Multimediální pomůcka pro předmět Chemie životního prostředí:

VYUŽITÍ TECHNIKY TLAKOVÉ EXTRAKCE PRO IZOLACI ORGANOHALOGENOVANÝCH LÁTEK Z ENVIRONMENTÁLNÍCH MATRIC (SOP)


Ing. Michaela Charvátová, Ph.D.

 

Předmluva

Předkládaná multimediální pomůcka pro předmět Chemie životního prostředí (vyučován v 1. ročníku magisterského studijního programu) „Využití techniky tlakové extrakce pro izolaci organohalogenovaných látek z environmentálních matric (SOP)“ seznámí studenty se základy této moderní extrakční metody. Výuka praktických cvičení byla právě o metodu - extrakce podporovaná tlakem rozšířena. Metoda tlakové extrakce patří mezi techniky běžně používané v laboratořích státních kontrolních ústavů, kde absolventi FVHE VFU často nacházejí uplatnění.
Součástí tohoto studijního materiálu jsou návody na praktická cvičení. Návody jsou doplněny fotografiemi, které zachycují práci při přípravě extrakčních patron, jejich plnění vzorkem a manipulaci s extraktorem.

Seznam použité literatury je uložen v dokumentaci Ústavu veterinární ekologie a ochrany životního prostředí FVHE VFU Brno.

Za odborné posouzení a věcné připomínky děkujeme recenzentům a dalším odborníkům.

Multimediální pomůcka je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.


Extrakce podporovaná tlakem

 Extrakce podporovaná tlakem (Pressurized Solvent Extraction, PSE) je technika přípravy vzorku, která kombinuje zvýšenou teplotu a tlak ve spojení s kapalnými rozpouštědly k dosažení rychlé a efektivní extrakce analytu z pevného vzorku.

 

1. Princip

Vzorek se umístí do extrakční patrony, ve které probíhá extrakce nejčastěji organickým rozpouštědlem při teplotách od pokojových do 200 °C a při relativně vysokém tlaku (od 4 do 20 MPa). Při vyšší teplotě se zvyšuje difúzní rychlost, rozpustnost analytu a prostupnost hmoty, klesá viskozita a povrchové napětí rozpouštědla. Tyto změny zlepšují kontakt analytu s rozpouštědlem a zlepšují extrakci, takže může být dosažena rychleji a s použitím menšího množství rozpouštědla v porovnání s klasickými metodami. Vysoký tlak zatlačuje rozpouštědlo do pórů matrice vzorku a také udržuje rozpouštědlo v kapalném skupenství při dané teplotě.

 

2. Typy PSE

U této techniky, která zahrnuje extrakci rozpouštědlem při vysokém tlaku a teplotě, aniž by se dosáhlo kritického bodu rozpouštědla, se můžeme setkat s různými názvy. Jednotlivé typy označení jsou uvedeny v následující tabulce. Pokud se jako rozpouštědlo používá voda, objevují se další pojmenování. V následujícím textu bude tato metoda uváděna pod zkratkou PSE.


Tabulka I: Metody extrakce podporované tlakem

Zkratka

Název metody anglicky

Překlad názvu metody

PSE

pressurized solvent extraction

zrychlená extrakce podporovaná tlakem

ASE

accelerated solvent extraction

zrychlená extrakce rozpouštědlem

PFE

pressurized fluid extraction

fluidní extrakce podporovaná tlakem

PLE

pressurized liquid extraction

kapalinová extrakce podporovaná tlakem

PHSE

pressurized hot solvent extraction

horká extrakce rozp. podporovaná tlakem

HPSE

high - pressure solvent extraction

vysokotlaká extrakce rozpouštědlem

HPHTSE

high - pressure, high temperature solvent extraction

vysokotlaká, vysokoteplotní extrakce rozpouštědlem

SSE

subcritical solvent extraction

subkritická extrakce rozpouštědlem

SWE

subcritical water extraction

subkritická extrakce vodou

HWE

hot water extraction

horká extrakce vodou

PHWE

pressurized hot water extraction

horká extrakce vodou podporovaná tlakem

HTWE

high temperature water extraction

vysokoteplotní extrakce vodou

           

Metoda PSE s použitím jak organického rozpouštědla tak s použitím vody, může být prováděna ve statickém nebo v dynamickém modu. Většina aplikací využívá statického modu, který je následován krátkým post-extrakčním proplachem patrony rozpouštědlem. V tomto případě zvolené rozpouštědlo naplní extrakční patronu se vzorkem, pak dojde k zahřátí a natlakování patrony na stanovené hodnoty, a pak probíhá extrakce po zvolenou dobu. Po extrakci následuje vypuštění extrakčního rozpouštědla do sběrné vialky a proplach systému malým množstvím rozpouštědla a pročištění dusíkem (nejčastěji po dobu 1 – 2 min). V dynamickém modu zahřáté rozpouštědlo při daném tlaku stanoveným průtokem proudí přes vzorek kontinuálně po stanovenou dobu. Schéma základního typu extraktoru PSE je uvedeno na následujícím obrázku.


Obrázek 1: Schéma základního typu PSE systému

3. Optimalizace metody

Optimalizací extrakčního procesu se musí vytvořit metoda nejvhodnější pro extrakci sledovaných látek z daného materiálu. Lze optimalizovat tyto parametry: množství a skladba vzorku, typ, objem a průtok rozpouštědla, teplota, tlak, extrakční doba a počet cyklů. Běžně se provádí tak, že se jeden z proměnných parametrů mění a ostatní zůstávají konstantní.


3.1 Vliv přípravy vzorku

Analyzované vzorky často potřebují před vlastní extrakcí upravit. Jedním z kroků je prosetí nebo rozemletí vzorku, protože čím menší jsou jednotlivé části vzorku, tím snáze se extrahují analyty do rozpouštědla.

Sušení vzorku je také velmi důležité, protože jakákoliv vlhkost vzorku může zmenšit účinnost extrakce. Tento krok je zvláště významný, jestliže se jako extrakční činidlo používají nepolární rozpouštědla. Obvykle se provádí přídavkem látky zachycující vlhkost, jako sušící látky se nejčastěji používají síran sodný, infuzoriová hlinka, celulosa, písek. Další alternativou sušení vzorku je použití vakuové pece, sublimačního sušení a lyofylizace. I přes výběr dobré sušící látky se voda může někdy koextrahovat, a může rušit v dalších krocích. Někteří autoři doporučují přidávat bezvodý síran sodný přímo do sběrné vialky.

    

3.2 Vliv rozpouštědla

Optimalizace PSE metody nejčastěji začíná výběrem vhodného extrakčního rozpouštědla. Pro první zkoušky se volí rozpouštědla používaná u konvenčních extrakcí jako je Soxhletova extrakce apod. Extrakční rozpouštědlo musí být schopné rozpustit sledované analyty a zároveň minimalizovat koextrakci dalších látek z matrice vzorku. Také je výhodné, aby vybrané rozpouštědlo bylo co nejvíce slučitelné s rozpouštědly používanými v pozdějších krocích (čištění, zakoncentrováni analytu).

Polarita rozpouštědla by měla být blízká polaritě sledovaného analytu. Nepolární a vodou nemísitelná rozpouštědla jako hexan, pentan nebo směsi nepolárních a středně polárních rozpouštědel jako pentan : dichlormethan, cyklohexan : ethyl acetát, jsou nejčastěji používány při extrakci nepolárních a lipofilních sloučenin. Na druhé straně více polární rozpouštědla jako acetonitril, methanol, ethyl acetát nebo voda se využívají v případech extrakce polárních hydrofilních látek. Směsi málo polárních a více polárních rozpouštědel poskytují účinnější extrakce než použití jednoho rozpouštědla, zejména při extrakcí více sloučenin o různé polaritě.

           

3.3 Vliv teploty

Teplota, stejně jako povaha rozpouštědla ovlivňují účinnost extrakce. Obecně platí, že vyšší extrakční teplota způsobuje lepší pronikavost extrakčního rozpouštědla a také vyšší difúzi a desorpční rychlost analytu z matrice do rozpouštědla. Výjimkou jsou případy, když se extrahují termolabilní látky a když je původní matrice syntetický polymer nebo plast, které mají nízké teploty tání.

 

3.4 Vliv tlaku

Tlak je nejméně důležitým faktorem, který ovlivňuje účinnost PSE extrakce. Hlavní význam vysokého tlaku je, že při dané teplotě udržuje rozpouštědlo v kapalném stavu. Přesto bylo zjištěno, že u některých vzorků vysoký tlak účinnost extrakce ovlivňuje, například u vzorků vlhkých, vysoce adsorptivních a vzorků složených z malých částic, protože zatlačuje organické rozpouštědlo do pórů matrice.

 

3.5 Vliv extrakční doby

Extrakční doba se nejčastěji používá v rozsahu 5 – 10 minut. Také bylo zjištěno, že lepší výsledky jsou dosaženy při kratších extrakcích v několika krocích než při jedné extrakci po delší dobu. Při extrakci PCB po dobu 2 x 5 minut byly zjištěny lepší výsledky a 14 % některých PCB obsažených ve vzorku bylo zjištěno až po druhém extrakčním kroku.

 

4. Aplikace v oblasti ŽP

Tato metoda se používá při analýze biologických vzorků a vzorků potravin, zejména ze dvou důvodů. Prvním je extrakce kontaminantů a druhý důvod je izolace od matričních komponent. Metoda PSE se využívá při stanovení různých kontaminantů v různých typech vzorků. Příklady aplikací pro stanovení PCB, PAH, silic, polyfenů a farmaceuticky aktivních látek jsou uvedeny v následujících tabulkách.

 

 Tabulka II: Aplikace PSE – stanovení PCB

 

Matrice

Extrakční podmínky

 

Výtěžnost

(%)

 

Referenční

metoda

Extrakční směs

Teplota 

(°C)

Tlak

(bar)

Extrakční doba
(min)

Půda a sedimenty

Půda

aceton - hexan

100

145

13

105

104

116

Cert. hodnota

MASE

Soxhlet

Sediment

aceton - hexan

100

140

5

2 x 5

99

100

Soxhlet

Sediment

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

100

140

5

 

100

100

100

Soxhlet

Čistírenský kal

aceton - hexan

100

140

5

   

101

Soxhlet

Živočišné matrice

Kapr

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

100

140

5

 

102

100

98

Soxhlet

Ryby

aceton - hexan

dichlormethan -   hexan

120

10 MPa

5

107

100

Soxhlet

Soxhlet

Slávka jedlá

(tkáně)

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

100

140

5

 

84

85

84

Cert. hodnota

 

Ústřice

aceton - hexan

100

140

5

88

Cert. hodnota

 

 

Tabulka III: Aplikace PSE – stanovení organochlorových pesticidů

 

Matrice

Extrakční podmínky

 

Výtěžnost

(%)

 

Referenční

metoda

Extrakční směs

Teplota

(°C)

Tlak

(bar)

Extrakční

doba (min)

Půda a sedimenty

Půda

dichlormethan -  aceton

100

100

10

106

67

Soxhlet

Ultrazvuk

Sediment

dichlormethan

100

138

5

 

94

107

Cert. hodnota

Soxhlet

Sediment

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

 

100

 

138

 

5

 

98

98

100

Soxhlet

Živočišné matrice

Kapr

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

 

100

 

138

 

5

 

100

101

97

Soxhlet

Slávka

(tkáně)

aceton - hexan

acetonitril

dichlormethan

 

100

 

138

 

5

 

94

92

9

Cert. hodnota

 



5. Postup

Pro stanovení organohalogenovaných látek bude jako vzorek ze životního prostředí použit sediment nebo půda. Tento vzorek už bude již upraven (sušení, prosetí přes síto) do formy vhodné k extrakci, čímž dojde ke zvýšení účinnosti extrakce. 

  1. Ze vzorku sušeného sedimentu navážíme 3 g a v třecí misce ho promícháme s vyžíhaným síranem sodným nebo speciálním SPE matrixem (1 g). (Tento krok se provádí proto, aby se zabránilo agregaci jednotlivých částic vzorku, která by mohla snížit účinnost extrakce.).
  2. Dále si připravíme extrakční patronu, filtrační papírek, fritu a matičku (obr. PSE1).  Patronu otočíme dnem vzhůru (je vidět závit).
  3. Na plošinku pod závitem položíme pinzetou kolečko filtračního papíru (obr. PSE2), pak fritu (obr. PSE3) a matičku prohlubní dovnitř (obr. PSE4). Pomocí imbusového klíče utáhneme matičkou (obr. PSE5), ne však na doraz.
  4. Patronu otočíme zpět dnem dolů a přes nálevku do ní vsypeme připravený vzorek (obr. PSE6). (Při dávkování patrony je vhodné dát na dno patrony a mezi vzorek skleněné kuličky). Na povrch vzorku vložíme kolečko filtračního papíru.
  5. Patronu umístíme do extraktoru (obr. PSE7, PSE8 a PSE9), přiklopíme víkem a zašroubujeme (obr. PSE10), pak víko povolíme o 1/4 otáčky (šipky budou svírat úhel 90 °; obr. PSE11).
  6. Nastavíme podmínky extrakce: teplota 100 °C, tlak 100 bar, 2 extrakční cykly po dobu 5 minut, extrakční činidlo hexan (obr. PSE12).
  7. Před zapnutím programu nasadíme na vývod z extraktoru 60 ml vialku, která slouží k zachycení extraktu (obr. PSE13) a otevřeme přívod dusíku (obr. PSE14).
  8. Získaný extrakt budeme dále zpracovávat v následujících cvičeních.

V rámci validace metody byla pro sledované organohalogenované analyty stanovena výtěžnost, která se pohybovala v rozmezí 88 – 96 %.

 

 

6. Literatura 

 1.                  RAMOS, L., KRISTENSON, E., M., BRINKMAN, U., A., TH. Current use of pressurized liquid extraction and subcritical water extraction in environmental analysis. J. Chromatogr. A, 2002, vol. 975, p. 3 -29.

2.                  CARABAIS-MARTÍNEZ, R., RODRIGUEZ-GONZALO, E., REVILLA-RUIZ, P., HERNÁNDEZ-MÉNDEZ, J. Pressurized liguid extraction in the analysis of food and biological samples. J. Chromatogr. A, 2005, vol. 1089, p. 1 – 17.

3.                  RICHTER, B., E., JONES, B., A., EZZELL, J., L., PORTER, N., L., AVDALOVIC, N., POHL, C. Accelerated solvent-extraction: A technique for sample preparation.  Anal. Chem., 1996, vol. 68, p. 1033 – 1039.

4.                  BJÖRKLUND, E., NILSSON, T. Pressurized liquid extraction of persistent organic pollutants in environmental analysis. Trends in Analytical Chemistry, 2000, vol. 19, no. 7, p. 434 - 445.

Multimediální pomůcka je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.