Mikroekstrakcja

Techniki mikroekstrakcji w układzie ciecz – ciecz (ang. liquid-liquid microextraction, LLME) charakteryzują się małym zużyciem rozpuszczalników, co jest korzystne dla środowiska naturalnego i zdrowia. Stosowanie niewielkich ilości rozpuszczalników ogranicza też zdecydowanie liczbę operacji wykonywanych podczas ekstrakcji.

4.2.5.1 Mikroekstrakcja do rozpuszczalnika

Mikroekstrakcja do rozpuszczalnika (ang. microscale solvent extraction, MSE) została zastosowana we wstrzykowej analizie przepływowej. Metoda ta polega na wstrzykiwaniu płynnej próbki do strumienia cieczy nośnej, przepływającej przez rurkę o małej, stałej średnicy, w której znajduje się odczynnik reagujący z analitem. Rozmiary rurki i prędkość przepływu cieczy nośnej jest dostosowana do szybkości zachodzenia reakcji chemicznej (ta część rurki, w której zachodzi reakcja jest w postaci spirali). Wstrzyknięta próbka tworzy w strumieniu nośnym odpowiednią strefę przemieszczającą się do detetektora. Jeśli do strumienia cieczy nośnej, w miejscu, w którym próbka jest już spochodniona, doprowadzi się rozpuszczalnik, całość wymiesza się i nastąpi ekstrakcja analitu do fazy organicznej (w spirali ekstrakcyjnej). Mieszanina wpływa następnie do separatora grawitacyjnego lub membranowego, gdzie faza organiczna jest oddzielona i kierowana do detektora. W metodzie tej zużycie rozpuszczalników jest zdecydowanie mniejsze w porównaniu do ilości zużywanych w metodach tradycyjnych (np. 1 mL na 1L próbki), poza tym ekstrakcja zachodzi w układzie zamkniętym i rozpuszczalnik nie odparowuje do atmosfery. 4.2.5.2. Mikroekstrakcja do kropli

Mikroekstrakcja do kropli (ang. single-drop microextraction, SDME) jest kolejną techniką zmniejszającą w sposób radykalny zużycie rozpuszczalników. Ekstrakcja następuje przez rozpuszczanie się składników próbki w kropli cieczy zawieszonej na końcu igły strzykawki i zanurzonej w próbce. Warunkiem przeprowadzenia ekstrakcji jest większa rozpuszczalność analitu w rozpuszczalniku ekstrahującym niż w próbce.

W mikroekstrakcji do kropli występuje układ trójfazowy, gdzie analit ulega podziałowi między próbkę a fazę gazową nad próbką oraz miedzy próbkę a ciekłą fazę organiczną, którą jest kropla. Po osiągnięciu stanu równowagi, ilość wyekstrahowanego do kropli analitu (m) opisuje równanie:

70

(42) gdzie:

Kodw - stała podziału analitu między fazę organiczną (kroplą) a fazę ciekłą próbki,

Khs - stała podziału analitu między fazę gazową nad powierzchnią próbki a fazę ciekłą próbki,

Co - stężeniem początkowym analitu w próbce,

Vs, Vh i Vd - objętości odpowiednio próbki, fazy gazowej nad próbką i kropli.

Ilość wyekstrahowanego analitu nie zależy od lokalizacji kropli w układzie ekstrakcyjnym (bezpośrednio w roztworze próbki czy w fazie gazowej nadpowierzchniowej nad próbką) pod warunkiem, że objętości próbki, kropli i fazy gazowej nie zmieniają się.

Metodę SDME można stosować do próbek ciekłych i gazowych. W przypadku próbek ciekłych rozpuszczalnik ekstrahujący nie może mieszać się z próbką lub mieszać się w bardzo ograniczonym stosunku. Zestawy do mikroekstrakcji do kropli z próbek ciekłych pokazano na rysunku 18. Jeśli kropla rozpuszczalnika jest bezpośrednio zanurzona w próbce (ang. direct immersion single drop microextraction, DI-SDME), (rysunek 18a), ekstrakcja następuje przez podział analitu między dwie ciekłe fazy. W drugim przypadku (rysunek 18b), lotne anality z próbki ciekłej znajdujące się w fazie gazowej rozpuszczają się w kropli rozpuszczalnika umieszczonej nad powierzchnią próbki (ang. headspace single drop

microextraction, HS-SDME). Po odpowiednim czasie ekstrakcji, kropla rozpuszczalnika ekstrahującego

„wciągana” jest do strzykawki i przenoszona np. do dozownika chromatografu. Do ekstrakcji można stosować pojedynczy rozpuszczalnik lub mieszaninę rozpuszczalników w celu uzyskania większej selektywności. Do ekstrakcji jonów metali stosuje się odczynniki chelatujące, rozpuszczone w organicznym rozpuszczalniku.

Rysunek 18. Mikroekstrakcji do kropli, a – kropla zanurzona bezpośrednio w próbce(DI-SDME), b- kropla w fazie gazowej nad powierzchnią próbki (HS-SDME)

a)

b

b)

71

W ekstrakcji do kropli znalazły również zastosowanie ciecze jonowe (por roz II. 4.2.6). Przy wyborze rozpuszczalnika do ekstrakcji należy również uwzględnić rodzaj techniki stosowanej do oznaczania analitu. W przypadku stosowania chromatografii gazowej w końcowym oznaczaniu, rozpuszczalnik do ekstrakcji musi być tak dobrany, by jego sygnał chromatograficzny nie nakładał się na sygnał analitu.

Wydłużanie czasu ekstrakcji zwiększa jej wydajność, ale tylko do pewnego momentu. Szybki wzrost stężenia analitu w kropli obserwuje się w początkowej fazie ekstrakcji, dalsze wydłużanie czasu daje minimalne przyrosty stężenia. Poza tym długi czas ekstrakcji może powodować niestabilność kropli (rozpuszczanie lub „zerwanie”). Zwykle ekstrakcja trwa kilka do kilkanaście minut. Ponieważ powierzchnia styku dwóch faz jest bardzo mała, próbkę należy mieszać mieszadełkiem magnetycznym, umożliwiając kontakt kropli z kolejną warstwą próbki. Mieszanie próbki skraca czas i zwiększa wydajność ekstrakcji. Zwiększanie szybkości mieszania daje początkowo duży wzrost wydajności, po czym dalszy wzrost szybkości mieszania nie daje już wyraźnej poprawy, za to staje się niekorzystne dla stabilności kropli i powtarzalności oznaczania. Objętość kropli zależy od gęstości i napięcia powierzchniowego rozpuszczalnika ekstrahującego oraz rozmiarów igły i może wynosić 1–10 µL, najczęściej jednak nie przekracza objętości 5 µL. Wielkość kropli również wpływa na wydajność ekstrakcji. Optymalne warunki ekstrakcji należy dobrać eksperymentalnie dla każdego oznaczenia.

Opisana powyżej metoda ekstrakcji do kropli jest wersją statyczną. W wersji dynamicznej kroplę stanowi niewielki słup cieczy ekstrahującej, znajdujący się w czasie ekstrakcji przez cały czas w mikrostrzykawce. Próbkę wprowadza się do mikrostrzykawki i pozostawia na kilka sekund, w tym czasie anality z próbki rozpuszczają się w słupie rozpuszczalnika i jego warstwie przylegającej do wewnętrznej ściany korpusu strzykawki. Taką operację powtarza się wielokrotnie, uzyskując kontakt ekstrahenta z kolejnymi, świeżymi porcjami próbki. Wzbogacony w analit rozpuszczalnik ze strzykawki wykorzystuje się bezpośrednio do oznaczenia stosowaną techniką analityczną.

W technice SDME zastosowanie powszechnie stosowanych sposobów wspomagania ekstrakcji jest ograniczone trwałością kropli. Wspomaganie energią ultradźwięków czy intensywne mieszanie niszczy kroplę. Przy ekstrakcji związków organicznych z roztworów wodnych skuteczne jest wysalanie. Metodę mikroekstrakcji do kropli po raz pierwszy zastosowano w 1996 roku do ekstrakcji z próbek wodnych rozpuszczalnikami niemieszającymi się z wodą. Przykłady zastosowania SDME podano w tabeli 7.

Najczęściej stosowanymi rozpuszczalnikami do ekstrakcji próbek wodnych są proste węglowodory, oktanol oraz alkohol benzylowy. Zastosowanie do ekstrakcji znalazły również ciecze jonowe, np. do ekstrakcji podstawionych fenoli wykorzystano krople heksafluorofosforanu 1-oktylo-3-metyloimidazoliowego. Jony metali można ekstrahować rozpuszczalnikami organicznymi z roztworów wodnych, stosując odczynniki kompleksujące. Do wydzielania jonów ołowiu z próbek biologicznych (włosów ludzkich, liści herbaty, mąki ryżowej) zastosowano odczynnik chelatujący -

1-fenylo-3-Wydajność estrakcji zależy głównie od wartości stałej podziału K analitu między próbką a ekstrahentem oraz od warunków ekstrakcji, takich jak: czas ekstrakcji, intensywność mieszania próbki, wielkość kropli oraz pH próbki, zwłaszcza, gdy ekstrahentem jest odczynnik chelatujący.

72

metylo-4-benzoilo-5-pirazolon (PMBP), rozpuszczony w benzenie, następnie kroplę z chelatem ołowiu umieszczano w kuwecie grafitowej i oznaczano metodą elektrotermicznej atomowej spektroskopii absorpcyjnej (ET-ASA). Kompleksowanie z O,O-dietyloditiofosforanem oraz technikę SDME, z zastosowaniem chloroformu, wykorzystano do oznaczania jonów ołowiu metodą ET-ASA.

Tabela 7. Niektóre przykłady zastosowania mikroekstrakcji do kropli

Przeprowadzanie analitu w odpowiednią do analizy końcowej pochodną może się odbywać podczas jednej operacji, równocześnie z ekstrakcją i zatężaniem, jeśli kropla rozpuszczalnika ekstrahującego będzie zawierać odpowiedni reagent. Ten sposób można wykorzystać w technice HS-SDME, w której kropla ekstrahenta umieszczona jest w fazie gazowej nad powierzchnią próbki.

4.2.5.3. Mikroekstrakcja poprzez membranę do fazy ciekłej

Mikroekstrakcja do kropli obarczona jest ryzykiem jej zniszczenia. Ciecz ekstrahującą można unieruchomić w porowatym włóknie (drenie), co zostało wykorzystane w mikroekstrakcji poprzez membranę do fazy ciekłej (ang. hollow fibre liquid phase microextraction, HF-LPME). Jest to ekstrakcja w układzie ciecz – ciecz, gdzie ciecz ekstrahująca znajduje się w przestrzeniach porowatego włókna zamocowanego na końcach igieł dwóch mikrostrzykawek (rys.19a) lub na końcu igły jednej mikrostrzykawki (rysunek 19b) i zanurzonego w roztworze próbki. Po skończonej ekstrakcji ekstrakt z

Analit Próbka Rozpuszczalnik

ekstrahujący

Sposób ekstrakcji Lotne związki organiczne

Woda Heksan DI SDME

Chloroorganiczne pestycydy

Chlorobenzeny Woda Izooktan DI SDME

Fosforoorganiczne pestycydy Woda, soki owocowe

Toluen DI SDME

Fosforoorganiczne insektycydy Woda Toluen DI SDME

Herbicydy sulfonamidowe Ekstrakty wodne z gleby

Octan etylu, chlorek metylenu

DI SDME

BTEX Woda 1-Oktanol,

n-heksadekan

HS SDME

Związki aktywne biologicznie Ekstrakty wodne z roślin

1-Oktanol HS-SDME

BTEX Zużyty olej

silnikowy

n-Heksadekan HS SDME

Związki terpenowe aktywne biologicznie

Olejki eteryczne p-Ksylen HS-SDME

73

drenu zasysany jest do strzykawki. Technika ta umożliwia dużą selektywność procesu poprzez duże możliwości doboru odpowiedniej cieczy ekstrahującej oraz rodzaju porowatego włókna. Duże zastosowanie w tej technice znalazł porowaty polipropylen. Poza zabezpieczeniem cieczy ekstrahującej, małe pory włókna uniemożliwiają przedostanie sie do niej dużych molekuł, co jest pożądane zwłaszcza w analityce płynów biologicznych. Na wydajność ekstrakcji, podobnie jak w technice SDME, wpływ mają takie warunki ekstrakcji, jak: objętość próbki i ekstrahenta, intensywność mieszania, czas ekstrakcji, wysalanie oraz pH próbki. Technikę tę zastosowano do ekstrakcji z roztworów wodnych takich analitów jak np.: aminy aromatyczne, leki o charakterze kwaśnym lub zasadowym oraz estrogeny.

Rysunek 19. Zestawy do mikroekstrakcji przez membranę do fazy ciekłej, HF-LPME