CAPITOLUL 5. Extracţia solid-lichid (SLE)

Transcript

1 5.1. Principiul de bază CAPITOLUL 5 Extracţia solid-lichid (SLE) Această tehnică de separare presupune extracţia unor componenţi dintr-o probă solidă sau semi-solidă într-un solvent adecvat. Pentru alegerea solventului, solubilitatea analiţilor de interes este cel mai important criteriu. De asemenea, alegerea solventului presupune cunoaşterea parţială a matricei în care analiţii de interes se găsesc, pentru a evita pe cât posibil co-extracţia unei părţi din matrice concomitent cu analiţii, deşi de cele mai multe ori această cerinţă nu este posibilă. Astfel, analiţii anorganici sau organici cu caracter hidrofil se pot extrage din probe solide în apă, sau în soluţie apoasă cu ph controlat, în timp ce compuşii organici hidrofobi se extrag în solvenţi organici corespunzători. Astfel, vitaminele hidrosolubile se pot extrage din probe alimentare solide utilizând apa sau soluţii tampon ca solvent, pe când vitaminele liposobile se pot extrage în diverşi solvenţi organici, miscibili sau nemiscibili cu apa. In practică este puţin probabil ca un solvent să extragă numai analiţii de interes şi de aceea, de multe ori, soluţia rezultată urmează în continuare o procedura de prelucrare pentru eliminarea unei părţi din interferenţi. Randamentul de extracţie în această variantă este influenţat de: - mărimea particulelor solide; - timpul de contact între probă şi solvent; - temperatură; - natura solventului; - natura interacţiilor dintre analit şi matricea probei solide. Natura interacţiilor analit-matrice a probei diferă de interacţiile care intervin în cazul extracţiei în fază solidă (SPE), iar prin urmare această metodă nu poate fi privită ca una opusă SPE. Acestea depind de compoziţia şi provenienţa probei, iar în general sunt mai puţin cunoscute. In principiu, analiţii pot fi adsorbiţi pe suprafaţa specifică a particulelor probei, când interacţia poate fi învinsă prin utilizarea unui solvent cu o mare afinitate (solubilitate) pentru analit, sau moleculele de analit pot fi înglobate fizic în matricea probei, iar în acest caz pentru extracţia acestora este nevoie de distrugerea fizică a texturii probei. Adesea, însă, aceste metode sunt aplicate pe baza unor parametrii empirici care ţin de solubilitatea analiţilor în solventul ales şi de modul de lucru aplicat. Natura interacţiilor analit-matrice depinde în mare măsură de provenienţa probei. De exemplu, într-un fel interacţionează hidrocarburile policiclice aromatice (PAHs), provenite din procesele de ardere atmosferică a combustibililor fosili, cu matricea solidă a pulberilor din aer, unde sunt adsorbite pe suprafaţa micro-particulelor de praf. Altfel însă, vor interacţiona aceleaşi hidrocarburi cu matricea solidă a negrului de fum, rezultat în procesele de chimizare a hidrocarburilor alifatice inferioare, unde din cauza unor reacţii incomplete de descompunere elementară se pot forma şi aceste specii PAHs. In acest ultim caz, practic PAHs sunt înglobate în reţeaua solidă a particulelor de carbon, de unde se pot extrage mai greu, datorită forţelor mai puternice dintre aceste molecule şi reţeaua micro-cristalinică a negrului de fum. 82

2 5.2. Extracţia Soxhlet Cea mai cunoscută tehnică de extracţie solid-lichid poartă numele de tehnică Soxhlet, care se efectuează practic într-un aparat de extracţie cu acelaşi nume (Fig. 5.1). Această metodă se bazează pe o diferenţă mare dintre punctele de fierbere ale solventului şi cele ale analiţilor extraşi. Pe baza acestei proprietăţi extrasul este adus la o temperatură de fierbere a solventului, care va condensa într-un refrigerent şi va reveni în cartuşul care conţine proba de extras. Prin realizarea mai multor cicluri de extracţie, randamentul procesului poate fi controlat astfel încât randamentul de extracţia să fie maxim. Practic, procedurile de extracţie Soxhlet trebuie să cuprindă următoarele etape: - uscarea corespunzătoare a probei, dar astfel încât să nu se piardă din cantitatea de analit din probă; - mărunţirea acesteia (de obicei prin mojarare) pentru asigurarea unui contact cât mai bun între matricea probei şi solvent; - estimarea volumului probei (în ml); - alegerea cartuşului de extracţie (se pot folosi cartuşe mici, intermediare şi cu volum mare de extracţie); - alegerea solventului potrivit pentru extracţie, astfel încât acesta să dizolve cât mai selectiv analiţii de interes faţă de alţi componenţi din matricea probei; - estimarea volumului de solvent utilizat pentru extracţie, la care se ţine cont şi de volumul probei extrase; - estimarea timpului de fierbere şi de extracţie; - efectuarea procedurii propriu-zise de extracţie, care are o durată funcţie de numărul ciclurilor de extracţie şi a timpului unui ciclu; - stoparea procedurii se face atunci când analiţii sunt extraşi cantitativ, iar o parte a solventului evaporat va rămâne condensat în cartuş (în felul acesta concentrarea este asigurată printr-un volum mai mic de solvent în balonul în care se culege acesta); - analiza conţinutului extrasului printr-o tehnică analitică adecvată. Randamentul de extracţie este estimat pe amestecuri sau probe sintetice (cu matricea cât mai apropiată de cea a probei de analizat), în care se cunoaşte cantitatea de analit adăugată, m analit (proba). După determinarea cantităţii de analit din solventul utilizat în extracţie, m analit (solvent), randamentului de extracţie este dat de relaţia simplă: manalit (solvent) η% = 100 (5.1) manalit (proba) Extracţia Soxhlet se aplică, de regulă, probelor solide sau semisolide. Probe de analizat, precum plante sau părţi din ele, ţesuturi animale, sol, cărbune şi şisturi sunt mai întâi mărunţite şi aduse într-o formă de pulbere foarte fină pentru a mări suprafaţa de contact în procesul de extracţie. Analiţii extraşi se vor concentra în balonul în care se află solventul de extracţie. Două inconveniente principale pot totuşi interveni în cadrul tehnicii de extracţie Soxhlet. Primul se referă la faptul că extractul este expus pe tot parcursul procesului la temperatura de fierbere a solventului, care dacă este foarte ridicată, poate afecta unii analiţi din probă, labili din punct de vedere termic. Al doilea inconvenient îl constituie 83

3 concentraţia mică în final datorită cantităţii mari de solvent utilizată; o parte din solvent ar putea fi înlăturată prin antrenare cu un curent de gaz inert, dar acesta poate antrena pe lângă solvent şi o parte din analiţii extraşi în el. Utilizarea de solvenţi cu puncte de fierbere foarte joase poate înlătura aceste două inconveniente. Dacă se introduce un extractor Soxhlet într-o cameră de presiune ridicată, astfel încât presiunile din interiorul şi exteriorul extractorului sunt egale, atunci se pot utiliza lichide cu puncte de fierbere mici, precum freon 12 (CCl 2 F 2 ), amoniac sau chiar bioxid de carbon. Avantajele acestei variante sunt în general date de cele atribuite extracţiei în fluide supercritice, discutată în 7.4. Refrigerent Apă de răcire Cartuş pentru probă Solvent de extracţie Sursă de încălzire Fig Componentele de bază ale unui extractor Soxhlet. Aplicaţii analitice Această metodă se poate aplica în cazul probelor alimentare, probe de mediu, probe biologice, etc. [56] Câteva exemple concrete sunt redate sumar în Tabelul 5.1. Un exemplu de aplicaţie a acestei metode se referă la determinarea hidrocarburilor policiclice aromatice (PAHs) sau nitro-derivaţii lor din aer (NO 2 -PAHs, care se pot forma în atmosferă datorită unor reacţii chimice radicalice, v. Fig. 5.2). [57] Concentraţiile determinate pentru aceşti poluanţi sunt de ordinul ng/m 3 aer. Prelevarea probelor în vederea reţinerii particulelor în suspensie din aer ce pot conţine şi NO 2 -PAHs 84

4 se poate realiza prin trecerea aerului timp de 12 ore până la 24 ore, cu debit mare şi măsurat, prin filtre din fibră de cuarţ, capabile să reţină particule până la un diametru de 10 μm. După prelevare, aceste filtre sunt stocate în folii de aluminiu, care la rândul lor sunt păstrate în pungi de plastic, la o temperatură joasă (-10 C). Prelucrarea acestor probe reţinute pe filtre se face prin extracţie Soxhlet, utilizând ca solvent un amestec de CH 2 Cl 2 şi CH 3 Cl. Determinarea NO 2 -PAHs din probele obţinute prin extracţia Soxhlet se face prin cromatografie de gaze pe coloană capilară (CGC) cu detecţie prin spectrometrie de masă (MS) pentru confirmarea structurală a analiţilor determinaţi. Tabel 5.1. Câteva exemple de aplicaţii analitice ale extracţiei Soxhlet. Tehnica Proba Analiţi Solvent Condiţii de extracţie cromatografică 26 compuşi detecţie Propolis Eter de petrol C, 3 h. fenolici UV Seminţe de Saponine Metanol 50 h. TLC legume Sedimente Pesticide Hexan/acetonă 10 h GC-ECD de râu organo-clorurate (1 : 1) Sol Piridină CH 2Cl 2 GC-MS Reţinere Dioxine, Emisii Toluen pe XAD-2, GC-MS Dibenzofurani extracţie 24 h Dioxine, CH Pigmenţi 3Cl/Toluen 24 h GC-MS Peşte Chelidonium majus Peşte Rădăcini de Plumbago Zeylanica Nuca de pecan Tulpini, frunze Dibenzofurani Arsenobetaine Arsenocholine (19 : 1) CHCl 3 şi CH 3OH Alcaloizi CHCl 3 2 h PCBs Hexane/CH 2Cl 2 (1:1) Plumbagin CHCl 3 4 h - HPLC cu AAS off-line 3 h GC-MS Tocoferol Hexane - HPLC-FLD Flavonoide 95% etanol - TLC, Seminţe Carbaril Acetonă, hexan 4 h sau metanol HPLC cu Eter de petrol Seminţe de detecţie de Trigliceride (p.f C) - 4 h cacao indice de dietileter (1:1) refracţie Sol 2,4,6- CH trinitrotoluene 3OH - Filtru de ţigări Benz[c]acridină Clorbenzen - HPLC-FLD Sol Fluazifop Acetonă 18 h 85

5 + X. H X. H + NO 2 H X H NO 2 NO 2 - HX (Piren) (2-Nitropiren) Fig Mecanismul de formare în atmosferă a nitro-pahs, în prezenţa radicalilor X. De cele mai multe ori, în cazul compuşilor organici extraşi prin această metodă, proba rezultată este analizată printr-o tehnică cromatografică, ţinând cont de complexitatea sa. Există situaţii în care proba rezultată poate fi prelucrată în continuare şi analizată în final printr-o tehnică spectrometrică. De exemplu, determinarea parationului (insecticid extrem de toxic, din clasa esterilor tiofosforici) din probe vegetale se bazează pe o extracţie Soxhlet, utilizând dietileterul ca solvent de extracţie. Extrasul final este adus la sec, prin evaporarea solventului, iar reziduul rezultat este supus unei hidrolize bazice, cu formarea p-nitrofenolului, compus ce poate fi determinat prin spectrometrie de absorbţie moleculară în ultraviolet. O 2 N O P S O-C 2 H 5 O-C 2 H 5 (NaOH) O 2 N ONa Atunci când proba conţine apă de umectare randamentele de extracţie sunt mici, deoarece contactul solventului organic cu matricea solidă este împiedicat. De aceea, proba trebuie uscată înaintea extracţiei, încălzirea fiind puţin recomandată pentru a evita pierderile de analit prin încălzire. O soluţie practică este adăugarea la probă a unui agent de uscare (desicant) anorganic (vezi tabelul 3.3). In anul 1994 a fost acceptat de către EPA sistemul de extracţie Soxhlet automat, comercializat sub denumirea de Soxtec. Extracţia cu acest sistem se efectuează în trei etape distincte: 1) aducerea solventului la punctul de fierbere, etapă în care cartuşul conţinând proba este imersat în solvent; 2) ridicarea cartuşului deasupra solventului, iar picăturile de solvent condensat vor cădea în cartuş, preluând analiţii solubilizaţi; 3) etapa de concentrare, în care solventul recuperat este evaporat la un volum mic (1 2 ml) cu ajutorul sistemului de concentrare Kuderna-Danish Extracţia accelerată cu solvent Extracţia accelerată cu solvent (ASE accelerated solvent extraction ) este o metodă nouă de extracţie, bazată pe utilizarea temperaturii şi presiunii înalte pentru a accelera cinetica dizolvării şi a desface legăturile de interacţie analit-matrice. Din acest motiv, această metodă mai este numită şi extracţie presurizată cu lichid (solvent). In plus, prin creşterea temperaturii scade viscozitatea solventului, ceea ce face ca acesta să penetreze mai uşor matricea solidă a probei. In felul acesta, timpul de extracţie se reduce de la zeci de minute la maximum câteva minute, iar probele de extras pot fi în cantităţi 86

6 mici. Această metodă este o alternativă la extracţia Soxhlet sau la extracţia cu fluide supercritice. După cum se menţiona în cap. 5.1 în cazul înglobării moleculelor de analit în textura (structura) fizică a particulelor probei solide acestea pot fi extrase doar dacă textura este distrusă fizic: aceasta se poate realiza mai uşor utilizând procedura ASE. Dispozitivele în care se efectuează o astfel de extracţie trebuie să reziste la presiuni înalte; probele şi solventul fiind introduse într-o incintă închisă şi încălzită. Temperatura mare ( C) accelerează difuzia moleculelor de solvent în textura probei, iar presiunea mare care se obţine menţine solventul în stare lichidă. Operaţia se efectuează într-o celulă de extracţie care trebuie să reziste la presiune înaltă. Volumul acesteia este standardizat: 11; 22 sau 33 ml capacitate. Etapele principale ale unei proceduri ASE (statice) sunt următoarele: - introducerea probei în celula de extracţie; - umplerea cu solvent; - încălzirea şi presurizarea celulei; - golirea celulei prin purjarea cu ajutorul unui flux gazos (N 2 ); - culegerea extractului într-o fiolă în vederea analizei sau a unei alte etape de prelucrare (evaporare solvent, derivatizare). Sistemele ASE sunt total automatizate. Se cunoaşte şi modalitatea dinamică, mai rar utilizată, prin care solventul trece în mod continuu prin celula de extracţie, dar consumul de solvent este mare. Schema unui sistem bazat pe extracţie cu solvent accelerată, realizat pentru prima dată de Dionex Corporation, este redată mai jos N Fig Componentele unui sistem ASE: 1 rezervorul; 2 pompă; 3 valva de pompă; 4 valva de purjare; 5 celula de extracţie; 6 incinta de termostatare; 7 valva statica; 8 fiolă (vial) de colectare. Acest procedeu este recomandat de U.S. EPA pentru extracţia PAHs, [57] pesticidelor şi insecticidelor organoclorurate, compuşilor bifenilpolicloruraţi (PCBs), sau a pesticidelor organofosforice din probe solide din mediu, în vederea analizei lor prin diverse tehnici cromatografice. Solvenţii cei mai recomandaţi pentru extracţie în această variantă a unor poluanţi organici prioritari din probe de mediu sunt redaţi în tabelul următor. Există posibilitatea controlului selectivităţii acestui procedeu, prin introducerea 87

7 alături de probă a unui adsorbant, care să reţină o parte a analiţilor extraşi din probă. De exemplu, la extracţia PCBs din matrici biologice cu conţinut lipidic prin adăugarea unui adsorbant alături de probă permite extracţia selectivă a acestor compuşi poluanţi şi reţinerea gliceridelor pe adsorbant. Se cunosc aplicaţii ale acestei metode şi la extracţia monomerilor şi oligomerilor din matrici polimerice, antioxidanţilor din polietenă de joasă densitate, sau chiar a unor substanţe active din produse farmaceutice. Compuşii graşi din diverse seminţe pot fi extraşi cu randamente mari prin acest procedeu rapid. Tabel 5.2. Solvenţi recomandaţi de EPA pentru extracţia cu solvent accelerată a unor poluanţi organici din probe de mediu. [58] Clasă de poluanţi Solvent de extracţie Pesticide organoclorurate PCBs Compuşi organici semi-volatili Acetonă/hexan (1 : 1)* sau acetonă/diclormetan (1 : 1) Pesticide organofosforice Diclormetan sau acetonă/diclormetan (1 : 1) Erbicide clorurate Dibenzofurani policloruraţi Dibenzo-p-dioxine policlorurate * raport exprimat ca volum/volum. acetonă/diclormetan/soluţie H 3PO 4 (250 : 125 : 15) sau acetonă/diclormetan/cf 3COOH (250 : 125 : 15) Toluen, sau soluţie 5% acid acetic glacial în toluen 5.4. Extracţia cu solvent asistată de microunde Microundele reprezintă radiaţia electromagnetică în domeniul de frecvenţă situat între 0,3 şi 300 GHz (corespunzătoare lungimii de undă între 0,1 şi 100 cm). Ele se situează între frecvenţele radio şi infraroşu. Microundele pot fi utilizate pentru încălzirea materialelor, principiu bazat pe absorbţia radiaţiei şi disiparea căldurii dezvoltate în interiorul materialului. Iniţial, acest procedeu bazat pe microunde a fost utilizat pentru dezagregarea probelor solide cu scopul îndepărtării constituenţilor organici, ca o alternativă la dezagregarea probelor în mediu acid sau puternic bazic. In felul acesta se poate elimina matricea organică interferentă în determinarea speciilor metalice prin spectrometrie de absorbţie atomică cu flacără. Extracţia cu solvent asistată de microunde (MASE Microwave-Assisted Solvent Extraction ) s-a dezvoltat pornind de la aplicaţiile menţionate mai sus, fără însă a îşi propune o dezagregare a probei. Proba solidă şi solventul sunt supuse unui tratament cu microunde, care accelerează procesul de extracţie datorită încălzirii sistemului. In acest caz se utilizează un solvent polar sau un amestec de solvenţi polari miscibili, datorită faptului că solvenţii nepolari nu absorb aproape de loc radiaţia de microunde. Benzile de frecvenţă utilizate în laboratoare pentru aceste aplicaţii sunt următoarele: 915; 2450; 88

8 5800 sau MHz. Puterea dezvoltată de aceste microunde se situează între 300 şi 700 W. In timpul tratamentului cu microunde, două procese principale determină absorbţia radiaţiei de microunde de către probă: rotaţia dipolilor şi conducţia ionică. Maximul de absorbţie a radiaţiei este situat la frecvenţa: 1 ν = 2 π τ (5.2), unde τ este timpul de relaxare dielectric. Conducţia ionică este un proces de migrare al ionilor în soluţie datorat unui câmp electromagnetic aplicat. Frecarea dintre ioni şi moleculele din soluţie generează căldură. Aceasta este echivalentă cu un flux de curent care are ca rezultat o cantitate de căldură dată de legea lui Joule: Q = I 2 R (5.3), unde I este intensitatea curentului electric, iar R rezistenţa la fluxul de ioni. Solvenţii polari, precum acetona, metanolul, sau diclormetanul se încălzesc rapid sub influenţa microundelor. In schimb, hexanul, benzenul sau chiar toluenul nu pot fi încălziţi prin acţiunea microundelor, deoarece neavând moment de dipol nu absorb radiaţia de microunde. Experimental, MASE se aplică probelor solide, care sunt introduse într-un solvent organic sau un amestec de solvent organic şi apos, şi apoi iradiat sistemul pentru un interval scurt de timp (0,5 până la 10 minute). După răcirea sistemului, soluţia de supernatant (extractul) este decantat, iar matricea solidă este spălată de câteva ori cu solventul utilizat, care se adăugă extractului. In cazul în care se utilizează solvenţi nepolari (cum este hexanul), care nu absorb radiaţia de microunde, se procedează la adăugarea unui solvent polar, până în 10%. Componentele de bază ale unui sistem MASE cuprind generatorul de microunde (magnetron), un element de direcţionare a microundelor, o cavitate rezonantă şi o sursă de alimentare cu curent electric. Această procedură se poate aplica la presiune atmosferică şi la punctul de fierbere al solventului (în sistem deschis când pierderea de solvent se evită prin condensarea vaporilor şi revenirea lor în extractor), sau la presiune ridicată (în sistem închis, când presiunea din sistem creşte în timpul extracţiei). [59] Exemple de aplicaţii ale acestei tehnici se referă în special la extracţia unor compuşi poluanţi (PAHs, PCBs, fenoli, pesticide organo-clorurate, erbicide, compuşi organo-stanici) din probe de mediu (sol, sedimente, particule din atmosferă, nisip, cenuşă). Se cunosc aplicaţii referitoare la extracţia unor aditivi din materiale polimerice, a unor contaminanţi sau substanţe nutritive din produse de importanţă alimentară, sau a unor substanţe active din formulaţii farmaceutice. 89