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, Dany Moravcové a Karla Šlaise — využití vlastností látek v oblasti nad jejich Tc a Pc — vlastnosti (hustota, solv. síla,...) mohou být řízeny volbou P a T — CO2 Tc ~ 31 °C Pc~7.8 MPa — úspora času v porovnání s kapalinovou chromatografií/extrakcí — šetrnější k životnímu prostředí- méně (nebo žádná) org. rozp. — hustota, solvatačníschopnost ~ kapaliny — viskozita, rychlost difúze ~ plyny 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 (4 320 um - 4.6 mm) kapilární ( F = 4[il/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 i SFC separace polydimethylsiloxanu. Kolona 320 pm x 150 mm, 5 pm Biospher C18, t=80°C, FID 150°C, program 8-35 MPa SFC dnes ? - chirální separace (enanciomery) - separace a purifikace ve farmaceutickém výzkumu/průmyslu ! vyšší ..throughput" než v HPLC (více separací/analýz za časovou jednotku čiotý COa C02 + MeOH SFC jako druhý rozměr ve 2D chromatografických separacích 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 CH3 Ionic liquids - anions J F F "V History of Ionic Liquids ...1914...Walden... [(C2H5)4N][N03] • 1980s: Chloroaluminate Ionic Liquids 1st generation "\—ľ [AICIJ- J.S. Wilkes, J.A. Levisky, R .A. Wilson and CL. Hussey, Inorg. Chem. 21 (1982) 1263-1264. • 1990s: Air- and moisture-stable Ionic Liquids 2nd generation ^ ^ J X=f [BFJ- J.S. Wilkes and M.J. Zaworotko, J. Chem. Soc. Chem. Commuh (1992) 965-966. • 2000s: First examples of „Task Specific Ionic Liquids" 3rd generation \_ ,-s-\ \=J [PFJ A.E. Visser, R.P. Swatloski, W.M. Reichert, R. Mayton, S. Sheff, A. Wierzbicki, J.H. Davis, Jr. and R.D. Rogers, Chem. Commuh. (2001) 135-136. • 2010s: Biodegradable Ionic Liquids 4th generation IL H3C jN-C6H13 F O OF I II - II I F—C-S—N-S-C-F I II II I F O OF [hmim][Tf2N] I siloxane polymer (PDMS, M„ ~ 4.8x105) open tubular capillary column -micropacked DMEEB1 ■■■■ CAUSES — SEUSFE MRUS >r» ID SKIN MB §'fS Relative partition coefficients in [bmim][BF4]-scC02 system A ▲ 1 0 0 <> O ♦ ♦ ♦ * B H v v 300 400 500 600 700 800 Pm I kg.m 3 O aniline • anisole □ azulene ■ benzoic acid A 1-hexanol A indole V W.W-dimelhylaniline ▼ W-melhylaniline O p-cresol ♦ phenelhyl alcohol @ phenol B: naphthalene Přehledové články o aplikacích SFC a) farmaceutická analýza E. Lemasson, S. Bertin, C. West: Use and practice of achiral and chiral supercritical fluid chromatography in pharmaceutical analysis and purification, /. Separ. Sci. 2016, 39, 212-233; 62. V. Desfontaine, D. Guillarme, E. Francotte, L. Nováková: Supercritical fluid chromatography in pharmaceutical analysis, /. Pharm. Biomed. Anal. 2015, 113, 56-71; J. M. Plotka, M. Biziuk, C. Morrison, J. Namiesnik: Pharmaceutical and forensic drug applications of chiral supercritical fluid chromatography, TrAC - Trends Anal. Chem. 2014, 56, 74-89; htl 12 . b) potravinářská analýza J. L. Bernal, M. T. Martin, L. Toribio: Supercritical fluid chromatography in food analysis, /. Chromatogr. A 2013,1313, 24-36; htl 22. SFE (příjemných) kapalných vzorků ? Analýza vín ä.. saJ- <5 1 1 Direct Continuous Supercritical Fluid Extraction as a Novel Metho of Wine Analysis: Comparison with Conventional Indirect Extraction and Implications for Wine Variety Identification d Pavel Karásek, Josef Planeta, Elena Varaďová Ostrá, Milena Mikešová, Jan Goliáš, Michal Roth, and Jiří Vejrosta Journal of Ch romatography A 2003, J002, 13-23. | 0 1 vuSSkT l v 1 ; 8 y l_i L ■ ML BRNENSKÁ VELKOPAVLQVICKÁ ■ ■ K MIKULOVSKÁ =CDLUŽÍ UH 5^ AURELUS FRANKOVKA f* TÉNCKÁ NKKÁ EFSK0-HRADIŠŤSKÁ Miiller Thurgau f«ř MIISKATOTIU.NEL f# IVEIIBURGSKE PALAVA i* -v- / *# Kulíindské bílé Ý# HILANDSKÉ MODRÉ i* RULAIVDSKÉ ŠEDÉ "f* Ky/link vlašský Sanvignon SVATOVWRIriECKÉ f* Veltlínské čtrvení f* - ■ :. - - 121 vzorků vín 21 odrůd hroznů Vířis vinifera L. 4 sklizně (ročníky 1996-1999) ZWEHiELTREBE Multivariate Statistics of the wine varieties represented by >~4 wine samples Muster 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 srovnání s postupem přes extrakci tuhým sorbentem (SPE-SFE-GC) poskytuje přímá SEE vín (DCSEE-GC) mnohem lepší rozlišení odrůd 6 ♦ j^R.M.nrJ 1 a .10 .5 0 cto 1 10 15 20 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 (Chrysanthemiim cinerariaefoliiim) (DCSFE-HPLC) •lykopen (tetraterpen, červené barvivo rajských jablíček aj.) (DCSFE-HPLC) X x. Y J Měření mezifázové distribuce analytů v systému H20 - scCQ2 Partition Coefficient (/C = ylx) 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 = oŕfŕio-substítuted phenols Blue symbol = 2 dissociable protons Přehledové články o aplikacích SFE J. A. Mendiola, M. Herrero, A. Cifuentes, E. Ibanez: Use of compressed fluids for sample preparation: Food applications, J. Chromatogr. A 2007,1152, 234-246; 46. M. Herrero, J. A. Mendiola, A. Cifuentes, E. Ibanez: Supercritical fluid extraction: Recent advances and applications, J. Chromatogr. A 2010,1217, 2495-2511; http://dx.d0i.0rg/l 0.1016/j .chroma.2009.12.019. C. G. Pereira, M. A. A. Meireles: Supercritical Fluid Extraction of Bioactive Compounds: Fundamentals, Applications and Economic Perspectives, Food Bioprocess. Technol. 2010, 3, 340-372; J. Azmir, I. S. M. Zaidul, M. M. Rahman, K. M. Sharif, A. Mohamed, F. Sahena, M. H. A. Jakurul, K. Ghafoor, N. A. N. Norulaini, A. K. M. Omar: Techniques for extraction of bioactive compounds from plant materials: A review, /. Food Eng. 2013, 77 7, 426436; htl 14. M. M. R. de Melo, A. J. D. Silvestře, C. M. Silva: Supercritical fluid extraction of vegetable matrices: Applications, trends and future perspectives of a convincing green technology, /. Supercrit. Fluids 2014, 92, 115-176; http://dx.d0i.0rg/l0.1016/i.supflu.2014.04.007 . A. R. C. Morais, A. M. D. Lopes, R. Bogel-Lukasik: Carbon Dioxide in Biomass Processing: Contributions to the Green Biorefinery Concept, Chem. Rev. 2015,115, 3-27; http://dx.doi.org/10.102 l/cr500330z . 3) Kapalinová extrakce za zvýšených teplot [T> 7"boiisolvent] a tlaků [P> PSatsolvent CO) 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 analytu z matrice vzorl ^stup hmoty, slabší inte a b) vede k rýchlejšie st extrakčního rozpouš |;dyž mnohem méně ne. anických rozpouštědel ího 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) cc-horké kyseliny, humulony [i-horké kyseliny, lupulony isohumulony R = -CH(CH3)2, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH3)CH2CH3 2) „čajové" rostliny Roolbos - zelený honeybush (Cyclopia intermedia) -jižníAfrika rooibos (Aspalathus linearis) -jižníAfrika čaj (Camelia sinensis) - Čína yerba mate (Ilex paraguayensis) - jižní Amerika Přehledové články o aplikacích PFE a) analýza potravin: A. Mustafa, C. Turner: Pressurized liquid extraction as a green approach in food and herbal plants extraction: A review, Anal. Chim. Acta 2011, 703, 8-18; http://dx.doi.Org/l0.1016/i.aca.2011.07.018 . S. M. Zakaria, S. M. M. Kamal: Subcritical Water Extraction of Bioactive Compounds from Plants and Algae: Applications in Pharmaceutical and Food Ingredients, Food Eng. Rev. 2016, 8, 23-34; Lx. A. Baiano: Recovery of Biomolecules from Food Wastes - A Review, Molecules 2014,19, 14821-14842; http://dx.d0i.0rg/l 0.3390/molecules 190914821 . C. C. Teo: Pressurized hot water extraction (PHWE), J. Chromatogr. A 2010,1217, 2484-2494; http://dx.doi.org/10.1016/i.chroma.2009.12.050 . 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 Motivation water = the "greenest" and the most "tuneable" solvent Property "ambient" 25 °C, 0.1 MPa Density pi kg-rrf3 997.0 Cohesive enerqy density cl J-crrr3 2299 -— -- Solubility parameter SI (J-crtr3)"2 47.9 Internal pressure Pini / MPa 169 Ion product K,l (mol-drrT3)2 1x10" Relative permittivity e, 78.4-- -- PHWE : 100°C< ř<374°C, P> Psat (f) relative wealth of analytical applications of PHWE X relative lack of solubility data Využití vody za vysokých teplot a tlaků: a) Superkritickávoda (ř> 374 °C, P> 22 MPa) supercritical water oxidation, SCWO superkritická voda rozpouští Si02 - geochemie, povrchy b) Subkritická voda (100 °C < ř<374°C, P>Ps*{t)) „environmentálni sanace" extrakce rostlinných materiálů a surovin analytická chemie - příprava vzorku biopolymery- rozpouštění celulózy, hydrolýza proteinů konverze (zplynování) biomasy-energie (CO+H2) Smartphones, tablets, etc. ... OLED displays Increasing production => increasing rate of disposal Environment ?? ... Aqueous solubilities l,4-bis(diphenylamino)benzene tetra-N-phenylbenzidi l,3,5-tris(diphenylamino)benzene 4,4'-bis(N-carbazolyl)-l,l'-biphenyl 9,10-bis(phenylethynyl)anthi Aqueous solubilities of hole transport materials P = 5-7 MPa 0 anthracene # trip heny lamině 1 1,4-bis(diphenylamino)benzene + tetra-N-phenylbenzidi ne X 4,4'-bis(N-carbazQlyl)-1. T-biphenyl 1,3,5-tris(diphenylamino)benzene ^ 9,10-bi5(phenylethynyl)anthracerie Solubility at 25 °C: 2*10'" g / 1 kg H20 Kónické kapiláry O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 capillary length [cm ] Kónické kapiláry - k čemu jsou dobré ? Karel Slais (1995) - teorie - využití kónických kapilár může vést k vyššímu rozlišení amf olytů v kapilární isoelektrické fokusaci (CIEF) 90 mg/min 260 mg/min 360 mg/min 500 mg/min 20 30 40 50 60 70 80 90 100 capillary length [cm ] Kónické kapiláry - jak fungují v CIEF ? obvyklá valcová kapilára kónická kapilára L Rozlišení několika druhů bakterií Ďíckeya s blízkými isoelektrickými body v kapilární isoelektrické fokusaci v gradientu pH 2.0-4.0 s použitím běžné válcové (vlevo) a kónické (vpravo) kapiláry. Kapiláry uniformního průměru s naleptaným vnitřním povrchem Leptání superkritickou vodou lze provést i tak, že vnitřní průměr kapiláry zůstane konstantní, ale vnitřní povrch získá „porézní" strukturu s dutinami definované velikosti *■ CZE MRSA = methicillin-resistant Staphylococcus aureus MSSA = methicillin-sensitive Staphylococcus aureus Columns - troubles in surface treatment - an example 3\ o ► untreated fused silica capillary (100 umi.d.) > fused silica capillary after etching with 2-chbro-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-chloro-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 Monolithic silica (capillary) columns Skill AND good luck Skill and BAD luck Děkuji za pozornost