Overview
מקור: המעבדה של ד"ר ג'יי דיינר — אוניברסיטת העיר ניו יורק
מיצוי הוא צעד מכריע ברוב הניתוחים הכימיים. זה כרוך בהסרת הניתוח מטריצת המדגם שלו והעברתו לשלב הנדרש לזיהוי וכימות ספקטרוסקופיים או כרומטוגרפיים. כאשר המדגם הוא מוצק השלב הנדרש לניתוח הוא נוזל, התהליך נקרא מיצוי נוזל מוצק. צורה פשוטה וישימה באופן רחב של מיצוי נוזל מוצק כרוכה בשילוב מוצק עם ממס שבו הניתוח מסיס. באמצעות עצבנות, מנתח מחיצות לתוך השלב הנוזלי, אשר לאחר מכן ניתן להפריד מן מוצק באמצעות סינון. הבחירה של ממס חייב להיעשות על סמך מסיסות של ניתוח היעד, ועל האיזון של עלות, בטיחות, ודאגות סביבתיות.
Principles
החילוץ משתמש במאפיין המסיסות כדי להעביר מנוטה משלב אחד לשלב אחר. על מנת לבצע מיצוי, solute חייב להיות מסיסות גבוהה יותר בשלב השני מאשר בשלב המקורי. בהפקת נוזל נוזלי, solute מופרד בין שני שלבים נוזליים, בדרך כלל מימית ושלב אורגני. במקרה הפשוט ביותר, שלושה מרכיבים מעורבים: solute, נוזל המוביל, ואת הממס. התערובת הראשונית, המכילה את solute מומס בנוזל המוביל, מעורבב עם הממס. בעת ערבוב, solute מועבר מנוזל המוביל לממס. הפתרון הצפוף יותר מתיישב לתחתית. המיקום של solute יהיה תלוי בתכונות של שני הנוזלים ואת solute.
מיצוי נוזל מוצק דומה מיצוי נוזלי נוזלי, אלא כי solute מפוזר במטריצה מוצקה, ולא בנוזל נושאת. השלב המוצק, המכיל את solute, מפוזר בממס מעורב. ה- solute מופק מהשלב המוצק לממס, והשלב המוצק מוסר לאחר מכן על ידי סינון.
בסרטון זה, דוגמה של טכניקת החילוץ הנוזלי המוצק תודגם על ידי הצגת החילוץ של שאריות אורגנוכלורין מהאדמה. החילוץ המוצק המומחשה כרוך בשילוב של המדגם עם n-hexanes ואחריו תסיסה קולית, סינון, הסרת מים שיורית על ידי ייבוש מעל CaCl2, וריכוז מראש תחת חנקן זורם. המדגם כפי שהוכן אז מוכן לניתוח על ידי מגוון של שיטות ספקטרוסקופיות וכרומטוגרפיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הפקת אורגנים מסוחפים מהאדמה
- מניחים 20 גרם אדמה בצלחת פירקס בפה רחב ונקית בתנור של 50 מעלות צלזיוס ויבשו למשך 12 שעות לפחות. לאחר הייבוש, מוציאים את האדמה מצלחת הפירקס וטוחנים לאבקה אחידה באמצעות מרגמה ועלי. שוקלים 5.00 גרם מהאדמה ומניחים אותה בבקבוקון עגול ויבש ונקי (100 מ"ל בגודל). לבקבוקון, להוסיף 15 מ"ל של n-hexane. מניחים בקבוקון באמבטיה קולית, ו sonicate במשך 60 דקות.
2. הפרדת תמצית ואדמה
- הכן משפך Büchner עם נייר סינון אנליטי. הרטיבו את נייר המסנן עם 1 מ"ל של n-hexanes ולהתחיל סינון ואקום. יוצקים באיטיות את תכולת הבקבוקון העגול על נייר הסינון. בקבוקון Büchner מכיל כעת את n-hexanes עם האורגני המופק מהאדמה. המסנן שומר על מוצקי האדמה המופשטים.
3. ניקוי וריכוז מראש
- אם תמיסת n-hexane מעוננת, יש שאריות מים. כדי לייבש את תמיסת n-hexane, להוסיף מרית אחת קטנה של CaCl2. מערבבים את הפתרון ומתבוננים לפחות 15 דקות. אם הפתרון עדיין מעונן ו/או שכל ה-CaCl2 מגושם, עדיין נותרו מים, ויש לחזור על שלב 3.1. אם הפתרון שקוף למחצה ו CaCl2 זורם חופשי, אז לא לחזור על שלב 3.1. לאחר שהושג פתרון ברור, הפרד את ההקסנים מ- CaCl2 באמצעות סינון כבידה. אם ריכוז התמצית מספיק לזיהוי, ניתן להעביר את ההקסנים המסוננים לבקבוקון נקי ויבש לאחסון ולאחר ניתוח. אם ריכוז התמצית נמוך ביחס למגבלה של זיהוי, העבר את ההקסנים המסוננים לתוך בקבוקון עגול נקי ויבש עם שלושה צווארים, בגודל של 100 מ"ל. מניחים פקק גומי בצוואר המרכזי של הבקבוקון, ו במחיצת גומי על אחד הצווארים האחרים. תשאיר את הצוואר השלישי פתוח. לנקב את מחיצת הגומי ולהציג זרימת חנקן דרך הבקבוקון. החנקן צריך לזרום בחלל שמעל הפתרון, לא לבעבע דרך הפתרון. התמצית עכשיו יכול להיות מרוכז מראש על ידי חנקן זורם כדי לאדות ממס עודף. המדגם מוכן כעת לניתוח.
מיצוי הוא טכניקת הפרדה חיונית בכימיה אורגנית, המשמשת להפרדת רכיבים של תערובת המבוססת על המסיסות שלהם בשני שלבים שונים שאינם מתערבבים.
עקירות מבוצעות בין שני שלבים. במקרה של מיצוי נוזלי נוזלי, solute מומס מועבר משלב נוזלי אחד למשנהו. עקירות מבוצעות גם עם שלב נוזלי ומוצק, הנקרא מיצוי נוזל מוצק, שבו solute מועבר משלב מוצק לשלב נוזלי. דוגמה פשוטה של מיצוי נוזלי מוצק הוא קפה מתבשל, אשר כרוך ערבוב של קפה מוצק שטחים עם מים. תרכובות טעם הקפה מופקות מהשטח למים כדי ליצור קפה. וידאו זה ימחיש את עקרונות החילוץ, וידגים מיצוי נוזלי מוצק במעבדה באמצעות הסרת שאריות אורגנוכלוריד מהאדמה.
החילוץ משתמש במאפיין המסיסות כדי להעביר מנוטה משלב אחד למשנהו. על מנת לבצע מיצוי, solute חייב להיות מסיסות גבוהה יותר בשלב השני מאשר במקור. באופן כללי, מפולת מאוד לא קוטבית יחלקו לשלב אורגני, בעוד מפולות קוטביות מאוד יחלקו לשלב מימי. בחירת השלבים תהיה תלויה בעניין.
שני השלבים גם חייבים להיות בלתי ניתנים להמשגה. פתרונות immiscible לעולם לא לערבב ולהישאר כשלבים נפרדים, כמו שמן ומים. פתרונות שגויים הם הומוגניים לחלוטין לאחר ערבוב.
בהפקת נוזל נוזלי, solute מופרד בין שני שלבים נוזליים, בדרך כלל מימי ואורגני. זה מבוצע לעתים קרובות משפך נפרד מצויד stopcock בתחתית פקק בחלק העליון.
במקרה הפשוט ביותר, שלושה מרכיבים מעורבים: solute, נוזל המוביל, ואת הממס. התערובת הראשונית, המכילה את solute מומס בנוזל המוביל, מעורבב עם הממס. בעת ערבוב, solute מועבר מנוזל המוביל לממס, כל עוד solute הוא מסיס יותר בממס מאשר בנוזל המוביל, וכל עוד נוזל המוביל וממס הם immiscible. הפתרון הצפוף יותר מתיישב לתחתית.
ישנם שני שלבים וכתוצאה מכך: ראפינטה, המכיל את נוזל המוביל, ואת התמצית, אשר מכיל את solute ואת הממס. במציאות, סביר להניח שיש שאריות של כל רכיב בשני השלבים. מיצוי נוזל מוצק דומה מיצוי נוזלי נוזלי, אלא כי solute מפוזר במטריצה מוצקה ולא בנוזל נושאת. השלב המוצק, המכיל את solute, מפוזר בממס מעורב. ה- solute מופק מהשלב המוצק לממס, והשלב המוצק מוסר לאחר מכן על ידי סינון. עכשיו, לאחר שעקרונות החילוץ תוארו, טכניקת החילוץ הנוזלית המוצקה תודגם על ידי ביצוע החילוץ במעבדה.
בניסוי זה, דגימות קרקע נאספו מאתר בראונפילד, דומה לזה בסוויקלי, פנסילבניה. בראונפילד, כפי שהוגדר על ידי המשרד לאיכות הסביבה של ארה"ב, הם רכוש אמיתי, שבו ההתרחבות, פיתוח מחדש או שימוש חוזר עשויים להיות מסובכים בשל נוכחות פוטנציאלית של מזהמים מסוכנים. מזהם העניין במקרה זה הוא organochloride: אטרזין קוטל עשבים. לאחר שנאספת דגימת קרקע מאתר העניין, העבירו אותה למעבדה.
שוקלים 10 גרם מהאדמה בצלחת פירקס נקייה, יבשה ורחבת פה. מכניסים את המנה לתנור לייבוש לפחות 12 שעות. לאחר יבש, לטחון את הקרקע לאבקה אחידה עם מרגמה ועלי. מניחים 5 גרם של הקרקע הקרקע לתוך בקבוקון נקי, יבש 100 מ"ל עגול תחתון. מוסיפים 15 מ"ל של הקסאן ומפסיקים את הבקבוקון באופן רופף. מניחים אותו לתוך אמבטיה קולית sonicate במשך 60 דקות.
הכן משפך Büchner עם נייר סינון אנליטי. לאחר sonication הושלמה, להרטיב את הנייר עם hexane ולהתחיל סינון ואקום. יוצקים לאט את הדגימה על נייר הסינון. שוטפים את שאריות המוצקים מהבקבוקון בהקסאן ומוסיפים אותו למסנן. האדמה המופשטת נשארת על המסנן, בעוד ההקסאן והאורגני המופק אוספים בבקבוקון.
אם תמיסת ההקסאן מעוננת, יש מים שיורית. כדי לייבש את הפתרון, להוסיף מרית קטנה של ייבוש, כגון סידן כלורי. מערבבים את התמיסה עד שהתפלה מתמוססת, ומבחינים בתמיסה.
אם הפתרון הוא עדיין turbid או אם סידן כלורי הצטבר, יש עדיין מים בתמיסה. חזור על התהליך עד שהפתרון יתבהר וההתפלה זורמת בחופשיות.
לאחר מכן, להסיר את סידן כלורי על ידי סינון הכבידה.
אם ריכוז דריבית הריבית הוא מתחת לגבול הכימות, זה חייב להיות מרוכז. מעבירים את התמצית המסוננת לבקבוקון עגול נקי ויבש עם שלושה צווארים. יש לעצור את הצוואר המרכזי, ולהניח מחיצת גומי על אחד הצווארים האחרים. השלישי נשאר פתוח.
לנקב את המחיצה ולחבר צינורות לקו חנקן. התחל להזרים חנקן דרך הבקבוקון. הגז צריך לזרום במרחב הראש מעל הפתרון, ולא לבעבע דרכו. הגז הזורם מתאדה את הממס העודף. אפשר לגז לזרום עד שתהיה הפחתת נפח של כ-50%.
ברגע שהרכיבים האורגניים של הקרקע מופקים ומרוכזים, הם יכולים להיות מנותחים על ידי כרומטוגרפיה גז.
ריכוז אטראזין ניתן לחשב באמצעות ריכוזים סטנדרטיים אטראזין. במקרה זה, ריכוז אטראזין המשוער באתר brownfield נחקר היה 2 מ"ג של אטראזין לכל 1 ק"ג של אדמה.
מיצוי נוזל מוצק משמש במגוון רחב של שדות.
טכניקה זו יכולה לשמש כדי להבין את ההעברה של biphenyls polychlorinated, או PCB, מדגים. PCB הם פחמימנים כלור מעשה ידי אדם שנאסרו על ידי המשרד לאיכות הסביבה. PCB לא בקלות להתפרק בסביבה נוטים להצטבר בדגים.
בניסוי זה, דגי טרף המכילים PCB הוזנו לדגי טורפים. דגי הטורף נאספו והוקרבו. רקמת הדג הייתה טחון כהכנה לחילוץ.
PCB ברקמת הדגים הוצא לשלב אורגני באמצעות מחלץ Soxhlet. ההתקנה מחלץ Soxhlet, המורכב בקבוקון עגול התחתון, מדחוס, ואת מנגנון Soxhlet, משמש לעתים קרובות כדי לחלץ מסיסים כי הם מסיסים בצורה גרועה ממסים. החילוץ Soxhlet מאפשר כמות קטנה של ממס לשמש עם מדגם מוצק גדול. התמצית נבדקה לאחר מכן עבור תוכן PCB באמצעות ספקטרומטריית מסה.
חומר צמחי יבש, הנקרא ליגנוקולוז, הוא חומר הגלם הנפוץ ביותר הנחקר עבור דלקים ביו נגזרים. עם זאת, הפחמימות המשמשות כדלק לכודים בתוך מטריצת הצמח הנוקשה, הנקראת ליגנין.
כאשר הפחמימות מוסרות, מטריצת ליגנין בדרך כלל מסולקת כפסולת. עם זאת, בניסוי זה, פסולת ליגנין נבדקה כמקור דלק. מיצוי נוזל מוצק נוצל כדי להפריד את רכיבי הפחמימות ליגנוקולוז, משאיר ליגנין מאחור. ליגנין שימש אז לניסויי תסיסה נוספים.
מיצוי נוזלי מוצק יכול לשמש גם כדי למדוד את תכולת השעווה בעורות פירות. בניסוי זה, תוכן השעווה של קליפות עגבניות נותח.
שעווה ממצה של קליפות עגבניות מיובשות הושלמה באמצעות מנגנון Sohxlet, על מנת להסיר באופן מלא את תכולת השעווה בעורות. קליפות עגבניות עם שעווה הוסרו לאחר מכן נותחו עוד יותר באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית. זה עזר להדגיש את ההרכב ואת השפלה של פירות מקומיים ומהונדסים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב להפקת נוזל מוצק. עכשיו אתה צריך להבין טוב יותר של החילוץ של מסיסים בין שלבים מוצקים ונוזלים.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
דגימת אדמה נאספה מאתר של בראונפילד הדומה לדגם בסוויקלי פנסילבניה, כפי שמוצג באיור 1. בראונפילד, כפי שהוגדר על ידי הסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית (EPA בארה"ב), הם רכוש אמיתי, שבו ההתרחבות, פיתוח מחדש או שימוש חוזר עשויים להיות מסובכים בשל נוכחות פוטנציאלית של מזהמים מסוכנים. האדמה נאספה מאתר בראונפילד באמצעות סמפלר אדמה, כפי שמוצג באיור 2.
מזהם העניין בניסוי זה היה אטראזין(איור 3); קוטל עשבים אורגנוכלוריד נפוץ. לאחר שהרכיבים האורגניים של הקרקע חולצו והתרכזו, הם נותחו על ידי כרומטוגרפיה של גז עם גלאי יינון להבה (GC-FID). ניתוח GC בוצע באמצעות Shimadzu 14A GC (גלאי: FID) מצויד מזרק מפוצל / מפוצל ועמוד נימי CBP-10 (30 מ '× 0.22 מ"מ i.d.). טמפרטורת העמודה נקבעה תחילה על 150 °C (50 °F) ולאחר מכן מתוכנת מ 150 °C (5 °F) לדקה. טמפרטורת המזרק הייתה 250 מעלות צלזיוס וטמפרטורת הגלאי הייתה 260 מעלות צלזיוס. זריקות בוצעו במצב ללא פיצול. גז נושא הליום שימש בקצב זרימה קבוע של 1 מ"ל / דקה. ריכוז האטראזין חושב באמצעות ריכוזים סטנדרטיים של אטרזינים, כפי שמוצג באיור 4. במקרה זה, ריכוז אטראזין המשוער באתר Brownfield נחקר היה 2 מ"ג של אטראזין לק"ג של אדמה.
איור 1. אתר בראונפילד בסוויקלי, PA.
איור 2. אדמה מזוהמת שנאספה באמצעות סמפלר אדמה.
איור 3. מבנה כימי של אטראזין האורגנוכלוריד.
איור 4. כרומטוגרמה גז של דגימת אדמה עם אטראזין. Inset: סטנדרטים אטרזינים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הליך החילוץ הכללי של נוזל מוצק חל על מגוון תחומים, החל מפיקוח סביבתי (המוצג בסרטון זה) ועד קוסמטיקה ועיבוד מזון. הבעיה הקריטית היא לבחור ממס שממיס ביעילות את הניתוח. עם שינויים מינימליים בממס, שיטת הכנת המדגם בסרטון זה יכולה לשמש לחילוץ כל מגוון רחב של מזהמים סביבתיים חצי נדיפים המחיצים בעיקר על קרקעות בוצה.
דוגמאות של חצי-קוטביות כאלה כוללות מזהמים מזיקים רבים כמו חומרי הדברה, פחמימנים ארומטיים פוליציקליים (PAHs), וביפנילים רב-כלוריים (PCB). בגלל ההשפעות הבריאותיות הפוטנציאליות של מולקולות אלה, זיהוי וכימות של מינים אלה הוא עניין אקדמי, וגם נהוג נרחב בתעשיית הייעוץ הסביבתי ובסוכנויות ממשלתיות. המשרד לאיכות הסביבה שומר על קומפנדיה של שיטות אנליטיות ודגימה מאושרות לזיהוי וכימות מזהמים אפשריים. השיטה המוצגת בסרטון זה ממחישה את העקרונות הבסיסיים הכלולים בשיטת EPA 3550C, המתארת הפקה קולית של חצי-אבנים ולא-אבנים ממוצקים. 1 שיטת EPA 3550C היא אחת משיטות החילוץ המוזכרות בשיטת EPA 8081B, המתארת ניתוח GC של חומרי הדברה אורגנוכלורינים. 2 רוב קבצי השיטה שאושרו על ידי המשרד לאיכות הסביבה נכתבים בהנחה כי לאנליסט יש הכשרה מוקדמת משמעותית. לכן, היכרות עם המאפיינים הבסיסיים של עזרי הכנת מדגם בעקבות שיטות המשרד לאיכות הסביבה.
השימוש במנגנון Soxhlet יכול לסייע בהפקת מסיסים כי הם מסיסים בצורה גרועה בממסים. ההתקנה מורכבת מבקבוקון עגול, מחלץ סוקסילט ומדחסי ריפלוקס. טכניקה זו מודגמת על ידי הסרת PCB מדגים על מנת לבחון את העברת הרעלים בין דגים טורפים לדגי טרף. 3 בנוסף, טכניקה זו יכולה לשמש כדי למדוד את תוכן השעווה בעורות פירות על מנת להבין את ההרכב ואת השפלה של פירות מקומיים ומהונדסים. 4 לבסוף, מיצוי של פחמימות ליגנוקולוז, או חומר צמחי יבש, ניתן להשיג באמצעות מיצוי נוזלי מוצק. 5 כאשר הפחמימות מופקות, ליגנין נשאר מאחור. לאחר מכן ניתן להשתמש בשני הרכיבים עבור יישומי דלק ביולוגי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לא הוכרזו ניגודי אינטרסים.
References
- US Environmental Protection Agency. Ultrasonic Extraction, Method 3550C. Washington: Government Printing Office (2007).
- 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).
