MIKROEXTRAKCE TUHOU FÁZÍ (Solid Phase MicroExtraction, SPME)

MIKROEXTRAKCE TUHOU FÁZÍ (Solid Phase MicroExtraction, SPME)  Představení

SPME techniky

 co je a jak pracuje SPME  faktory ovlivňující SPME  výhody a omezení SPME  aplikace SPME  Nové trendy v SPME

 SPME membrána  SBSE Izolační a separační metody

VŠCHT PRAHA

Mikroextrakce tuhou fází (SPME) - Kateřina Riddellová



Představení SPME techniky  co je SPME?

____________________________________________________________________________________________________________

Extrakce pevnou fází o malém objemu: • • • • • • •

VLÁKNO KAPILÁRA MÍCHADLO SUSPENDOVANÉ ČÁSTICE STĚNA NÁDOBY MEMBRÁNA ….

J. Pawliszyn, SPME, Theory and Applications, Course notes, 2003

Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA




Představení SPME techniky  Používané zařízení

_________________________________________________________________________________________________________

• Křemenné vlákno s chemicky modifikovaným povrchem (stacionární fáze) • Délka vlákna: cca 1 cm

• Vnitřní průměr: 0,05 – 1 mm





Představení SPME techniky  jak SPME pracuje?

SORPCE

____________________________________________________________________________________________________________

Přímá (DI) SPME

Head-space (HS) SPME





Představení SPME techniky  jak SPME pracuje?

DESORPCE

____________________________________________________________________________________________________________

Tepelná

Rozpouštědlem



Představení

SPME techniky

 jak se pracuje se SPME

SORPCE

____________________________________________________________________________________________________________





Představení SPME techniky  jak se pracuje se SPME

DESORPCE

____________________________________________________________________________________________________________





Představení SPME techniky  jak se pracuje se SPME

AUTOMATICKY

_________________________________________________________________________________________________________





Představení SPME techniky  historie a vývoj SPME

____________________________________________________________________________________________________________

konec 80. let 20. století: Prof. Janusz Pawliszyn a kol. Univerzita ve Waterloo, Kanada  



optická vlákna, desorpce laser, GC separace - zdlouhavé

křemenná vlákna s vrstvou polymerní fáze, sorpce v roztoku, desorpce GC injektor – ruční otvírání GC injektoru vlákna v mikrostříkačce s ochrannou jehlou, spojení s pístem, desorpce GC injektor – v této podobě dodnes

LITERATURA: Pawliszyn J., Liu S. : Anal. Chem. 59, 1475 (1987) Arthur C.L., Pawliszyn J.: Anal. Chem. 62, 2145 (1990) Zhang Z., Yang M. J., Pawliszyn J.: Anal Chem. 66, 844 A (1994) Pawliszyn J.: Solid phase microextraxtion: theory and practice. Wiley – VCH, Inc. New York 1997, ISBN 0-471-19034-9





Představení SPME techniky ROVNOVÁHA

 teorie SPME

_________________________________________________________________________________________________________

Přímá SPME co.Vs = cfVf + cs.Vs f..stac.fáze, s..matrice Kfs= cf / cs

Head-Space SPME co.Vs = cfVf + cs.Vs + ch.Vh h..head-space Kfh= cf / ch, Khs= ch / cs

K fs .Vf .c0 .Vs n K fs .Vf  Vs

K fs .Vf .c0 .Vs n K fs .Vf  K hs.Vh  Vs

Je-li Kfs malé nebo Vs velké: tzn. Kfs.Vf << Vs, pak: n = Kfs.Vf.co

Je-li Kfs velké: Kfs.Vf >> Vs, n = Vs.co (kvant. extrakce)





Představení SPME techniky  faktory ovlivňující SPME

____________________________________________________________________________________________________________

1. VOLBA VLÁKNA (polarita, tloušťka stacionární fáze)

2. PODMÍNKY SORPCE (extrakční mód, úprava vzorku, poloha vlákna, teplota, doba, míchání) 3. PODMÍNKY DESORPCE (umístění vlákna, typ lineru, teplota, délka; typ a objem rozpouštědla, statická x dynamická)





Představení SPME techniky 1. VLÁKNO

 faktory ovlivňující SPME

_________________________________________________________________________________________________________

DRUH FÁZE (zkratka) Polydimethylsiloxan (PDMS) Polyakrylát (PA) Carbowax/divinylbenzen (CW/DVB) Polydimethylsiloxan/ Carboxen (PDMS/CX) Carbowax/Templated Resin (CW/TPR) Polydimethylsiloxan/ divinylbenzen (PDMS/DVB) Polydimethylsiloxan/ Carboxen/divinylbenzen (PDMS/CX/DVB)

TLOUŠŤKA FÁZE (m) 100 30 7 85 65 75 50 65 60 30/50

ANALYTY

POPIS

těkavé středně těkav. středně těkav. středně těkav. polární polární

nevázaná nevázaná ch. vázaná část. prokřížená část. prokřížená část. prokřížená část. prokřížená část. prokřížená

těkavé stopová mn. PAL těkavé polární obecné použ. obecné použ.

část. prokřížená

URČENA PRO GC/HPLC GC/HPLC GC/HPLC GC/HPLC GC GC HPLC GC HPLC GC







_________________________________________________________________________________________________________

Polydimethylsiloxan (PDMS) CH3 Si

O

CH3

n

Carbowax (CW) H

H

C

C

H

H

Polyakrylát (PA) H

H

C

C

H

C

O

O

CH3

n

Divinylbenzen (DVB)

O n

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H



n




1. VLÁKNO

_________________________________________________________________________________________________________

POLARITA  polarita analytu







_________________________________________________________________________________________________________

MECHANISMUS SORPCE ADSORBENTY (obsahují DVB či CX) CHARAKTERISTIKA pevný porézní materiál velký povrch FÁZE MECHANISMUS fyzikální interakce, SORPCE zachycení v pórech, chemická vazba KAPACITA omezená (zahlcení) SOUTĚŽ ANALYTŮ ANO (hl. DVB – jednotné póry) o vazebná místa LINEÁRNÍ ROZSAH menší (zlepšení:  extrakční doby   mez stanovitelnosti) MEZE nízké STANOVITELNOSTI

ABSORBENTY (PDMS, PA) kapalná polymerní fáze analyty migrují do a z fáze zádrž dána tloušťkou fáze velká (silný film fáze) NE široký

vyšší






1. VLÁKNO

_________________________________________________________________________________________________________

MECHANISMUS SORPCE

ABSORBENTY

PDMS: polymerní kapalina – snadnější difůze analytů nepolární fáze – nepolární analyty PA: pevný polymer – pomalejší difůze Carboxen™ Part nepolární C-páteř, polární esterové řetězce – širší spektrum Macropore

ADSORBENTY

Mesopore

DVB: hlavně makro- a mezo- póry CX: rovnoměrná distribuce, více mikro- než DVB (0,29 mikro, 0,23 mezo, 0,26 makropórů v ml/g) Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA


Micropore



Představení SPME techniky 1.VLÁKNO


_________________________________________________________________________________________________________

MECHANISMUS SORPCE ABSORBENTY (PDMS, PA) x ADSORBENTY (DVB, CX) PDMS fáze

částice Carboxenu (2-10µm)

vlákno

Carboxen™ Particle

Analyty migrují mezi vrstvami  vyšší kapacita

Macropore Mesopore Micropore

SUPELCO, Sigma-Aldrich.com



mL per gram 0.44 micropores 0.16 mesopores 0.25 macropores

Představení

SPME techniky

 faktory ovlivňující SPME 1. VLÁKNO - VOLBA _________________________________________________________________________________________________________

TLOUŠŤKA STACIONÁRNÍ FÁZE  Tloušťka   sorbované množství  pomalejší ustavení rovnováhy (difůze) MALÉ MOLEKULY (MR = 60 – 90) - sorpci ovlivňuje spíše typ sorpce (AD x AB) a velikost pórů - nejlepší CX, DVB/CX, PDMS/DVB

STŘEDNĚ VELKÉ MOLEKULY (MR = 90 – 500) - důležitý tvar (substituenty) a velikost molekuly Výhoda použití polárního vlákna - polární analyty s MR > 90 Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA




Představení SPME techniky  faktory ovlivňující SPME 1. VLÁKNO - VOLBA

_________________________________________________________________________________________________________

CITLIVOST - univerzálnost x selektivita SROVNÁNÍ VLÁKEN – KÁVA, T 30 oC, S 60 min PA

PDMS/CX

CWX/DVB

PDMS 100

PDMS/DVB

PDMS/CX/ DVB





Představení SPME techniky  faktory ovlivňující SPME 1. VLÁKNO - VOLBA

_________________________________________________________________________________________________________

CITLIVOST - univerzálnost x selektivita






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

 ÚPRAVA VZORKU (objem, navážka, mechanická úprava - mletí, modifikace matrice – pH, vysolení, naředění, rozetření se sorbentem, přídavek rozpouštědla)  MÍCHÁNÍ  TEPLOTA SORPCE  DOBA SORPCE  POLOHA VLÁKNA PŘI VZORKOVÁNÍ  TYP NÁDOBKY A UZÁVĚRU (tvar septa)






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

 ÚPRAVA VZORKU SKOŘICE – VLIV MLETÍ na obsah kumarinu 8

2 000 mg/kg

odezva 10x 6

7

1800 mg/kg

6 5 4 3

400 mg/kg

2 1 0 mletá skořice

celá skořice

celá skořice "jemně" mletá






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

ÚPRAVA VZORKU – PŘÍDAVEK ROZPOUŠTĚDEL (-) PŘÍDAVEK STANDARDU: CS2 v butanolu, 5 ml vody ODEZVA

1 l n-butanolu

10 l n-butanolu

sirouhlík

100 %

53 %

n-butanol

100 %

445 %






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

VLIV MATRICE – ALKOHOLICKÉ NÁPOJE (-) přídavek furanu 0,24 µg Odezvy furanu ve vodě a v roztocích ethanolu 120 100

Odezva (%)

100 80 60 40

17

20

11

7

7

Ethanol 4%

Ethanol 5%

0

VODA

Ethanol 1%

Ethanol 2%






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

ÚPRAVA VZORKU – PŘÍDAVEK ROZPOUŠTĚDEL (+) MODIFIKACE MATRICE: PAEs v oleji (1 g) + methanol 250000

200000

ECD response

DMP 150000

DEP DnBP BBP

100000

DEHP DnOP 50000

0 0

200

400

600 800 1000 volume of methanol (ul)

1200

1400

1600






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

ÚPRAVA VZORKU – VYSOLENÍ (a úprava pH)

Pozitivní vliv: neutrální molekuly – „snížení rozpustnosti“ Negativní vliv: ionizované analyty – zvýšení iontové síly, preferují roztok • vnesení nečistot (sekundární kontaminace) • poškození vlákna






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________

ÚPRAVA VZORKU – VYSOLENÍ (+) FURAN voda x káva

Pozitivní vliv:

Vzorek mleté kávy zalitý vodou

Modelový systém voda

2 000 000

30000

voda voda se solí

100 %

plocha píku

85 %

1 400 000

20000 15000 10000

1 600 000

82 %

100 %

plocha píku

25000

100 %

1 800 000

1 200 000

káva káva se solí

59 %

1 000 000 800 000 600 000 400 000

5000

200 000

0

furan

D4-furan

furan






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________

ÚPRAVA VZORKU – VYSOLENÍ (-) Poškození vlákna 65 µm CWX/DVB - 30 % NaCl ve vodě A…nové B…6 extrakcí C…15 extrakcí

limit 10 % NaCl (100 extrakcí) (F.Hernandez a kol.: Use of SPME for the Quantitatve Determination of Herbicides in Soil and Water Samples, Anal.Chem 2000, Vol.72, No.10, 2313-2322)






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________

MÍCHÁNÍ – magnetické, sonikace, vibrace jehly (vialky) •HS-SPME - těkavé analyty – nemá výrazný vliv - méně těkavé analyty – rychlejší transport •DI-SPME – rychlejší transport a) dokonale b) dobře c) špatně míchaný roztok

(J.Pawliszyn: SPME: Theory and practice, Wiley-VCH,Inc., NY 1997, ISBN 0-471-19034-9)






2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________

TEPLOTA SORPCE  T  difůze k vláknu,  zádrž analytu s. f. x POVAHA ANALYTU H-S stanovení terpenů v kůře jehličnanů 110

600

100

500

80

400

% odezvy

% odezvy

90

70 60 50

300 200

40 30 20 20

30

40

50

Teplota ( C)

60

70

a-pinen kamfen b-myrcen 80 b-pinen 3-karen limonen

100

bornyl acetat

0 20

30

40

50

60

Teplota ( C)



70

80b-karyofyllen

a-humulen




2. SORPCE

_________________________________________________________________________________________

DÉLKA SORPCE ROVNOVÁHA – max. citlivost, dobrá opakovatelnost X - často z praktického hlediska nepoužitelné DMP

Množství analytu

600000

DEP DnBP

500000

MSD response

BBP 400000

DEHP DnOP

300000 200000 100000 0 0

5

10

15

20

Extraction tim e (m in)

čas Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA


25

30

35




3. DESORPCE

_________________________________________________________________________________________________________

 POLOHA VLÁKNA V NÁSTŘIKOVÉM PROSTORU    

RYCHLOST VYSUNUTÍ VLÁKNA OBJEM GC LINERU DESORPČNÍ TEPLOTA DÉLKA DESORPCE



 Představení SPME techniky  faktory ovlivňující SPME

3. DESORPCE

__________________________________________________________________________________________

 DESORPČNÍ TEPLOTA – kvantitativně a rychle




3. DESORPCE

__________________________________________________________________________________________

 TEPLOTA KOLONY – zaostření  DÉLKA A TEPLOTA DESORPCE – carry-over efekt, snížení zahlcení kolony  OBJEM GC LINERU – ovlivnění chromatografie BENZEN PDMS 100 Tdes 300 oC




3. DESORPCE

__________________________________________________________________________________________

 DÉLKA DESORPCE – snížení zahlcení kolony, ovlivnění chromatografie Terpenické látky v jehličí Smrku ztepilého Vzorek: 3,5 g větviček Extrakce: 25 oC, 20 min PDMS 100 µm GC/FID, DB-5MS 990 µl liner

1 minuta Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA




Možnosti SPME  výhody a omezení SPME

_________________________________________________________________________________________________________

VÝHODY:

NEVÝHODY:

+ snadné provedení

- (někdy) náročná optimalizace

+ ekonomicky nenáročné

- ne-reprezentativnost

+ bez použití rozpouštědel (ekonomika, zdravotní aspekt)

- nemožnost použití nepolárních rozpouštědel

+ citlivost

- (horší opakovatelnost)

+ automatizovatelnost

- možná saturace detektoru

+ vzorkování „in situ“

- ne-robustnost

+ opakované použití vlákna Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA




Možnosti SPME  výhody a omezení

Typ vzorků - co lze analyzovat?

_________________________________________________________________________________________________________







_________________________________________________________________________________________________________

TÉMĚŘ VŠECHNO !!!







_________________________________________________________________________________________________________

EXTRAKČNÍ MÓD H-S x DI: povaha matrice a analytu CITLIVOST, INFORMACE O SLOŽENÍ VZORKU 08.10.2003 17:28:24

limonada_LN2365_DI_PA_CO2 RT: 0,00 - 49,01

90

NL: 1,00E7 TIC MS limonada_L N2365_PA

25,34

LIMONÁDA - CITRUS

100

80

33,63 33,38

Re70 lati ve 60 Ab 50 un da 40 nc e 30 20

HS SPME, PA, 40 C, 5 ml 43,56

43,29 45,38

22,82 28,15

4,07

10

23,69 7,38

0,72 1,65

0 100

10,01 11,63

14,97

26,59

18,67 19,87 22,50

31,27 32,47 28,76

47,52

40,88 36,56 38,11

40,77 NL: 1,00E7 TIC MS limonada_L N2365_DI_ PA_CO2

25,34 D-limonen

p-Menth-1-en-8-ol

90 33,64

80 70

Cyklodekanol 33,38

DI SPME, PA, 40 C, 7,5 ml

60 50

ISOPROPYLPALMITAT

Ethylcitrat 43,57

40 30

p-Mentha-1,4(8) dien

CO2

20

22,80 Oktanal

4,07 0,37 1,87 0

28,15

23,70

10 0

41,64

6,09 7,39 5

10,25 12,38 10

15,08 15

18,50

22,42 20

26,60 25 Time (min)

Pentadekanal 40,88 36,55 38,10

31,27 32,45 30,77 30

45,38

35

40

46,26

45





Možnosti SPME  APLIKACE SPME

_________________________________________________________________________________________________________

I. Analýzy cílené na kvantifikaci známého analytu

II. Srovnávací analýzy – „profiling“ a) identifikace původce off-flavour

b) diferenciace mezi vzorky s různou historií





Možnosti SPME  APLIKACE SPME

_________________________________________________________________________________________________________

Databáze Chemical Abstracts (SciFinder Scholar) Publikace do července 2008 800 672

700

607

Počet publikací

600 483

500 400

342

300 175

200

709

571

522

369 368

368

212

116 66

100 1

1

8

12

19

19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 0 20 7 08 (*)

0



NOVÉ

TRENDY V SPME

 SPME MEMBRÁNA _________________________________________________________________________________________________________

• prokřížený PDMS • počáteční rychlost SPME přímo úměrná povrchové ploše sorbentu

PLOCHA POVRCHU OBJEM FÁZE

VLÁKNO (100 µm PDMS) Af = 10 mm2 Vf = 0,61 mm3

MEMBRÁNA (1 cm x 1 cm PDMS) Am = 200 mm2 Vm = 2,55 mm3

POMĚR OBJEMŮ Vm / Vf = 4,5 POMĚR PLOCH Am / Af = 20

RYCHLOST CITLIVOST X DESORPCE ???





NOVÉ TRENDY V SPME  STIR BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE)

_________________________________________________________________________________________________________

TWISTER ® (Gerstel GmbH, Německo)

ROZMĚRY: Délka = 10; 20; 40 mm Vnější průměr = 3,2 mm Tloušťka flmu = 0,5; 1 mm

PDMS

MAGNET

objem s.f. cca 20 - 350 µl (vlákno cca 0,6 µl)

 kvantitativní výtěžnost sloučenin s Kow  500  stanovit lze i sloučeniny s Kow 10 – 500 Izolační a separační metody VŠCHT PRAHA

SKLO





_________________________________________________________________________________________________________

Výtěžnost HS-SPME a SBSE v závislosti na log KOW analytů






_________________________________________________________________________________________________________

Provedení SBSE: - přímá extrakce v kapalném vzorku - osušení - umístění ve skleněné desorpční trubici (187 x 4 mm) - tepelná desorpce (Thermo Desorption Systém – TDS-2, Gerstel) - GC analýza






_________________________________________________________________________________________________________

POZITIVA:

PROBLÉMY:

• 100 – 1000 x nižší detekční limity (µg – ng/l) než SPME

• zatím neprozkoumaná možnost opakovaného použití - carry-over efekt

• kvantitativní extrakce s velkým lineárním rozpětím • snadné a rychlé provedení • automatiz. desorpce teplem • simultánní analýza více vzorků

• nízká citlivost pro polárnější analyty • vysoké pozadí z komplexních matric (zpětná extrakce rozpouštědlem)



MIKROEXTRAKCE TUHOU FÁZÍ (Solid Phase MicroExtraction, SPME)

Recommend Documents