Stlačené tekutiny v analytických separačních metodách Michal Roth oddelení separací v tekutých fázích Ústav analytické chemie AV ČR, v. v. i. Veveří 97 60200 Brno s využitím výsledku a presentací kolegů Pavla Karáska, Josefa Planety, Eleny Varaďové Ostré, Jaroslava Póla, Barbory Hohnové, Lenky Šťavíkové, Marie Horké, Dany Moravcové a Karla Šlaise Struktura 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-ASE- Pressurized Solvent Extraction Accelerated Solvent Extraction 4) extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou PHWE - Pressurized Hot Water Extraction SubWE - Subcritical Water Extraction 5) superkritická voda vs. křemenné povrchy-v analytických separačních metodách využití — využití vlastností látek v oblasti nad jejich Te a P c — vlastnosti (hustota, solv. síla,...) mohou být řízeny volbou P a T — COi Tc ~ 31 °C Pc ~ 7.8MPa — úspora času v porovnání s kapalinovou extrakcí — šetrnější k životnímu prostředí - méně (nebo žádná) org. rozp. — hustota, solvatačníschopnost ~ kapaliny — viskozita, rychlost difúze ~ plyny 1) Superkritická fluidní chromatografie (SFC) * Stavba přístroje pro SFC * Příprava kolon pro SFC (mikro HPLC) * Příklady SFC separací * Neanalytické aplikace - systémy s iontovými kapalinami Příprava kapilárních náplňových kolon pro SFC (HPLC) Požadavky na kolony: • Náplň sorbent o zrnitosti 3 nebo 5 um, délka kolony do 1 m • Průměr kolony do 320 um => F = 4|jl min(liq.). F = 10ml min(g) • Pracovní tlak do 40 MPa => nároky na uzavření konců kolon • Vysoká účinnost vyrobených kolon Aparatura k plnění kapilárních náplňových kolon 1 - CO2 cylinder 2 - HPLC pump 3 - manometer 4 - on/off valve, 5 - stainless steel filling reservoir, 6 - fused silica capillary, 7 - restrictor Příklady SFC separací SFC separace pečetě Rudolfa II (materiál včelí vosk). Kolona 320 pm x 150 mm, 5 pm Biospher C18, t=80°C, FID Í50°C, program 8-35 MPa Příklady SFC separací JjJÍJI™ SFC separace polydimethylsiloxanu. Kolona 320 pm x 150 mm, 5 pm Biospher C18, t=80°C, FID 150°C, program 8-35 MPa SFC dnes ? chirální separace (enanciomery) separace a purifikace ve farmaceutickém průmyslu vyšší ..throughput" než v HPLC (více separací/analýz za časovou jednotku • CO, + MeOH 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 CH3 Ionic liquids - anions J F F "V History of Ionic Liquids ...1914...Walden... [(C2H5)4N][N03] • 1980s: Chloroaluminate Ionic Liquids 1st generation \—/' [AICIJ- J.S. Wilkss, J.A. Lsvisky, R.A. Wilson and CL. Husssy, Inorg. Chem. 21 (1982) 1263-1264. • 1990s: Air- and moisture-stable Ionic Liquids 2nd generation ^ ^ J X=f [BFJ- J.S. Wilkss and M.J. Zaworotko, J. Chem. Soc. Chem. Commuh (1992) 965-966. • 2000s: First examples of „Task Specific Ionic Liquids" 3rd generation \_ ,-s-\ \=J [PFJ A.E. Visssr, R.P. Swatloski, W.M. Rsichsrt, R. Mayton, S. Shsff, A. Wierzbicki, J.H. Davis, Jr. and R.D. Rogers, Chem. Commuh. (2001) 135-136. • 2010s: Biodegradable Ionic Liquids 4th generation Vývoj počtu publikací o iontov^h kapalinách [IL) a jejich kombinacích s CO; ■ II IL o Superkritická fluidní chromatografie SFE (příjemných) kapalných vzorků ? Analýza vín *"v" "j •Sil- I tow ...... « •• 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. AllKELJl'S FRANKOVKA f» MITÉNICKÁ BRNĚNSKÁ VELKOPAVLOvlCKÁ BZENECKÁ ZNOJEMSKÁ KYJOV5KÁ STRÁŽNICKÁ MIKULOVSKÁ PODLUŽÍ UHERSKO-HRADIŠŤSKÁ MiillcrThurgSU '4;. Mil S KAT OTTONEL f* MŠIIRIIRGSKK PÁLAVÁ i* PORlUCAľSK ti MODRE Riilandské bílé ?# KLLANDSKE MODRE RULANDSKE SEDE ?# Sauvignon SYATOVAVIIIIM&KE f* Veltlínské červené ?* Veltlínské celené 121 vzorků vín 21 odrůd hroznů Vířis vinifera L. 4 sklizně (ročníky 1996-1999) ZWEIGELTREBE f* Multivariate Statistics of the wine varieties represented by >=4 wine samples Muster analvsisl - used to select the 4 samples/variety if more discriminant analysis - elimination of redundant (= linearly dependent) component peak areas from the input data matrix canonical correlation analysis - computation of discriminant functions, i.e., the latent factors differentiating among the wine samples Info: http://www.statsoft.com/textbook/stathome.html Computation tool: KyPlot spreadsheet SW, Koichi Yoshioka, http://www.qualest.co.jp/Download/KyPlot/kyplot_e.htm, http://www.kyenslab.com/en Statistické zpracování (diskriminační analýza) chromatogramů Ve srovnání s postupem přes extrakci tuhým sorbentem (SPE-SFE-GC) poskytuje přímá SFE vín (DCSFE-GC) mnohem lepší rozlišení odrůd ' m B ♦ £lnR,M,"n9 ■10 -5 l> neton 1 ^ ^ ^ DCSFE-GC SPE-SFE-GC 5 Další analytické aplikace přímé kontinuální SFE (DCSFE) vodných vzorků: •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) / Měření mezifázové distribuce analytů v systému H20 - scC02 Partition Coefficient (K = ylx) of Salicylic Acid as a Function of rand P C02-Water Partition Coefficients (333 K, 20 MPa) vs. Octanol-Water Partition Coefficients at Ambient Conditions =ied symbols = ortho-substituted phenols Blue symbol = 2 dissociable protons 3) Kapalinová extrakce za zvýšených teplot [T> 7"boiisolvent] a tlaků [p> Psatsolvent (7)] org. rozpouštědla / směsi: PFE, PLE, PSE, ASE Instnimentace PFE - automatizované extraktory: Výhody PFE proti (nízkotlaké) extrakci podle Soxhleta: a) vyšší rozpustnost analytů v důsledku jejich vyšší těkavosti i analytů z matrice vzorl pstup hmoty slabší inte a b) vede k rychlejší e pst extrakčního rozpouš rdyž mnohem méně ne. panických rozpouštědel ího prostředí 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 Využití PFE - „nutričně" významné látky v rostlinách 1) chmel (šištice, chmelové pelety) ct-hofké kyseliny, humulony ß-hofke kyseliny, lupulony isohumulony R = -CH(CH3)2, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH3)CH2CH3 2) „čajové" rostliny honeybush (Cyclopia intermedia) -jižníAfrika rooibos (Aspalathus linearis) -jižní Afrika čaj (Camelia sinensis) - Čína yerba mate (Ilexparaguayensis) -jižníAmerika 4) Extrakce stlačenou horkou (subkritickou) vodou Motivace: Voda je nejen „nejzelenějším", ale také „nejladitelnějším" rozpouštědlem. „Obvyklé" podmínky (25 °C, 0.1 MPa): NaCI dobře rozpustný, benzen prakticky nerozpustný „Superkritické" podmínky (>374 °C, >22.1 MPa): NaCI ~ nerozpustný, benzen ~ plně mísitelný Využití vody za vysokých teplot a tlaků: a) Superkritické voda (f > 374 °C, P> 22 MPa) supercritical water oxidation, SCWO superkritické voda rozpouští Si02 - geochemie, povrchy b) Subkritická voda (100 °C < ř<374°C, P>Ps*{t)) „environmentálni sanace" extrakce rostlinných materiálů a surovin analytická chem ie - příprava vzorku biopolymery- rozpouštění celulózy, hydrolýza proteinů konverze (zplynování) biomasy-energie (CO+H2) 'environmental" prediction 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 triphenylene, envi naphthacene, envi benzo[a]pyrene, envi dibenz[a,h]anthracene, envi perylene, envi benzo[g,h,i]perylene, envi coronene, envi 0.14 mg/m3(25°C, 0.1 MPa) Smartphones, tablets, etc. ... OLED displays Increasing production => increasing rate of disposal Environment ?? ... Aqueous solubilities l,3,5-tris(diphenylamino)benzene 4,4'-bis(N-carbazolyl)-l,l'-biphenyl 9,10-bis(phenylethynyl)anthracene Skupinové príspevky k log(aktivitního koeficientu) Raoult-law ideality ^^^S^Jf^H-™—^ hydrophobic 1 ĽT 0 -1 o CH(arom) • C(arom) ■ CH2(ring) □ N(pyridine) A S(ring) A O(ring) v NH(pyrrole) T C=0 + CH(aliph) O N(ŕ-amine) z , h.ydrophilic 300 350 400 450 500 TI K Rozpustnosti: diamantoidy vs. PAHs Aktivitní koeficienty: diamantoidy vs. PAHs í cm 1 cm 1 cm J cm i i I Kónické kapiláry —V 64 cm 58 cm 53 cm 51 cm 100 ym 119 ym 128 fim 140 ym ©0©© 48 cm 47 cm 45 cm 41cm 170 fim 185 fim 195 ým 225 pm Kónické kapiláry 340 °C 240 210 90 mq/min - 380 °C - 400"C 420 °C [LU íl nal diameter [ O C 1 120 90 ) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 capillary length [cm ] Kónické kapiláry - k čemu jsou dobré ? Karel Slais (1995) - teorie - využití kónických kapilár může vést k vyššímu rozlišení amf olytů v kapilární isoelektrické fokusaci (CIEF) 90 mg/min 260 mg/min 360 mg/min 500 mg/min 20 30 40 50 60 70 80 90 100 capillary length [cm ] Kónické kapiláry - jak fungují v CIEF ? obvyklá válcová kapilára kónická kapilára I A, ...... 1 '.■ST - Rozlišení několika druhů bakterií Ďíckeya s blízkými isoelektrickými body v kapilární isoelektrické fokusaci v gradientu pH 2.0-4.0 s použitím běžné válcové (vlevo) a kónické (vpravo) kapiláry. Kapiláry uniformního průměru s naleptaným vnitřním povrchem Leptání super kriticko u vodou lze provést i tak, že vnitřní průměr kapiláry zůstane konstantní, ale vnitřní povrch získá „porézní" strukturu s dutinami definované velikosti ► CZE MRSA = methicillin-resistant Staphylococcus aureus MSSA = methicillin-sensitive Staphylococcus aureus Columns - troubles in surface treatment - an example > untreated fused silica capillary (100 umi.d.) > fused silica capillary after etching with 2-chloro-l,l,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) > fused silica capillary after etching with 2-chloro-l,l,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 Separation of Nucleic Acid Bases and their Derivatives Děkuji za pozornost Comparison of isocratic elution on bare silica monolithic (A) and sulfoalkylbetaine monolithic (B) capillary 'r>umn-i «r>h fw,« V-.'^Jv/v) Af.'K/'-.Dmtf otrm nm *'r>-malp *vH - 4 *' :>*i -alp D u >m n dpipri r>n Uv 21Dnpv wmp tjii-nrjt mc-kr-) tivmnrji; u-cr J2) 2. dp«y,r np J ') mpiny ii" A np '.A', crfpnss np J1-,) u-np Jf.) rv'l^nc 2.*iA'^'tnp;<>: rvtrf«>;v: i-^wfenM«• adpnnp;ii: oi^Ani np;i2; 14