ROZDZIAŁ 14 TECHNIKI MEMBRANOWE W ANALIZIE PRÓBEK ŚRODOWISKOWYCH

Transkrypt

1 ROZDZIAŁ 14 TECHNIKI MEMBRANOWE W ANALIZIE PRÓBEK ŚRODOWISKOWYCH Jan Åke Jönsson 1, Lennart Mathiasson 1, Luke Chimuka 2, Ewa Cukrowska 3 1) Analytical Chemistry, Lund University, P.O.Box 124, Lund, Sweden, 2) Department of Ecology and Resource Management, School of Environmental Science and Engineering, University of Venda for Science and Technology, P/Bag X5050, 0950, Thohoyandou, Limpopo Province, Republic of South Africa, 3) School of Chemistry, University of the Witswatersrand, Private Bag 3, Wits 2050, Johannesburg, Republic of South Africa. STRESZCZENIE Techniki ekstrakcji membranowej umożliwiają zastosowanie klasycznej ekstrakcji typu ciecz-ciecz (LLE) w procesach analitycznych o wysokim poziomie automatyzacji. Ze względu na użycie jedynie niewielkiej ilości rozpuszczalnika (względnie brak rozpuszczalnika) w membranowych technikach ekstrakcyjnych eliminacji ulega szereg wad związanych ze stosowaniem ekstrakcji typu LLE. W konsekwencji otrzymuje się wysoki stopień wzbogacenia analitu, a także wyeliminowany zostaje problem emulsji. Proces realizowany jest w układzie trójfazowym (aq/org/aq), w którym anality (związki polarne kwasowe, zasadowe, naładowane, metale itd.), umieszczone na porowatym hydrofobowym podłożu membranowym, ekstrahuje się z próbki wodnej do fazy organicznej, a następnie do kolejnej fazy wodnej podobnie jak w przypadku HPLC z odwróconym układem faz. Układ dwufazowy (aq/org), w którym anality ekstrahuje się do rozpuszczalnika organicznego, oddzielonego od wodnej próbki porowatą membraną hydrofobową, stosowany jest z kolei do analitów o większej hydrofobowości i można go stosować w połączeniu z chromatografią gazową. 1. WPROWADZENIE W związku z koniecznością oznaczania szeregu zanieczyszczeń w próbkach środowiskowych i biologicznych doszło rozwoju licznych technik i metod analitycznych. Pomimo tych osiągnięć, przed analityką nadal stoją liczne wyzwania. Jednym z nich jest oznaczanie zanieczyszczeń w różnorodnych próbkach, np. wyciągach roślinnych, osadach, płynach biologicznych. Najbardziej zaawansowane metody analityczne składają się z wielu etapów, co przekłada się na duże nakłady czasowe i zużycie rozpuszczalników. Przy ocenie stopnia zagrożenia ekologicznego, dla przybliżonej charakterystyki frakcji przyswajalnej biologicznie istotne jest określenie stężenia analitów w próbkach wodnych. Jeszcze większe wyzwanie stanowi określenie stężenia zanieczyszczeń łatwo rozpuszczalnych w złożonych matrycach (np. wyciągach roślinnych, płynach biologicznych), w szczególności, jeśli analiza dotyczy jonów metali. Wiąże się to z faktem, że nie ma zbyt wielu metod, które można wykorzystać do badań specjacyjnych jonów metali w płynach biologicznych. Wyzwanie jakie niesie analiza chemiczna, w szczególności w przypadku badań specjacyjnych i określania łatworozpuszczalnych zanieczyszczeń w złożonych próbkach, jest bardzo poważne. Co więcej, związki będące przedmiotem badań występują w śladowych ilościach. Zatem podstawowym etapem w nowoczesnej analizie chemicznej jest przygotowanie próbki, polegające przede wszystkim na wzbogaceniu analitów a także na usunięciu substancji przeszkadzających.

2 Najbardziej powszechnymi metodami przygotowania próbek są: ekstrakcja typu ciecz-ciecz (LLE) [1] i ekstrakcja do fazy stałej (SPE) [2]. Ekstrakcja typu LLE to typowa technika ekstrakcji oznaczanego składnika organicznego z roztworu wodnego. Podstawę tej techniki stanowi podział rozpuszczonego analitu między fazę organiczną (ekstrahent), a roztwór wodny (roztwór badanej próbki), zgodnie z jego współczynnikiem podziału. Dalsze przesunięcie równowagi w kierunku fazy organicznej prowadzi do wzrostu wzbogacenia w tej fazie, co można osiągnąć przez dodatek soli do fazy wodnej. Dodatkowo (lub jako metodę alternatywną) stosuje się wielokrotną ekstrakcję. Selektywność ekstrakcji można kontrolować poprzez zapewnienie warunków, w których współczynniki podziału analitów jest znacznie większy w porównaniu do wartości współczynników podziału ewentualnych substancji przeszkadzających. Zatem selektywność można dobierać poprzez zmiany polarności rozpuszczalnika organicznego, wykorzystanie efektu tworzenia par jonowych lub regulowanie ph w fazie wodnej. Jest to metoda powszechnie znana i nadal szeroko stosowana, chociaż coraz mniej atrakcyjna i zastępowana przez inne. Dzieje się tak, ponieważ technika LLE charakteryzuje się szeregiem wad: (i) jest techniką żmudną i czasochłonną w przypadku ekstrakcji złożonych próbek (np. wyciągów roślinnych, osadów), wymagających wielu kroków poprzedzających uzyskanie ekstraktu o pożądanej czystości; (ii) nie jest łatwa do automatyzacji; (iii) podczas jej stosowania dochodzi do tworzenia się emulsji, co czasami utrudnia rozdzielanie obu faz; (iv) technika jest nieprzyjazna dla środowiska na skutek zużywania dużych objętości rozpuszczalników organicznych. Mimo tych wad, dzięki zastosowaniu techniki LLE można jednak osiągnąć wysoki stopień wzbogacenia analitu. W chwili obecnej najpopularniejsze w zakresie przygotowania próbki, szczególnie w analizie organicznej, są prawdopodobnie techniki ekstrakcji do fazy stałej (SPE). Mimo to formalnie nadal w użyciu jest technika LLE, opisana np. przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (U.S. EPA). Podstawą techniki SPE jest sorpcja analitu na sorbencie. Wodny roztwór próbki przechodzi przez kolumnę SPE. W pierwszej kolejności badane substancje są zatrzymywane na sorbencie, a następnie wymywane przy użyciu niewielkich ilości rozpuszczalnika organicznego. Tym sposobem dochodzi równocześnie do ekstrakcji i wzbogacenia analitu. Większość sorbentów występuje w formie krążków lub kolumienek ekstrakcyjnych [3,4]. Opis zastosowania techniki SPE w badaniach środowiskowych i biomedycznych wraz z wieloma szczegółami teoretycznymi znajduje się w licznych publikacjach przeglądowych [2, 5-7] i książkach [1,8]. Ostatnie badania nakierowane są na poszukiwanie sorbentów zdolnych do wiązania polarnych analitów (sadze grafityzowane, modyfikowane polimery), a także sorbentów selektywnych (polimery z nadrukiem molekularnym i immunosorbenty), mających zastosowanie w przypadku złożonych matryc (np. ścieki, artykuły żywnościowe, wyciągi roślinne) [2]. Dzieje się tak za sprawą niskiej selektywności i niewielkich objętości przebicia powszechnie stosowanych sorbentów, zwłaszcza opartych na krzemionce ze związanymi grupami n-alkilowymi, w przypadku oznaczania analitów polarnych. Kolejną pokrewną techniką, obecnie szeroko stosowaną w laboratoriach, jest mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej (SPME), która daje się łatwo łączyć z chromatografią gazową, a odznacza się niewielkim (lub żadnym) zużyciem rozpuszczalnika organicznego. Opisy dotyczące tej techniki można znaleźć w wielu publikacjach poświęconych zagadnieniom środowiskowym [9]. Technika ta charakteryzuje się dużą prostotą, jednak brakuje jej selektywności w momencie ekstrakcji analitów znajdujących się w próbkach o złożonym składzie matrycy (np. wyciągi roślinne, produkty żywnościowe, ścieki). 295

3 2. WYKORZYSTANIE PROCESÓW MEMBRANOWYCH NA ETAPIE PRZYGOTOWANIA PRÓBEK 2.1 Wprowadzenie Podstawowe techniki membranowe (patrz tabela 1), stosowane w analityce, można podzielić w zależności od porowatości membrany stosowanej podczas ekstrakcji roztworu próbki [16]. Selektywność dla procesów na membranie porowatej zależy przede wszystkim od rozmiarów porów i rozkładu tych rozmiarów. W roli membrany nieporowatej można użyć membrany porowatej impregnowanej cieczą lub membrany z litego materiału, np. kauczuku silikonowego. W obu przypadkach właściwości chemiczne materiału membrany mogą wpływać na selektywność i przebieg procesu [18]. W tym rozdziale uwaga zostanie poświęcona metodom ekstrakcyjnym z ciekłymi membranami, przy zastosowaniu porowatych membran impregnowanych za pomocą cieczy. Taką techniką jest SLM, w której wykorzystuje się układ trójfazowy, stwarzający najbardziej wszechstronne możliwości, a także dwufazowa technika MMLLE, której chemizm jest podobny do tego, który występuje w przypadku techniki LLE. Przed wprowadzeniem w szczegóły technik SLM i MMLLE, wstępnie omówione zostaną techniki wymienione w tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe techniki membranowe o zastosowaniu analitycznym [10, 11] Nazwa Akronim Typ Kombinacja stosowanych faz membrany Donor/membrana/akceptor Dializa - Porowata Wodna/membrana/wodna Elektrodializa ED Porowata Wodna Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem unieruchomionych SLM Nieporowata Wodna/organiczna/wodna membran ciekłych Ekstrakcja membranowa z mikroporowatą membraną w układzie MMLLE Nieporowata Wodna/organiczna/wodna ciecz-ciecz Urządzenia z membraną półprzepuszczalną do pasywnego SPMDs Nieporowata Wodna/polimer/organiczna pobierania próbek analitów Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem Wodna/polimer/wodna, orgarowycna/polimer/organiczna membran polime- PME Nieporowata niczna/polimer/wodna, wod- Ekstrakcja membranowa w Gazowa/polimer/gazowa, ciekła/polimer/gazowa. połączeniu z ekstrakcją do fazy MESI Nieporowata stałej 296

4 2.2. Inne techniki oparte na wykorzystaniu ekstrakcji membranowej Dializa i elektrodializa W dializie substancja rozpuszczona dyfunduje poprzez porowatą membranę od strony wodnego donora do wodnego akceptora pod wpływem gradientu stężeń. Separacja substancji rozpuszczonych następuje na skutek różnic w szybkości dyfuzji, która jest wynikiem różnic w rozmiarach cząsteczek. Z tego powodu dializa jest najbardziej skuteczna w przypadku oddzielania dużych cząstek (np. protein) od małych [18, 19]. Technika ta ma niewiele zastosowań w badaniach środowiskowych, za wyjątkiem próbek biologicznych, w których zarówno anality jak i związki matrycy próbki to małe cząsteczki. Ponadto oznaczane składniki są stale rozcieńczane w akceptorze, o ile nie stosuje się przedkolumny [30]. Z kolei elektrodializa dąży do wyeliminowania wad dializy w przypadku analizy próbek środowiskowych, czyli jej braku selektywności i rozcieńczania oznaczanych składników w fazie akceptorowej. Jest to technika wykorzystująca membranę porowatą, a proces separacji odbywa się na skutek różnic w wielkości i ładunku rozdzielanych cząsteczek. Różnica potencjału elektrycznego po obu stronach membrany gwarantuje przechodzenie z roztworu zasilającego urządzenie przez membranę do fazy akceptorowej analitu o odpowiednim ładunku [31]. Dzięki zastosowaniu przepływu roztworu zasilającego i nieruchomej fazy akceptorowej, można osiągnąć dodatkową selektywność i wzbogacenie analitów oddarzonych ładunkiem elektrycznym. Podstawy zastosowania elektrodializy w analizie śladowej opisane zostały w cytowanej pracy [19]. Ograniczenia tej metody to niewielkie współczynniki wzbogacenia, możliwe zmiany ph roztworu zasilającego podczas ekstrakcji i rozkład termiczny membrany przy wysokim potencjale [31]. Ze względu na przedstawione problemy elektrodializa jest mało atrakcyjna jako technika analityczna Ekstrakcja membranowa z wykorzystaniem membran polimerowych (PME) W tym przypadku, roztwór donorowy od akceptorowego oddziela nie porowata, a lita membrana. Z reguły, jako materiał membrany, stosuje się kauczuk silikonowy, gdyż jest on hydrofobowy i charakteryzuje się wysoką przepuszczalnością w stosunku do małych cząsteczek hydrofobowych [32]. Podstawę selektywności stanowią różnice w rozpuszczalności i dyfuzji analitów w polimerze. Zmiana warunków w fazie akceptorowej (np. przez zapewnienie warunków istnienia analitu w formie jonowej) może przyczyniać się do wzrostu selektywności [20]. Podobne warunki wymagane są w ekstrakcji membranowej z wykorzystaniem membrany ciekłej unieruchomionej na stałym nośniku (jak opisano poniżej). Największą jej zaletą jest lity charakter kauczuku silikonowego, który zapewnia minimalne przecieki faz przez membranę. Z kolei podstawowa wada to niemożność przyłączania grup funkcyjnych, które przyspieszałyby proces przenoszenia masy i zwiększały selektywność ekstrakcji związków będących przedmiotem zainteresowania. Niemniej jednak lity charakter kauczuku silikonowego czyni tę technikę wszechstronną, pozwalającą na badanie próbek wodnych [33], organicznych [20] i gazowych (patrz sekcja 2.2.3). Jest to doskonała metoda, szczególnie do ekstrakcji analitów z próbek o złożonym składzie matrycy i zawierających duże ilości składników organicznych (np. lipidów) [34], gdyż tu nie ma problemu z niestabilnością, występującą w przypadku membran ciekłych. Technika ta umożliwia także stosowanie do ekstrakcji rozmaitych kombinacji faz. We wszystkich jej odmianach, krytycznymi elementami, mającymi wpływ na całkowity współczynnik wymiany masy, są: podział oznaczanych składników między fazę donorową i polimer, dyfuzja przez polimer, oraz podział między polimer a fazę akceptorową [32, 35] Ekstrakcja membranowa w połączeniu z ekstrakcją do fazy stałej (MESI) 297

5 Technika opiera się na ekstrakcji membranowej do fazy gazowej, po której następuje wychwytywanie analitów na stałym sorbencie (ew. stosowanie pułapek kriogenicznych), a ostatnim etapem jest desorpcja termiczna do układu chromatografu gazowego [36]. Metodę można zatem stosować w badaniach lotnych związków organicznych w powietrzu i próbkach wodnych. Fazą docelową jest zawsze gaz nośny, który w sposób ciągły usuwa anality z powierzchni membrany i przenosi je na sorbent. Szczegółowy opis tej techniki i stosowane sorbenty przedstawiono w cytowanych pracach. [37, 38]. Podstawą procesu rozdzielania są różnice w rozpuszczalności i dyfuzji poszczególnych analitów w nieporowatym polimerze. Główna wada to niewielkie zastosowanie w analizach środowiskowych, ograniczone jedynie do lotnych związków organicznych. Przykładem zastosowania techniki jest oznaczanie lotnych składników organicznych w powietrzu wydychanym przez człowieka [39] Urządzenie z membraną półprzepuszczalną do pasywnego pobierania próbek analitów (SPMDs) W przypadku tej techniki hydrofobowe anality organiczne dyfundują z donorowej fazy wodnej, przez polimerową membranę (np. polietylenową), do fazy akceptorowej, zawierającej cienki film syntetycznego tłuszczu (np. trioleiną) [40-43]. Stosuje się ją w biernych próbnikach polowych, uśredniających stężenie analitów w czasie. Technika ta ma duże znaczenie przy szacowaniu zagrożenia związanego z ekspozycją na działanie zanieczyszczeń, ponieważ pozwala uzyskiwać średnie, ważone w czasie, stężenia zanieczyszczeń rozpuszczonych i przyswajalnych biologicznie dla długich okresów czasu. Zasadniczo technika ta ma zastosowanie przy ekstrakcji hydrofobowych związków niepolarnych, jak np. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych [44], chlorowanych pestycydów [40] i polichlorowanych bifenyli [45], charakteryzujących się wartością współczynnika podziału oktanol-woda (logk ow w przedziale 3,0-6,0) [12]. Techniki oparte na wykorzystaniu urządzeń typu SPMD nie charakteryzują się szczególnie wysoką selektywnością, gdyż zasada ich pracy opiera się na wykorzystaniu różnicy w rozpuszczalności i dyfuzji analitów w membranie i lipidach. W konsekwencji konieczne jest dodatkowe oczyszczanie ekstraktu [46], z czym wiąże się nakład czasu i większe zużycie rozpuszczalników organicznych. Nie ma wielu danych dotyczących szybkości pobierania próbek poszczególnych zanieczyszczeń do urządzeń SPMD, stąd trudne jest ocenienie rzeczywistego stężenia analitu w badanej przestrzeni. Dla pokonania tej trudności prowadzono badania, w trakcie których do urządzenia SPMD dodawano (przed etapem pobierania próbki) związki będące wskaźnikami przepuszczalności, tzw. związki odniesienia przepuszczalności (PRC). 3. EKSTRAKCJA MEMBRANOWA Z WYKORZYSTANIEM CIEKŁYCH MEMBRAN UNIERUCHOMIONYCH NA STAŁYM NOŚNIKU (SLM) 3.1 Podstawy teoretyczne ekstrakcji SLM W przypadku tej techniki ekstrakcyjnej rozpuszczalnik organiczny jest unieruchomiony w porach obojętnego podłoża, które w postaci membrany oddziela wodny donor od fazy akceptorowej (rysunek 1). Podczas ekstrakcji dochodzi do podziału analitów pomiędzy strumień wodnej próbki i organiczną fazę membrany, z której są one następnie reekstrahowane do wodnej fazy akceptorowej. Siłę napędową procesu stanowi różnica stężeń analitu między fazą donorową i akceptorową. Dla utrzymania różnicy stężeń między tymi fazami, substancje rozpuszczone muszą istnieć w dwóch formach niejonowej w części donorowej (w celu ich ekstrakcji do membrany) i jonowej w części akceptorowej, gdzie powinny być nieodwracalnie zatrzymywane. Możliwe jest to dzięki 298

6 regulacji ph w obu fazach wodnych. Jest to zatem odpowiednia metoda dla badania związków mogących występować w formie jonowej (np. średniomocnych i słabych kwasów i zasad). Ekstrakcja typu SLM charakteryzuje się wysoką selektywnością. procesu wzbogacania analitów. Dzięki doborowi określonych warunków w trzech fazach (rysunek 1) można zmieniać selektywność. W konsekwencji uzyskuje się rozmaite przedziały selektywności, co pozwala na pośrednie określenie struktury analitów, ponieważ w danym czasie (gdy stosowano określony przedział selektywności), zatrzymaniu w fazie akrowej ulegają tylko anality o podobnej strukturze. Techniki tej nie stosuje się do makrocząsteczek ze względu na ich rozmiar, zaś związki obdarzone ładunkiem elektrycznym są zbyt polarne, aby mogły się rozpuszczać w ciekłej fazie organicznej. Cząsteczki obojętne ulegają jedynie podziałowi pomiędzy trzy fazy bez żadnego wzbogacenia. RCOO - Kwa RNH 3 + Donor ( aq ) RCOOH Obojętne RNH 2 Membrana (org) Akceptor ( aq ) RCOO - Zasada Obojętne l RNH + 3 Zasada Stan 1: ph = pk a - 2 lub ph = pk a + 2 C Stan 2: ~ 2 logkow ~ 4 Kwas Stan 3: ph = pk a lub ph = pk a Rys. 1. Schematyczne przedstawienie procesu ekstrakcji (techniką SLM) dla związków organicznych mogących istnieć w postaci jonowej. Często trudno jest uzyskać selektywny transport oparty na względnych różnicach rozpuszczalności w membranie i wychwytywaniu w fazie akceptorowej. W niektórych przypadkach rozpuszczalność oznaczanych składników może być zbyt słaba dla skutecznej ekstrakcji mimo, że łatwo można uzyskać warunki odpowiedniego ich wychwytywania w fazie akceptorowej. W takich przypadkach skutecznym podejściem jest wbudowanie w materiał membrany ruchomego nośnika, który selektywnie wiąże oznaczane składniki. Koncepcja wykorzystania takiego nośnika pozwala także na zastosowanie ekstrakcji z wykorzystaniem techniki SLM szeregu związków obdarzonych trwałym ładunkiem, takich jak jony metali (patrz poniżej). Istnieje kilka różnych wersji transportu za pośrednictwem nośnika, takich jak transport prosty (z reakcją chemiczną w części akceptorowej), transport sprzężony [47, 48] oraz transport sprzężony z przeciwtransportem [22, 48-52]. W przypadku występowania transportu prostego nośnik tworzy w membranie kompleks z analitem obecnym w części donorowej. Kompleks ten dyfunduje do części akceptorowej, gdzie analit przechodzi w formę niezdolną do ekstrakcji. Taki sposób został wykorzystany w ekstrakcji krótkołańcuchowych alifatycznych kwasów karboksylowych, prowadzonej z kwasowego roztworu donorowego do alkalicznego akceptora z ciekłą membraną zawierającą tlenek tri-n-oktylofosfiny 299

7 (TOPO) w roli obojętnego nośnika [53]. Poza tym można zastosować nośniki obdarzone ładunkiem elektrycznym, jak np. anion kwasu di-(2-etyloheksylo)fosforowego (DEHPA) [22, 50]. W takim przypadku rozpuszczanie analitu w membranie odbywa się przy udziale oddziaływań jonowych nośnikiem. Gdy analit pojawi się na granicy fazy akceptorowej, ulega wymianie na proton i zostaje przeprowadzony w postać nieekstrahowalną. W takim przypadku wzrasta stężenie protonów wzdłuż przekroju membrany [50]. Jest to zatem to przykład mechanizmu transportu sprzężonego z przeciwtransportem. Zespół badawczy Autora zajmował się badaniem różnych czynników wpływających na proces ekstrakcji [14, 54]. Obok takich czynników jak grubość membrany, geometria kanału donorowego i akceptorowego w module SLM, należy wymienić: wychwytywanie w fazie akceptorowej, zdolność membrany do solwatacji i natężenie przepływu donora. Decydujące znaczenie ma wychwytywanie w fazie akceptorowej, w związku z czym pożądane jest całkowite zjonizowanie analitu, w przeciwnym razie skuteczność ekstrakcji nie jest stała i maleje w czasie [55]. Zdolność membrany do solwatacji powinna zapewniać wysokie wartości współczynnika podziału analitu, ale badania wykazują, że zbyt wysoka jego wartość prowadzi do spowalniania jego uwalniania do fazy akceptorowej [56]. Przy niższej szybkości przepływu donora, czas kontaktu analitu z membraną wydłuża się, przez co rośnie współczynnik ekstrakcji. Współczynnik ekstrakcji E określa ułamek ilości analitu, jaki uległ ekstrakcji z fazy donorowej do akceptorowej. Jest to miara szybkości przenoszenia masy przez membranę, która zachowuje stałość w określonych warunkach ekstrakcji. Przy szybkim przepływie donora, współczynnik ekstrakcji maleje, bo skróceniu ulega czas kontaktu analitu z membraną. Jednakże, dla umiarkowanie polarnych substancji (log K ow >2), duże natężenie przepływu donora powoduje wzrost stopnia wzbogacenia, gdyż ilość analitu ekstrahowanego w jednostce czasu wzrasta [57]. W konsekwencji spada czas ekstrakcji potrzebnej do uzyskania określonego stopnia wzbogacenia. Bardzo często jako ograniczenie techniki ekstrakcji SLM wymienia się niestabilność ciekłych membran, prowadzącą do spadku strumienia analitu przez membranę, a nawet przecieków jednej fazy wodnej do drugiej (wynik utraty rozpuszczalnika lub nośnika w membranie podczas ekstrakcji). Poza tym na niestabilność wpływają różnice w ciśnieniu osmotycznym między fazami i tworzenie się emulsji [58-61]. W celu polepszenia stabilności membran stosowano ich żelowanie, tzn. pokrycie jednej lub obu powierzchni cienkim filmem cieczy o właściwościach zbliżonych do wysoce spęczniałego usieciowanego polimeru. Pociąga to jednak za sobą spadek współczynnika dyfuzji [47, 62]. Dlatego też poprawia się stabilność membran w inny sposób, a mianowicie przez wytworzenie na ich powierzchni półprzepuszczalnych warstw za pomocą procesów międzyfazowych lub polimeryzacji plazmowej [62]. W przypadku zastosowań analitycznych, a w szczególności przy użyciu di-n-heksyloeteru lub n-undekanu jako cieczy membranowej, stabilność układów SLM wynosi od tygodnia [66] do miesiąca [67, 68]. W literaturze przedstawiono [69, 51] dogodne sposoby regeneracji membrany przy użyciu analogicznego hydrofobowego podłoża porowatego. 300

8 3.2 Budowa ekstraktorów membranowych W literaturze spotyka się zasadniczo trzy podstawowe konstrukcje modułów do ekstrakcji membranowej SLM[54, 70], a mianowicie: urządzenia płaskie, spiralne i rurkowe. Ważnym parametrem wszystkich typów modułów ekstrakcyjnych jest stosunek między powierzchnią membrany a jej objętością [70]. Do celów analitycznych konieczne jest uzyskanie wysokiej wartości współczynnika wzbogacenia. Najwyższą wartość uzyskuje w przypadku modułu rurkowego ( ), następnie spiralnego ( ), a najniższą dla modułu płaskiego (10-100) [70]. Większość zespołów badawczych najczęściej stosuje moduły płaskie z objętością kanału w zakresie µl [14] i/lub moduły wykorzystujące włókna z wewnętrznym kanałem o objętości nawet poniżej 1,3 µl [69]. Różnorodne rozwiązania konstrukcyjne modułów ekstrakcyjnych oraz ich zastosowanie w praktyce analitycznej jest przedmiotem wielu publikacji [22, 24-28]. Budowę niektórych modułów przedstawiono schematycznie na rysunku 2. Wykonane są one z materiałów obojętnych takich jak politetrafluoroetylen (PTFE), fluorek poliwinylidenu (PVDF) lub tytan. W przypadku modułów płaskich, w każdym z dwóch składających się na nie bloków wykonywany jest rowek, a oba końce zaopatrzone są w odpowiednie połączenia. Impregnowana membrana znajduje się pomiędzy blokami tworzącymi kanał po obu jej stronach. Kwestię wyboru odpowiedniego materiału membrany omówiono w wielu pracach [68, 71, 72]. Idealne podłoże membrany ma gwarantować wysoki stopień przenikania substancji rozpuszczonej i stabilność membrany. Na ogół zastosowanie znajdują cienkie membrany, jak FGLP (Millipore) lub TE 35 (Schleicher i Schuell), z małymi porami (ok. 0,2 µm), oparte na polietylenie. Wprowadzenie tych materiałów ułatwia przenoszenie masy, jak również utrzymuje impregnowaną ciecz na tyle zwartą, że nie dochodzi do deformacji pod wpływem małych zmian ciśnienia w układzie. A B 1 2 Membrana Kanał akceptora C Wlot donora Wylot donora Rys. 2. (A) Moduł membranowy z kanałem objętości 1 ml (1-bloki z materiału obojętnego, 2-membrana); (B) Moduł membranowy z kanałem o objętości 10µl; (C) Moduł membranowy z włóknami kanalikowymi z kanałem akceptorowym (prześwitem) 301

9 o objętości 10µl (1- pierścienie O, 2-polipropylenowe włókno kanalikowe, 3-kapilary ze stopionej krzemionki, 4- nakrętki zewnętrzne). 3.3 Teoria ekstrakcji w układzie SLM Z ogólnymi zasadami teorii procesu ekstrakcji z wykorzystaniem ciekłych membran osadzonych na stałym nośniku można się zapoznać w publikacji [54], a w tym paragrafie omówione zostaną tylko wybrane zagadnienia: Ekstrakcję na ogół opisuje się za pomocą jej wydajności, E, która oznacza ułamek całkowitej ilości analitu odebrany w fazie akceptorowej: E=n A /n t (1) gdzie: n t i n A to odpowiednio liczba moli wprowadzonych w czasie ekstrakcji i zgromadzonych w fazie akceptorowej. Wydajność ekstrakcji jest funkcją wielu parametrów. Wymienić tutaj należy: wielkość współczynnika podziału obojętnych cząsteczek analitu między fazę wodną a organiczną (membrana), warunki wychwytywania analitu w fazie akceptorowej, natężenie przepływu donora, a także właściwości i wymiary membrany. W praktyce na eksperymentalnie wyznaczaną wartość współczynnika podziału wpływa także wydajność przenoszenia fazy akceptorowej do dalszych części aparatury analitycznej. Wpływ współczynnika podziału, K, na wydajność ekstrakcji jest dość złożony. Przy niskiej wartości współczynnika K, współczynnik ekstrakcji E ma małą wartość, gdyż analit jest niedostatecznie ekstrahowany przez organiczną membranę i ograniczone jest przenoszenie masy na skutek osłabionej dyfuzji przez membranę (warunki ekstrakcji kontrolowanej membranowo). W przypadku wartości pośrednich przenoszenie masy jest ograniczone przez własności transportu w przepływającej fazie donorowej (warunki kontrolowane donorowo) i w tym obszarze uzyskuje się najwyższe wartości współczynnika ekstrakcji. Przy bardzo wysokiej wartości K (w przypadku związków silnie hydrofobowych), czynnikiem decydującym jest usuwanie analitu do fazy akceptorowej, a wartość współczynnika ekstrakcji maleje ze względu na znaczne ilości analitu pozostającego w membranie. Z badań [56] wynika, że najwyższy współczynnik ekstrakcji uzyskuje się przy współczynniku podziału oktanol-woda (jako miary polarności) w granicach Szybkość ekstrakcji, czyli szybkość przenoszenia masy od donora do akceptora, jest proporcjonalna do różnicy stężenia, C, po obu stronach membrany. Przy pewnym uproszczeniu (szczególnie w odniesieniu do efektów aktywności przy różnej sile jonowej) różnicę stężeń po obu stronach membrany można opisać za pomocą równania: C = α D C D α A C A (2) gdzie: C D i C A stężenia analitu w fazie donorowej i akceptorowej, α D i α A - ułamki ilości analitu, występującego w formie ekstrahowalnej (nienaładowanej) w danej fazie. Na ogół warunki ekstrakcji są tak dobierane, aby α D było zbliżone do jedności, a α A miało bardzo małą wartość. C A ma wartość zerową na początku ekstrakcji i wzrasta w czasie procesu, zazwyczaj do wartości znacznie przekraczającej C D. Tak długo, jak α A jest dostatecznie małe, drugą część równania (2) można pominąć i E będzie stałe w czasie przebiegu ekstrakcji, a ekstrahowana ilość będzie propor- 302

10 cjonalna do ekstrahowanej objętości i stężenia analitu w próbce. Sytuacja taka jest zwykle preferowana i określana jako całkowite wychwytywanie. Gdy wychwytywanie nie jest całkowite, współczynnik ekstrakcji maleje w czasie, prowadząc do mniej precyzyjnego określenia ilościowego. Szczegółowy opis zawarty jest w artykule [55]. Jednakże w warunkach niecałkowitego wychwytywania, jak zostanie to przedstawione poniżej, istnieje możliwość pomiaru średnich stężeń wolnych (niezwiązanych) analitów, w przeciwieństwie do stężenia całkowitego. Zgodnie z oczekiwaniami, współczynnik ekstrakcji jest najwyższy przy małym natężeniu przepływu donora i maleje z jego wzrostem (patrz rysunek 3). Zatem największy współczynnik ekstrakcji otrzymuje się przy małym natężeniu przepływu, gdyż wydłuża się czas przebywania cząsteczek analitu w kanale donora. W zastosowaniu praktycznym bardzo istotnym zagadnieniem jest czas i często właściwszym postępowaniem jest maksymalizacja stopnia wzbogacenia, niż wydajności ekstrakcji. Zwiększanie natężenia przepływu donora prowadzi do obniżenia wartości E, ale także prowadzi do zwiększenia ilości analitu wprowadzanego do układu ekstrakcyjnego, co w rezultacie prowadzi do wzrostu ilości analitu nagromadzonego w części akceptorowej w danym okresie czasu. Prowadzi to do uzyskania większych sygnałów analitycznych (np. powierzchni pików) w trakcie analizy próbki ekstraktu, a tym samym wydajniejszą czasowo analizę E E e φ Rys. 3. Wydajność ekstrakcji E i współczynnik wzbogacenia E e (jednostki umowne) w funkcji zredukowanego parametru przepływu donora Φ, (patrz tekst). Współczynnik wzbogacenia analitu, E c, jest powiązany ze współczynnikiem ekstrakcji za pomocą następującego równania: E e = C A /C S =E V S /V A (3) Gdzie: C S i C A stężenia analitu odpowiednio w ekstrahowanej próbce i w kanale akceptora, V S i V A odpowiednio objętości próbki i fazy akceptorowej. Wartość E maleje ze wzrostem natężenia przepływu donora, co można zaobserwować na rysunku 3, przy czym spadek jest kompensowany przez zwiększanie ilości analitu wprowadzanego do systemu. W rezultacie, w warunkach kontrolowanych donorowo, wartość współczynnika wzbogacenia rośnie ze wzrostem natężenia przepływu donora dla danego okresu czasu (rysunek 3). Jednakże duże natężenie przepływu pochłania znaczną ilość próbki, co na ogół nie stanowi problemu przy ekstrakcji z próbek środowiskowych (np. próbki wody rzecznej itp.). Gdy dostępna objętość próbki jest 303

11 jednak ograniczona (np. próbki biologiczne), dla zwiększenia współczynnika ekstrakcji powinno się ją prowadzić przy niskim natężeniu przepływu. Generalnie nie ma potrzeby dążenia do maksymalnej wartości E i nie należy mylić tego parametru z odzyskiem. Dla poprawnego opisu ilościowego ważne jest znalezienie warunków, w wyniku których uzyskuje się odtwarzalną wartość E uwzględnianą przy kalibracji. 3.4 Równowaga procesu ekstrakcji w układzie SLM Jeśli ekstrakcja postępuje w czasie, stężenie w fazie akceptorowej (C A ) wzrasta i ostatecznie druga część równania (2) nabiera znaczenia, a C maleje. W konsekwencji spada szybkość przenoszenia masy i wartość współczynnika E. Kiedy C zmaleje do zera, wszystkie fazy znajdą się w równowadze i osiągnięta zostanie największa możliwa wartość stężeniowego współczynnika wzbogacenia. Można to opisać za pomocą następującego wzoru: E e(max) =(C A /C D ) max =α D /α A (4) Przy α D ~1 i α A 0,0005, co oznacza całkowite wychwytywanie, E e(max) Zatem możliwe jest wzbogacenie analitu przynajmniej kilkaset razy zanim E zauważy się jakikolwiek tego wpływ na wydajność ekstrakcji E, przy czym w praktyce taki przypadek nie występuje. Jeśli warunki wychwytywania są dobrane tak, że np. α A =0,1, to maksymalna wartość współczynnika wzbogacenia wynosi tylko 10, co można łatwo osiągnąć. W konsekwencji w układzie zostaje osiągnięta równowaga. Stężenie w fazie akceptorowej jest wtedy 10 razy wyższe niż w fazie donorowej i nie wzrasta przy przejściu większej ilości próbki przez kanał donorowy. Równanie (4) sprawdzono eksperymentalnie [55] dla przypadku ekstrakcji organicznych zasad i kwasów, a także ekstrakcji miedzi za pomocą DEHPA (dane niepublikowane). Warunki kontrolowane akceptorowo można wykorzystać przy pomiarze ułamków równowagowych analitów, biorących udział w równowagach wtórnych. Jako przykład może posłużyć wiązanie w wodach naturalnych różnych zanieczyszczeń środowiskowych przez związki humusowe, cząstki, itp. Po wytworzeniu warunków ekstrakcji kontrolowanej akceptorowo i prowadzeniu jej do momentu osiągnięcia równowagi, analiza fazy akceptorowej daje bezpośrednio znany czynnik pomnożony przez wolne stężenie równowagowe w próbce. Jak opisano powyżej, czynnikiem tym jest stosunek α D /α A, który można doprowadzić do odpowiedniej wartości przez dobór warunków w fazie donorowej i akceptorowej. W nie opublikowanej pracy opisano wzbogacenie 2,4-dichlorofenolu do osiągnięcia stanu równowagi z czystej wody i roztworów o różnym stężeniu kwasu humusowego. Zgodnie z rysunkiem 4, maksymalny współczynnik wzbogacenia z czystego roztworu wodnego jest zgodny z teorią opierającą się na równaniu 4 (przy α D =1 i α A =0,11). W przypadku roztworów kwasu humusowego uzyskuje się niższe wartości, ze względu na różny stopień wiązania chlorofenolu przez kwas humusowy. Zatem ekstrakcja membranowa prowadzona w sposób równowagowy pozwala na określenie równowagowego stężenia wolnego chlorofenolu. 304

12 3.5 Podstawy teoretyczne wykorzystania techniki SLM do ekstrakcji metali Dodatek odczynników tworzących pary jonowe lub związków chelatujących do fazy donorowej pozwala na zastosowanie ekstrakcji typu SLM w oznaczaniu metali. Dla podwyższenia selektywności i polepszenia warunków przenoszenia masy, do fazy membranowej wbudowuje się różnego typu cząsteczki lub jony spełniające rolę nośników. Ponadto stosuje się odczynniki wychwytujące w fazie akceptorowej, które uniemożliwiają powrotną ekstrakcję oznaczanych składników do fazy membrany. Zagadnienia te były przedmiotem artykułów przeglądowych [74, 75] c acceptor (ppb) a Woda, wzbogacenie: 9,1 c acceptor (ppb) b 10 ppm kwasu humusowego: 83 % w stosunku do wody objętość (ml) objętość (ml) c acceptor (ppb) c 20 ppm kwasu humusowego: 65% w stosunku do wody objętość (ml) Rys.4. Przebieg równowagowej ekstrakcji membranowej 2,4-dichlorofenolu (DCP) przy ph A =pk a +1,0, prowadzącej do α A =1/9: a) 100ppb DCP w wodzie (E e =9,1); b) 100ppb DCP w 10ppm roztworze kwasu humusowego (C A wynosi 83% wartości uzyskanej w przypadku ekstrakcji z czystej wody); c) 100ppb DCP w 20ppm roztworze kwasu humusowego (65% wartości dla czystej wody) (niepublikowana praca studencka). Jako przykład dodatku odczynnika do fazy donorowej, można podać ekstrakcję metali z roztworów zawierających odczynnik kompleksujący: 8-hydroksychinolinę, która tworzy ekstrahowalne kompleksy z wieloma metalami [76] (patrz rysunek 5a). Kompleks jest transportowany przez membranę i ekstrahowany analit ulega wychwytywaniu w fazie akceptorowej przez kolejny ligand. We wspomnianej publikacji jest to DTPA (kwas dietylenotriaminopentaoctowy), który tworzy z metalami trwalsze i obdarzone ładunkiem kompleksy. Dodatek nośnika do fazy membranowej można zrealizować w różny sposób. Prostym nośnikiem, stosowanym do ekstrakcji metali i kwasów organicznych, jest Aliquat-336 (chlorek metylotrioktyloamoniowy). Jest to czwartorzędowy jon amoniowy, obdarzony trwałym ładunkiem dodatnim, w parze jonowej z chlorkiem, który można dodać do odpowiedniego rozpuszczalnika membranowego. Stosowany był do ekstrakcji jonów Cu, Cd, Co, Zn [76] i chromianów [77]. Po dodaniu jonów tiocyjanianowych do fazy donorowej powstaje ujemnie naładowany kompleks metal-rodanek, który jest eks- 305

13 trahowany jako para jonowa z kationem Aliquat 336. W części akceptorowej zachodzi wychwytywanie jonu metalu przy zastosowaniu DTPA, jak opisano wyżej (rysunek 5b). Do ekstrakcji jonów metali używa się powszechnie kwasu dietyloheksylofosforowego (DEHPA) [49, 78] (patrz rysunek 5c). W tym przypadku konieczne jest istnienie gradientu ph wzdłuż przekroju membrany, stąd faza akceptorowa jest bardziej kwaśna od donorowej (na ogół odpowiednio ph~1 i ph~3). Przeprowadzono specjację różnych form chromu (chromiany i jony chromu) łącząc dwa układy ekstrakcji membranowej, jeden pracujący z DEHPA dla ekstrakcji Cr(III) i drugi z Aliquat-336 dla ekstrakcji anionów chromianowych [77]. Donor h 2H O 2 2OH - Membrana Akceptor h 2 Q - 2 HQ Me(DTPA) 3- a Me 2+ Me(Q) 2 Me(Q) 2 H DTPA SCN - 4 SCN - 2- Me(SCN) 2 R 4NCl Me(DTPA) 4 Me Cl Me(SCN) (R N) DTPA Cl - 3- b Me 2+ + (HD) 2 H MeD2 2 Me 2+ 2 H + c Rys. 5. Schemat ekstrakcji membranowej jonów metali (Me); HQ 8-hydroksychinolina, DTPA 5 anion kwasu dietylenotriaminopentaoctowego, R 4 N + kation metylotrioktyloamoniowy, HD kwas dietyloheksylofosforowy. Przypadki a, b i c objaśnione są w tekście. 4. TEORIA I ZASADY EKSTRAKCJI MEMBRANOWEJ CIECZ-CIECZ Z WYKORZYSTANIEM MEMBRANY MIKROPOROWATEJ (MMLLE) 4.1 Informacje ogólne Technikę MMLLE jest techniką komplementarną w stosunku do techniki SLM. Umożliwia ona zastosowanie ekstrakcji membranowej dla innych klas związków i można ją realizować w podobnych układach membranowych. W tym przypadku także stosuje się membrany hydrofobowe najczęściej z PTFE lub też z polipropenu. Zarówno fazę akceptorową, jak i wypełnienie porów w hydrofobowej membranie stanowi rozpuszczalnik organiczny. Tworzy się układ dwufazowy wodno-organiczny, z organiczną fazą częściowo w porach membrany i częściowo w kanale akceptora. Technikę MMLLE stosuje się w szczególności do związków hydrofobowych, najczęściej pozbawionych ładunku, których nie można ekstrahować z wykorzystaniem techniki SLM. Analityk ma 306

14 w tym przypadku do czynienia z ekstraktem organicznym, a nie wodnym, typowym dla techniki SLM. Dlatego też technika MMLLE może być łatwiej łączona z chromatografią gazową i HPLC z normalnym układem faz, a technika SLM lepiej nadaje się do łączenia z HPLC z odwróconym układem faz. 4.2 Różnice w stosunku do techniki SLM Najistotniejszym elementem w przypadku techniki SLM jest wychwytywanie w fazie akceptorowej, podczas gdy w technice MMLLE, gdzie fazę akceptorową stanowi rozpuszczalnik organiczny, nie stosuje się reakcji wychwytywania. Maksymalna wydajność ekstrakcji określona jest bezpośrednio przez wartość współczynnika podziału (analogicznie jak w przypadku techniki LLE). Siłą napędową procesu przenoszenia masy jest dążenie do stanu równowagi podziału analitu między fazę organiczną i wodną. Przy wysokiej wartości współczynnika podziału, można stosować nieruchomy akceptor i nadal uzyskać znaczny stopień wzbogacenia przy bardzo małej objętości ekstraktu. Przy dużej hydrofobowości analitu (czyli wysokiej wartości współczynnika podziału) wydajność ekstrakcji będzie wyższa. Przy mniejszym współczynniku podziału natomiast, na polepszenie przenoszenia masy można wpłynąć stosując przepływ (ciągły lub okresowy) fazy akceptorowej, usuwając w ten sposób wyekstrahowane cząsteczki z przestrzeni akceptorowej i podtrzymując dyfuzję przez membranę. Przykładem techniki MMLLE z fazą odwróconą jest ekstrakcja związków fenolowych z fazy organicznej do wodnej [79]. W tym przypadku fenole wyłapywane są w silnie zasadowej wodnej fazie akceptorowej, która podczas trwania procesu ekstrakcji pozostaje nieruchoma. 4.3 Wpływ natężenia przepływu akceptora Dla przedstawienia wpływu różnych parametrów eksperymentalnych, a w szczególności szybkości przepływu donora i akceptora (odpowiednio F D i F A ) na wydajność ekstrakcji E, opracowano uproszczoną teorię podobną do omówionych wyżej równań dla przypadku techniki SLM [80]. Zakładając, że proces podziału zachodzi w stanie równowagi, a przepływ obu faz odbywa się we współprądzie, można przedstawić następujące równanie określające wartość wydajności ekstrakcji: E = 1 F D /(F D +F A K) (5) Jak wynika z równania, związki o dużej wartości współczynnika podziału K są ekstrahowane z większą wydajnością, a wzrasta ona ze wzrostem natężenia przepływu fazy akceptorowej. Jej duże natężenie przepływu pozwala utrzymać niskie stężenie analitu w przestrzeni akceptorowej, co z kolei prowadzi do maksymalnego gradientu stężenia, a w konsekwencji do dużej szybkości procesu przenoszenia masy. Jednakże ze względu na przepływ akceptora, analit ulega rozcieńczeniu, co prowadzi do spadku wartości współczynnika wzbogacenia, E e : E e = 1/(1/K+F A /F D ) (6) Przy nieruchomym akceptorze, maksymalna wartość współczynnika wzbogacenia wynosi: E e(max) =K (7) Powyższe równanie, słuszne w przypadku techniki MMLLE, należy porównać z odpowiadającym mu równaniem dla techniki SLM (równanie 4), w którym nie wystę- 307

15 puje współczynnik podziału, a maksymalna wartość współczynnika wzbogacenia jest determinowana przez warunki wychwytywania. Technika MMLLE jest co do istoty podobna do techniki ciągłej dializy. Przy założeniu równowagi między fazami i wartości K=1, równania (5-7) są słuszne również dla tej ostatniej techniki. Dla uproszczenia opisu przyjmuje się, że przepływ akceptora odbywa się we współprądzie do przepływu donora. Przy odwróceniu przepływu akceptora (przepływ przeciwprądowy), wzrośnie gradient stężenia między obiema fazami, prowadząc do intensyfikacji zjawiska przenoszenia masy. Jednakże z matematycznego punktu widzenia, sytuacja uwzględniająca przepływ współprądowy jest znacznie bardziej skomplikowana. Dla rozwiązania analogicznego problemu w przypadku dializy, opracowane zostały techniki numeryczne rozwiązywania odpowiedniego układu cząstkowych równań różniczkowych [81]. W ostatnio opublikowanych pracach [82] szczegółowo opisano metodę wraz z omówieniem warunków eksperymentalnych. 5. APARATURA DO PROWADZENIA EKSTRAKCJI Z WYKORZYSTANIEM CIEKŁYCH MEMBRAN 5.1 Układy przepływowe przystosowane do ekstrakcji membranowej Proste i tanie układy przepływowe do ekstrakcji membranowej, dla stosunkowo dużych próbek (powyżej 100 ml), można zbudować korzystając z pompy perystaltycznej i zespołu membrany z kanałami o objętości rzędu 1ml. Przykład takiego systemu przedstawiony jest na rysunku 6. Przy stosowaniu tego zestawu, fazę akceptorową usuwa się ręcznie po każdej ekstrakcji za pomocą strzykawki. Tego typu system znalazł zastosowanie w pracach laboratoryjnych [83, 84], do poboru próbek wód naturalnych [89] oraz próbek w szklarniach [86]. Bezpośredni transport fazy akceptorowej z układu ekstrakcyjnego do HPLC można przeprowadzić z wykorzystaniem przedkolumny, aby móc wprowadzić na kolumnę analityczną jak największą ilość wyekstrahowanego analitu zawartego w objętości 1-2 ml ekstraktu (patrz rysunek 7). Układy można całkowicie lub częściowo zautomatyzować przez zastosowanie pneumatycznych lub elektrycznie sterowanych zaworów, obsługiwanych przez sterowniki czasowe lub przez system komputerowy [67, 87]. Można także zastosować technikę wycinania fragmentu strumienia ekstraktu o najwyższym stężeniu, z zastosowaniem której zasadnicza część ekstraktu może zostać wprowadzona do pętli dozującej, celem bezpośredniego wprowadzenia do kolumny analitycznej, z pominięciem przedkolumny [53, 88]. Wymaga to jednak bardziej precyzyjnego pompowania i sterowania układem w czasie. Kwas Pompa perystaltyczna Spirala mieszająca Ściek Próbka Zespół membrany Rys. 6. Schemat budowy prostego urządzenia działającego w układzie off-line do ekstrakcji z wykorzystaniem ciekłych membran [85] 308

16 Dla mniejszych próbek (<1ml) dokładność dostarczania cieczy przez pompy perystaltyczne jest niewystarczająca i w takich przypadkach stosuje się układy wykorzystujące pompy strzykawkowe w połączeniu z odpowiednimi robotami laboratoryjnymi [89, 90]. Typowy przykład takiego zestawu aparaturowego przedstawiono na rysunku 8. Igła robota, połączona z pompą strzykawkową, dostarcza odczynniki ustalające ph próbek we fiolkach, następnie pobiera z nich określoną objętość i przetłacza ją przez kanał donorowy miniaturowego zespołu membrany (objętość kanału ok. 10µl). Cały ekstrakt zebrany w kanale akceptorowym, przenoszony jest następnie do pętli dozującej, połączonej z HPLC w tradycyjny sposób. Tak więc cały ekstrakt uzyskany z próbki o objętości np. 1 ml jest dozowany do kolumny chromatograficznej. Zazwyczaj w momencie analizy chromatograficznej jednej próbki, kolejna jest już ekstrahowana, a o czasie trwania całego cyklu decyduje czas trwania procesu rozdzielania chromatograficznego. Woda Próbka Pompy perystaltyczne Zespół membrany ściek Kwas donorowy Bufor ph 13 Kwas Kwas myjący Pompa LC Przedkolumna Kolumna analityczna Rys. 7. Schemat budowy zestawu aparaturowego przeznaczonego do badań środowiskowych za pomocą ekstrakcji z wykorzystaniem ciekłych membran, połączonego z chromatografem cieczowym w układzie on-line [67]. 309

17 Zespół membrany Bufor donorowy Próbki Bufor akceptorowy Pompa LC Kolumna LC Rys. 8. Schemat zestawu aparaturowego SLM-HPLC przeznaczonego do oznaczeń biocząsteczek w próbkach osocza krwi lub moczu [90] Połączenie techniki MMLLE z chromatografią gazową W przypadku chromatografii gazowej najbardziej odpowiednią techniką ekstrakcji jest technika MMLLE. Organiczny akceptor lepiej współgra z GC niż z LC, podobnie jak najlepiej ekstrahowane w tym układzie anality (tzw. związki względnie hydrofobowe). Organiczną fazę akceptorową można wstrzykiwać bezpośrednio do kolumny GC za pomocą dozownika o dużej objętości [80]. Nowym osiągnięciem jest rozwiązanie proponowane pod postacią przyrządu ESy (tzw. strzykawka ekstrakcyjna, firmy Personal Chemistry, Uppsala, Szwecja) [23], w którym proces ekstrakcji MMLLE w mikroskali (objętość ekstraktu 1,6 µl) prowadzony jest w sposób automatyczny, a organiczny ekstrakt wstrzykiwany jest bezpośrednio do GC przez igłę iniekcyjną związaną z komórką ekstrakcyjną. Obecnie trwają próby komercjalizacji tego nowego rozwiązania (patrz rysunek 9). 5 C A B Chromatograf gazowy Rys. 9. Schemat budowy strzykawki ekstrakcyjnej (ESy). A zespół membrany, B igła nastrzykowa, C ramię robota dozującego, 1 membrana, 2 igła, 3 termostat, 4 nakrętka, 5 doprowadzenie fazy akceptorowej, 6 doprowadzenie fazy donorowej, 7 wylot fazy donorowej. 310

18 5.3 Wyposażenie pracujące w układzie off-line Oprócz układów przepływowych lub zestawów do ekstrakcji membranowej z wykorzystaniem robotów laboratoryjnych, istnieją urządzenia wykorzystujące ekstrakcję membranową w układzie off-line. Kilka takich jednostek ekstrakcyjnych może pracować równolegle z obsługą manualną lub z wykorzystaniem dozowników automatycznych. Większość tego typu urządzeń stanowią układy dwufazowe. W dostępnych publikacjach [28, 91-93] można znaleźć opis procesu ekstrakcji membranowej w układzie trójfazowym z membraną ciekłą, prowadzonego w wydrążonym porowatym włóknie, pod nazwą mikroekstrakcja do fazy ciekłej. Włókno jest impregnowane fazą organiczną, co pozwala wytworzyć warunki odpowiadające technikom SLM i MMLLE, w zależności od rodzaju zastosowanej fazy akceptorowej. Fizycznie włókno jest umieszczone pod nakrętką ampułki stosowanej w dozownikach automatycznych, gdzie razem z dwiema igłami hipodermicznymi tworzy ono jednostkę ekstrakcyjną jednorazowego użytku. (patrz rysunek 10). Metoda znalazła zastosowanie do oznaczania leków w próbkach biologicznych. W literaturze opisane jest też inne, podobne urządzenie [94, 96]. Igła do wstrzykiwania roztworu akceptorowego Nakrętka z membraną silikonową Igła do odbioru roztworu akceptorowego roztwór próbki (roztwór donorowy) Wydrążone włókno porowate (impregnowane rozpuszczalnikiem organicznym) Rys.10. Schemat budowy urządzenia do ekstrakcji membranowej pracującego w układzie off-line [92]. 6. ZASTOSOWANIA Ampułka Roztwór akceptorowy Ekstrakcja membranowa jest użyteczna w oznaczaniu szerokiego spektrum analitów w różnych matrycach. W opublikowanych pracach można znaleźć dane dotyczące badań środowiskowych, analizy próbek biologicznych, żywności oraz analizy przemysłowej. We cytowanych już publikacjach przeglądowych [10, 16] zastosowania te omówione są szczegółowo, a w tabeli 2 zestawiono informacje o niektórych zastosowaniach. W bioanalizie techniki membranowe stosuje się do oznaczania leków, ale także innych związków, w płynach biologicznych (osocze krwi, mocz). W zastosowaniach tych decydującym czynnikiem jest selektywność, podobnie jak możliwość automatyzacji. Na rysunku 11 przedstawiono przykładowy chromatogram uzyskany w trakcie analizy próbek ekstraktu zawierającego amperozyd i jego metabolity. Także i w innych zastosowaniach w układach przepływowych uzyskano wysoką selektywność, przy wartościach współczynnika wzbogacenia w granicach Urządzenia w układzie off-line stosowano do ekstrakcji sulfonylomocznika i kilku innych leków w próbkach osocza krwi i innych matrycach biologicznych. 311

19 minuty minuty Rys. 11. Chromatogramy uzyskane w trakcie analizy próbki ekstraktu zawierającego Amperozyd i jego metabolity: (a) chromatogram Amperozydu (I), jego metabolitu (II) i homologu (III) po wzbogacaniu z osocza krwi i wykonana po nim ślepa próba; (b) odpowiednie chromatogramy po wzbogacaniu z wodnego roztworu buforowego; stężenia: 4µg/ml I i II, 8µg/ml III [90]. Zanieczyszczenia, jak i naturalne składniki, oznaczane są w próbkach wód naturalnych i innych matrycach środowiskowych. W tego typu zastosowaniach różne warianty ekstrakcji membranowej zapewniają uzyskanie wysokich współczynników wzbogacenia oznaczanych związków występujących w niskich stężeniach. Dodatkowo, selektywność pozwala na odróżnienie ich od innych naturalnie występujących interferentów głównie związków humusowych (patrz rysunek 12). Związki, które skutecznie udaje się wyekstrahować z próbek wód naturalnych stosując technikę SLM to: fenoksykwasy, herbicydy sulfonylomocznikowe, fenole i ich pochodne, herbicydy tiazynowe, pochodne aniliny, jony metali i surfaktanty. Technika MMLLE umożliwia ekstrakcję związków niejonowych, np. toluenu, chlorobenzenów, naftalenu. sygnał (jednostki umowne) Ssignal (arb. units) a b Time (min) Czas (min) Czas (min) Rys. 12. Chromatogramy (LC-UV) herbicydów metoksy-s-triazyny. (a) ekstrakcja z wykorzystaniem techniki SPE z próbki skażonej wody rzecznej (1,0 µg/l każdego analitu), (b) ekstrakcja z wykorzystaniem techniki SLM z próbki skażonej wody rzecznej (0,5 µg/l każdego analitu); oznaczenie pików: 1 Simeton, 2 Atraton, 3 Secbumeton, 4 Terbumeton [103]. W przypadku analizy próbek żywności, oznaczana jest witamina E w maśle i pestycydy w jajkach. Z oleju spożywczego ekstrahowano herbicydy triazynowe przy zastosowaniu 312

20 techniki MMLLE. Dzięki zastosowaniu zasady ekstrakcji techniki SLM do próbek stałych i pół-stałych możliwe okazało się ekstrahowanie i ilościowe oznaczanie nikotyny w tytoniu, waniliny w próbek żywności (np. czekolady) i kofeiny w kawie i herbacie. Przedstawiono już pewną liczbę zastosowań ekstrakcji membranowej w przemyśle. Najczęściej wykorzystywane są techniki PMA i MMLLE, a oznacza się fenole w próbkach paliw, olejów, benzyny itp. Tabela 2. Wybrane zastosowania ekstrakcji membranowej. Skróty można znaleźć w tekście lub w takiej formie są powszechnie stosowane. Oznaczane składniknowtyczna literaturowy Technika membra- Technika anali- Odnośnik Matryce Podstawowe leki osocze krwi SLM HPLC 90 osocze krwi, mocz LPME HPLC, GC, CE 28, mocz SLM HPLC 89, 98, 99 osocze krwi MMLLE GC 80 Estry organofosforowe osocze krwi MMLLE GC-MS 100 Ołów mocz SLM AAS 78 Fenoksykwasy woda naturalna SLM HPLC 85, 101 Herbicydy sulfonylomocznikowe woda naturalna SLM HPLC 67 Fenole i pochodne woda naturalna SLM HPLC 87 roztwory składników odżywczych SLM HPLC 86 Kwasy karboksylowe płyny glebowe SLM IC 102 Herbicydy triazynowe woda naturalna SLM HPLC woda naturalna MMLLE HPLC 109 woda naturalna MMLLE FIA 106 Aniliny woda naturalna SLM HPLC 107 Metale woda naturalna SLM AAS 49, 76 Surfaktanty anionowe woda naturalna SLM HPLC 108 Surfaktanty kationowe Fungicydy woda naturalna SLM, MMLLE HPLC 110, 111 Półlotne zw. org. woda PME HPLC 112, 113 Pestycydy jajka PME HPLC 114 wino MMLLE GC 115 Aminy biogenne wino SLM HPLC 116 Witamina E masło PME HPLC 88 Herbicydy triazyno- olej spożywczy MMLLE FIA, HPLC 117 we Fenole olej mineralny PME HPLC 118, 119 olej pirolityczny MMLLE LC-LC