Extracția absorbției pe o bară magnetică

Extracția prin sorbție pe agitator magnetic sau engleză bară de agitare extracție sorbție ( SBSE ) a fost introdusă în 1999 , în scopul de a împinge limitele microextraction fază solidă . Permite extragerea unor cantități extrem de mici de analiți dintr- o matrice fără utilizarea de solvenți .

Această tehnică a fost dezvoltată în principal pentru eșantionarea în fază lichidă a compușilor organici și se bazează pe absorbția analitului într-o rășină polidimetilsiloxanică (PDMS).

Operațiune globală

SBSE este o tehnică similară cu cea a microextracției în fază solidă (SPME ) și se bazează în principal pe sorbția și desorbția analitului. Pentru a continua cu extracția, o bară magnetică este acoperită cu un polimer care servește ca rășină absorbantă, de cele mai multe ori PDMS. Extracția este controlată de coeficientul de partiție dintre polimer și matrice și de raportul dintre volumul PDMS și matrice. Pentru o rășină polidimetilsiloxanică și un compus apos, coeficientul este comparabil cu cel al octanolului / apei ( ). Pentru desorbție, se poate face fie prin desorbție termică , fie prin desorbție lichidă. SBSE este utilizat în principal în analiza urmelor în domeniile de mediu, alimentar și biomedical. În combinație cu alte dispozitive analitice, de exemplu un cromatograf de gaze sau un spectrometru de masă, această tehnică oferă rezultate mai rapide și mai precise decât un SPME. ${\ displaystyle K_ {O / W}}$

Principiu

Extracţie

Extracția se bazează tehnic pe echilibrul dintre faza staționară și faza mobilă, precum și pe coeficientul de distribuție a octanolului / apei ( ). Mai multe studii au arătat o anumită corelație pentru a afirma că . Cu această similitudine, este posibil să obțineți o indicație bună dacă și cum poate fi extras compusul prin SBSE sau SPME. Mai mult, cu ajutorul ecuației următoare, se poate observa că echilibrul de sorbție este dependent de raportul de fază (B) și de cantitatea de polidimetilsiloxan ( ). ${\ displaystyle K_ {O / W}}$ ${\ displaystyle K_ {O / W} = K_ {PDMS / W}}$ ${\ displaystyle m_ {PDMS / W}}$

{\ displaystyle K_ {O / W} = K_ {PDMS / W} = {\ frac {c_ {PDMS}} {c_ {w}}} = {\ frac {m_ {PDMS}} {m_ {w}}} \ cdot {\ frac {V_ {w}} {V_ {PDMS}}} = {\ frac {m_ {PDMS}} {m_ {w}}} \ cdot {B}}

Coeficientul de distribuție ( ) între polidimetilsiloxan și apă este definit ca un raport la echilibru între concentrația analitului în PDMS și apă. Prin introducerea unei ecuații noi, este posibilă combinarea ecuației 1 și 2 pentru a determina recuperarea teoretică (R), cu condiția ca aceasta să fie în echilibru. ${\ displaystyle K_ {PDMS / W}}$

Folosind ecuația 3, eficiența extracției, deci recuperarea, crește odată cu creșterea constantei de distribuție ( ). În plus, cu cât este mai mare cantitatea de PDMS aplicată, cu atât este mai mic raportul de fază ?, prin urmare recuperarea este mai bună. Mai mult, raportul de fază este definit ca raportul dintre volumul de apă și volumul PDMS. După cum se arată în figura opusă, recuperarea teoretică este crescută atunci când se utilizează rapoarte de fază mici. ${\ displaystyle K_ {PDMS / W}}$

În plus, pentru analiza urmelor, este important nu doar recuperarea teoretică, ci și factorul de îmbogățire și cantitatea absolută totală pentru eșantionul care urmează să fie analizat prin cromatografie lichidă sau cromatografie gazoasă. Pe de altă parte, această predicție poate fi determinată de recuperarea teoretică și de volumul eșantionului. Una peste alta, este posibil să vedem că pentru substanțele dizolvate nepolare, cantitatea extrasă crește proporțional în funcție de cantitatea probei. Deci, este logic să spunem că cu cât este mai mare matricea, cu atât este mai mare suma recuperată. Pe de altă parte, când vine vorba de solutul polar, nu există o corelație care a fost stabilită. Deci, în general, nu are o funcție care să coreleze direct cantitatea de probe cu cantitatea de recuperare.

Desorbția termică

Odată ce extracția este completă, tija este îndepărtată din probă, clătită cu apă distilată pentru a îndepărta orice săruri și proteine care pot fi prezente și uscate cu un țesut. Analitul nu se pierde în clătire deoarece este absorbit în polimerul PDMS. Pentru SBSE combinat cu un cromatograf de gaze, este necesară o unitate de desorbție termică pentru vaporizarea analitului, apoi răcirea acestuia înainte de a intra în GC. Desorbția termică este eficientă, dar este limitată la compuși volatili și stabili termic și cuplarea cu un GC. Este mai bun decât desorbția lichidă.

Desorbția lichidă

Dacă analitul este prea sensibil la căldură, nevolatil sau accesul la o unitate de desorbție termică costisitoare nu este posibil, desorbția lichidă poate fi efectuată folosind un solvent. Pentru a face acest lucru, odată ce extracția este finalizată, bara este scufundată într-un volum minim posibil de solvent compatibil pentru a solvata analitul pentru a acoperi bara. Solvenții cei mai utilizați sunt metanolul, acetonitrilul, un amestec al celor doi sau un amestec al acestora cu apă. Solvenții organici (de exemplu hexan.), Isooctan și acetat de etil au fost, de asemenea, studiați pentru desorbție. Acetat de etil, pe de altă parte, poate deteriora PDMS, astfel încât utilizarea sa este limitată. Desorbția lichidă este optimă pentru compușii cu polaritate medie, deoarece este determinată de coeficientul de partiție octanol / apă, așa cum sa menționat anterior. Dacă compusul este prea polar, vor exista puțini analiți reținuți pe bară, dar va fi ușor să-l desorbiți. Pe de altă parte, dacă compusul nu este suficient de polar, deși vor exista o mulțime de analiți absorbiți pe bară, va fi dificil de îndepărtat. Desorbția lichidă poate fi accelerată prin încălzire, agitare sau sonicare. Această metodă de desorbție poate fi utilizată pentru cromatografia lichidă și analiza fazei gazoase.

Comparație cu SPME

SPME ( Solid Phase Micro Extraction ), sau denumită în mod obișnuit microextracție în fază solidă , este o tehnică relativ comparabilă cu cea a SBSE. În aceasta, faza staționară, care este altoită pe o fibră de silice, determină capacitatea de extracție. De exemplu, luând SPME, dacă se alege aproximativ 0,5 µL de polidimetilsiloxan și o probă de 10 mL , raportul de fază obținut este de 20.000, ceea ce este extrem de ridicat, deci recuperarea va fi foarte mică. Pe de altă parte, cu SBSE, dacă luăm același eșantion, o bară magnetică de 1 cm va avea 25 µL de PDMS, deci raportul va fi 417. Luând ecuația 3, este posibil să se determine recuperarea teoretică (R) . În ambele cazuri, ( ) este 3. Cu SPME, recuperarea este de numai 4,8%, în timp ce cu SBSE, recuperarea este de 71%. ${\ displaystyle K_ {PDMS / W}}$

Creșterea recuperării teoretice utilizând SBSE în loc de SPME a fost demonstrată de mai multe grupuri de cercetare care utilizează PAH (hidrocarburi aromatice policiclice) și pesticide ca probe. Pe de altă parte, SBSE este mai puțin practic decât SPME. Acesta din urmă este rapid și simplu, apoi vă permite să faceți analize în diferite locuri fără a fi neapărat într-un laborator. De fapt, dacă eșantionul este bine depozitat, poate fi păstrat câteva zile înainte de a fi analizat fără a avea pierderi semnificative.

Polidimetilsiloxan (PDMS)

PDMS a fost ales pentru această tehnică, deoarece are mai multe avantaje. În primul rând, comparativ cu alți adsorbanți, analiții nu sunt reținuți activ la suprafață, ci sunt împărțiți în fibra de rășină. Deoarece absorbția este un proces mai slab decât adsorbția în PDMS, degradarea analiților instabili este practic absentă, permițând o precizie crescută. În al doilea rând, deoarece PDMS are interacțiuni mai slabe cu analitul, proba poate fi desorbită la temperaturi mai scăzute, reducând riscul de deteriorare a analitului.

În al treilea rând, capacitatea de reținere a PDMS nu este influențată de cantitatea de apă și de alți compuși, atâta timp cât toate substanțele dizolvate au propriile echilibre de partiție. În al patrulea rând, degradarea fragmentelor PDMS poate fi ușor identificată printr-un detector de masă selectiv, care crește precizia acestei tehnici.

Metodologie

Primul pas într-un laborator este pregătirea barei magnetice. O bară magnetică este plasată într-o matriță din teflon și se adaugă un amestec de PDMS. Matrița este plasat mai întâi într - un cuptor timp de o oră la 60 ° C . Acesta din urmă se lasă să stea la temperatura camerei înainte de a turna amestecul. Amestecul este format într-un raport de 10: 1 dintre faza vâscoasă (aproximativ 0,3 g ) și agent de întărire ( 0,03 g ). Matrița este presată și introdusă într-un cuptor timp de 30 de minute la 40 ° C și apoi sub un gradient de temperatură de 10 ° C / min până la 250 ° C ( 120 min ).

Timpul de extracție variază în funcție de analitul în cauză. Al treilea pas constă în recuperarea analitului prin desorbție așa cum sa menționat anterior. Analitul este de obicei îndepărtat din tijă prin desorbție termică prin încălzire la temperaturi cuprinse între 150 și 300 ° C pentru o perioadă de până la 15 min . Ultimul pas este analizarea compusului adesea prin cromatografie . Acest proces este adesea direct legat de mecanismul de desorbție pentru a minimiza pierderile și contaminarea.

Aplicație: matrice și tipuri de analiți

SBSE a fost utilizat pentru prima dată pentru extragerea compușilor organici semi-volatili din apă în timpul analizei de mediu efectuate prin cromatografie în gaz. A fost utilizat pentru detectarea și cuantificarea compușilor din apă, cum ar fi pesticide, hormoni, explozivi și compuși mirositori. SBSE a fost apoi utilizat pentru extragerea compușilor organici din sol după efectuarea unei extracții lichid-lichid a probei.

Au fost apoi dezvoltate diverse aplicații în sectorul alimentar: detectarea contaminanților, a compușilor responsabili de mirosuri și a compușilor prezenți în cantități mici în alimente. SBSE poate fi, de asemenea, utilizat în câmpul biomedical pentru detectarea și cuantificarea compușilor organici din urină, salivă, plasmă etc.

Beneficii

Principalul avantaj al SBSE este că combină avantajele SPE ( extragere în fază solidă ) și SPME. Într-adevăr, face posibilă lucrul cu volume de sorbent mai mari decât în SPME, ceea ce permite recuperarea mai multor analiți în faza staționară, pe lângă faptul că este mai ușor de utilizat decât SPE. Un alt avantaj de luat în considerare este prețul scăzut al acestei metode. În plus, absența solvenților în această metodă o face o metodă mai ecologică decât extracțiile cu solvenți.

Dezavantaje

Unul dintre dezavantaje este timpul de manipulare și erorile care pot fi introduse atunci când tija este scoasă din probă, clătită și apoi uscată. Automatizarea acestor pași se poate face, dar poate fi laborioasă și costisitoare. În plus, SBSE este limitată la un anumit tip de analit, deoarece barele acoperite cu PDMS sunt în prezent singurul tip de bare SBSE vândute comercial. O soluție potențială investigată este o bară de amestecare cu dublă fază, care constă dintr-o bară pentru SBSE acoperită cu doi sorbanți, în general PDMS și un adsorbant, cum ar fi cărbunele activ.

Optimizare

SBSE depinde de extracție și desorbție, așa cum am menționat anterior. Apoi este posibilă optimizarea acestor două componente pentru a obține o extracție mai eficientă și mai rapidă. Abordarea este sistematică atunci când o variabilă este modificată la un moment dat. Această metodologie este foarte lungă, deoarece există multe variabile care influențează SBSE. În plus, abordarea cu o singură variabilă nu demonstrează relațiile care pot exista între fiecare dintre parametrii experimentali. O soluție la aceste probleme este utilizarea unei abordări Designs of Experiments .

Variabilele care influențează cel mai mult extracția sunt durata experimentului, influența pH-ului soluției, adăugarea de sare inertă, adăugarea unei substanțe organice, viteza barei magnetice, temperatura. volumul fazei de extracție. Timpul de extracție are un impact major asupra constantei de echilibru. Dacă timpul de extracție este scurt, este posibil ca echilibrul dintre faza staționară și faza mobilă să nu fie atins. Extracția este apoi incompletă și imprecisă. Unii autori preferă să economisească timp și, prin urmare, lucrează în condiții de neechilibru.

Când vine vorba de analit de natură acidă sau bazică, pH-ul soluției joacă un rol important. În funcție de pKa A , o substanță poate să nu fie în formă ionică în funcție de pH. Este mai bine să aveți un pH care să favorizeze o formă, mai degrabă decât două. Prin urmare , este necesar să se asigure că pH - ul este destul de diferit, adică două unități, de la pKa - o . Un dezavantaj al optimizării pH-ului este că acesta din urmă este limitat. PH-ul prea acid (<2) sau prea bazic (> 9) poate deteriora stratul PDMS.

Este posibil să adăugați o sare inertă, de exemplu clorură de sodiu, la soluție în timpul extracției. Această adăugare are un impact major asupra puterii ionice. Concentrația unui produs sau activitatea acestuia este proporțională cu puterea ionică, prin urmare aceasta din urmă perturbă constanta de partiție. În plus, sarea scade solubilitatea analitului în soluție, făcându-l mai accesibil. Cu toate acestea, se observă că randamentul unei extracții a unui analit hidrofob, fie nepolar, este scăzut în timp ce cel al unui analit hidrofil sau polar este crescut așa cum era de așteptat. Mai multe ipoteze sugerează că adăugarea unei sări crește vâscozitatea soluției, făcându-l similar cu un ulei. Atunci este mai dificil pentru un analit să migreze, reducând cinetica sistemului.

De asemenea, este posibil să adăugați o substanță organică la soluție pentru a reduce la minimum adsorbția analitului pe pereții recipientului. Metanolul, acetonitrilul sunt principalii aditivi organici. Este important să se ia în considerare solubilitatea analitului în acești diferiți solvenți. Acesta din urmă poate determina o creștere a solubilității compusului care urmează să fie studiat, reducând astfel eficiența extracției. În plus, de exemplu, trebuie optimizată concentrația de metanol. Se poate observa că o concentrație de 5% metanol crește randamentul de extracție al pesticidelor, în timp ce o concentrație mai mare îl scade.

Este posibil să optimizați viteza cu care se rotește bara. Este de preferat să aveți o viteză mare de rotație, deoarece aceasta scade grosimea stratului de moleculă care este situat între bară și soluție, îmbunătățind astfel extracția. Pe de altă parte, viteza de rotație este limitată, deoarece poate deteriora faza de extracție din cauza contactului violent dintre bara magnetică și recipient. Viteza optimă de rotație se găsește între 500-750 rpm în majoritatea cazurilor.

Optimizarea temperaturii este similară cu optimizarea vitezei. O temperatură sub 40 ° C și peste 70 ° C scade durata de viață a fazei PDMS. Temperatura influențează în primul rând timpul necesar pentru ca sistemul să atingă echilibrul, iar în al doilea rând coeficientul de partiție, îl scade, rezultând scăderea eficienței. Prin urmare, este important să optimizați temperatura în funcție de analit, deoarece efectele variază în funcție de acesta din urmă.

Folosind ecuațiile 1 și 3, este evident să optimizăm masa fazei mobile și a fazei apoase din care randamentul variază într-un mod proporțional cu raportul dintre cele două componente. În plus, mai multe studii demonstrează că volumul barei acoperite cu PDMS nu afectează eficiența extracției.

De asemenea, este posibilă optimizarea desorbției, fie termică, fie lichidă. Când vine vorba de desorbție termică, temperatura și criofocalizarea temperaturii ( criofocalizarea ) sunt studiate. Cel mai bine este să utilizați temperatura minimă necesară pentru a minimiza riscul de deteriorare a stratului PMDS. De asemenea, este posibil să se utilizeze temperaturi mai scăzute prin extinderea timpului de desorbție. De asemenea, este necesar să reglați temperatura de criofocalizare pentru a recupera corect analiții înainte de efectuarea cromatografiei. Pentru analiții volatili sunt necesare temperaturi scăzute de focalizare a crizei. Când vine vorba de desorbția lichidă, natura solventului, timpul de desorbție și volumul utilizat sunt importante pentru optimizare. Volumul de solvent utilizat trebuie să fie minim, adică suficient pentru a acoperi în întregime bara acoperită. Acest lucru face posibilă obținerea celei mai mari concentrații de analit. Optimizarea timpului de desorbție și a naturii solventului se realizează în același mod ca cel menționat anterior. Sonicarea soluției îmbunătățește desorbția lichidului.

HSSE

HSSE ( extracția sorbitivă a spațiului capului ) este o variantă a SBSE utilizată pentru a separa compușii organici volatili de o matrice lichidă sau gazoasă. Proba este introdusă într-un flacon închis și agitată folosind o bară magnetică pentru a promova trecerea compușilor volatili de la faza lichidă la faza gazoasă. O bară acoperită cu PDMS este suspendată de dop în faza gazoasă, astfel încât să absoarbă compușii volatili. Desorbția se face în același mod ca în timpul SBSE (vezi mai sus).

Note și referințe

(ro) Erik Baltussen, Pat Sandra, Frank David, Carel Cramer (1999), Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE), a Novel Extraction Technique for Aqueous Samples: Theory and Principles , J. Microcolumn Separation , 11, 737 -747
Frank David, Pat Sandra (2007), Extracție sorbitivă cu bare de amestecare pentru analiza urmelor , Journal of Chromatography A , 1152, 54-69.
A.Prietoa, O. Basauria, R. Rodilb, A. Usobiagaa, LA Fernándeza, N. Etexebarriaa, O. Zuloaga, (2010) Stir -extracție sorbitivă cu bare: Aview despre optimizarea metodei, aplicații noi, limitări și soluții potențiale, Journal of Chromatography A, 1217, 2642-2666.
Paula Grossi, Igor RB Olivares, Diego R. de Freitas, Fernando M. Lancas, Un roman sistem HS-SBSE cuplat cu cromatografia de gaze și spectrometrie de masă pentru analiza pesticidelor organoclorurate în probele de apă , J. Sep. Știință. 31, 2008, 3630-3637.