Technika in-needle badanie efektywności nowych układów ekstrakcyjnych

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ ZAKŁAD CHEMII ORGANICZNEJ Technika in-needle badanie efektywności nowych układów ekstrakcyjnych Monika Pietrzyńska Promotor: Prof. dr hab. inż. Adam Voelkel Praca przedłożona Radzie Wydziału Technologii Chemicznej w celu uzyskania stopnia naukowego doktora Poznań 2013

Badania realizowane częściowo w ramach projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki 2011/01/N/ST5/05549 4

SPIS TREŚCI WPROWADZENIE... 9 CZĘŚĆ TEORETYCZNA... 11 1. EKSTRAKCJA DO FAZY STAŁEJ... 11 1.1. Rodzaje i budowa materiałów sorpcyjnych...11 1.2. Sorpcja oznaczanego związku z cieczy do ciała stałego...14 1.3. Wymywanie substancji ekstrahowanej z ciała stałego...16 2. TECHNIKA IN-NEEDLE... 19 2.1. Przygotowanie igły wypełnionej materiałem sorpcyjnym...24 2.2. Próbki gazowe...24 2.2.1. Wpływ warunków prowadzenia procesu na efektywność ekstrakcji...25 2.2.1.1. Objętość przebicia...25 2.2.1.2. Wpływ prędkości przepływu na odzysk...26 2.2.1.3. Objętość eluentu...26 2.2.2. Zużywalność igieł ekstrakcyjnych...27 2.2.3. Przechowywanie...27 2.3. Próbki wodne...28 3. HYDRODYNAMIKA... 29 4. OGRANICZENIA KLASYCZNYCH METOD STOSOWANYCH DO EKSTRAKCJI ANALITÓW Z PRÓBEK CIEKŁYCH... 32 5. MATERIAŁY MONOLITYCZNE... 35 5.1. Materiał monolityczny stosowany jako wypełnienie kolumny chromatograficznej...35 5.1.1. Krzemionkowa monolityczna kolumna chromatograficzna...36 5.1.2. Polimerowa monolityczna kolumna chromatograficzna...37 5.1.3. Zastosowanie kolumn monolitycznych w ekstrakcji do fazy stałej...38 6. PARAMETR ROZPUSZCZALNOŚCI... 39 CEL PRACY... 41 5

CZEŚĆ DOŚWIADCZALNA... 42 7. ODCZYNNIKI I APARATURA... 42 7.1. Rozpuszczalniki...42 7.2. Związki testowe...42 7.3. Komercyjne materiały sorpcyjne...43 7.4. Odczynniki stosowane do uzyskania złoża monolitycznego...43 7.5. Materiały dentystyczne...43 7.6. Igły ze stali nierdzewnej...44 7.7. Strzykawki...45 7.8. Aparatura...46 8. METODY PRZYGOTOWANIA IGIEŁ EKSTRAKCYJNYCH... 49 8.1. Sposób wykonania igieł ekstrakcyjnych wypełnionych komercyjnym materiałem sorpcyjnym...49 8.2. Otrzymywanie monolitycznych igieł ekstrakcyjnych...50 8.2.1. Sposób przygotowania wewnętrznej warstwy igły...50 8.2.2. Polimeryzacja materiału monolitycznego w igle...50 9. SPOSOBY BADANIA EFEKTYWNOŚCI UKŁADÓW EKSTRAKCYJNYCH... 52 9.1. Ekstrakcja z próbek wodnych...52 9.2. Określenie prędkości przepływu...53 9.3. Oznaczenie pojemności sorpcyjnej materiału...54 9.4. Dobór eluentu do etapu desorpcji...54 9.5. Wyznaczenie objętości przebicia złoża ekstrakcyjnego...55 9.6. Ocena wpływu prędkości przepływu próbki przez złoże na odzysk...55 9.7. Wyznaczenie minimalnej ilości eluentu potrzebnej do całkowitej elucji analitów...55 9.8. Ekstrakcja z próbek wodnych o różnym stężeniu...56 9.9. Uzupełniające badania efektywności układów ekstrakcyjnych opartych o komercyjne materiały...56 9.9.1. Oszacowanie zużywalności przygotowanych igieł...56 9.9.2. Oszacowanie powtarzalności przeprowadzanych ekstrakcji...56 9.10. Charakterystyka monolitycznego materiału sorpcyjnego...56 6

9.11. Parametr rozpuszczalności materiałów monolitycznych...57 9.12. Analiza materiałów dentystycznych...57 9.13. Warunki analizy chromatograficznej...58 9.13.1. Warunki analizy wykonywanej przy zastosowaniu chromatografu cieczowego (HPLC)...58 9.13.2. Warunki analizy wykonywanej przy zastosowaniu chromatografu gazowego (GC)...58 9.13.3. Warunki analizy wykonywanej przy zastosowaniu chromatografu gazowego sprzężonego z spektrometrem mas (GC/MS)...59 9.13.4. Analiza ilościowa...59 9.13.5. Analiza statystyczna...59 10. IGŁY WYPEŁNIONE KOMERCYJNYM MATERIAŁEM SORPCYJNYM... 61 10.1. Prędkość przepływu...61 10.2. Pojemność sorpcyjna...64 10.3. Wpływ eluentu na procent odzysku...66 10.4. Objętość przebicia...67 10.5. Wpływ prędkości przepływu próbki przez złoże na proces sorpcji...70 10.6. Wyznaczenie minimalnej ilości eluentu potrzebnej do całkowitej elucji analitów...72 10.7. Ekstrakcja fenolu...73 10.8. Oszacowanie zużywalności przygotowanych igieł...74 10.9. Oszacowanie powtarzalności przeprowadzanych ekstrakcji i przygotowanych igieł ekstrakcyjnych...75 10.10. Materiały węglowe...76 11. HYDRODYNAMICZNY ASPEKT WYKORZYSTANIA IGIEŁ EKSTRAKCYJNYCH 78 11.1. Kryteria...78 11.2. Parametr przepuszczalności...81 11.3. Model P IN...84 12. IGŁY WYPEŁNIONE MONOLITYCZNYM MATERIAŁEM POROWATYM... 89 12.1. Modyfikacja wewnętrznej warstwy igły...89 12.2. Charakterystyka materiału monolitycznego...90 12.3. Prędkość przepływu...92 12.4. Pojemność sorpcyjna...93 7

12.5. Wpływ rozpuszczalnika na procent odzysku...94 12.6. Wyznaczenie minimalnej ilości eluentu potrzebnej do całkowitej elucji analitów...95 12.7. Objętość przebicia...95 12.8. Wpływ prędkości przepływu próbki przez złoże monolityczne na odzysk...97 12.9. Odzysk...98 13. PARAMETR ROZPUSZCZALNOŚCI DLA MATERIAŁÓW MONOLITYCZNYCH 100 14. ANALIZA MATERIAŁÓW DENTYSTYCZNYCH- PORÓWNANIE DWÓCH TECHNIK EKSTRAKCYJNYCH: TECHNIKI IN-NEEDLE Z KLASYCZNĄ EKSTRAKCJĄ DO FAZY STAŁEJ (SPE)... 104 WNIOSKI... 108 LITERATURA... 111 STRESZCZENIE... 120 ABSTRACT... 122 DOROBEK NAUKOWY... 124 8

Wprowadzenie Przygotowanie próbki do analizy chromatograficznej - wyizolowanie oznaczanych składników oraz ich zatężenie do poziomu umożliwiającego ilościowe oznaczenie, jest głównym problemem większości współczesnych metod analitycznych. Etap ten jest najbardziej czaso- i pracochłonny. Istotnym problemem wielu stosowanych metod śladowej analizy związków organicznych, jest konieczność użycia dużych ilości bardzo czystych rozpuszczalników organicznych. Wiąże się to z dużymi kosztami oraz problemem z utylizacją. Ze względu na powyższe trudności, korzystne jest stosowanie metod, które ograniczają zużycie często szkodliwych, a nawet toksycznych, rozpuszczalników organicznych. Niewłaściwe przygotowanie próbek może być nie tylko przyczyną straty analitów ale również źródłem dodatkowych zanieczyszczeń. Dlatego też od właściwego przygotowania próbki będzie zależał wynik końcowy analizy, czyli informacje dotyczące badanej próbki. Coraz większe oczekiwania w stosunku do obniżenia poziomu oznaczalności wielu analitów w próbkach o złożonym składzie matrycy zmuszają analityków do poszukiwania nowych rozwiązań metodycznych i aparaturowych. Łączenie technik w układy wielowymiarowe i hybrydowe to niewątpliwie przyszłość chemii analitycznej. Ważnym czynnikiem poprawiającym skuteczność analizy jest możliwość selektywnego izolowania i wzbogacania analitów, dzięki czemu realne staje się oznaczanie składników na poziomie ppb, ppt a nawet ppq. Jednakże sytuacja zdecydowanie komplikuje się, gdy oznaczana substancja występuje w próbkach o złożonym składzie matrycy takich, jak: materiał roślinny, tkanka zwierzęca, osady czy gleba. Metody przygotowania próbek zazwyczaj dzieli się ze względu na rodzaj próbki (stan skupienia): dla próbek gazowych wyróżnia się: ekstrakcję do fazy ciekłej (ciecz-gaz), ekstrakcję do fazy stałej (GSE) i ekstrakcję membranową, 9

dla próbek ciekłych wyróżnia się: ekstrakcję do fazy ciekłej (ciecz-ciecz), ekstrakcję do fazy stałej SPE (ang. Solid Phase Extraction) ekstrakcję do fazy gazowej, ekstrakcję membranową, dla próbek stałych wyróżnia się: ekstrakcję do fazy gazowej i ekstrakcję membranową. Ponieważ technika in-needle pozwala przygotować zarówno próbki z matrycy gazowej jak i ciekłej w niniejszej pracy zostanie zastosowany podział ze względu na fazę, do której następuje sorpcja. 10

CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1. Ekstrakcja do fazy stałej Ekstrakcja próbek gazowych do fazy stałej GSE [1] jest najbardziej znaną techniką izolacji i wzbogacania analitów z próbek gazowych. Proces ekstrakcji może zachodzić w układzie dynamicznym (poprzez wymuszenie przepływu badanej próbki przez rurkę sorpcyjną) lub statycznym (bez wymuszonego ruchu analizowanego gazu). Próbki gazowe są stosunkowo często ekstrahowane przy zastosowaniu techniki in-needle, co zostało szerzej opisane w dalszej części pracy (pkt. 2.1 i 2.2). Odmianą ekstrakcji do fazy stałej jest mikroekstrakcja do fazy stałej (SPME) polegająca na wydzieleniu badanych związków na włóknie sorpcyjnym zarówno z próbek gazowych jak i ciekłych. Ekstrakcja próbek ciekłych do fazy stałej SPE jest jedną z bardziej ekonomicznych i efektywnych klasycznych metod wydzielania nielotnych substancji z cieczy. Technika SPE polega na przepuszczeniu ciekłej analizowanej próbki przez złoże i sorpcji oznaczanych związków. Zatrzymane związki są następnie uwalniane przez przepuszczenie przez sorbent niewielkiej ilości rozpuszczalnika organicznego. 1.1. Rodzaje i budowa materiałów sorpcyjnych Do najważniejszych materiałów stosowanych w adsorpcji w układzie ciecz-ciało stałe zalicza się: materiały krzemionkowe: dzielimy je na zwykłe i modyfikowane grupami funkcyjnymi, np. C8 (oktyl), C18 (oktadecyl), CN (nitryl), jonowymienne z grupami karboksylowymi, aminowymi lub sulfonowymi [2]; powierzchnia właściwa materiałów krzemionkowych wynosi od 200 do 600 m 2 /g; najczęściej materiały krzemionkowe stosowane w ekstrakcji do fazy stałej mają średnicę ziarna wynoszącą 40µm i wielkość porów 60Å; najwyższą pojemność sorpcyjną posiada materiał krzemionkowy C18 sięgającą do kilkunastu miligramów analitu zaadsorbowanego na jednym gramie sorbentu [3]; materiały polimerowe modyfikowane różnymi grupami funkcyjnymi: oparte na kopolimerze styrenu i diwinylobenzenu (np. SDB, Polysorb S) oraz akrylowe (np. 11

Amberlit); sorbenty polimerowe w porównaniu z sorbentami krzemionkowymi charakteryzują się bardziej rozwiniętą powierzchnią właściwą, posiadają też wyższą pojemność sorpcyjną, co sprawia, że mają lepsze właściwości ekstrakcyjne niż sorbent C18; kolejną zaletą sorbentów polimerowych jest ich stabilność w szerokim zakresie ph, od 2-12 [3]; węgle aktywne: posiadają różne właściwości ze względu na różnorodność stosowanych materiałów do ich otrzymywania oraz warunków, w których prowadzi się ten proces, a także od dodatku czynnika aktywującego; powierzchnia właściwa tych adsorbentów mieści sie w granicach 100-1200 m 2 /g, i porowatość od 0,15-0,94; niekorzystną cechą węgli aktywnych jest nieodwracalna sorpcja analitów w miejscach aktywnych [3]. Powszechnie stosowane adsorbenty dzieli się również ze względu na ich polarność [4, 5]: polarne - na adsorbentach polarnych dobrze adsorbują się związki o dużej wartości momentu dipolowego; oznacza to, że ilość i charakter grup funkcyjnych w cząsteczce ma duży wpływ na trwałość jej adsorbowania się; na trwałość adsorpcji wpływają więc takie elementy budowy związków organicznych, jak wiązania wielokrotne, pierścień aromatyczny itp.; długość łańcucha alifatycznego i całkowita wielkość cząsteczki ma natomiast niewielki wpływ; niepolarne - na adsorbentach niepolarnych siła adsorpcji zależy od długości łańcucha, rośnie ze wzrostem wielkości cząsteczek, co umożliwia rozdzielanie związków homologicznych. Porowate sorbenty mogą mieć złożoną strukturę wewnętrzną. Specyficzność budowy związana jest z ich pochodzeniem i obróbką poprzedzającą zastosowanie. Poniżej przedstawiono podział ciał porowatych (Rys. 1). 12

Rys. 1 Schemat struktur ciał stałych porowatych: a) izotropowe ciało porowate; b) anizotropowe ciało porowate o strukturze regularnej; c) anizotropowe ciało porowate o strukturze nieregularnej (według pomysłu Petrusa [6]) Izotropowe ciała porowate (Rys. 1a) w całej objętości mają jednakową budowę we wszystkich kierunkach. Do tej grupy należą ciała porowate zbudowane z elementów strukturalnych, których rozmiary są znacznie mniejsze od rozmiarów ciała porowatego. Własności izotropowego ciała porowatego, jako środowiska dyfuzji, charakteryzuje się współczynnikiem dyfuzji, który w tym przypadku zachowuje jednakową wartość dla wszystkich kierunków dyfuzji. Charakterystyczną cechą anizotropowych ciał porowatych jest ich niejednorodność strukturalna w poszczególnych kierunkach. Przewodnictwo dyfuzyjne anizotropowych ciał porowatych o strukturze regularnej (Rys. 1b) jest stałe dla danego kierunku, ale zmienia się ze zmianą kierunku. Przykładem regularnej struktury mogą być obiekty roślinne o budowie kapilarnej. Analizując kinetykę ekstrakcji, ciało porowate tego typu należy rozpatrywać, jako zbiór kapilar, z których każda jest oddzielnym zbiorniczkiem cieczy. Anizotropowe ciała porowate o strukturze nieregularnej (Rys. 1c) zbudowane są z elementów, które są oddzielone od siebie przegrodami nie przepuszczalnymi dla cieczy. Ciała takie charakteryzują się bardzo złożoną zależnością przewodnictwa dyfuzyjnego od kierunku dyfuzji. W analizie procesu wymiany masy takie ciała można rozpatrywać, jako zespół naczyń (porów) o określonym rozkładzie objętości [5, 6]. Ciała porowate, zawierające substancję wymywaną w postaci ciała stałego, charakteryzują się złożonością struktury. Wynika ona z rozmieszczenia ciała stałego w objętości szkieletu porowatego. Podczas trwania procesu ekstrakcji rozpuszczalne ciało stopniowo zanika i porowatość struktury zwiększa się. [6]. W przypadku, gdy 13

proces ekstrakcji prowadzony jest w sposób właściwy, masa szkieletu porowatego, odgrywającego rolę nośnika, nie ulegnie zmianie. Charakterystykę procesu ekstrakcji na stałym sorbencie podzielono na dwie części. Pierwsza część opisana w punkcie 1.2: adsorpcja badanych związków na adsorbencie zjawiska adsorpcji fizycznej (oddziaływania sił van der Waalsa oraz siły kohezji spójności) i adsorpcji chemicznej [6, 7]. Druga część opisana w punkcie 1.3: wymycie (desorpcja) badanych związków przy użyciu rozpuszczalnika [5, 6]. 1.2. Sorpcja oznaczanego związku z cieczy do ciała stałego Wspólnym mianem sorpcji określa się proces adsorpcji (zjawisko powierzchniowe) i absorpcji (proces wnikania do wnętrza fazy). Adsorpcją nazywa się zagęszczenie substancji na powierzchni lub w objętości mikroporów ciała stałego wskutek działania przyciągających sił międzycząsteczkowych. Bez względu na różnorodność sił adsorpcyjnych, wszystkie zjawiska adsorpcyjne możemy podzielić na dwa podstawowe typy: adsorpcję fizyczną i chemisorpcję. Adsorpcja cząsteczek adsorbatu na powierzchni adsorbentu zachodzi dzięki temu, że cząsteczki lub atomy na powierzchni adsorbentu mają większą energię niż cząsteczki lub atomy w jego wnętrzu. Ta dodatkowa energia nazywa się energią powierzchniową. Charakter sił wiążących adsorbat z powierzchnią adsorbentu dzieli adsorpcję na dwa rodzaje: adsorpcja typu fizycznego: spowodowana jest działaniem przyciągających sił międzycząsteczkowych, w większości przypadków są to siły typu van der Waalsa, spotęgowane niekiedy siłami elektrostatycznymi lub siłami wiązania wodorowego; Oddziaływania van der Waalsa ujawniają się dopiero, gdy cząsteczki znajdują się w odpowiedniej odległości rzędu kilku nm. Największą odległość między cząsteczkami, przy której siły kohezji jeszcze działają, nazwano promieniem oddziaływania cząsteczkowego, adsorpcja typu chemicznego: nazywana również chemisorpcją, jest związana z wytworzeniem wiązania chemicznego między adsorbatem a adsorbentem. Podczas zbliżania się cząstek adsorptywu do powierzchni adsorbentu, następuje 14

przemieszczenie elektronów oddziałujących składników z wytworzeniem wiązania chemicznego [8]. Adsorpcja fizyczna zachodzi na całej powierzchni adsorbentu, a chemisorpcja zachodzi na znikomej części adsorbentu. Adsorpcja fizyczna jest wielowarstwowa, ponieważ siły fizyczne występujące na powierzchni ciała stałego mają znaczny zasięg i dlatego nie są wysycane przez jedną warstwę zaadsorbowanych cząsteczek, podczas gdy chemisorpcja jest jednowarstwowa. Aby uzyskać zadowalającą wydajność procesu adsorpcji, adsorbent musi cechować się silnie rozwiniętą powierzchnią zewnętrzną, a przede wszystkim wewnętrzną rzędu setek a nawet tysięcy [m 2 /g], co uzyskuje się przez odpowiednie rozdrobnienie, a także przez odpowiednie rozwinięcie struktury wewnętrznej porów [6]. Molekularny mechanizm adsorpcji danej substancji z roztworu na danym adsorbencie jest procesem złożonym. Nawet w przypadku najprostszego roztworu (dwuskładnikowego) już przy małym jego stężeniu adsorpcja zależy od następujących czynników [8]: od siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami adsorbatu, a powierzchnią adsorbentu; od siły oddziaływania między cząsteczkami rozpuszczalnika, a powierzchnią adsorbentu od siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami adsorbatu i rozpuszczalnika zarówno w warstwie powierzchniowej jak i objętościowej. Ze względu na złożoność układu, badanie mechanizmu cząsteczkowego procesu adsorpcji na granicy faz ciało stałe roztwór napotyka na znaczne trudności. Rodzaj stosowanego rozpuszczalnika ma często zasadniczy wpływ na przebieg procesu adsorpcji z roztworu. Silne, specyficzne oddziaływanie cząsteczek rozpuszczalnika z powierzchnią adsorbentu powoduje zablokowanie jego miejsc aktywnych i znacznie obniża wielkość adsorpcji substancji rozpuszczonej. Także silne, specyficzne oddziaływanie międzycząsteczkowe pomiędzy składnikami roztworu w fazie objętościowej najczęściej znacznie zmniejsza oddziaływanie pomiędzy nimi a powierzchnią adsorbentu. Przeważnie, więc dobra rozpuszczalność danej substancji idzie w parze ze słabszą jej adsorpcją [7]. 15

1.3. Wymywanie substancji ekstrahowanej z ciała stałego Desorpcja jest procesem odwrotnym do sorpcji. Jeżeli ubytek cząstek na powierzchni nie jest kompensowany przez sorpcję nowych cząstek to ich liczba szybko maleje, aż do całkowitego zaniku. Substancja ekstrahowana może znajdować się w ciele porowatym w dwóch postaciach: jako roztwór wypełniający pory ziaren lub przestrzenie między-ziarnowe, wówczas ekstrakcja związana jest z dyfuzją rozpuszczonego ciała stałego z porowatej przestrzeni inertnego szkieletu do otaczającego środowiska ciekłego; jako rozpuszczalne ciało stałe, wówczas dyfuzję poprzedza rozpuszczanie substancji wymywanej. Substancja ekstrahowana rozpuszcza się i dyfunduje do głównej masy cieczy, a do roztworu przechodzi tylko część ciała stałego, podczas gdy porowaty nośnik zostaje niezmieniony [5]. Wnikaniem masy w układzie ciało stałe ciecz nazywa się przenoszeniem substancji od powierzchni ciała stałego do strumienia cieczy, który to ciało opływa. Siłą napędową takiego procesu jest gradient stężenia na powierzchni ciała stałego. W procesie ekstrakcji substancji rozpuszczonej z ciał porowatych stężenie na powierzchni ciała porowatego określają dwa procesy: dostarczanie substancji do powierzchni ciała porowatego przez dyfuzje w ciele porowatym i odbiór tej substancji przez główna masę rozpuszczalnika. Intensywność wnikania masy od powierzchni ciała porowatego do głównej masy roztworu jest proporcjonalna do wartości różnicy stężenia na powierzchni ciała porowatego oraz w głównej masie [6]. Przebieg procesu ekstrakcji uzależniony jest od różnicy stężeń (stężenia roztworu w porach i stężenia w głównej masie cieczy). Z punktu widzenia kinetyki najkorzystniejsza sytuacja istnieje wtedy, gdy stężenie w głównej masie cieczy jest równe zeru. Zwykle ciecz kontaktująca się z ciałem porowatym w sposób ciągły zwiększa swoje stężenie, a w związku z tym i stężenie cieczy na powierzchni ciała porowatego w sposób ciągły ulega zmianie. Ilość nagromadzonej substancji ekstrahowanej w głównej masie cieczy zależy od tego, jak wiele tej substancji oddało ciało porowate i od sposobu prowadzenia procesu ekstrakcji. Sposób realizacji procesu zależy z kolei od wzajemnego oddziaływania faz. 16

Na dyfuzyjny transport substancji wpływa, w sposób istotny, struktura stałego szkieletu ciała porowatego. Określenie tego wpływu jest utrudnione przez dużą różnorodność ciał porowatych. Sprawą dyskusyjną jest przydatność praw Ficka do określenia strumienia substancji i pola stężeń w ciele porowatym. Czynniki wpływające na spowolnienie dyfuzyjnego ruchu masy w ciele porowatym są: mechaniczne blokowanie strumienia dyfuzyjnego przez szkielet ciała porowatego, wydłużenie drogi dyfuzji wskutek krętości kapilar, hamowaniem ruchu cząsteczek przez ścianki kapilar, wzrostem lepkości cieczy z powodu ewentualnego rozpuszczania się substancji szkieletu. W oparciu o poniższy rysunek (Rys. 2) rozpatrzono proces przebiegający w rzeczywistych kapilarach. Aksielrud zaproponował, aby taką kapilarę rozpatrywać, jako zespół szeregowo połączonych nieregularnych kapilar o dużym i małym przekroju [9]. Analizując pole prędkości w kapilarze można wydzielić trzy wyraźne strefy (obszary): 1) strefa intensywnego przepływu, znajdującą się w osiowej części kapilary, 2) strefa wirów (ruch cyrkulacyjny cieczy), 3) strefę zastoju, w której ciecz jest w bezruchu. Rys. 2 Rozmieszczenie stref przepływu podczas przemywania ciała porowatego (według pomysłu Aksielruda [9]) 17

Pierwszym etapem ekstrakcji z takiej kapilary jest wyparcie roztworu ze strefy 1, które stwarza warunki do ruchu masy substancji rozpuszczonej ze strefy 2 do1 oraz ze strefy 3 do 2. Mechanizm przenoszenia masy jest różnorodny. Ze strefy 2 do 1 przenoszenie jest typowym procesem konwekcyjnym. W strefie 2 ze względu na istniejące w niej wiry, można przyjąć, że stężenie substancji ekstrahowanej jest stałe w całej objętości. Ruch masy ze strefy 3 do 2 odbywa się przez dyfuzję, a stężenie w strefie 3 spada w kierunku osi kapilary. Oczywiście, w strefach zastoju, których jest wiele w rzeczywistych kapilarach, substancja ekstrahowana zatrzymywana jest najdłużej. 18

2. Technika in-needle Nowa metoda przygotowania próbek in-needle (z ang. w igle ) została rozwinięta dla oznaczania związków organicznych w próbkach gazowych i wodnych. Specjalnie zaprojektowana igła ekstrakcyjna (Rys. 3a) zawiera w sobie wypełnienie (Rys. 3b) na którym zostają zatrzymane anality. Wylot igły (Rys. 3c) znajduje się z boku, a nie na jej końcu co uniemożliwia wysypanie się materiału sorpcyjnego. Rys. 3 Igła ekstrakcyjna (a) wypełniona materiałem sorpcyjnym (b) Pierwsze wzmianki o zastosowaniu igły upakowanej materiałem, pochodzą z 1978 roku, igła wypełniona materiałem Tenax została zastosowana do wyizolowania lotnych związków organicznych (VOC) z powietrza [10]. W 1997 roku została zaproponowana inna odmiana techniki in-needle [11], wewnątrz igły umieszczono fragment kolumny kapilarnej (DB5) stosowanej w chromatografii gazowej (GC). Urządzenie to nazwano inside needle capillary adsorption trap (INCAT) [12-15]. Rys. 4 Igła ekstrakcyjna zaproponowana przez Marka McComba; inside needle capillary adsorption trap (INCAT) [11] * * Za zgodą wydawcy 19

W 2001 Pawliszyn zaproponował stosowanie igły wypełnionej w niewielkiej części watą szklaną (5 mm). Technikę tą nazwał w pierwszej wersji in-needle trap [16], a następnie Needles Trap Device (NTD) i szeroko rozwijał ją w kolejnych latach stosując głównie do analizy BTEX z powietrza (Rys. 5) lub do analizy próbek wodnych jednak w połączeniu z techniką Headspace (HS) i Purge and Trap (P&T) (Rys. 6). Wielu autorów również zastosowało nazwę NTD do określenia igły wypełnionej w różnym stopniu materiałem sorpcyjnym. [17-34]. Rys. 5 Igła ekstrakcyjna zaproponowana przez Janusza Pawliszyna; Needle trap device [18] * wypełnione: sorbentami PDMS, DVB i CARBOXEN (a) i Carboxen 1000 (b). * Za zgodą wydawcy 20

Rys. 6 System ekstrakcyjny zaproponowany przez Janusza Pawliszyna; Needle trap Device (NTD) połączone z techniką Purge and Trap (P&T)[20] * W 2002 roku Saito wraz z zespołem wypełnił igłę ekstrakcyjną włóknami pokrytymi polimerem [35]. Badania nad igłami wypełnionymi w taki sposób (Rys. 7) były kontynuowane w kolejnych latach [36-43]. Najczęściej spotykane włókna to: Zylon: (poli(p-fenyleno-2,6-benzobisoksazol), Technora, polistyren, kopolimer styrenu i kwasu metakrylowego. Pokrycia polimerowe zastosowane na powyższych włóknach to: 100% metylopolisiloksan (oznaczony jako HR-1 ) 50% fenylometylopolisiloksan (oznaczony jako HR-17) 5% fenylo 95% metylopolisiloksan (oznaczony jako HR-52) 7% fenylo 7% cyjanopropylo 86% metylopolisiloksan (oznaczany jako HR- 1701) Y. Saito i zespół najczęściej do swoich badań wybierali dwa typy włókien: Zylon i Technora ze względu na stabilność termiczną, a także odporność na rozpuszczalniki organiczne. Włókna te zostały pokryte dwoma rodzajami polimerów: HR-1 a także HR- 17[39]. * Za zgodą wydawcy 21

Rys. 7 Igła ekstrakcyjna zaproponowana przez Yoshihiro Saito[43]; In-needle * Dostępne na rynku są również w pełni automatyczne urządzenia do przygotowania próbek (CTC Combi PAL) zawierające w sobie igły ekstrakcyjne. Technikę tą nazwano Solid Phase Dynamic Extraction (SPDE z ang. dynamiczna ekstrakcja do fazy stałej). SPDE przypominają swą budową urządzenie INCAT, ponieważ igła nie jest w pełni wypełniona materiałem sorpcyjnym, a jedynie jej wewnętrzna powierzchnia pokryta jest warstwą sorpcyjną [44, 45]. W poniższej tabeli (Tab. 1) zestawiono przykłady zastosowania igieł ekstrakcyjnych. Tylko w jednym przypadku doprowadzono do przepuszczenia ciekłej próbki bezpośrednio przez igłę. Jednakże prędkość przepływu w tym wypadku wynosiła 16 µl/min co oznacza, że przepływ 10 ml próbki trwałby ponad 10 godzin. Wszystkie pozostałe ekstrakcje dotyczyły analizy próbek gazowych, natomiast analizy próbek ciekłych dokonano poprzez przepuszczanie fazy nadpowierzchniowej przez materiał sorpcyjny. * Za zgodą wydawcy 22

Tab. 1 Zastosowanie igieł ekstrakcyjnych Lp. Nazwa metody Materiał I.D. [mm] L [mm] Zastosowanie faza prędkość przepływu próbki [ml/min] Rok Ref. Igły ekstrakcyjne wypełnione częściowo lub w pełni materiałem sorpcyjnym 1 NTD Tenax b.d. b.d. VOC gaz b.d. 1978 [10] 2 In-needle trap Wata szklana 0,39 5 Diesel exhaust gaz 1 2001 [16] 3 NTD Tenax 0,5 b.d. BT w dymie tytoniowym gaz b.d. 2003 [17] 4 NTD PDMS, DVB, Carboxen 0,39 3\2\2 BTEX gaz 5 i 10 2005 [18] 5 INCAT Porapak Q i tlenek glinu 6 NTD Carbopack X 1,1 i 0,9 1,1 i 0,9 50 i 7 BTEX z roztw. wodnych HS b.d. 2006 [13] 50 BTEX z roztw. wodnych HS b.d. 2008 [19] 7 NTD DVB 0,643 10 BTEX gaz 1,9 2008 [20] 8 NTD DVB 0,39 5; 10 BTEX gaz 1,9 2008 [21] 9 NTD Carboxen 1000 0,39 37, 48, BTEX gaz 0,012-0,016 2008 [22] 10 NTD DVB (zsyntezowany) 0,5 b.d. Kwas octowy i mrówkowy z cieczy HS 7,8 2008 [23] 11 NTD DVB 0,32 10 BTEX gaz 100 2008 [24] 12 NTD TenaX,Carbopack, Carboxen 1000 13 NTD DVB 22g b.d. 14 In-needle kopolimer MAA i EGDMA 0,41 10\10\10 analiza oddechu gaz 60 2009 [25] Dym ze spirali odstraszającej komary gaz b.d. 2009 [26] b.d. b.d. aceton gaz 8,33 2009 [27] 15 NTD DVB 0,41 dym tytoniowy b.d. 2010 [28] 16 Needle Trap Carbopack X 0,6 51 BTEX gaz b.d. 2010 [29] 17 NTD Nanorurki węglowe b.d. b.d. WWA z roztw. wodnych b.d. b.d. 2011 [30] 18 Needle microextraction trap Carbopack X 0,39 10 VOC gaz 15 19 Needle extraction DVB (zsyntezowany) 0,5 b.d. 20 Needle trap microextraction TenaX 0,39 10 VOC gaz 15 DVB, Carbopack X i Carboxen 1000 10\10\10 PDMS, Carbopack X i Carboxen 1000 10\10\10 DVB I Carboxen 1000 0,39 10\10 PDMS I Carboxen 1000 10\10 kopolimer MAA i EGDMA 21 INCAT GC kolumn DB5 20 Kwas octowy i mrówkowy z roztw. wodnych Igły ekstrakcyjne wypełnione kapilarą sorpcyjną 0,2 i 0,4 2011 [31] HS b.d. 2012 [32] VOC gaz 60 2012 [33] b.d. VOC gaz b.d. 1997 [11] 22 INCAT Grafit koloidalny 0.25 b.d. BTEX gaz b.d. 1999 [12] 23 INCAT Tenax TA 35mg 1,8 b.d. BTEX gaz b.d. 2009 [14] 24 INCAT Tenax TA 35mg 1,8 b.d. BTEX gaz b.d. 2010 [15] 25 26 needle extraction device Packed Needle Extraction Device Igły ekstrakcyjne wypełnione włóknami pokrytymi polimerem Włókna pokryte polimerem Włókna pokryte polimerem 0,3 30 ciecz ciecz 16µl/min 2007 [36] 0,5 85 Bisfenol A ciecz 16µl/min 2009 [39] Igła ekstrakcyjna pokryta warstwą ekstrakcyjną- urządzenie komercyjne 27 SPDE PDMS i PDMS/AC 0,5 56 BTEX HS 3 2007 [44] 28 SPDE PDMS/AC 0,8 70 BTEX n-aldehyds HS 6 2008 [45] b.d.- brak danych 23

2.1. Przygotowanie igły wypełnionej materiałem sorpcyjnym Przed wprowadzeniem materiału sorpcyjnego igłę należy przemyć. W igle powinna znaleźć się warstwa podtrzymująca mająca zapobiec ruchom sorbentu wewnątrz igły. W innym przypadku istniałaby obawa, że materiał sorpcyjny zostanie zaciągnięty wraz z próbką do strzykawki lub ulegnie wymyciu. Podtrzymanie takie może stanowić klej epoksydowy wymieszany z odrobiną sorbentu [18] lub sam klej epoksydowy [19, 20, 22, 25, 26]. Materiał umieszcza się w igle poprzez jego zassanie przy pomocy aspiratora powietrza. Następnie igłę na wlocie blokuje się kolejną warstwą podtrzymującą. 2.2. Próbki gazowe Analiza próbek gazowych polega na przepuszczeniu przez igłę wypełnioną materiałem sorpcyjnym próbki i adsorpcji oznaczanych związków na złożu. Zatrzymane związki są następnie uwalniane przez przepuszczenie przez adsorbent niewielkiej ilości rozpuszczalnika organicznego lub igła umieszczana zostaje w dozowniku chromatografu w celu termicznej desorpcji analitów. Mechanizm analizy składa się z 3 etapów (Rys. 8): kondycjonowanie złoża - przemycie materiału sorpcyjnego wewnątrz igły niewielką ilością rozpuszczalników w celu usunięcia zanieczyszczeń, następnie konieczne jest wysuszenie złoża, przepuszczenie próbki z analitami - oznaczane związki są silnie zatrzymywane przez złoże, gdy ich powinowactwo do fazy stałej jest duże, elucja badanych związków - przy użyciu rozpuszczalnika o dużej sile elucji; w celu wymycia analitów do igły wprowadza się określoną objętość rozpuszczalnika wymywającego. Zebrane ekstrakty analizuje się chromatograficznie. 24

Rys. 8 Ekstrakcja próbek gazowych przy zastosowaniu techniki in-needle Możliwe jest również przeprowadzenie jednoczesnego procesu desorpcji zatrzymanych analitów i wprowadzenia analitów do kolumny chromatograficznej. Proces termodesorpcji wiąże się z całkowitym wyeliminowaniem rozpuszczalników [14, 19, 36]. 2.2.1. Wpływ warunków prowadzenia procesu na efektywność ekstrakcji 2.2.1.1. Objętość przebicia Oszacowanie objętości przebicia polega na wyznaczeniu maksymalnej objętości próbki, jaka może być przeprowadzona przez złoże sorpcyjne. Parametr ten jest istotny w procesie ekstrakcji, ponieważ przekroczenie objętości przebicia wiąże się ze stratą analitów i uzyskaniem wyników obarczonych dużym błędem. W poniższej tabeli (Tab. 2) zestawiono wyznaczone objętości przebicia próbek gazowych dla różnych materiałów sorpcyjnych. Objętości te wahają się od 15 do 140 ml. 25

Tab. 2 Objętości przebicia wyznaczone dla szeregu materiałów sorpcyjnych Analit Materiał sorpcyjny Długość sorbentu [mm] Objętość przebicia [ml] Literatura Oktan PDMS, DVB i CARBOXEN 3\2\2 72 [18] Dekan PDMS, DVB i CARBOXEN 3\2\2 140 [18] Toluen Diwinylobenzen 5 30 [21] Toluen Diwinylobenzen 10 60 [21] BTEX Diwinylobenzen 10 15 [20] Pentanal kopolimer MAA i EGDMA 20 20 [33] 2.2.1.2. Wpływ prędkości przepływu na odzysk Prędkość przepływu próbki przez materiał sorpcyjny ma znaczący wpływ na proces ekstrakcji. Różne źródła wskazują na różne optymalne prędkości przepływu zaczynając od 1,9 ml/min [20] do 100 ml/min [24]. Analizy wpływu prędkości przepływu próbki na odzysk dokonał zespół badawczy Pawliszyna [21]. Zastosowane zostały trzy prędkości przepływu: 20; 1,9; and 1,5 2,5 ml/min. Najwyższy procent odzysku uzyskano przy zastosowaniu przepływu 1,9ml/min. Zespół Alonso [31] również przeprowadził analizę mającą na celu wytypowanie optymalnej prędkości przepływu próbki. Przedstawiono wyniki powtarzalności analiz wykonanych przy zastosowaniu różnych prędkości przepływu (5; 15; 34; 53ml/min). Stwierdzono, że przepływ 15 ml/min pozwolił na osiągnięcie najwyższej powtarzalności procesu przygotowania próbki (współczynnik zmienności 15%). 2.2.1.3. Objętość eluentu Objętość eluentu potrzebna do całkowitego wymycia analitów z igły jest różna dla kilku źródeł. Sieg i współautorzy [45] wykorzystali trzy różne objętości helu (500, 1000 i 2000 µl). Najwyższy procent odzysku uzyskano przy zastosowaniu 500µl helu przy przepływie 50µl/s. Z kolei w podobne badania przeprowadzone przez Ridgwaya 26

wykazały, że właściwą objętością eluentu będzie 1000µl przy jego przepływie równym 100µl/s [44]. 2.2.2. Zużywalność igieł ekstrakcyjnych Pawliszyn wraz ze współautorami [21] sprawdził czy właściwości ekstrakcyjne stosowanej igły ulegną zmianie podczas wielokrotnego jej zastosowania. Wykonane zostało 5000 analiz przy zastosowaniu igły wypełnionej diwinylobenzenem (10 mm). Autorzy wykazali, że właściwości ekstrakcyjne nie zmniejszyły się. 2.2.3. Przechowywanie Trefz i współpracownicy [33] przeprowadzili analizę wpływu czasu przechowywania zatrzymanych analitów na procent odzysku. Związek testowy, którym był pentanal, został zaadsorbowany na złożach sorpcyjnych umieszczonych w igłach i przechowywany przez 10, 24 i 48 godzin oraz 8 dni (Tab. 3). Każda z badanych igieł ekstrakcyjnych pozwala na przechowywanie w niej analitu przez 24 godziny. Tab. 3 Wpływ czasu przechowywania analitów na złożu sorpcyjnym Sorbent kopolimer MAA i EGDMA PDMS, Carbopack X i Carboxen 1000 DVB, Carbopack X i Carboxen 1000 Długość sorbentu [mm] Maksymalny czas przechowywania [h] 20 10\10\10 10\10\10 48 24 24 Uzyskane wyniki umożliwiają transport igieł ekstrakcyjnych do miejsca poboru próbki. Igły z zatrzymanymi analitami mogą następnie zostać dostarczone do laboratorium analitycznego, gdzie dokonany zostanie proces elucji. Procedura taka pozwoli na łatwiejsze i bardziej ekonomiczne przygotowanie próbek do analizy. 27

2.3. Próbki wodne Technika in-needle znajduje szerokie zastosowanie w przygotowaniu próbek gazowych. Przygotowanie próbek ciekłych sprowadzało się do analizy fazy nadpowierzchniowej (HS), a nie do bezpośredniego przeprowadzania ciekłej próbki przez igłę ekstrakcyjną. Powodem tego jest prawdopodobnie zbyt wysoki opór, jaki stawia złoże w igle podczas przepływu próbki. Metoda analizy fazy nadpowierzchniowej pozwala w większości przypadków na ekstrakcję jedynie lotnych związków [13, 19]. Zespół Saito zanalizował próbki wodne poprzez bezpośrednie przeprowadzenie ich przez igłę wypełnioną wiązką włókienek pokrytych polimerem [36, 39]. Sprawdzono efektywność sorpcji dla różnych prędkości przepływu (2; 8; 16; 32; 40; 80; 160µl/min). Najwyższą efektywność ekstrakcji osiągnięto przy przepływie 16µl/min. (1 ml/godzinę). Zastosowanie przepływu rzędu 10ml/godzinę spowodowało pięciokrotny spadek efektywności prowadzonego procesu. 28

3. Hydrodynamika Przepływ cieczy poprzez materiał porowaty, jakim jest sorbent umieszczony w igle, można opisać prawem Darcy (1), a dalej (2) objętościowym wydatkiem (Q) k p q L (1) dn Q 4 2 2 dn k q 4 p L (2) gdzie k jest to współczynnik przepuszczalności, L długością materiału sorpcyjnego, dn średnicą igły, p różnica ciśnień, µ lepkość. Przepuszczalność ciał porowatych (k) wyznacza się doświadczalnie na podstawie badania przepływu cieczy przez te ciała pod odpowiednim ciśnieniem (zmniejszonym, atmosferycznym lub wyższym od atmosferycznego) i w odpowiedniej temperaturze. Teoretyczne próby wyznaczenia przepuszczalności dają pozytywne wyniki dla wyidealizowanych modeli ciał porowatych, natomiast mogą okazać się nieprzydatne dla rzeczywistych ciał porowatych [9]. Dlatego też dobór modelu umożliwiającego przewidzenie wartości parametru przepuszczalności jest kluczowy dla właściwego przewidzenia prędkości przepływu cieczy przez materiał porowaty. Modelami strukturalno-empirycznymi przepuszczalności najszerzej wykorzystywanymi są modele Kozeny i Carmana. Carman (1937) rozważając różny kształt dróg przepływu (krętości) zaproponował rozwinięcie równania Kozeny i nadał mu następującą postać [46]: 3 2 ds k 45(1 ) 2 (3) Powyższy model (3) figuruje w literaturze, jako model Kozeny i Carmana (model strukturalno-empiryczny). Na podstawie powyższego wzoru wyprowadzić można wartość przepuszczalności badanego materiału uwzględniając jedynie porowatość i średnicę efektywną [47]. 29

Model Brinkmana (model opływowych ziaren) [48] zakłada, że szkielet materiału porowatego zbudowany jest z ziaren o jednakowej średnicy, a zaburzenie pola prędkości wokół pojedynczego ziarna nie ma wpływu na opis przepływu pozostałych ziaren. W modelu tym zamiast porowatości ( ) zawarto gęstością upakowania ( =1- ). 2 ds 4 8 k 3 3 3 72 1 2 (4) Model Baarena (1979) powstał w oparciu o model Kozeny i Carmana. Poza porowatością i średnicą ziarna zawiera w sobie wartość C, która jest stała dla danego materiału porowatego [49]. k C 2 ds (5) Powyższe modele znajdują zastosowanie w geologii [50]. Modele te obejmują właściwości fizyczne i chemiczne, które opisują zachowanie skał i gleb. Do obliczenia przepuszczalności materiału umieszczonego wewnątrz igły zastosować można również modele stosowane w chromatografii cieczowej. Modele te wykorzystuje się w celu obliczenia przepuszczalności materiału w kolumnie chromatograficznej [51]: k ds K (6) K ulc P (7) 4Q u d 2 (8) gdzie: k jest przepuszczalnością właściwą kolumny, K jest przepuszczalnością kolumny, u jest liniową prędkością przepływu eluentu w kolumnie. 30

W pracy Kamińskiego [51] zaproponowano przedział wartości przepuszczalności właściwej: 500 < k < 2000. Najczęściej oczekiwana wartość przepuszczalności właściwej powinna wynosić 1000, a gdy k jest większe od 2000 to oznacza to, że wypełnienie kolumny jest nadmiernie zwarte (lub ma miejsca niedrożności). 31

4. Ograniczenia klasycznych metod stosowanych do ekstrakcji analitów z próbek ciekłych Jedną z podstawowych metod stosowanych do przygotowywania próbek ciekłych (w szczególności wodnych) jest ekstrakcja do fazy stałej (SPE). Ważnym problemem związanym z techniką SPE jest określenie ilości rozpuszczalnika koniecznej do przeprowadzenia procesu elucji analitów z sorbentu. Według różnych źródeł objętość ta waha się od 1-10 ml. Nie jest jednak możliwe wyznaczenie stałej objętości eluentu dla konkretnego sorbentu czy analitu. Można by spodziewać się, że po przekroczeniu pewnej objętości eluentu procent odzysku zawsze pozostanie na wysokim poziomie. Jednak opierając się o dane literaturowe (Tab. 4) można zauważyć, że po przekroczeniu optymalnej objętości rozpuszczalnika, procent odzysku ulega obniżeniu. Rozpuszczalniki stosowane jako eluenty powinny być jak najmniej lotne, ponieważ wytwarzane przez pompę podciśnienie w komorze (stosowanej w technice SPE) może powodować straty (wyssanie) części rozpuszczalnika. Tab. 4 Objętości rozpuszczalnika wymagana do całkowitej elucji analitów. Analizowany związek Sorbent Masa sorbentu [mg] Optymalna objętość eluentu [ml] Niekorzystna objętość eluentu [ml] Odnośnik literat. Fosalon C18 500 4-6 1-3; 7 [52] Chlorpyrifos C18 500 4-6 1-3; 7 [52] Terbutylazyna C18 500 2-3 1; 5 [53] Propazyna C18 500 2 1; 5 [53] Symazyna C18 500 2-3 1; 5 [53] Alachlor C18 500 5 1-3 [53] Składniki leków * Składniki leków * C18 30 0,5 0,05-0,2 [54] C18 15 0,2 0,05-0,1; 0,5 [54] * Lamiwudyna, flutikazon, GM193663 32

Drugą klasyczną metodą przygotowania próbek jest mikroekstrakcja do fazy stałej. Technika ta znajduje szerokie zastosowanie w analizie śladowych ilości związków z próbek gazowych. Izolacja związków z próbek ciekłych, często wiąże się z analizą fazy nadpowierzchniowej (Headspace- HS) [13, 19]. Pojemność sorpcyjna mikro-włókienka (SPME) nie pozwala na sorpcję znacznej ilości analitów. W pracy Pawliszyna [20] porównano technikę SMPE z ekstrakcją w igle (NTD) (Rys. 9). Analiza próbki gazowej zawierającej benzen, toluen, etylobenzen i ksylen pozwoliła na zatrzymanie kilkukrotnie większej ilości badanych związków przy zastosowaniu ekstrakcji w igle niż SPME. Rys. 9 Porównanie techniki in-needle z SPME * Zastosowanie wielokrotnego zatężania (sequential purge and trap sampling SPNT-NTD) pozwoliło na uzyskanie wyższej efektywności procesu ekstrakcji związków lotnych niż przy zastosowaniu klasycznej analizy fazy nadpowierzchniowej (HS). Chromatogram uzyskany dla ślepej próby wykazał obecność dodatkowych pików (wyższy poziom szumu niż w przypadku SPME). Chromatogramy przedstawione poniżej (Rys. 10) pochodzą z dymu ze spirali odstraszającej/niszczącej komary [26]. Analizę oparto o dwie metody przygotowania próbek: in-needle (NTD) oraz SPME. Zastosowanie ekstrakcji w igle pozwoliło na uzyskanie wyższego procentu odzysku dla bardziej lotnych związków, a także dla aletryny. Aletryna ma wysoką temperaturę wrzenia i zakłada się, że występuje w dymie * Za zgodą wydawcy 33

głównie w postaci pylistej. Autorzy wywnioskowali, że igła ekstrakcyjna, w odróżnieniu od włókna SPME, można zatrzymać również powiązane cząstki substancji chemicznych. Rys. 10 Porównanie techniki in-needle z SPME; analiza dymu ze spirali odstraszającej komary [26] * * Za zgodą wydawcy 34

5. Materiały monolityczne Monolityczne złoże jest to pojedyncza, ciągła i jednolita struktura porowata, natomiast kolumna monolityczna jest to jednolity porowaty materiał szczelnie zamknięty w stosunku do ścianek kolumny tak, aby strumień fazy ruchomej musiał przeniknąć przez całą objętość monolitu [55]. 5.1. Materiał monolityczny stosowany jako wypełnienie kolumny chromatograficznej Złoża, o których mowa w tym punkcie przybierały różną nazwę zanim nazwano je kolumnami monolitycznymi: w 1988 określono je, jako continuous polymer beds (z ang. polimerowe ciągłe złoże ), w 1992 polymer rod columns (z ang. pręt stanowiący kolumnę polimerową ). Pierwszy raz określenia monolityczny do opisu jednolitego materiału porowatego o cylindrycznym kształcie użył Svec w 1996 roku [56]. Wypełnienie kolumn monolitycznych stanowi otrzymany syntetycznie jednorodny sorbent, porowaty w całej objętości, złożony z tzw. makro-porów, mezoporów i mikro-porów. Te ostatnie decydują o powierzchni sorpcyjnej monolitycznego wypełnienia kolumny, natomiast w przestrzeni makroporów i mezoporów przepływa eluent, przenoszący cząsteczki rozdzielanych substancji [51]. Klasyczne wypełnienie kolumn stosowanych w chromatografii cieczowej stanowi sorbent o rozmiarze cząstek 3-10 µm (najczęściej 5 µm). Złoże takie stawia często duże opory przepływu fazy ruchomej. Kolumny monolityczne posiadają wysoką porowatość oraz duże rozmiary porów (2-8 µm), co sprawia, że ich przepuszczalność jest od dwóch do trzech razy większa niż w przypadku kolumn wypełnionych sorbentem o średnicy cząstek 5 µm [57]. Dodatkowo w przestrzeni kolumn monolitycznych nie występują objętości między-ziarnowe, dzięki czemu przenoszenie masy jest w nich lepsze niż w zwykłych kolumnach. Kolumny monolityczne przygotowywane są poprzez polimeryzację lub zespojenie w inny sposób materiału wewnątrz kapilary (spieczenie, osadzenie, skompresowanie). Na jakość kolumny monolitycznej wpływa nie tylko skład mieszaniny polimeryzacyjnej czy sposób jej przeprowadzenia (temperatura, czas, promieniowanie UV), ale także odpowiednia procedura modyfikacji ścianki kapilary. Niewłaściwe przygotowanie ścianki kolumny może pogorszyć nie tylko właściwości 35

chromatograficzne kolumny (powstanie objętości martwych między polimerem a ścianką) ale także spowodować wypchnięcie monolitycznej fazy stacjonarnej [58-60]. Rozróżnić można dwa podstawowe rodzaje monolitycznych faz stacjonarnych: oparte na bazie krzemionki i polimerowe. 5.1.1. Krzemionkowa monolityczna kolumna chromatograficzna Technika otrzymywania monolitu krzemionkowego polega na tym, że zol polimerowy poddaje się kolejno żelowaniu, utrwalaniu (starzeniu) i suszeniu [57]. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje: pierwszej generacji- otrzymane przy zastosowaniu tetrametoksysilanu (TMOS) i drugiej generacji- otrzymane przy zastosowaniu tetrametoksysilanu i metylotrimetoksysilanu (TMOS + MTMS). Otrzymany żel krzemionkowy modyfikuje się następnie poprzez związanie np. oktadecylu (C18) [55]. Sprawność monolitycznej kolumny krzemionkowego z fazą C18 jest porównywalna ze sprawnością zwykłej kolumny wypełnionej cząstkami o wielkości 3-5µm [57]. Sposób wykonania monolitycznych złóż krzemionkowych przez wielu autorów publikacji jest taki sam. Do mieszaniny zawierającej glikol polietylenowy (PEG: MW 10000) oraz 0,01M kwas octowy wprowadzano tetrametoksysilan (TMOS) przy intensywnym mieszaniu w temperaturze 0 C przez 30 minut. Proces żelowania prowadzono w temperaturze 40 C przez różny czas (od 2 do 24 godzin). Dalej podnoszono temperaturę i przemywano złoże w różnych warunkach [61-63]. 36

5.1.2. Polimerowa monolityczna kolumna chromatograficzna Wykonanie monolitycznych kolumn polimerowych, w porównaniu z krzemionkowymi, jest znacznie prostsze. Wyróżniamy dwa podstawowe typy polimerowych kolumn monolitycznych: polimetakrylowe oraz polistyrenowodiwinylobenzenowe. Kopolimer styrenu i diwinylobenzenu stanowiący fazę stacjonarną w kolumnie monolitycznej posiada bardzo dobre właściwości rozdzielcze i charakteryzują się stabilnością w szerokim zakresie ph 1-13. W części doświadczalnej niniejszej pracy wykonano szereg złóż monolitycznych na bazie styrenu i diwinylobenzenu- w związku z tym w poniższej tabeli (Tab. 5) zestawiono przykłady monolitycznych kolumn o różnym udziale styrenu względem diwinylobenzenu, jak i o różnym udziale monomerów względem czynnika porotwórczego. Tab. 5 Kolumny monolityczne na bazie styrenu i diwinylobenzenu % Styren [%] Monomer Diwinylobenzen [%] Porogen % Rozpuszczalniki Warunki polimeryzacji Temperatura [ C] Czas [h] Liter. 40 + chlorek winylobenzylu 40 40 50 50 60 20 Styren DVB MAA 33,3 33,3 33,3 10 95 5 90 40 50 50 60 60 60 Dodekanol, toluen 70 20 1-propanol 40% v/v Formamid 20% v/v 65 24 80 Toluen, izooktan 0,6 % roztwór Polysorbate 80 Dekanol 130 µl, THF 20 µl 10 min mikrofale - 700 W 50 50 50 50 toluen 80 50 20 80 50 DMF 80 60 24 70 24 [64] [65] [66] [67] [68] [69] [69] 40 50 50 60 Dodekanol 40%, toluen20% 60/70/80 [70] 62,5 50 50 37,5 Dodekanol 24 ml 70 24 [71] 40 50 50 60 THF 2 µl, dodekanol 13 µl 60 12 [72] 37

Proporcje czynników porotwórczych względem monomerów w większości przypadków wahały się od 50 do 60%, co oznacza, że proporcje monomerów względem czynników porotwórczych w większości przypadków wahały się od 40 do 50%. Natomiast sam udział monomerów (styrenu i diwinylobenzenu) w większości przypadków wynosił 1:1. 5.1.3. Zastosowanie kolumn monolitycznych w ekstrakcji do fazy stałej Kolumny monolityczne stosowano do tej pory na szeroką skalę jako wypełnienie kolumn chromatograficznych w chromatografii cieczowej. W ostatnich latach znalazły one również zastosowanie w technikach ekstrakcyjnych [73]. Złoża monolityczne wykorzystano w ekstrakcji do fazy stałej SPE w 1996 roku [74]. Miyazaki i współautorzy przygotowali monolithic silica extraction tip umieszczając kolumny monolityczne w końcówkach nakładanych na pipety automatyczne [75]. Monolityczne złoże porowate zostało również zastosowane w on-chip solid-phase extraction [76]. Wymienione powyżej (jak i inne) przykłady zastosowania kolumn monolitycznych do celów ekstrakcyjnych opisał w 2006 roku Svec [77]. Innym przypadkiem zastosowania monolitów jest mikroekstrakcja w strzykawce (nie mylić z igłą) wypełnionej materiałem sorpcyjnym (Microextraction in a packed syringe MEPS), która została zaprezentowana przez Abdel-Rehim w 2010 roku [78], natomiast technika Stir cake sorptive extraction została przedstawiona przez Xiaojia Huang w 2011 roku [79]. Shintani wraz z współautorami zastosował układ o nazwie in-tube solid-phase microextraction [80], w którym monolityczne kolumny ekstrakcyjne zostały bezpośrednio połączone z chromatografem cieczowym (HPLC). Jednym z narzędzi wykorzystywanych do oszacowania efektywności układów ekstrakcyjnych może być parametr rozpuszczalności [81, 82]. Ponieważ w niniejszej pracy podjęta zostanie próba wykorzystania parametru rozpuszczalności do oceny efektywności materiałów monolitycznych, dlatego też celowe jest przybliżenie tego zagadnienia. 38

6. Parametr rozpuszczalności Parametr rozpuszczalności Hildebranda ( ) lub inaczej współczynnik kohezji charakteryzuje podobieństwo chemiczne budowy polimeru i rozpuszczalnika. E V Obliczenie parametru rozpuszczalności wymaga znajomości energii kohezji (E) i objętości molowej (V). Równanie Hildebranda [83] określa podobieństwo chemiczne i strukturalne sprzyjające rozpuszczalności substancji (9) h M 2 1 2 1 2 (10) gdzie: hm - entalpia mieszania na jednostkę objętości, 1 - ułamek objętościowy składnika 1-rozpuszczalnik, 2 - ułamek objętościowy składnika 2-polimeru, 1 i 2 - parametr rozpuszczalności, odpowiednio, dla składnika 1 i 2. W przypadku równych wartości parametrów rozpuszczalności dla dwóch składników δ1=δ2 zmiana entalpii mieszania HM=0, wówczas dwie substancje parametrami rozpuszczalności powinny wzajemnie rozpuszczać się. z równymi Wniosek wynikający z powyższego: wraz ze wzrostem różnicy wartości pomiędzy 1 i 2, skłonność do rozpuszczania będzie spadać. Warunkiem rozpuszczenia polimeru P w rozpuszczalniku S jest jak najmniejsza wartość: 2 P S (11) Generalizując, wartość kwadratu różnicy parametrów rozpuszczalności dwóch składników układu charakteryzować będzie ich podobieństwo, a także określać będzie wielkość wzajemnych oddziaływań pomiędzy nimi. Hansen [84] przedstawił koncepcję, w której energię kohezji podzielił na trzy cząstkowe energie oddziaływań międzycząsteczkowych: E koh E d E p E h (12) 39

Ed - oddziaływania dyspersyjne, Ep - oddziaływania polarne, Eh - oddziaływania wiązania wodorowego. Korzystając z równania (9)i (12)otrzymamy E V koh Ed V E V p E V h Wówczas parametr rozpuszczalności przyjmuje postać (13) 2 2 d 2 p 2 h (14) Parametr rozpuszczalności został zastosowany w celu wytypowania najlepszego układu ekstrakcyjnego analit/sorbent/rozpuszczalnik w publikacji z 2010 roku [81]. Jako sorbent (polimer) wykorzystano materiał stosowany w ekstrakcji do fazy stałej. Wzajemne oddziaływania między różnymi składnikami mają wpływ na dwa etapy procesu ekstrakcji. Dla etapu sorpcji silne interakcje w układzie analit-sorbent są wymagane. W etapie elucji oddziaływania w układach analit-rozpuszczalnik i sorbentrozpuszczalnik są istotne. Określenie parametrów rozpuszczalności wszystkich składników umożliwia przewidzenie zachowania układu ekstrakcyjnego SPE. Na podstawie uzyskanych wartości można wybrać dla badanej substancji odpowiedni rozpuszczalnik (najmniejsza wartość kwadratu różnicy parametrów rozpuszczalności), następnie dla badanej substancji wytypować można optymalny sorbent (najmniejsza wartość kwadratu różnicy parametrów rozpuszczalności). Ostatni etap ustalania polega na kontroli parametru rozpuszczalności układu sorbent- rozpuszczalnik [81]. Parametr rozpuszczalności wykorzystano również do charakterystyki dwóch materiałów sorpcyjnych stosowanych w mikroekstrakcji do fazy stałej [85]. Wyznaczony został współczynnik podziału dla niepolarnego włókna PDMS i polarnego PA, definiowany jako stosunek stężenia analitu w włóknie do stężenia analitu w próbce w stanie równowagi. Zaproponowana przez Poerschmanna metoda umożliwia charakterystykę nieznanych sorbentów, a także oszacowanie współczynnika podziału dla hydrofobowych analitów w oparciu o dostępne dane fizykochemiczne. Stwierdzono, że im większe podobieństwo parametrów rozpuszczalności dla analitu i sorbentu, tym otrzymana wartość współczynnika podziału jest również większa. 40