Magdalena Bolesna doc

Magdalena Bolesta

Mirosław Cimoch

I OŚ II st, grupa 1

Sprawozdanie nr 5

Metody rozdzielania i zatężania - laboratorium

Temat: Optymalizacja warunków zatężania lotnych związków organicznych z zastosowaniem mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej.

Cel ćwiczenia:

Zapoznanie z techniką mikroekstrakcji do fazy stacjonarnej (SPME) oraz zbadanie wpływu wybranych czynników na wydajność wydzielania substancji lotnych (BTEX - benzen, toluen, etylobenzen, ksylen) z wody techniką SPME.

Wykonanie

Ćwiczenie składa się z dwóch części:

Część I - Mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej z fazy nadpowierzchniowej nad próbką.

Do 250 ml wody wodociągowej dodano 1 μl mieszanki BTEX. Pobrano 8 ml sporządzonego roztworu i umieszczono wraz z mieszadłem magnetycznym w naczyniu o pojemności 15 ml. Wydzielanie prowadzono w temp. pokojowej, umieszczając włókno urządzenia do SPME w fazie nadpowierzchniowej nad próbką.

Następnie przeprowadzano analizę chromatograficzną przy użyciu aparatu HP 4890D z detektorem płomieniowo - jonizacyjnym Firmy Agilent Technologies w kolumnie

HP-5: 30 m x 0,25 mm x 25 μm.

Oznaczenie prowadzono wykorzystując włókno PDMS 1000. Badano:

Wydzielanie substancji z roztworu badanego dla różnych warunków mieszania
Dla wybranej intensywności mieszania prowadzono ekstrakcję, zmieniając jako parametr czas kontaktu włókna z fazą nadpowierzchniową
Prowadzono wysalanie, poprzez dodatek kolejno NaCl, KCl, KBr
Ekstrahowano substancje przy zmienionej objętości roztworu badanego

Część II - Bezpośrednia mikroekstrakcja do fazy stacjonarnej.

Pobrano 14 ml przygotowanego roztworu wzorcowego i umieszczono w fiolce z mieszadłem magnetycznym . Wydzielanie prowadzono w temp. pokojowej, zanurzając włókno urządzenia do SPME bezpośrednio w przygotowanym roztworze. Następnie przeprowadzano analizę chromatograficzną przy użyciu aparatu HP 4890D z detektorem płomieniowo - jonizacyjnym Firmy Agilent Technologies w kolumnie

HP-5: 30 m x 0,25 mm x 25 μm. Wykorzystano włókna PDMS 100 i CAR/PDMS. Badano:

Wydzielanie substancji z roztworu badanego dla różnych warunków mieszania (500 obr/min, 1000 obr./min, bez mieszania)
Dla wybranej intensywności mieszania prowadzono ekstrakcję, zmieniając jako parametr czas kontaktu włókna z próbką (1 min, 3 min, 6 min).

Opracowanie wyników.

Część I

Wydzielanie substancji z roztworu badanego przy różnych warunkach mieszania:

Czas mieszania 3 min
Objętość próbki 8 ml

Intensywność mieszania	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Intensywność mieszania		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
500 obr./min	2,20	3,38	12,01	0,434*10⁷	0,415*10⁷	0,514*10⁷
1000 obr/min	2,19	3,39	11,99	2,56*10⁷	0,875*10⁷	2,37*10⁷
Bez miesz.	2,19	3,38	12,06	1,85*10⁷	3,27*10⁷	2,48*10⁷

0x08 graphic
Gdzie:

t_rb- czas retencji benzenu

t_rt- czas retencji toluenu

t_r_e- czas retencji 4-p-etylotoluenu

0x01 graphic

Wydzielanie lotnych związków organicznych przy różnych czasach prowadzenia mikroekstrakcji.

Intensywność mieszania 500 obr./min
Objętość próbki 8 ml

Czas mikro-ekstrakcji	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Czas mikro-ekstrakcji		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
1 min	2,20	3,39	12,01	2,66*10⁷	3,35*10⁷	1,87*10⁷
3 min	2,20	3,38	12.01	0,434*10⁷	0,415*10⁷	0,514*10⁷
6 min	2,19	3,38	12,03	1,26*10⁷	2,68*10⁷	0,84*10⁷

0x01 graphic

Wysalanie badanego roztworu przez dodatek po 36 g NaCl, KCl, KBr(każdą z soli dodano do nowej porcji roztworu roboczego),

Intensywność mieszania 1000 obr/min,
Czas prowadzenia mikroekstrakcji 3 min,
Objętość próbki 8 ml

Dodatek soli	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Dodatek soli		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
NaCl	2,19	3,38	12,03	0,467*10⁸	0,676*10⁸	2,35*10⁸
KCl	2,20	3,38	12,00	0,299*10⁸	0,352*10⁸	1,82*10⁸
KBr	2,22	3,40	11,95	0,282*10⁸	0,283*10⁸	0,969*10⁸

0x01 graphic

Ekstrakcja związków z roztworu o zmiennej objętości.

Intensywność mieszania 1000 obr/min,
Czas ekstrakcji 3 min

Objętość próbki	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Objętość próbki		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
1 ml	2,22		12,02	0,249*10⁷		0,14*10⁷
5 ml	2,21	3,39	11,97	0,606*10⁷	1,14*10⁷	0,835*10⁷
8 ml	2,19	3,39	11,99	2,56*10⁷	0,875*10⁷	2,37*10⁷

0x01 graphic

Część II

Wydzielanie substancji z badanego roztworu w różnych warunkach mieszania

Czas mikroekstarkcji 3 min,
Objętość próbki 14 ml.

Włókno CAR:

Intensywność mieszania	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Intensywność mieszania		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
500 obr./min	2,62	3,79	12,31	1,94*10⁸	0,905*10⁸	0,016*10⁸
1000 obr/min	2,63	3,80	12,41	1,39*10⁸	0,601*10⁸	0,053*10⁸
Bez miesz.	2,62	3,82		0,106*10⁸	0,034*10⁸

0x01 graphic

Włókno PDMS:

Intensywność mieszania	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Intensywność mieszania		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
500 obr./min	2,61	3,77	11,99	4,31*10⁷	3,54*10⁷	1,71*10⁷
1000 obr/min	2,62	3,78	12,01	4,52*10⁷	3,81*10⁷	1,64*10⁷
Bez miesz.	2,58	3,76	12,15	0,957*10⁷	0,450*10⁷	0,12*10⁷

0x01 graphic

Wydzielanie substancji z roztworu przy różnym czasie prowadzenia mikroekstrakcji.

Intensywność mieszania 1000 obr/min,
Objętość roztworu 14 ml

Włókno CAR:

Czas mikro-ekstrakcji	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Czas mikro-ekstrakcji		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
1 min	2,59	3,78	12,39	4,56*10⁷	1,95*10⁷	0,022*10⁷
3 min	2,63	3,80	12,41	13,9*10⁷	6,00*10⁷	0,053*10⁷

0x01 graphic

Włókno PDMS:

Czas mikro-ekstrakcji	Czasy retencji			Powierzchnie pików
Czas mikro-ekstrakcji		tr_b	tr_t	tr_e	P_b	P_t	P_e
1 min	2,61	3,77	12,04	2,84*10⁷	1,64*10⁷	0,699*10⁷
3 min	2,62	3,78	12,01	4,52*10⁷	3,81*10⁷	1,64*10⁷
6 min	2,59	3,75	11,95	4,19*10⁷	4,35*10⁷	3,06*10⁷

0x01 graphic

Wpływ warunków na efektywność mikroekstrakcji:

Intensywność mieszania

Porównując wyniki analiz próbek mieszanych z wykorzystaniem mieszadła magne-

tycznego i próbek bez mieszania, większe pola powierzchni pików chromatograficznych

uzyskuje się zazwyczaj dla tego pierwszego. Wynika to z faktu, że skuteczna technika mieszania minimalizuje czas potrzebny do uzyskania stanu równowagi, a tym samym zwiększa odzysk przeprowadzonej ekstrakcji. Czas ten zależy od współczynnika podziału oraz od sposobu i intensywności mieszania. Gdy szybkość mieszania rośnie, to pola powierzchni pików chromatograficznych również wzrastają. W praktyce trudno jest osiągnąć idealne warunki mieszania dla próbek wodnych, gdyż wokół włókna powstaje cienka, nieruchoma warstewka wody, która tworzy barierę dyfuzyjną. Wpływa to znacząco na wydłużenie czasu dochodzenia do stanu równowagi. Mieszanie wpływa również korzystnie na dyfuzję składników z fazy ciekłej do fazy nadpowierzchniowej.

Ekstrakcja przeprowadzona za pomocą włókna PDMS z fazy nadpowierzchniowej, wykazała że wzrost intensywności mieszania powodował zmniejszenie wydajności ekstrakcji związków mieszaniny BTEX. Natomiast podczas mikroekstrakcji bezpośredniej uzyskano wzrastające pola powierzchni pików, zwiększając szybkość mieszania.

Czas pobierania próbki

Z punktu widzenia powtarzalności i czułości najlepiej, jeśli ekstrakcję prowadzi się do momentu osiągnięcia stanu równowagi pomiędzy próbką a fazą stacjonarną włókna. Czas uzyskania równowagi jest definiowany jak czas, po którym ilość ekstrahowanych analitów pozostaje stała w granicach błędu eksperymentalnego i równa ilości ekstrahowanej w nieskończenie długim czasie. Czas ten jest zależny od współczynnika podziału analitu, współczynnika dyfuzji oraz intensywności mieszania próbki, których wzrost skraca czas potrzebny do osiągnięcia stanu równowagi, ponieważ przyspiesza transport analitów w kierunku do włókna Czas ten jest generalnie krótszy dla ekstrakcji z fazy nadpowierzchniowej. Zwiększenie czasu kontaktu włókna z próbką spowodowało w przypadku mikroekstrakcji bezpośredniej wzrost pólpowierzchni pików, czego nie dało się zauważyć w ekstrakcji z fazy nadpowierzchniowej.

Dodatek soli.

Dodatek soli, najczęściej NaCl zwiększa siłę jonową roztworu, co zmniejsza rozpuszczalność wielu substancji organicznych, a tym samym zwiększa ułamek ekstrahowanych analitów do włókna. Zmniejszenie rozpuszczalności wielu związków polarnych może być na tyle duże, że następuje kilkakrotny wzrost współczynnika podziału między fazę stacjonarną a próbkę. Efektem towarzyszącym może być spadek selektywności włókna. Włókno po desorpcji

musi być bardzo ostrożnie i dokładnie umyte, ponieważ sól zwiększa na ogół jego kruchość. Wielkość efektu wysolenia próbki zależy od polarności analitu, stężenia soli oraz od

matrycy próbki. Dodatek NaCl dał najlepszy efekt, uzyskano bowiem największe pola powierzchni pików oznaczanych substancji. Najgorsze wyniki otrzymano stosując KBr.

Objętość fazy ciekłej

Objętość próbki jest wielokrotnie większa niż objętość fazy stacjonarnej na włóknie i ilość ekstrahowanych analitów jest proporcjonalna do współczynnika podziału, stężenia próbki oraz objętości fazy stacjonarnej na włóknie. Związki chemiczne o dużej wartości współczynnika K są bardziej wrażliwe na zmiany objętości próbki niż związki o małym powinowactwie do włókna. Z tego powodu jednym z kryteriów doboru odpowiedniej objętości próbki jest uwzględnienie wartości współczynnika podziału K. Podczas mikroekstrakcji z fazy nadpowierzchniowej wraz ze wzrostem objętości próbki, wzrosła powierzchnia pików substancji.

Analizując otrzymane podczas ćwiczenia wyniki można stwierdzić, iż miokroekstrakcja bezpośrednia do fazy stacjonarnej jest bardziej efektywna. Jednak dane literaturowe wskazują, że ilość ekstrahowanych analitów przez włókno jest wprost pro-

porcjonalna do stężenia analitów w próbce i niezależna od położenia włókna

w próbce lub w fazie stacjonarnej. Współczynniki podziału analitu między fazą stacjo-

narną a fazą nadpowierzchniową oraz analitu między fazą stacjonarną a próbką

mogą być oszacowane na podstawie danych fizykochemicznych i parametrów chro-

mitograficznych.

Technika SPME jest niewrażliwa na zawiesiny obecne w próbce, jeśli zastosuje się ekstrakcję analitów z fazy nadpowierzchniowej. Może być stosowana nie tylko do próbek ciekłych, ale także gazowych oraz stałych. Stosowanie rozpuszczalników jest prawie całkowicie wyeliminowane. Główną wadą tej techniki ekstrakcyjnej jest względnie duży koszt włókna i ograniczony czas jego użytkowania związany z zanieczyszczaniem w czasie ekstrakcji i ewentualną degradacją. Częściowa degradacja fazy stacjonarnej włókna, szczególnie jeśli desorpcja prowadzona jest w wysokiej temperaturze, i/lub składników próbki nietrwałych termicznie może prowadzić do pojawienia się dodatkowych pików na chromatogramie. Wokół włókna umieszczonego w fazie gazowej nad ciekłą próbką nie tworzy się stacjonarna warstewka wody, utrudniająca transport analitów do włókna, a duża powierzchnia kontaktu próbki z fazą gazową może być odnawiana w sposób ciągły w wyniku mieszania. W rezultacie transport lotnych analitów z próbki do włókna przez fazę nadpowierzchniową jest dużo szybszy niż bezpośrednio z próbki do włókna. Równowaga w takim układzie ustala się bardzo szybko. Duży koszt włókna i ograniczony czas jego użytkowania związany z zanieczyszczaniem i degradacją podczas stosowania, są kolejną wadą tej metody. Natomiast mikroekstrakcja bezpośrednia nie może być stosowana do próbek stałych oraz silnie zanieczyszczonych.