Overview
Quelle: Labor von Dr. Jay Stammtisch – City University of New York
Die Extraktion ist ein entscheidender Schritt für die meisten chemischen Analysen. Damit verbundenen entfernen der Analyten aus der Probenmatrix und übergeben Sie ihr in die Phase für spektroskopische und chromatographische Identifizierung und Quantifizierung erforderlich. Wenn die Probe eine solide ist und die erforderliche Phase für die Analyse eine Flüssigkeit ist, nennt man der Prozess fest-flüssig-Extraktion. Eine einfache und allgemein geltende Form der fest-flüssig-Extraktion mit sich bringt, kombiniert der Feststoff mit einem Lösungsmittel in dem Analyten löslich ist. Durch Erregung, die Analyten Partitionen in der flüssigen Phase kann die dann aus dem vollen durch Filtration abgetrennt werden. Die Wahl des Lösungsmittels muss basierend auf der Löslichkeit des Analyten Ziel und auf das Gleichgewicht von Kosten, Sicherheit und Umwelt erfolgen.
Principles
Extraktion verwendet die Eigenschaft der Löslichkeit eines gelösten Stoffes von einer Phase zu einer anderen Phase zu übertragen. Um eine Extraktion durchzuführen, muss der gelöste Stoff eine höhere Löslichkeit in der zweiten Phase als in der ursprünglichen Phase. In flüssig-flüssig-Extraktion ist ein gelöster Stoff zwischen zwei flüssigen Phasen, in der Regel eine wässrige und eine organische Phase getrennt. Im einfachsten Fall drei Komponenten beteiligt sind: der gelöste Stoff, der Trägerflüssigkeit und das Lösungsmittel. Die erste Mischung, mit der gelöste Stoff in der Trägerflüssigkeit gelöst wird mit dem Lösungsmittel gemischt. Beim Mischen, wird der gelöste Stoff aus der Trägerflüssigkeit auf das Lösungsmittel übertragen. Die dichtere Lösung setzt sich nach unten. Die Lage des gelösten Stoffes hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeiten und der gelöste Stoff.
Fest-flüssig-Extraktion ist flüssig-flüssig-Extraktion, ähnlich, außer dass der gelöste Stoff in einer festen Matrix, anstatt in einer Trägerflüssigkeit dispergiert wird. Die feste Phase, mit der gelöste Stoff ist im Lösungsmittel und gemischte verteilt. Der gelöste Stoff aus der festen Phase, das Lösungsmittel extrahiert, und die feste Phase wird dann durch Filtration entfernt.
In diesem Video wird ein Beispiel für die fest-flüssig-Extraktion-Technik zeigen, die Gewinnung von organische Rückstände aus dem Boden dargestellt werden. Die illustrierte fest-flüssig-Extraktion mit sich bringt Kombination der Probe mit n-Hexanes gefolgt von Agitation mit Ultraschall, Filtration, Entfernung von Restwasser durch Trocknung über CaCl2und Vorkonzentrierung unter flüssigen Stickstoff. Die als vorbereitete Probe ist dann bereit für die Analyse durch eine Reihe von spektroskopischen und chromatographischen Methoden.
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Procedure
(1) Gewinnung von adsorbierten organischen Stoffen aus Böden
- 20 g des Bodens in einer sauberen, trockenen breit-Mund Pyrex Schale im Backofen 50 ° C und mindestens 12 Stunden trocknen. Nach dem Trocknen den Boden aus Pyrex Schale zu entfernen und zu einer einheitlichen Pulver mit einem Mörser und Stößel zermahlen. Wiegen Sie 5,00 g des Bodens und legen Sie sie in einem sauberen, trockenen Rundboden Flasche (100 mL Größe). Hinzufügen der Flasche 15 mL n-Hexan. Kolben in ein Ultraschallbad und 60 min beschallen.
2. Trennung von Extrakt und Boden
- Bereiten Sie einen Büchner-Trichter mit analytischer Filterpapier. Das Filterpapier mit 1 mL nnass-Hexanes und Vakuumfiltration beginnen. Gießen Sie der Inhalt des Kolbens Rundboden langsam über das Filterpapier. Die Büchner-Flasche enthält nun die n-Hexanes mit den organischen Stoffen aus dem Boden gewonnen. Der Filter behält die abisolierten Boden Feststoffe.
3. Reinigen Sie und Vorkonzentrierung
- Wenn das n-Hexan Lösung ist bewölkt, es gibt Restwasser. Zum Trocknen der n-Hexan Lösung eines Spatels CaCl2hinzufügen. Schwenken Sie die Lösung und für ein Minimum von 15 min beobachten. Wenn die Lösung immer noch bewölkt ist und/oder alle CaCl2 verklumpt ist, gibt es noch Restwasser und Schritt 3.1 sollte wiederholt werden. Wenn die Lösung lichtdurchlässig ist und CaCl2 ist frei fließend, wiederholen Sie Schritt 3.1 nicht ein. Sobald eine klare Lösung erreicht worden ist, trennen Sie die Hexanes von CaCl2 mit Schwerkraft Filtration. Wenn die Extrakt-Konzentration zur Erkennung ausreicht, können die gefilterten Hexanes in einem sauberen, trockenen Kolben für Speicherung und späteren Analyse übertragen werden. Wenn Extrakt Konzentration niedrig im Vergleich zu der Nachweisgrenze liegt, übertragen Sie die gefilterte Hexanes in einem sauberen, trockenen drei-necked Rundboden Flasche, 100 mL Größe. Legen Sie einen Gummistopfen in Mitte Hals der Flasche und ein Gummiseptum über einen der anderen Hälse. Lassen Sie den dritte Hals offen. Durchbohren Sie der Gummiseptum und stellen Sie einen Stickstoff-Fluss durch den Kolben. Der Stickstoff sollte in den Raum über der Lösung, nicht sprudeln durch die Lösung fließt. Der Extrakt kann jetzt vorab durch strömende konzentriert werden Stickstoff, um überschüssiges Lösungsmittel verdunsten. Die Probe ist nun bereit für die Analyse.
Extraktion ist eine entscheidende Trennung Technik, in der organischen Chemie verwendet, um die einzelnen Komponenten einer Mischung basierend auf ihrer Solubilities in zwei verschiedenen Phasen, die nicht mischen.
Extraktionen werden zwischen zwei Phasen durchgeführt. Im Falle einer flüssig-flüssig-Extraktion ist die gelöste gelösten aus einer flüssigen Phase zur anderen übertragen. Extraktionen erfolgen auch mit einer flüssigen und festen Phase, genannt fest-flüssig-Extraktion, wo der gelöste Stoff aus einer festen Phase zu einer flüssigen Phase übertragen. Ein einfaches Beispiel für fest-flüssig-Extraktion ist Kaffee brauen, die beinhaltet die Vermischung von festen Kaffeesatz mit Wasser. Die Kaffee-Aromastoffe werden vom Boden ins Wasser zum Form Kaffee gewonnen. Dieses Video wird die Grundsätzen der Extraktion zu veranschaulichen und fest-flüssig-Extraktion im Labor durch die Beseitigung von Organochloride Rückstände aus dem Boden zu demonstrieren.
Extraktion verwendet die Eigenschaft der Löslichkeit eines gelösten Stoffes aus einer Phase auf einen anderen übertragen. Um eine Extraktion durchzuführen, muss der gelöste Stoff eine höhere Löslichkeit in der zweiten Phase als im Original. Im Allgemeinen werden sehr unpolaren Substanzen in eine organische Phase partitionieren, während sehr polare gelösten Stoffen in eine wässrige Phase partitioniert werden. Die Wahl der Phasen richtet sich nach der gelöste Stoff von Interesse.
Außerdem muss die beiden Phasen nicht mischbar. Nicht mischbare Lösungen nie mischen und bleiben als einzelne Phasen, wie Öl und Wasser. Nach dem Mischen sind mischbar Lösungen völlig homogen.
In flüssig-flüssig-Extraktion wird ein gelöster Stoff zwischen zwei flüssigen Phasen, in der Regel wässrigen und organischen getrennt. Dies erfolgt häufig in einem separatory Trichter mit Absperrhahn Stopper oben und unten ausgestattet.
Im einfachsten Fall drei Komponenten beteiligt sind: der gelöste Stoff, der Trägerflüssigkeit und das Lösungsmittel. Die erste Mischung, mit der gelöste Stoff in der Trägerflüssigkeit gelöst wird mit dem Lösungsmittel gemischt. Beim Mischen, ist der gelöste Stoff aus der Trägerflüssigkeit auf das Lösungsmittel übertragen, solange der gelöste Stoff im Lösungsmittel als in der Trägerflüssigkeit besser löslich ist, und solange die Trägerflüssigkeit und Lösungsmittel nicht mischbar sind. Die dichtere Lösung setzt sich nach unten.
Es gibt zwei resultierende Phasen: Raffinat, mit der Trägerflüssigkeit und der Extrakt, der die gelösten und das Lösungsmittel enthält. In Wirklichkeit gibt es wahrscheinlich Reste der einzelnen Komponenten in beiden Phasen. Fest-flüssig-Extraktion ist flüssig-flüssig-Extraktion, ähnlich, außer dass der gelöste Stoff in einer festen Matrix anstatt in einer Trägerflüssigkeit dispergiert wird. Die feste Phase, mit der gelöste Stoff ist im Lösungsmittel und gemischte verteilt. Der gelöste Stoff aus der festen Phase, das Lösungsmittel extrahiert, und die feste Phase wird dann durch Filtration entfernt. Nun, dass die Grundsätze der Extraktion skizziert haben, wird die fest-flüssig-Extraktion-Technik durch die Durchführung der Gewinnung im Labor nachgewiesen werden.
In diesem Experiment wurden Bodenproben aus einer Industriebrache, ähnlich wie diese in Sewickley Pennsylvania erhoben. Brachflächen, sind entsprechend den Festlegungen der US-EPA, Immobilien, wo die Erweiterung, Sanierung oder Wiederverwendung durch das mögliche Vorhandensein von gefährlichen Verunreinigungen kompliziert sein kann. Die Schadstoffemissionen von Interesse ist in diesem Fall ein Organochloride: das Herbizid Atrazin. Sobald eine Bodenprobe aus der Website von Interesse gesammelt wurden, in das Labor zu übertragen.
10 g des Bodens in eine saubere, trockene, breit-Mund Pyrex Schüssel abwiegen. Setzen Sie die Schale in einen Ofen für mindestens 12 Stunden trocknen lassen. Nach dem Trocknen Schleifen Sie den Boden zu einem einheitlichen Pulver mit einem Mörser und Stößel. Platz 5 g die Boden-Boden in einem sauberen, trockenen 100 mL Rundboden Kolben. 15 mL von Hexan und lose Verschluss der Flasche. Legen Sie es in ein Ultraschallbad und 60 min beschallen.
Bereiten Sie einen Büchner-Trichter mit analytischer Filterpapier. Sobald Beschallung abgeschlossen ist, das Papier mit Hexan nass und beginnt Vakuumfiltration. Gießen Sie die Probe langsam über das Filterpapier. Spülen Sie die restlichen Feststoffe aus der Flasche mit Hexan und Filter hinzufügen. Der abgespeckte Boden bleibt auf dem Filter, während die Hexan und extrahierten Organics in die Flasche zu sammeln.
Wenn die Hexan Lösung trüb ist, ist Restwasser vorhanden. Um die Lösung zu trocken, fügen Sie einem kleinen Spatel Trockenmittel, wie z. B. Kalzium-Chlorid. Rühren Sie die Lösung, bis das Trockenmittel wird aufgelöst und beobachten Sie die Lösung zu.
Wenn die Lösung immer noch trübe ist oder wenn das Kalzium-Chlorid zusammengefasst hat, gibt es noch Wasser in der Lösung. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die Lösung klar ist und das Trockenmittel ist frei fließend.
Als nächstes entfernen Sie das Kalzium-Chlorid durch Schwerkraft Filtration.
Wenn die Konzentration der Verbindung der Zinsen unterhalb der Quantifizierung ist, muss es konzentriert werden. Übertragen Sie die gefilterten Extrakt in einem sauberen, trockenen 3-necked Rundboden-Kolben. Stopper Mitte Hals, und platzieren Sie ein Gummiseptum über einem der anderen Hälse. Die dritte wird offen gelassen.
Stechen Sie das Septum und legen Sie Schläuche auf einer Stickstoff-Linie. Begin Stickstoff durch die Flasche fließt. Das Gas fließt in den Gasraum über der Lösung, und nicht durch es sprudelt. Das fließende Gas verdampft überschüssige Lösungsmittel. Lassen Sie das Gas fließen bis gibt es etwa 50 % Volumenreduzierung.
Sobald die organischen Bestandteile des Bodens extrahiert und konzentriert sind, können sie durch Gaschromatographie. analysiert werden
Atrazin standard Konzentrationen kann die Atrazin-Konzentration berechnet. In diesem Fall war die ungefähre Atrazin-Konzentration in der Brachfläche studierte 2 mg von Atrazin pro 1 kg Boden.
Fest-flüssig-Extraktion wird in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt.
Diese Technik kann verwendet werden, um die Übertragung von polychlorierten Biphenylen oder PCB, von Fisch zu verstehen. PCB sind künstliche chlorierte Kohlenwasserstoffe, die von der EPA verboten wurden. PCB nicht ohne weiteres Zerlegen in die Umgebung und neigen dazu, in den Fischen akkumulieren.
In diesem Experiment wurden Beutefisch PCB-haltige Raubfische zugeführt. Die Raubfische wurden dann gesammelt und geopfert. Das Fisch-Gewebe wurde in Vorbereitung für die Extraktion gemahlen.
Die PCB in Fisch-Gewebe wurde in eine organische Phase mit einem Soxhlet-Extraktor extrahiert. Soxhlet-Extraktor-Setup, bestehend aus einem Rundboden-Kolben, Kondensator und den Soxhlet-Apparat, wird häufig verwendet, um gelöste Stoffe zu extrahieren, die schlecht in Lösungsmitteln löslich sind. Die Soxhlet-Extraktion kann eine kleine Menge des Lösungsmittels mit einer großen festen Probe verwendet werden. Der Extrakt wurde dann für PCB-Gehalt mittels Massenspektrometrie getestet.
Trockenem Pflanzenmaterial, Lignozellulose, genannt ist der am häufigsten vorkommenden Rohstoff für Bio-derived Fuels erforscht. Allerdings sind die Kohlenhydrate als Brennstoff verwendet innerhalb der starren Pflanze Matrix, genannt Lignin gefangen.
Wenn die Kohlenhydrate entfernt sind, ist die Lignin-Matrix in der Regel als Abfall entsorgt. In diesem Experiment wurde jedoch Abfälle Lignin als Energiequelle untersucht. Fest-flüssig-Extraktion wurde eingesetzt, um die Kohlenhydrat-Komponenten aus Lignozellulose, Lignin hinterlässt zu trennen. Das Lignin wurde dann für weitere Gärung Experimente verwendet.
Fest-flüssig-Extraktion kann auch zur Messung der Wachsgehalt Obst Skins verwendet werden. In diesem Experiment wurde der Wachsgehalt von Tomaten Skins analysiert.
Erschöpfende entwachsen von getrockneten Tomaten Skins wurde abgeschlossen mit einem Sohxlet Apparat, um voll und ganz der Wachsgehalt in den Schalen entfernen. Tomaten-Schalen mit Wachs entfernt wurden dann weiter untersucht mit magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie. Dies half, die Zusammensetzung und den Abbau von Native aufzuklären und Früchte entwickelt.
Sie sah nur Jupiters Einführung in die fest-flüssig-Extraktion. Sie haben nun ein besseres Verständnis für die Gewinnung von gelösten Stoffen zwischen festen und flüssigen Phasen.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
Eine Bodenprobe wurde gesammelt aus einer Industriebrache in Sewickley Pennsylvania, ähnlich wie in Abbildung 1. Brachflächen, sind definiert durch die United States Environmental Protection Agency (US EPA), Immobilien, wo die Erweiterung, Sanierung oder Wiederverwendung durch das mögliche Vorhandensein von gefährlichen Verunreinigungen kompliziert sein kann. Der Boden wurde aus der Industriebrache mit einem Boden-Sampler gesammelt, wie in Abbildung 2.
Die Schadstoffemissionen von Interesse in diesem Experiment wurde Atrazin (Abbildung 3); eine gemeinsame Organochloride Herbizid. Sobald die organischen Bestandteile des Bodens extrahiert und konzentriert waren, wurden sie mit einem Flammenwächter Ionisation (GC-FID) von Gaschromatographie analysiert. Die GC-Analyse erfolgte nach einem Shimadzu 14A-GC (Detektor: FID) ausgestattet mit Split/splitless Injektor und einer Kapillare CBP-10-Spalte (30 m × 0,22 mm i.d.). Die Säulentemperatur wurde zuerst bei 150 ° C eingestellt und dann von 150 bis 230 ° C mit einer Rate von 5 ° C / Min. programmiert. Der Injektor Temperatur 250 ° C und die Detektor-Temperatur betrug 260 ° C. Injektionen wurden mit splitless Modus durchgeführt. Trägergas Helium wurde mit einer konstanten Rate von 1 mL/min eingesetzt. Atrazin Konzentration wurde anhand Atrazin standard Konzentrationen, wie in Abbildung 4dargestellt. In diesem Fall war die ungefähre Atrazin-Konzentration in der Brachfläche studierte 2 mg von Atrazin pro kg des Bodens.
Abbildung 1. Brachfläche im Sewickley, PA.
Abbildung 2. Kontaminierten Boden gesammelt, mit einem Boden-Sampler.
Abbildung 3. Chemische Struktur der Organochloride Atrazin.
Abbildung 4. Gas-Chromatogramm der Bodenprobe mit Atrazin. Einschub: Atrazin Normen.
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Applications and Summary
Das allgemeine fest-flüssig-Extraktionsverfahren gilt für eine Reihe von Feldern aus Umweltüberwachung (in diesem Video gezeigt), Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Entscheidend ist, ein Lösungsmittel auszuwählen, die den Analyten effektiv löst. Mit minimalen Änderungen in Lösungsmittel kann Vorbereitung Beispielmethode in diesem Video verwendet werden, um irgendwelche einer breiten Palette von schwerflüchtige Umweltkontaminanten dieser Partition vor allem auf Böden und Schlämmen zu extrahieren.
Beispiele für solche Semivolatiles sind viele Schadstoffe wie Pestizide, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und polychlorierten Biphenylen (PCB). Wegen der möglichen gesundheitlichen Auswirkungen dieser Moleküle, Identifizierung und Quantifizierung dieser Arten von akademischem Interesse ist, und auch weit verbreitet in der Umwelt-consulting-Branche und Behörden. Die EPA unterhält Kompendien des genehmigten analytische und sampling Methoden zur Identifizierung und Quantifizierung von möglichen Schadstoffen. Die Methode in diesem Video gezeigt veranschaulicht die grundlegenden Prinzipien in EPA Methode 3550C, enthalten die Ultraschall-Extraktion von Semivolatiles und Nonvolatiles von Feststoffen beschreibt. 1 EPA Methode 3550 C gehört zu den Extraktionsmethoden referenziert in EPA-Methode 8081B, die GC-Analyse von chlororganischen Pestiziden beschreibt. 2 die meisten EPA genehmigten Methode Dateien sind in der Annahme geschrieben, dass der Analytiker erhebliche Vorkenntnisse hat. Somit gewinnt Vertrautheit mit den grundlegenden Eigenschaften der Probe Vorbereitung Aids im Anschluss an der EPA-Methoden.
Die Verwendung von einer Soxhlet-Apparatur kann Beihilfen bei der Gewinnung von gelösten Stoffen, die schlecht in Lösungsmitteln löslich sind. Der Aufbau besteht aus einem Rundboden-Kolben, einer Soxhlet-Extraktor und ein Reflux-Kondensator. Diese Technik wird durch die Beseitigung von PCB aus Fisch um die Übertragung von Giftstoffen zwischen Raubfische zu untersuchen und Beute Fisch demonstriert. 3 zusätzlich kann diese Technik verwendet werden, der Wachsanteil Obst Skins zu messen um zu verstehen, die Zusammensetzung und den Abbau von nativen und veränderter Früchte. 4 zu guter Letzt kann die Gewinnung von Kohlenhydraten aus Lignozellulose oder trockenem Pflanzenmaterial, erfolgen über solide flüssige Extraktion. 5 wenn die Kohlenhydrate stammen, ist Lignin zurückgelassen. Beide Komponenten können dann für Biokraftstoff-Anwendungen verwendet werden.
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References
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- US Environmental Protection Agency. Organochlorine pesticides by gas chromatography, Method 8081B. Washington: Government Printing Office (2007).
- Madenjian, C. P., Rediske, R. R., O'Keefe, J. P., David, S. R. Laboratory Estimation of Net Trophic Transfer Efficiencies of PCB Congeners to Lake Trout (Salvelinus namaycush) from Its Prey. J. Vis. Exp. (90), e51496, (2014).
- Chatterjee, S., Sarkar, S., Oktawiec, J., Mao, Z., Niitsoo, O., Stark, R. E. Isolation and Biophysical Study of Fruit Cuticles. J. Vis. Exp. (61), e3529, (2012).
- Mathews, S. L., Ayoub, A. S., Pawlak, J., Grunden, A. M. Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes. J. Vis. Exp. (82), e51373, (2013).
