Studijní materiál
EXTRAKČNÍ METODY
1. Obecná charakteristika extrakce 2. Extrakce kapalina/kapalina – LLE 3. Alkalická hydrolýza 4. Soxhletova extrakce 5. Extrakce za zvýšené teploty a tlaku – PLE, ASE, PSE 6. Extrakce na pevné fázi - SPE 7. Přehled dalších druhů extrakcí 8. Čištění extraktů
V Brně dne 25. 11. 2013 Vypracoval: RNDr. Ivana Borkovcová, Ph.D. Mgr. Romana Kostrhounová, Ph.D.
1. Obecná charakteristika extrakce Je to separační (dělící) proces, při kterém jsou v kontaktu dvě vzájemně nemísitelné fáze. Analyty se rozdělují mezi tyto fáze na základě různé rozpustnosti (rozdílných rozdělovacích koeficientů) v použitých rozpouštědlech. Čím větší je rozdíl mezi rozdělovacími koeficienty látek, tím dokonalejší je jejich oddělení. Cílem extrakce je selektivní až specifické oddělení analytu od ostatních složek vzorku nebo naopak oddělení rušících složek od analytu. Rozdělení extrakcí: a) podle zúčastněných frakcí 1. plyn – kapalina – headspace metoda extrakce těkavých látek plynem z kapaliny, použití např. v plynové chromatografii 2. kapalina – kapalina - LLE – liquid liquid extrakce 3. tuhá fáze – kapalina – selektivní rozpouštění, loužení b) podle způsobu provedení 1. jednostupňová – dochází k ustavení jedné rovnováhy mezi fázemi, např. třepání v dělící nálevce 2. mnohostupňová – proces ustavení rovnováhy se mnohokrát opakuje v oddělených krocích. 3. kontinuální – fáze jsou při protiproudem pohybu v neustálém styku, např. extrakce v Soxhletově extraktoru c) podle charakteru extrahovaných látek 1. extrakce organických látek 2. extrakce kovových chelátů 3. extrakce iontových asociátů
Proces extrakce lze rozdělit do třech po sobě jdoucích kroků: - vytvoření extrahovatelné formy sledované látky - úprava vzorku - ustavení rozdělovací rovnováhy - vlastní extrakce - případná izolace stanovované látky z organické fáze – reextrakce, odpaření rozpouštědla
2. Extrakce kapalina/kapalina - LLE Je to metoda, která umožňuje oddělit velké množství rušivých látek nebo izolovat stopové množství složky. Extrakce z kapaliny do kapaliny je založena na přechodu rozpuštěné látky z jedné kapalné fáze do druhé. Pokud nalezneme vhodné extrakční činidlo, je extrakce velmi účinnou separační metodou. V praxi bývá jedním rozpouštědlem voda (nebo vodný roztok), zatímco druhé rozpouštědlo je organické, s vodou nemísitelné. Látky mohou být ve vodné fázi rozpuštěny, emulgovány či suspendovány a lze je získat extrakcí jiným rozpouštědlem, které se nemísí s původním roztokem (fází), takže se vytvářejí dvě zřetelně ohraničené vrstvy. Takové vrstvy vznikají např. při smíšení vody s četnými organickými rozpouštědly (hexanem, etherem, chloroformem, benzenem, cyklohexanem). Látka rozpuštěná v jedné fázi (např. vodné) přechází při protřepávání obou kapalin do fáze druhé. Po ustavení rovnováhy je poměr koncentrací rozpuštěné látky v obou fázích konstantní. Distribuční konstanta - popisuje přechod látek při extrakci v systému voda – organická fáze (např. hexan, toluen, diethylether). Je dána vztahem: KD = corg / cvod KD ... distribuční konstanta corg ... koncentrace rozpuštěné látky v organické fázi cvod ... koncentrace rozpuštěné látky ve vodné fázi Závisí na typu rozpouštědel, rozpuštěné látce, teplotě, dalších látkách,. K extrakčnímu dělení se používají nejčastěji dělící nálevky.
Eluotropní řada rozpouštědel- rozpouštědla seřazena podle rostoucí polarity -
Rozpouštědla umístěná v řadě blízko sebe – dobře mísitelná Rozpouštědla z protilehlých konců - nemísitelná
3. Alkalická hydrolýza – zmýdelnění Saponifikace, tedy alkalická hydrolýza, je efektivní procedura k uvolnění neutrálních lipidů, zejména triglyceridů, z biologické matrice. Dochází k hydrolýze esterových vazeb a uvolnění mastných kyselin z glycerolu nebo glyceridů a fosfolipidů a z esterifikovaných sterolů a karotenoidů. Metoda je založena na přidávání silné zásady do reakční směsi. Nazývá se též zmýdelnění (z latinského sapon – mýdlo), protože se tato reakce používala při přípravě mýdla z tuků. Při použití KOH vznikala draselná mýdla - mazlavá, při použití NaOH – mýdla sodná, tuhá. Proces alkalické hydrolýzy můžeme pozorovat i v přírodě, při rozkladu organického materiálů ve slabě alkalických půdách za přispění půdních bakterií. Můžeme jej zaznamenat také i v tenkém střevě za asistence trávicích enzymů. Hodnota zmýdelnění (HZ) – hmotnost KOH (mg) potřebná k hydrolýze 1 g tuku nebo oleje za standardních podmínek. Čím vyšší je hodnota HZ, tím nižší je průměrná molekulová hmotnost mastné kyseliny v triacylglycerolech.
4. Soxhletova extrakce - metoda kontinuální extrakce – fáze jsou při protiproudém pohybu v neustálém kontaktu - slouží i izolaci jedné nebo více organických látek z pevné matrice
Do střední části (3) přístroje se vkládá papírová extrakční patrona, která má válcový tvar a kulaté dno a která se naplní vzorkem. Baňka (2) se naplní vhodným rozpouštědlem, v němž se dobře rozpouští složka, kterou chceme oddělit. Varná baňka se zahřívá k varu rozpouštědla a jeho páry stoupají postranní trubičkou kolem střední části extraktoru do chladiče (5), kde kondenzují. Rozpouštědlo kape na vzorek obsažený v papírové patroně. Střední část extraktoru se postupně plní zkondenzovaným rozpouštědlem, jehož hladina stoupá i v tenké přepadové trubičce(4). Stoupne-li hladina rozpouštědla ve střední části extraktoru k nejvyšší části přepadové trubičky, přeteče roztok do destilační baňky,z níž se těkavé rozpouštědlo znovu destiluje. Nakonec se získá roztok jedné nebo více složek v destilační baňce, z níž po ukončené extrakci rozpouštědlo vydestilujeme. V baňce tak zůstane jen izolovaná složka, popř. složky.
5. Extrakce za zvýšené teploty a tlaku – PSE, PLE, ASE PSE – pressurized solvent extraction PLE – Pressurized liquid extraction ASE – Accelerated solvent extraction Základní princip je stejný jako u extrakce dle Soxhleta. Dochází k extrakci pevných matric organickým rozpouštědlem za zvýšeného tlaku a rozpouštědla. Zvýšením tlaku se zvýší bod varu použitého rozpouštědla, extrakce je účinnější a současně se zkrátí doba nutná pro extrakci. Výhody: rychlejší než klasická extrakce, menší spotřeby rozpouštědel, lepší opakovatelnost a srovnatelná výtěžnost jako u Soxhleta.
6. Extrakce na pevnou fázi - SPE SPE – Solid Phase Extraction Metoda je jednoduchou formou kapalinové chromatografie. Je založena na rovnovážné distribuci analytu mezi vodnou a tuhou fázi, přičemž rovnováha je posunuta ve prospěch tuhé fáze. Tuhá fáze (sorbent) může být tvořen polární stacionární fází (nemodifikovaný silikagel, alumina, iontoměniče) nebo nepolární stacionární fází (modifikovaný silikagel uhlovodíkovými řetězci – C18). Roztok analytu je přiveden do kontaktu s tuhým aktivovaným sorbentem, který sorbuje analyt a pouze v minimální míře ostatní složky vzorku. Analyt je následně uvolněn elucí vhodným elučním činidlem a analyticky stanoven. Funkce SPE: 1. Zachycení sledovaných analytů z roztoku, jejich zkoncentrování a následná eluce 2. Přečištění extraktu – na kolonce jsou zachyceny nežádoucí složky, nečistoty, rušící látky Provedení SPE: 1. Kondicionace – příprava kolonky na interakci složek vzorku se sorbentem 2. Aplikace vzorku – nanesení vzorku 3. Promytí – odstranění nežádoucích koextrahovaných látek 4. Sušení – vzduch, inertní plyn 5. Eluce – desorpce analytů z pevné fáze 7.Další typy extrakcí
Superkritická fluidní extrakce – kapalný CO2 + modifikátory, extrakce lipofilních látek
Matrix solip phase dispersion – MSPD Vzorek se rozetře se sorbentem. Vzniklá sypká směs se nasype do krátké kolony a je extrahována příslušným rozpouštědlem.
Extrakce na mikrovlákno – SPME Head space, použití ve spojení s plynovou chromatografií, izolace těkavých sloučenin z roztoků.
Stiib bar – extrakce na polysiloxanovou vrstvou modifikované míchadélko, extrakce analytů z roztoku
Extrakce na disperzní fázi – QuEChERS Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe
Původně vyvinuta pro izolaci pesticidů z rostlinných materiálů. Postupně byla aplikována na nepolární látky a matrici živočišného původu – např. RIL ze svalové tkáně, mléka, vajec, PAHs z rybí svaloviny,… Základní pracovní schéma: - Rozpuštění vzorku v acetonitrilu (na 1 g vzorku – 1 ml acetonitrilu) - Vysolení – přídavek nadbytku solí a pufrů k extraktu, je docíleno přechodu analytů do acetonitrilu - Centrifugace – odebrána acetonitrilová vrstva, která obsahuje analyty - Čištění – odstranění vody je prováděno disperzivní SPE,d-SPE krokem, kdy se smíchá acetonitrilový extrakt s bezvodým MgSO4 a speciálním sorbentem - Centrifugace, filtrace pro chromatografické stanovení s MS detekcí 8.Čištění extraktů, clean up Použití výše uvedených technik: - SPE - Semipermeabilní membrány - Extrakce kapalina/kapalina Zvláštní místo: Gelová permeační chromatografie – GPC - Látky jsou na porézních gelových částicích děleny podle velikosti molekul - Nejprve jsou eluovány molekuly, které nemohou proniknout do pórů gelového nosiče - Nejdéle jsou zadržovány molekuly nejmenší - GPC primárně používána v analýze polymerů - Při čištění extraktů z potravinové matrice slouží k izolaci tukové složky a rušivých barevných koextrahovaných látek a umožňují finální analýzu dalších analytů, vyskytujících se ve stopových koncentracích.
