia Terminy anglojęzyczne: room-temperature ionic liquid (RTIL); nonaqueous ionic liquid; molten salt; liquid organic salt; fused salt HISTORIA Pierwszą sól amoniową zaliczoną do cieczy jonowych otrzymano w 1914 (azotan [C 2 H 5 NH 3 ]+NO - 3 ). 73

74 Znane są 3 typy cieczy jonowych: Czwartorzędowe sole amoniowe [R x NH 4-x ] + Y - Sole iminiowe imidazolinowe pirydyniowe Sole fosfoniowe [R x PH 4-x ] + Y - gdzie: x= 1, 2, 3, 4; Y = BF 4, PF 6, NO 3, SbF 6, AlCl 4, CuCl 2 74

75 Ciekawe i obiecujące właściwości rozpuszczają związki zarówno nieorganiczne (włącznie z niektórymi skałami i węglem), jak i organiczne (od prostych rozpuszczalników po polimery) są termicznie stabilne: ich temperatura wrzenia jest wysoka, często wynosi powyżej 350 C najczęściej nie mieszają się z wodą są nielotne (bardzo mała prężność par w temperaturze 25 C) rozpuszczają katalizatory, szczególnie kompleksy metali przejściowych, nie uszkadzając jednocześnie ścianek reaktora szklanego czy stalowego 75

76 Woda w stanie podkrytycznym jako czynnik ekstrakcyjny Subcritical Hot Water Extraction - SHWE 76

77 Możliwości wykorzystania wody w stanie podkrytycznym jako czynnika ekstrakcyjnego 77

78 Chemia wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (Microwave Enhanced Chemistry- MEC) Promieniowanie mikrofalowe jest z powodzeniem stosowane jako czynnik wspomagający takie operacje jak: Szybkie podgrzewanie próbki Suszenie próbki Oznaczanie zawartości wody (wagosuszarki mikrofalowe) Utrwalanie próbek materiału biologicznego Spopielanie i stapianie próbek Wzbudzenie analitów w plaźmie (MIP) Przyspieszenie przebiegu reakcji chemicznych Odparowywanie roztworów wodnych Termiczna stabilizacja odpadów Ogrzewanie kolumn chromatograficznych (GC) Ekstrakcja analitów Microwave Assisted Extraction MAE J. Namieśnik, P. Szefer, Ecol. Chem. Eng., 15, (2008) 78

79 Wykorzystanie promieniowania ultradźwiękowego w laboratorium chemicznym (sonochemistry) Promieniowanie ultradźwiękowe (Ultra Sounds US) znalazło już szerokie zastosowanie w laboratoriach chemicznych jako czynnik wspomagający takie operacje i czynności jak: Mineralizacja próbki Rozpuszczanie składników próbki Homogenizacja Wytwarzanie emulsji Filtracja Prowadzenie reakcji chemicznych (derywatyzacja) Wytwarzanie reagenta Oczyszczanie naczyń Odgazowywanie próbki Filtracja EKSTRAKCJA ANALITÓW Ultrasound Extraction USE J. Namieśnik, P. Szefer, Ecol. Chem. Eng., 15, (2008) 79

80 ŹRÓDŁO O INFORMACJI - FORUM DYSKUSYJNE Wydawnictwo MALAMUT udostępniło specjalną zakładkę na stronie domowej Zachęcamy do dyskusji i przedstawiania propozycji. Wydana została broszura TERMINOLOGIA-PIĘTA ACHILLESOWA ANALITYKÓW stanowiąca wkładkę do jednego z numerów czasopisma ANALITYKA. 80

81 Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów analitycznych, (praca zbiorowa pod redakcją P. Konieczki i J. Namieśnika), WNT, Warszawa,

82 QUALITY ASSURANCE AND QUALITY CONTROL IN THE ANALYTICAL CHEMICAL LABORATORY: A PRACTICAL APPROACH Piotr Konieczka Gdansk University of Technology, Gdansk, Poland Jacek Namieśnik Gdansk University of Technology, Gdansk, Poland Series: Analytical Chemistry Opracowanie jest wyposażone w CD z arkuszami kalkulacyjnymi ISBN: ISBN 10: CAT #: Pub Date: 2/23/2009 CRC Press Inc - Taylor & Francis Ltd 82

83 ANALYTICAL MEASUREMENTS IN AQUATIC ENVIRONMENTS Piotr Szefer Medical University of Gdansk, Poland Jacek Namieśnik Gdansk University of Technology, Gdansk, Poland ISBN: ISBN 10: X CAT #: 8268X Pub Date: 6/26/2009 CRC Press Inc - Taylor & Francis Ltd 83

84 KURSY ORGANIZOWANE PRZEZ KATEDRĘ CHEMII ANALITYCZNEJ WYDZIAŁU CHEMICZNEGO PG BIOTESTY W OCENIE ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA KURS WYSOKOSPRAWNEJ CHROMATOGRAFII CIECZOWEJ HPLC KURS PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO ANALIZY CHROMATOGRAFICZNEJ KURS CHROMATOGRAFII GAZOWEJ - KURS PODSTAWOWY KURS ZASTOSOWAŃ CHROMATOGRAFII GAZOWEJ - KURS WYŻSZEGO STOPNIA KONTROLA I JAKOŚĆ WYNIKÓW POMIARÓW ANALITYCZNYCH Kurs ABC techniki SPE szczegóły: 84

85 15 th International Conference on Heavy Metals in the Environment Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej Komitet Chemii Analitycznej Polskiej Akademii Nauk Wrzesień 2010, Gdańsk 85

86 zapraszamy do odwiedzenia naszej strony domowej 86