Stlačené tekutiny v analytických separačních metodách Michal Roth oddělení separací stlačenými tekutinami Ústav analytické chemie AV ČR, v.v.i. Veveří 97 60200 Brno s využitím výsledků a presentací kolegů Pavla Karáska, Josefa Planety a Jaroslava Póla Struktura vymezení tématu - proč stlačené tekutiny v analytice ? 1) superkritická fluidní chromatografie (SFC) 2) superkritická fluidní extrakce (SFE) 3) extrakce org. rozpouštědly za zvýšených teplot a tlaků PFE - Pressurized Fluid Extraction PLE - Pressurized Liquid Extraction PSE - Pressurized Solvent Extraction ASE - Accelerated Solvent Extraction 4) extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou PHWE - Pressurized Hot Water Extraction SubWE - Subcritical Water Extraction SFE, SFC s> t SOLID LIQUID GAS ------>- teplota f I - využití vlastností látek v oblasti n - vlastnosti (hustota, solv. síla,...) -CO2 Tc~31°C Pc~7.81 - úspora času v porovnání s kapali - šetrnější k životnímu prostředí - ľ ad jejich Tc aPc mohou být řízeny volbou P a T XÍPa novou extrakcí néně (nebo žádná) org. rozp. 1) Superkritická fluidní chromatografie (SFC) * Stavba přístroje pro SFC * Příprava kolon pro SFC (mikro HPLC) * Příklady SFC separací * Neanalyticke aplikace - systémy s iontovými kapalinami • Mobilní fáze (C02) v nadkritickém stavu: p > 8 MPa, t > 31 "C • (HPLC) Vysokotlaká pumpa, dávkování pomocí ventilu • (GC) Plamenově ionizační detektor (FID) • (HPLC, GC) Kolony - náplňové {ty 320 um - 4,6 mm) kapilární (ty 50 um -100 um), délka 10m • (-) Restriktor pro omezení toku mobilní fáze SFC zařízení (Varian 3700) ""IftQ1' ;■ ;4tH ' lil' \0^W' !í~~i H a ivsFc Detail vnitřku SFC zařízení Příprava kapilárních náplňových kolon pro SFC (HPLC) Požadavky na kolony: • Náplň sorbent o zrnitosti 3 nebo 5 um, délka kolony do 1m • Průměr kolony do 320 um => F = 4ul/min(liq.), F = 10ml/min(g) • Pracovní tlak do 40 MPa => nároky na uzavření konců kolon Vysoká účinnost vyrobených kolon Aparatura k plnění kapilárních náplňových kolon 1 - C02 cylinder 2 - HPLC pump 3 - manometer 4 - on/off valve, 5 - stainless steel filling reservoir, 6 - fused silica capillary, 7 - restrictor Příklady SFC separací 15.0 12.5 7.5 J S s * t & Ú t Tlr^lnj SFC separace pečetě Rudolfa II (materiál včelí vosk). Kolona 320 pm x 150 mm, 5pm Biospher C18, t=80'C, FID 150*0, progra m 8-35 MPa Příklady SFC separací J ^ilUUUÜUi "„, SFC Bios separace polydimethylsiloxanu. Kolona 320 pm x 150 mm, 5 p pher C18, t=80* %y?i ^ L j r4>ff .......»co2 *'•■•• r l ■ i« 1 k \4 \ K J i zác hytná KONDENZACE ROZPOUŠTĚNÍ TRANSPORT SFE (příjemných) kapalných vzorků ? Analýza vín A A 1 A 1 Direct Continuous Supercritical Fluid Extraction as a Novel Method of Wine Analysis: Comparison with Conventional Indirect Extraction and Implications for Wine Variety Identification Pavel Karásek, Josef Planeta, Elena Varaďová Ostrá, Milena Mikešová, Jan Goliáš, Michal Roth, and Jiří Vejrosta \ Journal of Chromatography A 2003, 1002, 13-23. BZENECKÁ STRÁŽNICKÁ UHERSKO-HRADIŠŤSKáI Müller Thurgau MUŠKÁT OTCONEL M IVeltlíaské červené 1« Kyzlink rýnský '• Veltlínské zelené IrOKTUGUSkÉMODKÍl Rulandské bílé t * t« a* RULANDSKÉ MODRÉ Ryzlink vlašský Sanvignon ^F f Iř |SVATOVA¥HINECKť| 121 vzorků vín 21 odrůd hroznů Kító vinifera L. 4 sklizně (ročníky 1996-1999) ZWEIGELTREBE Multivariate Statistics of the wine varieties represented by >=4 wine samples [cluster analysis] - used to select the 4 samples/variety if more discriminant analysis - elimination of redundant (= linearly dependent) component peak areas from the input data matrix canonical correlation analysis - computation of discriminant functions, i.e., the latent factors differentiating among the wine samples Info: http://www.statsoft.com/textbook/stathome.html Computation tool: KyPlot spreadsheet SW, Koichi Yoshioka, http://www.qualest.co.jp/Download/KyPlot/kyplot_e.htm , http://www.kyenslab.com/en Statistické zpracování (diskriminační analýza) chromatogramů Ve srovnání s postupem přes extrakci tuhým sorbentem (SPE-SFE-GC) poskytuje přímá SFE vín (DCSFE-GC) mnohem lepší rozlišení odrůd ~--------------»---------------- S»S, Ir § ■ ■ ■ ilILc o ° ; &ď DCSFE-GC SPE-SFE-GC Další analytické aplikace přímé kontinuální SFE (DCSFE) vodných vzorků: •pivo - aldehydy, ketony, mastné kyseliny, estery; PAH, PCB (DCSFE-GC) •přírodní insekticidy - pyrethriny (Chrysanthemum cinerariaefolium) (DCSFE-HPLC) •lykopen (tetraterpen, červené barvivo rajských jablíček aj.) (DCSFE-HPLC) Měření mezifázové distribuce analytu v systému H20 - scC02 Partition Coefficient (K = y/x) of Salicylic Acid as a Function of T and P C02-Water Partition Coefficients (333 K, 20 M Pa) vs. Octanol-Water Partition Coefficients at Ambient Conditions 2.5 1.5 1 SC - 0.5 0 -0.5 ■ z • Tm™c! 0 log kow Red symbols = ortfto-substituted phenols Blue symbol = 2 dissociable protons 3) Kapalinová extrakce za zvýšených teplot D Si sat [T > rboilsolvent] a tlaků [P > Psatsolvent (T)] org. rozpouštědla / směsi: PFE, PLE, PSE, ASE Instrumentace PFE - automatizované extraktory: Výhody PFE proti (nízkotlaké) extrakci podle Soxhieta: a) vyšší rozpustnost analytu v důsledku jejich vyšší těkavosti analytu z matrice vzorl stup hmoty, slabší intel l a b) vede k rychlejší e bst extrakčního rozpous tdyž mnohem méně nei manických rozpouštědel) fíího prostředí f) lepší kontrola složení v případě použití směsných rozpouštědel - na rozdíl od Soxhletovy extrakce PFE nezahrnuje fázový přechod rozpouštědla (rovnováha kapalina-pára) a z něj plynoucí změny složení Využití PFE - „nutričně" významné látky v rostlinách 1) chmel (šištice, chmelové pelety) a-hořké kyseliny, humulony ß-horke kyseliny, lupulony isohumulony R = -CH(CH3)2, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH3)CH2CH3 2) „čajové" rostliny Rooibos itfUSÜfflili honeybush (Cyclopia intermedia) Rooibos - zelený -*^~~ Honeybush -jižní Afrika rooibos (Aspalathus linearis) -jižní Afrika čaj {Camelia sinensis) - Čína yerba mate (Ilex paraguayensis) -jižní Amerika Vitamin E A Rooibos green Rooibos red 40 • Gunpowder green • Gunpowder black Hexane Acetone MeCN CH2CI2 EtOH 35 . * 30 A 5 25 a * • • • . A * Í * A , A • * • • • • • 10 t • A # A * • • : A • 5 i : . • • * ' • . D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 6 6 Caffeine • Honeybush A Rooibos green • Rooibos red • Gunpowder green • Gunpowder black "-» Acetone MeCN CH2CI2 EtOH * • : • • • : * 3) Steviosid Sterna rebaudiana cca 300x sladší než sacharosa H3C COOR. steviosid: R^yff-Glc R2 = ^-Glc-^-Glc ste viol: 4) Extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou Motivace: Voda je nejen „nejzelenějším", ale také „nejladitelnějším" rozpouštědlem. „Obvyklé" podmínky (25 CC, 0.1 MPa): NaCI dobře rozpustný, benzen prakticky nerozpustný „Superkritické" podmínky (>374 °C, >22.1 MPa): NaCI ~ nerozpustný, benzen ~ plně mísitelný Využití vody za vysokých teplot a tlaků: a) Superkritická voda (t > 374 22 MPa) supercritical water oxidation, SCWO b) Subkritická voda (100 'C < t < 374 CC, P > P53^)) „environmentálni sanace" extrakce rostlinných materiálů a surovin analytická chemie - příprava vzorku biopolymery - rozpouštění celulózy, hydrolyza proteinů konverze (zplynování) biomasy- energie (CO+H2) Motivation water = the "greenest" and the most "tuneable" solvent Property "ambient" 25 tí, 0.1 MPa 500 "C, 30 MPa Density pi kg-m3 997.0 115 Cohesive energy density c / Jem3 Solubility parameter / (Jcm"3)1/2 47.9 Internal pressure Pint / MPa 169 Ion product /(mol-dirf3)2 1x-| 0"14 1.57X10"23 Relative permittivity & PHWE : 100*0 < t < 374^, P > Pcat (t) relative wealth of analytical applications of PHWE X relative lack of solubility data PAH + Apparatus and Procedure glass B i—rn / / toluene Operating pressure is determined / F~l \ ointlypy the fused-silica restrictor QJ __ and b^ the operating flow rate of the pump if Peak areas of the PAH and the internal standard together with volumetric dilution factors make it possible to obtain the solubility (equilibrium mole fraction) of the PAH in pressurized hot water, x2 7 PAHs-in-PHW solubilities: Brno data 10"3 , CO 300 350 400 450 500 I O^H3 Activity coefficients of PAHs in PHW 350 400 450 500 TIK CH>^> CO density solubility parameter cohesive energy density relative permittivity 100 150 Temperature / *C predictive correlation of aqueous solubilities of PAHs PAHs in PHW: "environmental" prediction • naphthalene anthracene to-3 chrysene to-4 1,2-benzanthracene triphenylene perylene p-terphenyl fluorene io-B fluoranthene naphthalene, envi 0 to-7 ■ -yr • biphenyl, envi D acenaphthene, envi X™ 10-° ^ fluorene, envi anthracene, envi to-» O phenanthrene, envi pyrene, envi + yf ■ fluoranthene, envi 1n-lu chrysene, envi A 1,2-benzanthracene, envi . Ä V triphenylene, envi 0 naphthacene, envi to-12 + benzo[a]pyrene, envi [^V /í10-1110-1010-0 10-0 10-7 10-B 10-5 10-4 1( perylene, envi + benzo[g,h,i]perylene, envi rr \ X2eXP @ coronene, envi ?c .14 mg/m3 (25-0,0.1 MPa) n carbazole <> dlbenzofuran v dibenzothiophene + fluorene 300 320 340 360 380 400 420 440 ľ/K t-,~ 0 CH(arom) C(arom) CH2(cycle) N (aróm) S(cycle) O (cycle) N H (cycle) Aktivitní koefic < entý: diamantoidy vs. PAHs 108 107 106 - X • adamantane • naphthalene ■ diamantane ■I anthracene • phenanthrene V. >c 105 104 ■-s x. 3C 0 350 400 450 r/K 5 DO 10 11