Stlačené tekutiny v analytických separačních metodách Michal Roth oddelení separací v tekutých fázích Ústav analytické chemie AV ČR, v.v.i. Veveří 97 60200 Brno s využitím výsledku a presentací kolegů Pavla Karáska, Josefa Planety, Eleny Varaďové Ostré, Jaroslava Póla, Barbory Hohnové, Lenky Šťavíkové, Marie Horké a Karla Šlaise 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-ASE- Pressurized Solvent Extraction Accelerated Solvent Extraction 4) extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou PHWE - Pressurized Hot Water Extraction SubWE - Subcritical Water Extraction 4) superkritická voda vs. křemenné povrchy -v analytických separačních metodách využití -*- teplota k — využití vlastností látek v oblasti nad jejich Te a P c — vlastnosti (hustota, solv. síla,...) mohou být řízeny volbou P a T — COi Tc ~ 31°C Pc ~ 7.8 MPa — úspora času v porovnání s kapalinovou extrakcí — šetrnější k životnímu prostředí - méně (nebo žádná) org. rozp. 1) Superkritická fluidní chromatografie (SFC) * Stavba přístroje pro SFC * Příprava kolon pro SFC (mikro HPLC) * Příklady SFC separací * Neanalytické aplikace - systémy s iontovými kapalinami Příprava kapilárních náplňových kolon pro SFC (HPLC) Požadavky na kolony: • Náplň sorbent o zrnitosti 3 nebo 5 um, délka kolony do 1 m • 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 - CO2 cylinder 2 - HPLC pump 3 - manometer 4 - on/off valve, 5 - stainless steel filling reservoir, 6 - fused silica capillary, 7 - restrictor Příklady SFC separací SFC separace pečetě Rudolfa II (materiál včelí vosk). Kolona 320 pm x 150 mm, 5 pm Biospher C18, t=80 °C, FID 150 °C, program 8-35 MPa Příklady SFC separací SFC separace polydimethylsiloxanu. Kolona 320 pm x 150 mm, 5 pm Biospher C18, t=80°C, FID 150°C, program 8-35MPa Iontové kapaliny (ionic liquids, IL) ? = organické soli, které jsou za pokojové teploty kapalné = kapaliny složené výhradně z iontů, neobsahují částice (molekuly) bez elektrického náboje vlastnosti IL se výrazně liší od běžných molekulárních rozpouštědel (voda, organická rozpouštědla) počet „možných" iontových kapalin = ~1015 Relative partition coefficients in [bmim][BF4]-scC02 system o o o o * ♦ ♦ ♦ ♦ 9 9 m m v v v i 400 500 600 700 800 Pm I kg.m3 aniline anisole azulene benzoic acid 1 -hexanol indole N,N-ú\vn ethyl an i li ne N-melhylaniline p-cresol phenelhyl alcohol phenol B: naphthalene 2) SFE - superkritická fluidní extrakce (C02) tuhé vzorky vodné vzorky solvatační schopnost C02 je velmi závislá na tlaku (hustotě) ? chrom, analýza - dekomprese - ztráty analytů - záchyt ? .....■■ Základní technika záchytu do kapaliny ~~|_ COa (výstup) + jednoduchá realizace - vysoká spotřeba rozpouštědla - značné ztráty těkavých analytů - časté ucpávání restriktoru přehřátá pára org. rozpouštědla částečky analytů obalené kondenzujícín rozpouštědlem Lt=4 wine samples lcluster analvsisl - 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 srovnám s postupem přes extrakci tuhým sorbentem (SPE-SFE-GC) poskytuje přímá SEE vín (DCSFE-GC) mnohem lepší rozlišení odrůd 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) _»>vs f^1" 5 Měření mezifázové distribuce analytů v systému H20 - scC02 Partition Coefficient (K= ylrf of Salicylic Acid as a Function of rand P C02-Water Partition Coefficients (333 K, 20 MPa) vs. Octanol-Water Partition Coefficients at Ambient Conditions Red symbols = ortho-substituted phenols Blue symbol = 2 dissociable protons 3) Kapalinová extrakce za zvýšených teplot [7~> 7"boilsolvent] a tlaků [P> Psatsolvent (7)] org. rozpouštědla / směsi: PFE, PLE, PSE, ASE Instrumentace PFE - automatizované extraktory: Výhody PFE proti (nízkotlaké) extrakci podle Soxhleta: a) vyšší rozpustnost analytů v důsledku jejich vyšší těkavosti b) d) k í analytů z matrice vzorl ^stup hmoty, slabší inte \ a b) vede k rychlejší e fcst extrakčního rozpouš Když mnohem méně ne. panických 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) ct-horké kyseliny, humulony ß-hofke kyseliny, lupulony R = -CH(CH3)2, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH3)CH2CH3 2) „čajové" rostliny honeybush (Cyclopia intermedia) -jižní Afrika rooibos (Aspalathus linearis) -jižní Afrika čaj (Camelia sinensis) - Čína yerba maté (Ilex paraguayensis) - jižní Amerika CH3 CH3 CH3 Vitamin E 4) Antioxidanty z hroznových slupek: off-line PFE-EPR De3glc: R1 = R2 = OH Cy3glc: R1 =OMe, R2 = Oh Pt3glc: R1 = OMe, R2 = H Pn3glc: R1 - R2- OMe Mv3glc: R1 - OH, R2 = H Svatovavřinecké ANbernet (rozemleté lyof Mízované slupky) PFE: MeOH, EtOH, 40-120°C, 15 MPa antioxidanty z extraktů zhášejí radikály přidané do systému časový vývoj EPR signálu ~ antioxidační aktivita extraktu 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) or ABTS 2,2-diphenyl-1 -pjcrylhydrazyl 4) Extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou Motivace: Voda je nejen „nejzelenějším", ale také „nejladitelnějším" rozpouštědlem. „Obvyklé" podmínky (25 °C, 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) Superkritické voda (ř> 374 °C, P > 22 MPa) supercritical water oxidation, SCWO superkritické voda rozpouští Si02 - geochemie, povrchy b) Subkritická voda (100 °C < ř<374 °C, P> Pat(ř)) „environmentálni sanace" extrakce rostlinných materiálů a surovin analytická chemie - příprava vzorku biopolymery - rozpouštění celulózy, hydrolýza proteinů konverze (zplynování) biomasy - energie (CO+H2) Motivation water = the "greenest" and the most "tuneable" solvent Property "ambient" "supercritical" 25 °C, 0.1 MPa 500 °C, 30 MPa Density pi kq-rrf3 997.0 Cohesive energy density cl J-cirf3 2299 —— — Solubility parameter SI (J-cnr3)"2 47.9 Internal pressure Pm, 1 MPa 169 Ion product Kw 1 (mol-dnvY 1x10" Relative permittivity a 78.4 —- -- 1.68 PHWE : 100°C< f<374°C, P> Psat (f) relative wealth of analytical applications of PHWE relative lack of solubility data Smartphones, tablets, etc. ... OLED displays Increasing production => increasing rate of disposal Environment ?? ... Aqueous solubilities Q o " b l,4-bis(diphenylamino)benzene tetra-AAphenylbenzidi l,3,5-tris(diphenylamino)benzene 4,4'-bis(AAcarbazolyl)-l,l'-biphenyl 9,10-b i sfpheny leth yny l)anth i Aqueous solubilities of hole transport materials P = 5-7 MPa :K> untreated fused silica capillary (100 pm i.d.) > fused silica capillary after etching with 2-ch loro-l,l,2-trifluoroethyl methyl ether (33 % of capillary volume filled with the liquid ether, capillary sealed, 320 °C, 12 hours) followed by etching with saturated methanolic solution of ammonium hydrogen difluoride (25 °C, 24 hours) > fused silica capillary after etching with 2-ch loro-l,l,2-trifluoroethyl methyl ether (50 % of capillary volume filled with the liquid ether, capillary sealed, 350 °C, 12 hours); black coloration comes from the carbon soot produced by decomposition of the ether Děkuji za pozornost 13