Struktura
Stlačené tekutiny v analytických separačních metodách Michal Roth oddělení separací v tekutých fázích Ústav analytické chemie AV ČR, v.v.i. Veveří 97 60200 Brno
s využitím výsledků a presentací kolegů Pavla Karáska, Josefa Planety, Eleny Varaďové Ostré, Jaroslava Póla, Barbory Hohnové, Lenky Šťavíkové, Marie Horké a Karla Šlaise
SFE, SFC
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
4) superkritická voda vs. křemenné povrchy – využití v analytických separačních metodách
1) Superkritická Superkritická fluidní fluidní chromatografie (SFC) * Stavba přístroje pro SFC
− využití vlastností látek v oblasti nad jejich Tc a Pc
* Příprava kolon pro SFC (mikro HPLC)
− vlastnosti (hustota, solv. síla,…) mohou být řízeny volbou P a T
* Příklady SFC separací
− CO2
Tc ~ 31°C
Pc ~ 7.8 MPa
− úspora času v porovnání s kapalinovou extrakcí
* Neanalytické aplikace - systémy s iontovými kapalinami
− šetrnější k životnímu prostředí - méně (nebo žádná) org. rozp.
SFC zař zařízení zení (Varian 3700)
• Mobilní fáze (CO2) v nadkritickém stavu: p > 8 MPa, t > 31 °C • (HPLC) Vysokotlaká pumpa, dávkování pomocí ventilu • (GC) Plamenově ionizační detektor (FID) • (HPLC, GC) Kolony - náplňové (φ 320 µm − 4,6 mm) kapilární (φ 50 µm - 100 µm), délka 10m • (-) Restriktor pro omezení toku mobilní fáze
1
X
Detail vnitř vnitřku SFC zař zařízení zení
Příprava kapilá kapilární rních ná náplň plňových kolon pro SFC (HPLC)
Požadavky na kolony: • Náplň sorbent o zrnitosti 3 nebo 5 µm, délka kolony do 1m • Průměr kolony do 320 µm => F = 4µl/min(liq.), F = 10ml/min(g) • Pracovní tlak do 40 MPa => nároky na uzavření konců kolon • Vysoká účinnost vyrobených kolon
X
Aparatura k plně plnění kapilá kapilární rních ná náplň plňových kolon
Příklady SFC separací separací
1 – CO2 cylinder 2 - HPLC pump 3 – manometer 4 - on/off valve, 5 - stainless steel filling reservoir, 6 - fused silica capillary, 7 – restrictor
SFC separace pečetě Rudolfa II (materiál včelí vosk). Kolona 320 µm x 150 mm, 5 µm Biospher C18, t=80°C, FID 150°C, progra m 8-35 MPa
Příklady SFC separací separací
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
SFC separace polydimethylsiloxanu. Kolona 320 µm x 150 mm, 5 µm Biospher C18, t=80°C, FID 150°C, program 8-35 MPa
2
Ionic liquids – cations
Ionic liquids – anions
-
+
Počet článků o iontových kapalinách (IL) a jejich kombinaci se superkritickým CO2 (IL+scCO2) podle Web of Science
History of Ionic Liquids 3500
• 1980s: Chloroaluminate Ionic Liquids 1st generation N
3000 +
N
[AlCl4]¯
2500
J.S. Wilkes, J.A. Levisky, R.A. Wilson and C.L. Hussey, Inorg. Chem. 21 (1982) 1263-1264. 2000
• 1990s: Air- and moisture-stable Ionic Liquids 2nd generation + N
N
1500 IL+scCO2 IL 1000
[BF4]¯
J.S. Wilkes and M.J. Zaworotko, J. Chem. Soc. Chem. Commun (1992) 965-966.
500
• 2000s: First examples of „Task Specific Ionic Liquids” S 3rd generation N
0 1990 1991
1992 1993
1994 1995
+
N
[PF6]¯
1996 1997
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
IL+scCO2
A.E. Visser, R.P. Swatloski, W.M. Reichert, R. Mayton, S. Sheff, A. Wierzbicki, J.H. Davis, Jr. and R.D. Rogers, Chem. Commun. (2001) 135-136.
Superkritická fluidní chromatografie
IL
solute
- aplikace
solute
IL+CO2
open tubular
+ N C6H13
údaje o distribuci látek mezi superkritický CO2 a iontovou kapalinu scCO2 - „badatelský“ význam
N H3C
F F
O
C S F
O
capillary column
O F N S C F O F
micropacked
[hmim][Tf2N]
siloxane polymer (PDMS, Mw ~ 4.8×105)
IL
3
Relative partition coefficients in [bmim][BF4]–scCO2 system
2) SFE - superkritická fluidní extrakce (CO2) tuhé vzorky
100
vodné vzorky
A:
3 33 K
aniline anisole azulene benzoic acid 1-hexanol indole N,N-dim ethylaniline N-m ethylaniline p-cresol phenethyl alc ohol phenol
K cA / KcB
10
1
B: naphthalene 0.1 200
300
400
ρ
m
500 600 700 800
solvatační schopnost CO2 je velmi závislá na tlaku (hustotě) ? chrom. analýza - dekomprese - ztráty analytů - záchyt ?
/ kg.m -3
restriktor
Základní technika záchytu do kapaliny
topný člen
tepelná izolace
čidlo teploty Pt100
restriktor
CO2
nerezový blok
CO2 (výstup) čidlo teploty Pt100
záchytná kapilára CO2 (vstup)
Lineární dávkovač
čidlo teploty Pt100 CO2 (vstup)
topný člen CO2 (výstup)
Regulátor
+ jednoduchá realizace
restriktor
přehřátá pára org. rozpouštědla
- vysoká spotřeba rozpouštědla - značné ztráty těkavých analytů - časté ucpávání restriktoru
částečky analytů obalené kondenzujícím rozpouštědlem
kapky rozpouštědla s rozpuštěnými analyty
pohybující se kapalná vrstva
mikrozkumavka
kryofokusátor
Schéma aparatury pro záchyt do přehřátých par rozpouštědla
SFE (příjemných) kapalných vzorků ? Analýza vín
CO2
záchytná mikrozkumavka
křemenná kapilára 300-500µm
EXPANZE
KONDENZACE
ROZPOUŠTĚNÍ
TRANSPORT
4
X X
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.
31
6
54
Multivariate Statistics
39
35
27
8
37
50
55
33
49
41
36
32 34
38
52
46
50
19 20 221 23 24
2 82 9 30
5
26
9
16
7
15
10 113 2 14
20
of the wine varieties represented by >=4 wine samples
43
4
56
30
59
40
57
58
45
53
40 11
Voltage / mV
60
47
44
25
70
48
42
2 3
1
17 18
80
51
121 vzorků vín 21 odrůd hroznů Vitis vinifera L. 4 sklizně (ročníky 1996-1999)
10 0
10
20
30
40 [min.]
Time
SPE Amberlite XAD-7
C3–C10 alcohols, esters, fatty acids
(121×)
DCSFE of wine, countercurrent
canonical correlation analysis - computation of discriminant functions, i.e., the latent factors differentiating among the wine samples
81
64
Info: http://www.statsoft.com/textbook/stathome.html
56
58
46
28
19 20
34
38
3
9
GC 80
[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
GC
39
wine sample
SFE of the sorbent
4
70
1
54
65
50
40
29
69
51
5
Voltage / mV
60
84
67
100
82
8 86 5 87
83
77 7789 80
75 76
62
66
70 71 7743
68
57
63
55
50
59 60 61
72
49 50 52 53
43
40 27
4 44 5 47
33
21 22
42
33 65
10 1121 1 3 14
0
32 03 1 3
15 16 1178
2
8 6 7
10
2246 2235
20
48
37
41
30
Computation tool: KyPlot spreadsheet SW, Koichi Yoshioka, http://www.qualest.co.jp/Download/KyPlot/kyplot_e.htm , http://www.kyenslab.com/en
150 [min.]
Time
Statistické zpracování (diskriminační analýza) chromatogramů
Další analytické aplikace přímé kontinuální SFE (DCSFE) vodných vzorků:
Ve srovnání s postupem přes extrakci tuhým sorbentem (SPE-SFE-GC) poskytuje přímá SFE vín (DCSFE-GC) mnohem lepší rozlišení odrůd
•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)
10
10
Frankovka Chardonnay Müller Thurgau Moravian Muscat Rhine Riesling Italian Riesling Red Tramin Green Veltlin Zweigeltrebe Sauvignon Blanc Saint Laurent Pinot Blanc
Frankovka Chardonnay Müller Thurgau Moravian Muscat Rhine Riesling Italian Riesling Red Tramin Green Veltlin Zweigeltrebe Sauvignon Blanc Saint Laurent Pinot Blanc
8 6
Function 2
Function 2
20
0
4 2 0 -2 -4
-10
-30
-20
-10
0
Function 1
DCSFE-GC
10
20
-6 -10
-5
0
5
10
15
20
Function 1
SPE-SFE-GC
5
X
Měření mezifázové distribuce analytů v systému H2O - scCO2
3) Kapalinová extrakce za zvýšených teplot [T > Tboilsolvent] a tlaků [P > Psatsolvent (T)]
CO2–Water Partition Coefficients (333 K, 20 MPa) vs. Octanol–Water Partition Coefficients at Ambient Conditions
Partition Coefficient (K = y/x) of Salicylic Acid as a Function of T and P
org. rozpouštědla / směsi: PFE, PLE, PSE, ASE
2.5
2
-1
Instrumentace PFE - automatizované extraktory:
1.5
1
ln K
log K
-2
Ph
0.5
2-NO2 4-NO2 2-Cl
-3
0
OH
2-COOH 2,4-diCl
15 MPa 20 MPa
2,4,6-triCl
O
25 MPa
3-Me-4-Cl
-0.5
2,4-diMe
30 MPa
OH -4 310
2-Me-4,6-diNO2
-1
330
350
370
1
2
3
4
log K ow
T /K
Red symbols = ortho-substituted phenols Blue symbol = 2 dissociable protons
Výhody PFE proti (nízkotlaké) extrakci podle Soxhleta: a) vyšší rozpustnost analytů v důsledku jejich vyšší těkavosti za vyšších teplot b) snadnější uvolnění analytu z matrice vzorku za vyšších teplot (rychlejší přestup hmoty, slabší interakce analytu a matrice) c) kombinace bodů a) a b) vede k rychlejší extrakci
Využití PFE - „nutričně“ významné látky v rostlinách 1) chmel (šištice, chmelové pelety) α-hořké kyseliny, humulony OH
d) solvatační schopnost extrakčního rozpouštědla je „laditelná“ změnami T a P (i když mnohem méně než u SFE) e) menší spotřeba organických rozpouštědel ⇒ menší náklady a nižší zátěž životního prostředí
β-hořké kyseliny, lupulony OH
O
O
R
O OH
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
O
O
R HO
isohumulony
HO
R HO O
O
OH
R = -CH(CH3)2, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH3)CH2CH3
CH3
2) „čajové“ rostliny
H3C
O
CH3
CH3
CH3
CH3 CH3
HO CH3 Honeybush Rooibos green Rooibos red Gunpowder green Gunpowder black
Vitamin E 40
Hexane
Acetone
MeCN
CH2Cl2
35
- jižní Afrika
rooibos (Aspalathus linearis)
- jižní Afrika
čaj (Camelia sinensis)
- Čína
EtOH
30
Relative Peak Area
honeybush (Cyclopia intermedia)
25 20 15 10
yerba maté (Ilex paraguayensis)
- jižní Amerika
5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Sample No.
6
O H3C
CH3
O
3) Steviosid
N
N
N
N
Stevia rebaudiana
CH3
Honeybush Rooibos green Rooibos red Gunpowder green Gunpowder black
Caffeine 1800 1600
Hexane
Acetone
MeCN
CH2Cl2
cca 300× sladší než sacharosa OR2
EtOH
H3C
CH2
Relative Peak Area
1400 1200
H3C
1000
COOR1
steviosid: R1 = β -Glc R2 = β -Glc-β -Glc
800 600 400 200 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
steviol: R1 = R2 = H
Sample No.
4) Antioxidanty z hroznových slupek: off-line PFE–EPR HO
R2
R1 O glucose
De3glc: R1 = R2 = OH Cy3glc: R1 = OMe, R2 = OH Pt3glc: R1 = OMe, R2 = H Pn3glc: R1 = R2 = OMe Mv3glc: R1 = OH, R 2 = H
Svatovavřinecké Alibernet (rozemleté lyofilizované slupky)
+O OH HO
PFE: MeOH, EtOH, 40–120°C, 15 MPa antioxidanty z extraktů zhášejí radikály přidané do systému časový vývoj EPR signálu ~ antioxidační aktivita extraktu
4) Extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou Motivace: Voda je nejen „nejzelenějším“, ale také „nejladitelnějším“ rozpouštědlem. „Obvyklé“ podmínky (25 °C, 0.1MPa): NaCl dobře rozpustný, benzen prakticky nerozpustný „Superkritické“ podmínky (>374 °C, >22.1 MPa): NaCl ~ nerozpustný, benzen ~ plně mísitelný
2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) or ABTS
2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl
Využití vody za vysokých teplot a tlaků:
Motivation water = the “greenest” and the most “tuneable” solvent
a) Superkritická voda (t > 374 °C, P > 22 MPa) supercritical water oxidation, SCWO superkritická voda rozpouští SiO2 – geochemie, povrchy b) Subkritická voda (100 °C < t < 374 °C, P > Psat(t) ) „environmentální sanace“
Property Density ρ / kg·m Cohesive energy density c / J·cm-3 Solubility parameter δ / (J·cm-3)1/2 Internal pressure Pint / MPa Ion product Kw / (mol·dm-3)2 Relative permittivity εr -3
“ambient“ 25 °C, 0.1 MPa 997.0 2299 47.9 169 1×10-14 78.4
“supercritical“ 500 °C, 30 MPa 115 35.5 5.96 32 1.57×10-23 1.68
extrakce rostlinných materiálů a surovin analytická chemie – příprava vzorku biopolymery – rozpouštění celulózy, hydrolýza proteinů konverze (zplynování) biomasy – energie (CO+H2)
PHWE : 100°C < t < 374°C, P > Psat (t) relative wealth of analytical applications of PHWE × relative lack of solubility data
7
PAH + glass beads
Apparatus and Procedure
toluene
P A H
Operating pressure is determined jointly by the fused-silica restrictor and by the operating flow rate of the pump
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
40°C
60°C
80°C
100°C 120°C 140°C 160°C 180°C 190°C
195°C
tm = 199°C
PAHs-in-PHW solubilities: Brno data 10 -3 10 -4 10 -5
x2
10 -6 10 -7 10 -8 10 -9
120°C 140°C 160°C tm = 216°C
180°C
200°C
210°C
10 -10 300
350
400
450
500
T/K
8
X
Activity coefficients of PAHs in PHW
P = 5 MPa
Property value (relative to 25 °C)
10 8
10 7
γ2
10 6
10 5
10 4
1
0.8
0.6
0.4 d ensity solubility parameter cohesive energy density relative perm ittivity
0.2
0 0 10 3 300
350
400
450
50
100
150
200
T/K
predictive correlation of aqueous solubilities of PAHs
PAHs in PHW: calculated vs. experimental solubilities
PAHs in PHW: “environmental” prediction 10 -3
10 -3
10 -5
10 -5
10 -6
-6
10 -7
x2calc
x 2 calc
10 -4
10 -4
10
10 -8
10 -7
10 -9
naphthalene anthracene py rene chrysene 1,2-benzanthracene tripheny lene perylene p-terphenyl fluorene fluoranthene
10 -8 10 -9 10 -10 10
250
Temperature / °C
500
10 -10 10 -11 10 -12 10 -1210 -1110 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3
-11
x2 exp
10 -11 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3
x2
e xp
0.14
X
mg/m3
naphthalene anthracene pyrene chrysene 1,2-benzanthracene triphenylene perylene p-terphenyl fluorene fluoranthene naphthalene, envi biphenyl, envi acenaphthene, envi fluorene, envi anthracene, envi phenanthrene, envi pyrene, envi fluoranthene, envi chrysene, envi 1,2-benzanthracene, envi triphenylene, envi naphthacene, envi benzo[a]pyrene, envi dibenz[a,h]anthracene, envi perylene, envi benzo[g,h,i]perylene, envi coronene, envi
(25°C, 0.1 MPa)
X
10 -3 N
10 -4 N
10 -5
x2
N
phenanthrene phenanthridine a cridine phenazine thia nthre ne phenothiazine phenoxathiin a nthra cene
10 -6 N
N S
N
N
S
S
S
NH
10 -7
O
10 -8 O
NH
300
350
400
450
500
N S S S NH S O
T/K NH
O
S
S
9
X
X
10 7
10 -3 phenanthrene phenanthridine acridine phenazine thianthrene phenothiazine phenoxathiin ant hrac ene
O
10 -5
N N
10 5
γ
2
10
N
N S
10 4
S
x2
10 6
NH
-4
10 -6 S
10 -7
ca rbazole dibenzofuran dibenzothiophene 4,6-D M DBT fluorene
S
10 -8 NH
10
3
S
300
350
400
450
500
O
10 -9 300
320
340
360
T/K
380
400
420
S
440
T /K
X
10 7
NH
c arbazole dibe nzofuran dibe nzothiophene fluorene
10 6
O
γ
2
10 5
Organic Light Emitting Diode displays
S
10 4
10 3 300
320
340
360
380
400
420
440
T/K
Aqueous solubilities of hole transport materials
Smartphones, tablets, etc. … OLED displays
P = 5–7 MPa
Increasing production ⇒ increasing rate of disposal Environment ?? … Aqueous solubilities N
N
N N
N
N
N
N
N N
1,4-bis(diphenylamino)benzene
N
tetra-N-phenylbenzidine 1,3,5-tris(diphenylamino)benzene N
N
N
4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl
Solubility at 25 °C:
N
N N
N
N
< 2×10-11 g / 1 kg H2O
9,10-bis(phenylethynyl)anthracene
10
Skupinové příspěvky k log(aktivitního koeficientu) Raoult-law ideality hydrophobic
? obecnější korelace vodných rozpustností ? – skupinový model γ2 N N
N
N
S
O
O
NH
NH
O
S
S
S
NH
hydrophilic
S
S
Rozpustnosti: diamantoidy vs. PAHs
Aktivitní koeficienty: diamantoidy vs. PAHs
10-3
109
10-4
108
-6
x2
10
γ2 (∆CP2 = 0)
10-5
10-7 adamantane naphthalene diamantane anthracene phenanthrene
10-8 10-9 10-10 300
350
400
450
500
106 105
103 300
350
400
450
500
T/K
5) Superkritická voda vs. křemenné povrchy SiO2
107
104
T/K
Quartz
adamantane naphthalene diamantane anthracene phenanthrene
Vodná rozpustnost taveného křemene vs. T a P
Fused silica
Both quartz and fused silica soluble in very hot water ⇓ Water as silica surface treatment agent for separation devices
11
Kónické kapiláry
Víceúčelový extraktor/reaktor pro aplikace superkritické vody (do 500 °C a 75 MPa)
Tc = 374 °C Pc = 22.1 MPa
Kónické kapiláry
Kónické kapiláry – k čemu jsou dobré ? Karel Šlais (1995) – teorie – využití kónických kapilár může vést k vyššímu rozlišení amfolytů v kapilární isoelektrické fokusaci (CIEF)
Kónické kapiláry – jak fungují v CIEF ? obvyklá válcová kapilára
kónická kapilára
Columns - troubles in surface treatment – an example untreated fused silica capillary (100 µm i.d.) fused silica capillary after etching with 2-chloro-1,1,2-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)
Rozlišení několika druhů bakterií Dickeya s blízkými isoelektrickými body v kapilární isoelektrické fokusaci v gradientu pH 2.0–4.0 s použitím běžné válcové (vlevo) a kónické (vpravo) kapiláry.
fused silica capillary after etching with 2-chloro-1,1,2-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
12
Monolithic silica (capillary) columns Skill AND good luck
Skill and BAD luck
REALLY BAD luck
SiO2 Monolith Modification (for HILIC)
Separation of Nucleic Acid Bases and their Derivatives
O O S O
+ N CH3
H3C
400 °C, 32 MPa, semi-dynamic mode, 20 replacements of SCW inside the capillary
O
-
O S O
O
O
H3C
+ H3C N CH3
CH2 CH2 H2C
H3C
O O
O CH3
O NH2
O Si O
O Si O
O
O
SiO2 Monolith
SiO2 Monolith
Comparison of isocratic elution on bare silica monolithic (A) and sulfoalkylbetaine monolithic (B) capillary columns. Mobile phase: 95% (v/v) ACN/50 mM ammonium formate, pH = 4.5, flow rate 0.5 µl/min; detection: UV 210 nm; sample: toluene (t0 marker), thymine (1), uracil (2), 2-deoxyuridine (3), 5methyluridine (4), adenosine (5), uridine (6), cytosine (7), 2-deoxycytidine (8), cytidine (9), 2-deoxyadenosine (10), adenine (11), and adenosine (12).
Děkuji za pozornost
13
