EKSTRAKCJA I CHROMATOGRAFIA

Transkrypt

1 EKSTRAKCJA I CHROMATOGRAFIA W ANALITYCE CHC W prof Grażyna Gryglewicz prof Stanisław Gryglewicz Anna Leśniewicz

2 EKSTRAKCJA W ANALITYCE Anna Leśniewicz

3 w klasycznym ujęciu: ekstrakcja to metoda pozwalająca na wyodrębnienie substancji (bądź ich grup) poprzez rozpuszczenie ich w rozpuszczalniku

4 definicja: ekstrakcja to proces wymiany masy w układzie wielofazowym i wieloskładnikowym polegający na przeniesieniu jednego lub więcej składników jednej fazy do innej fazy, nie mieszającej się z pierwszą.

5 w przypadku próbek ciekłych polega na przejściu substancji rozpuszczonej z jednego do drugiego rozpuszczalnika przy czym musi być zachowany warunek nie mieszalności wzajemnej obu rozpuszczalników; ekstrakcja jest stosowana, gdy zmiana określonego rozpuszczalnika następuje na taki, który będzie dogodniejszy (co zazwyczaj prowadzi również do uproszczenia matrycy) lub gdy zachodzi konieczność selektywnego rozdziału mieszaniny; często stosuje się rozpuszczalniki organiczne

6 analitycy określają ekstrakcję jako metodę wydzielania lub rozdzielania składników złożonych substancji (mieszanin), opartą na podziale składników mieszaniny pomiędzy dwie nie mieszające się ze sobą fazy Jest ona stosowana w celu: 1. izolacji związków chemicznych z ich pierwotnej matrycy, 2. usunięcia składników przeszkadzających w analizie końcowej, 3. wzbogacania uzyskania stężenia analitu wyższego od granicy oznaczalności, co pozwalana zastosowanie odpowiedniej techniki instrumentalnej, a tym samym umożliwia ilościowe oznaczenie.

7 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: stała podziału - służy do ilościowego opisu ekstrakcji: K D = [A] o /[A] w [A] - stężenie analitu, o - faza organiczna, w - faza wodna gdy ekstrahujemy z jednej fazy organicznej (fo 1 ) do drugiej (fo 2 ): K D = [A] fo2 /[A] fo1

8 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: dla roztworów rozcieńczonych stała (współczynnik) podziału Nernsta jest równy ilorazowi stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch niemieszających się fazach ciekłych, pozostających w stanie równowagi fazowej, w stałej temperaturze.

9 Ilość substancji przeprowadzonej z fazy o do fazy w zależy od liczby powtórzonych operacji (ekstrakcji) oraz od objętości użytych cieczy. Większą wydajność procesu ekstrakcji osiąga się przy wielokrotnym powtarzaniu wytrząsania z małymi porcjami rozpuszczalnika.

10 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: równania opisujące stałą ekstrakcji są słuszne, gdy: 1. ciecze nie mieszają się ze sobą (lub mieszają się ograniczenie), 2. stężenie substancji rozpuszczonej w obu fazach nie jest duże (roztwory rozcieńczone), 3. nie zachodzi dysocjacja ani asocjacja cząsteczek substancji rozpuszczonej w żadnej z faz, 4. proces zachodzi w stałej temperaturze.

11 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: współczynnik ekstrakcji (współczynnik podziału) - służy do ilościowego opisu ekstrakcji, gdy uwzględnia się szereg innych procesów (np. kompleksowanie, hydrolizę, solwatację): D = Σ [A] o,i / Σ [A] w,j i oraz j oznaczają różne formy w jakich może występować analit; jeśli wartość D jest duża (> 10 4 ) przyjmuje się, że analit został ilościowo wyekstrahowany lub całkowicie zatrzymany na sorbencie.

12 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: współczynnik odzysku (odzysk; R) R = (Σ [A] faza2 )/ (Σ [A] faza2 + Σ [A] faza1 )

13 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: procent ekstrakcji (%E) % E = (Σ [A] faza2 )/ (Σ [A] faza2 + Σ [A] faza1 ) 100%

14 Ekstrakcja - parametry opisujące proces ilościowo: współczynnik rozdzielenia składników A i B (określany również terminem selektywność, α A/B ) α A/B = D A /D B

15 ekstrakcja do fazy organicznej zachodzi, gdy cząsteczki analitu są pozbawione ładunku elektrycznego; ekstrakcję pierwiastków występujących w roztworze wodnym w postaci różnych jonów (np. akwakompleksy) prowadzi się po uprzednim przeprowadzeniu jonów w cząsteczki obojętne, będące zwykle kompleksami zdolnymi do rozpuszczenia się w rozpuszczalnikach organicznych; zazwyczaj niezbędne jest również dobranie właściwego ph.

16 Ekstrakcja - charakterystyka analityczna: - stosunkowo szybka, - ilościowa (przy odpowiednim doborze warunków prowadzenia procesu), - mająca zastosowanie zarówno w analityce organicznej jak i nieorganicznej, - stosowana w analizie śladów (pozwala je zagęszczać) oraz składników głównych, - pozwalająca na oznaczenie stężeń całkowitych, frakcji oraz form specjacyjnych pierwiastków, - pozwalająca na automatyzację, - będąca często jest niezbędnym etapem poprzedzającym analizę chromatograficzną, - dopuszczalna i wymagana przez dyrektywy i normy (ISO, EPA, FDA).

17 Klasyfikacja metod ekstrakcji: 1. stan skupienia fazy, z której ekstrahowany jest analit: próbki gazowe: ekstrakcja w układzie gaz-ciecz ekstrakcja w układzie gaz-ciało stałe próbki ciekłe ekstrakcja w układzie ciecz-gaz ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe próbki stałe ekstrakcja w układzie ciało stałe-gaz ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz

18 Klasyfikacja metod ekstrakcji: 2. stan skupienia fazy, do której ekstrahowany (przenoszony) jest analit: ekstrakcja do fazy ciekłej ekstrakcja do fazy stałej ekstrakcja do fazy gazowej ekstrakcja do fazy gazu w stanie nadkrytycznym

19 Klasyfikacja metod ekstrakcji: 3. technika prowadzenia procesu ekstrakcji: okresowa i ciągła bez wspomagania i ze wspomaganiem dodatkową energią (głównie mikrofalową lub ultradźwiękową) jednokrotna i wielokrotna współprądowa i przeciwprądowa

20 Klasyfikacja metod ekstrakcji: 4. sposób prowadzenia procesu: a. techniki klasyczne: ekstrakcja rozpuszczalnikiem z wytrząsaniem, ekstrakcja za pomocą strumienia rozpuszczalnika, saponifikacja, ekstrakcję w aparacie Soxhleta, homogenizację próbki z rozpuszczalnikiem, b. techniki wykorzystujące dodatkowe wspomaganie: przyśpieszona ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika (ASE), ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem (MPLE), ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (MAE) czy sonikacja, c. techniki, w których wykorzystuje się płyny w stanie nadkrytycznym

21 Technika ekstrakcyjna Ilość zużywanego rozpuszczalnika [ml] Przeciętny czas trwania procesu ekstrakcji Ekstrakcja w aparacie Soxhleta h Ekstrakcja w zautomatyzowanym aparacie Soxhleta Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika wspomaganego ultradźwiękami Ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika wspomaganego promieniowaniem mikrofalowym Przyśpieszona ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika Ekstrakcja za pomocą płynu w stanie nadkrytycznym h min - 1 h min - 1 h min min - 2 h Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy Namieśnik J., Jamrógiewicz Z., Pilarczyk M., Torres L., WNT Warszawa, 2000

22 Ekstrakcja: do fazy ciekłej prowadzona jest z reguły w układzie ciecz-ciecz (tzw. ekstrakcja rozpuszczalnikowa) oraz w układzie ciało stałe-ciecz (ługowanie); do fazy stałej polega na zaadsorbowaniu analitów na sorbencie, a następnie na wymyciu ich ze złoża.

23 Techniki ekstrakcji analitów z próbek gazowych: 1. ekstrakcja gaz-ciecz: ekstrakcja do fazy ciekłej ekstrakcja przez błony półprzepuszczalne 2. ekstrakcja gaz-ciało stałe: ekstrakcja do fazy stałej (stacjonarnej) mikroekstrakcja do fazy stałej ekstrakcja przez membrany porowate.

24 Ekstrakcja w układzie gaz-ciecz: ekstrakcja próbek gazowych cieczą (ang. gas liquid extraction, GLE) polega na przejściu izolowanych analitów gazowych z próbki w postaci gazu do cieczy; proces podziału zachodzi w całej objętości cieczy; przenoszenie mas polega na dyfuzji cząsteczek substancji w obu fazach (gazowej i ciekłej) poprzez warstwę graniczną, wywołanej różnicą stężenia substancji w obu fazach. absorbat - gazowy składnik ekstrahowany z próbki absorbentem - ciecz (medium ekstrahujące) absorberem - urządzenie, w którym zachodzi absorpcja

25 Ekstrakcja w układzie gaz-ciecz: ekstrakcja membranowa polega na przejściu izolowanych analitów gazowych z próbki w postaci gazu przez półprzepuszczalną mambranę, zachowującą się podczas ekstrakcji jak ciecz; proces podziału zachodzi na skutek różnicy ciśnień cząstkowych składników próbki po obu stronach membrany.

26 Ekstrakcja w układzie gaz-ciało stałe: ekstrakcja do fazy stałej przebiegająca na sorbentach stałych polega na zatrzymaniu izolowanych analitów gazowych z próbki w postaci gazu na odpowiednio dobranym sorbencie; proces podziału zachodzi na skutek: adsorpcji fizycznej, adsorpcji chemicznej kondensacji kapilarnej, itp.

27 Techniki ekstrakcji analitów z próbek ciekłych: 1. ekstrakcja ciecz-gaz: analiza fazy nadpowierzchniowej dynamiczna analiza fazy gazowej nad filmem wymywanie i wychwytywanie 2. ekstrakcja ciecz-ciecz: klasyczna ekstrakcja ciecz-ciecz ekstrakcja ciągła mikroekstrakcja mikroekstrakcja do pojedynczej kropli mikroekstrakcja przez mambranę

28 Techniki ekstrakcji analitów z próbek ciekłych: 3. ekstrakcja ciecz-ciało stałe: ekstrakcja do fazy stałej mikroekstrakcja do fazy stałej mikroekstrakcja przez membrany do fazy stałej ekstrakcja do sorbentów na powierzchni mieszadła magnetycznego (wirujący dysk) ekstrakcja do sorbentów wdrukowanych molekularnie ekstrakcja do sorbentów o powinowactwie immunologicznym ekstrakcja do fazy stałej w strzykawce.

29 Ekstrakcja w układzie ciecz-gaz: metoda ta jest głównie stosowana do izolacji lotnych składników organicznych z próbek ciekłych; polega ona na przeniesieniu analitu do fazy gazowej nad powierzchnią próbki (warstwa nadpowierzchniowa, ang. Headspace, HS) lub do strumienia gazu przepływającego przez próbkę Istotną rolę odgrywa temperatura - jej podwyższenie pozwala na desorpcję analitu z próbki ciekłej.

30 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz (liquid-liquid extraction, LLE): jest najstarszym typem ekstrakcji stosowanym w analityce; nadal jest najbardziej popularną techniką izolacji i wzbogacania średnio- oraz trudnolotnych związków z próbek wody. Stosowany do ekstrakcji rozpuszczalnik powinien: 1. bardzo słabo rozpuszczać się w wodzie - najmniej 90% całej objętości rozpuszczalnika musi pozostać nierozpuszczone, 2. charakteryzować się stosunkowo dużą lotnością, co ułatwi jego późniejsze odparowanie, 3. charakteryzować się dużą czystością, dzięki czemu zostaje zminimalizowane prawdopodobieństwo zanieczyszczenia próbki.

31 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz - przykłady: 1. ekstrakcja niklu chloroformem w postaci dimetyloglioksymianu; 2. ekstrakcja żelaza (III) eterem dietylowym ze środowiska 6 M kwasu solnego; 3. ekstrakcja kobaltu heksonem w postaci kompleksu rodankowego.

32 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe (liquid-solid extraction, LSE albo solid phase extraction, SPE): polega na przeniesieniu analitu z próbki ciekłej lub gazowej do fazy stałej (zachodzi proces adsorpcji), którą stanowi złoże sorbentu, a następnie na elucji analitu z zastosowaniem właściwego rozpuszczalnika (eluentu); Najczęściej jest przeprowadzana poprzez: dodatek sorbentu do próbki, wytrząsanie i zdekantowanie roztworu, przepuszczenie próbki przez rurkę sorpcyjną wypełnioną sorbnetem lub dysk ekstrakcyjny.

33 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe - sorbenty: najczęściej stosowane są sorbenty, dla których ekstrakcja prowadzona na zasadzie filtracji żelowej i wymiany jonowej, np.: żele krzemionkowe modyfikowane alkilochlorosilanami: C 18 - grupa alkilowa ma 18 at. węgla w łańcuchu, sorbenty polimerowe: kopolimer styrenu z diwinylobenzenem, grafitowana sadza, sorbenty wymiany jonowej, sorbenty wielofunkcyjne: mają połączone w jednej żywicy grupy funkcyjne wymiany jonowej i odwróconej fazy.

34 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe - eluenty: oddzielenia analitów od fazy stacjonarnej dokonujemy za pomocą odpowiednio dobranego rozpuszczalnika (eluentu), rzadziej za pomocą desorpcji; przy wyborze fazy ruchomej należy wziąć pod uwagę: rodzaj analitu i skład matrycy, rodzaj zastosowanego sorbentu (fazy stacjonarnej), rodzaj detektora.

35 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe - eluenty: w przypadku ekstrakcji na fazach polarnych siłę elucji wyznacza polarność i polaryzowalność eluentu, dla faz niepolarnych siła elucji zależy od niespecyficznych sił van der Waalsa i wzrasta ze wzrostem rozmiarów niepolarnych fragmentów cząstek rozpuszczalników, w celu ułatwienia wyboru eluentu wszystkie rozpuszczalniki ułożono w szeregi eluotropowe

36 Ekstrakcja w układzie ciecz-ciało stałe - eluenty: Rozpuszczalnik Siła elucji Gęstość g/cm 3 Lepkość w temp. 20ºC cp n-pentan 0,00 0,629 0,23 1,358 n-heksan 0,01 0,659 0,33 1,375 Cykloheksan 0,04 0,779 1,00 1,427 Czterochlorek węgla 0,18 1,590 0,97 1,466 Toluen 0,29 0,867 0,59 1,496 Benzen 0,32 0,879 0,65 1,501 Chloroform 0,40 1,500 0,57 1,443 Aceton 0,56 0,818 0,32 1,359 Etanol 0,88 0,789 1,20 1,361 Metanol 0,95 0,796 0,60 1,329 Kwas octowy duża 1,049 1,26 1,372 Woda duża 1,000 1,00 1,330 Współczynik załamania światła

37 Techniki ekstrakcji analitów z próbek stałych: 1. ekstrakcja ciało stałe-gaz: ekstrakcja strumieniem gazu 2. ekstrakcja ciało stałe-ciecz: ekstrakcja ciało stałe-ciecz przez wytrząsanie ekstrakcja strumieniem rozpuszczalnika esktrakcja w aparacie Soxhleta homogenizacja próbki z rozpuszczalnikiem saponifikacja (zmydlanie) ekstrakcja sekwencyjna przyśpieszona ekstr. za pomocą rozpuszczalnika ekstrakcja rozpuszczalnikiem pod zwiększonym ciśnieniem ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym

38 Ekstrakcja w układzie ciało stałe-gaz polega na przeniesieniu analitu - lotnych substancji, głównie organicznych - z próbki stałej do fazy gazowej; tego typu ekstrakcję prowadzi się w układach zamkniętych. Największą jej zaletą jest możliwość bezpośredniej analizy gazowego ekstraku z zastosowaniem chromatografii gazowej.

39 Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz (solid-liquid extraction, SLE): polega na przeniesieniu analitu z próbki stałej do fazy ciekłej; Wyróżniamy dwie grupy technik: klasyczne ekstrakcja z rozpuszczalnikiem przez wytrząsanie, ekstrakcja przez homogenizację z rozpuszczalnikiem, zmydlanie, ekstrakcja za pomocą strumienia rozpuszczalnika ekstrakcja w aparacie Soxhleta nowoczesne ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami, ekstrakcja wspomagana energią mikrofalową, ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem, przyśpieszona ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika, ekstrakcja płynem w stanie nadkrytycznym, ekstrakcja enzymatyczna, Quechers.

40 Wybór techniki ekstrakcji zależy od właściwości fizyko-chemicznych zarówno substancji ekstrahowanych i matrycy, a także końcowego celu stosowanego procesu.

41 W przypadku analitu o wyborze techniki ekstrakcji decydują: 1. jego rozpuszczalność w ekstrahencie, 2. postać fizyczna analitu, 3. jego lotność, 4. zdolność do sublimacji, 5. odporność termiczną, 6. odporność na działanie promieniowania UV, 7. zdolność do sorpcji na powierzchni.

42 Właściwości analitu i matrycy trzeba uwzględnić przy doborze takich parametrów jak: 1. temperatura, 2. rodzaj i moc oddziaływań fizycznych (ciśnienia, ultradźwięków czy promieniowania mikrofalowego), 3. intensywności mieszania, itp.

43 Trzeba również wziąć pod uwagę: 1. cel przeprowadzania procesu - izolacja jednej substancji czy określonej grupy związków chemicznych, 2. skalę analizy - wyodrębnianie przeprowadza się na skalę preparatywną czy analityczną, 3. poziom stężeń analitu w matrycy, 4. cel analizy czy analiza jest identyfikacją składników ekstraktu i/lub ilościowym oznaczeniem jego składu, 5. wymogi techniki analizy końcowej.

44 Dodatkowe parametry: zielona chemia a ekstrakcja, a w szczególności: 1. eliminacja (lub ograniczenie) zużycia odczynników chemicznych, zwłaszcza rozpuszczalników organicznych, 2. zmniejszenie emisji par i gazów oraz ilości ścieków i odpadów stałych wytwarzanych w laboratoriach analitycznych, 3. eliminacja z toku analiz odczynników o wysokiej toksyczności i/lub ekotoksyczności, 4. zmniejszenie praco- i energochłonności przeprowadzanych procedur.

45 LITERATURA: 1. Cygański A., Chemiczne metody analizy ilościowej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne WNT, Warszawa, 2005; 2. Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna, Tom 2: Chemiczne metody analizy ilościowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2009; 3. Skoog D.A., West D.M., Holler F.J. Crouch, S.R., Podstawy chemii analitycznej Tom 2, Wydawnictwo Naukowe PWN 2007; 4. Witkiewicz Z., Podstawy chromatografii, WNT, Warszawa 1992; 5. Namieśnik J., Jamrógiewicz Z., Pilarczyk M., Torres L., Przygotowanie próbek środowiskowych do analizy WNT Warszawa, 2000.