Overview
Fonte: Laboratorio del Dr. Jay Deiner — City University di New York
L'estrazione è un passo cruciale nella maggior parte delle analisi chimiche. Si tratta di rimuovere l'analita dalla sua matrice di campione e passarlo nella fase richiesta per l'identificazione e la quantificazione spettroscopica o cromatografica. Quando il campione è un solido e la fase richiesta per l'analisi è un liquido, il processo è chiamato estrazione solido-liquido. Una forma semplice e ampiamente applicabile di estrazione solido-liquido comporta la combinazione del solido con un solvente in cui l'analita è solubile. Attraverso l'agitazione, l'analita si divide nella fase liquida, che può quindi essere separata dal solido attraverso la filtrazione. La scelta del solvente deve essere effettuata in base alla solubilità dell'analita bersaglio e all'equilibrio tra costi, sicurezza e preoccupazioni ambientali.
Principles
L'estrazione utilizza la proprietà della solubilità per trasferire un soluto da una fase all'altra. Per eseguire un'estrazione, il soluto deve avere una solubilità maggiore nella seconda fase rispetto alla fase originale. Nell'estrazione liquido-liquido, un soluto è separato tra due fasi liquide, tipicamente una fase acquosa e una organica. Nel caso più semplice, sono coinvolti tre componenti: il soluto, il liquido vettore e il solvente. La miscela iniziale, contenente il soluto disciolto nel liquido di trasporto, viene miscelata con il solvente. Al momento della miscelazione, il soluto viene trasferito dal liquido di trasporto al solvente. La soluzione più densa si deposita sul fondo. La posizione del soluto dipenderà dalle proprietà sia dei liquidi che del soluto.
L'estrazione solido-liquido è simile all'estrazione liquido-liquido, tranne per il fatto che il soluto è disperso in una matrice solida, piuttosto che in un liquido vettore. La fase solida, contenente il soluto, viene dispersa nel solvente e miscelata. Il soluto viene estratto dalla fase solida al solvente e la fase solida viene quindi rimossa mediante filtrazione.
In questo video verrà illustrato un esempio della tecnica di estrazione solido-liquido mostrando l'estrazione del residuo organoclorurato dal terreno. L'estrazione solido-liquido illustrata comporta la combinazione del campione con n-esani seguita da agitazione ultrasonica, filtrazione, rimozione dell'acqua residua mediante essiccazione su CaCl2e pre-concentrazione sotto azoto fluente. Il campione preparato è quindi pronto per l'analisi con una gamma di metodi spettroscopici e cromatografici.
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Procedure
1. Estrazione di sostanze organiche adsorbite dal suolo
- Mettere 20 g di terra in una pirofila Pyrex pulita e asciutta in un forno a 50 °C e asciugare per un minimo di 12 ore. Dopo l'essiccazione, rimuovere il terreno dal piatto Pyrex e macinare in una polvere uniforme usando un mortaio e un pestello. Pesare 5,00 g di terreno e metterlo in un matraccio a fondo tondo pulito e asciutto (100 ml di dimensioni). Al matraccio aggiungere 15 ml di n-esano. Metti il pallone in un bagno ad ultrasuoni e sonicare per 60 minuti.
2. Separazione dell'estratto e del suolo
- Preparare un imbuto Büchner con carta da filtro analitica. Bagnare la carta da filtro con 1 mL di n-esani e iniziare la filtrazione sotto vuoto. Versare lentamente il contenuto del pallone a fondo tondo sulla carta da filtro. Il pallone di Büchner ora contiene gli n-esani con le sostanze organiche estratte dal terreno. Il filtro trattiene i solidi del terreno spogliati.
3. Pulizia e pre-concentrazione
- Se la soluzione n-esano è torbia, c'è acqua residua. Per asciugare la soluzione di n-esano, aggiungere una piccola spatola di CaCl2. Ruotare la soluzione e osservare per un minimo di 15 min. Se la soluzione è ancora torbia e/o tutto il CaCl2 è raggruppato, rimane ancora acqua e il passaggio 3.1 deve essere ripetuto. Se la soluzione è traslucida e il CaCl2 scorre liberamente, non ripetere il passaggio 3.1. Una volta raggiunta una soluzione chiara, separare gli esani da CaCl2 utilizzando la filtrazione per gravità. Se la concentrazione dell'estratto è sufficiente per il rilevamento, gli esani filtrati possono essere trasferiti in un matraccio pulito e asciutto per il magazzinaggio e la successiva analisi. Se la concentrazione dell'estratto è bassa rispetto al limite di rilevazione, trasferire gli esani filtrati in un matraccio a fondo tondo pulito e asciutto a tre colli, di dimensioni di 100 ml. Posizionare un tappo di gomma nel collo centrale del pallone e un setto di gomma su uno degli altri colli. Lascia il terzo collo aperto. Forare il setto di gomma e introdurre un flusso di azoto attraverso il pallone. L'azoto dovrebbe fluire nello spazio sopra la soluzione, non gorgogliare attraverso la soluzione. L'estratto può ora essere pre-concentrato facendo scorrere l'azoto per evaporare il solvente in eccesso. Il campione è ora pronto per l'analisi.
L'estrazione è una tecnica di separazione cruciale in chimica organica, utilizzata per separare i componenti di una miscela in base alle loro solubilità in due diverse fasi che non si mescolano.
Le estrazioni vengono eseguite tra due fasi. Nel caso di un'estrazione liquido-liquido, il soluto disciolto viene trasferito da una fase liquida all'altra. Le estrazioni vengono eseguite anche con una fase liquida e solida, chiamata estrazione solido-liquido, in cui il soluto viene trasferito da una fase solida a una fase liquida. Un semplice esempio di estrazione solido-liquido è la preparazione del caffè, che comporta la miscelazione di fondi di caffè solidi con acqua. I composti aromatici del caffè vengono estratti dai terreni nell'acqua per formare il caffè. Questo video illustrerà i principi dell'estrazione e dimostrerà l'estrazione solido-liquido in laboratorio attraverso la rimozione dei residui di organocloruro dal suolo.
L'estrazione utilizza la proprietà della solubilità per trasferire un soluto da una fase all'altra. Per eseguire un'estrazione, il soluto deve avere una solubilità maggiore nella seconda fase rispetto all'originale. In generale, i soluti molto non polari si divideranno in una fase organica, mentre i soluti molto polari si divideranno in una fase acquosa. La scelta delle fasi dipenderà dal soluto di interesse.
Anche le due fasi devono essere immiscibili. Le soluzioni immiscibili non si mescolano mai e rimangono come fasi separate, come olio e acqua. Le soluzioni miscibili sono completamente omogenee dopo la miscelazione.
Nell'estrazione liquido-liquido, un soluto è separato tra due fasi liquide, tipicamente acquose e organiche. Questo viene spesso eseguito in un imbuto separatore dotato di un rubinetto nella parte inferiore e un tappo nella parte superiore.
Nel caso più semplice, sono coinvolti tre componenti: il soluto, il liquido vettore e il solvente. La miscela iniziale, contenente il soluto disciolto nel liquido di trasporto, viene miscelata con il solvente. Al momento della miscelazione, il soluto viene trasferito dal liquido di trasporto al solvente, purché il soluto sia più solubile nel solvente che nel liquido di supporto e purché il liquido di trasporto e il solvente siano immiscibili. La soluzione più densa si deposita sul fondo.
Ci sono due fasi risultanti: il raffinato, contenente il liquido vettore, e l'estratto, che contiene il soluto e il solvente. In realtà, è probabile che ci siano residui di ciascun componente in entrambe le fasi. L'estrazione solido-liquido è simile all'estrazione liquido-liquido, tranne per il fatto che il soluto viene disperso in una matrice solida piuttosto che in un liquido vettore. La fase solida, contenente il soluto, viene dispersa nel solvente e miscelata. Il soluto viene estratto dalla fase solida al solvente e la fase solida viene quindi rimossa mediante filtrazione. Ora che i principi di estrazione sono stati delineati, la tecnica di estrazione solido-liquido sarà dimostrata eseguendo l'estrazione in laboratorio.
In questo esperimento, campioni di terreno sono stati raccolti da un sito dismesse, simile a questo a Sewickley, in Pennsylvania. Le aree dismee, come definite dall'EPA degli Stati Uniti, sono proprietà immobiliari, in cui l'espansione, la riqualificazione o il riutilizzo possono essere complicati a causa della potenziale presenza di contaminanti pericolosi. L'inquinante di interesse in questo caso è un organocloruro: l'erbicidaatrazina. Una volta che un campione di terreno è stato raccolto dal sito di interesse, trasferirlo in laboratorio.
Pesare 10 g di terreno in un piatto di Pyrex pulito, asciutto e a bocca larga. Mettere il piatto in forno ad asciugare per almeno 12 ore. Una volta asciutto, macinare il terreno in una polvere uniforme con un mortaio e un pestello. Mettere 5 g di terreno macinato in un matraccio a fondo tondo pulito e asciutto da 100 ml. Aggiungere 15 ml di esano e tappare liberamente il matraccio. Mettilo in un bagno ad ultrasuoni e sonicare per 60 minuti.
Preparare un imbuto Büchner con carta da filtro analitica. Una volta completata la sonicazione, bagnare la carta con esano e iniziare la filtrazione sotto vuoto. Versare lentamente il campione sulla carta da filtro. Risciacquare i solidi residui dal matraccio con esano e aggiungerlo al filtro. Il terreno spogliato rimane sul filtro, mentre l'esano e le sostanze organiche estratte si raccolgono nel pallone.
Se la soluzione di esano è torbia, è presente acqua residua. Per asciugare la soluzione, aggiungere una piccola spatola di essiccante, come il cloruro di calcio. Mescolare la soluzione fino a quando l'essiccante non è sciolto e osservare la soluzione.
Se la soluzione è ancora torbida o se il cloruro di calcio si è aggregato, c'è ancora acqua nella soluzione. Ripetere il processo fino a quando la soluzione è limpida e l'essiccante è libero di scorrere.
Quindi, rimuovere il cloruro di calcio mediante filtrazione per gravità.
Se la concentrazione del composto di interesse è inferiore al limite di quantificazione, deve essere concentrata. Trasferire l'estratto filtrato in un matraccio a fondo tondo a 3 colli pulito e asciutto. Ferma il collo centrale e posiziona un setto di gomma su uno degli altri colli. Il terzo è lasciato aperto.
Forare il setto e attaccare il tubo a una linea di azoto. Iniziare a far scorrere l'azoto attraverso il pallone. Il gas dovrebbe fluire nello spazio di testa sopra la soluzione e non gorgogliare attraverso di essa. Il gas che scorre evapora il solvente in eccesso. Lasciare fluire il gas fino a quando non vi è una riduzione del volume di circa il 50%.
Una volta estratti e concentrati i componenti organici del terreno, possono essere analizzati mediante gascromatografia.
La concentrazione di atrazina può essere calcolata utilizzando concentrazioni standard di atrazina. In questo caso, la concentrazione approssimativa di atrazina nel sito dismezzato studiato era di 2 mg di atrazina per 1 kg di terreno.
L'estrazione solido-liquido viene utilizzata in una vasta gamma di campi.
Questa tecnica può essere utilizzata per comprendere il trasferimento di bifenili policlorurati, o PCB, dai pesci. I PCB sono idrocarburi clorurati prodotti dall'uomo che sono stati vietati dall'EPA. I PCB non si decompongono facilmente nell'ambiente e tendono ad accumularsi nei pesci.
In questo esperimento, i pesci preda contenenti PCB sono stati somministrati a pesci predatori. I pesci predatori venivano poi raccolti e sacrificati. Il tessuto del pesce è stato macinato in preparazione per l'estrazione.
Il PCB nel tessuto del pesce è stato estratto in una fase organica utilizzando un estrattore Soxhlet. La configurazione dell'estrattore Soxhlet, composta da un pallone a fondo tondo, un condensatore e l'apparato Soxhlet, viene spesso utilizzata per estrarre soluti scarsamente solubili in solventi. L'estrazione Soxhlet consente di utilizzare una piccola quantità di solvente con un campione solido di grandi dimensioni. L'estratto è stato quindi testato per il contenuto di PCB utilizzando la spettrometria di massa.
La materia vegetale secca, chiamata lignocellulosa, è la materia prima più abbondante ricercata per i combustibili bioderi derivati. Tuttavia, i carboidrati utilizzati come combustibile sono intrappolati all'interno della matrice vegetale rigida, chiamata lignina.
Quando i carboidrati vengono rimossi, la matrice di lignina viene in genere smaltita come rifiuto. Tuttavia, in questo esperimento, la lignina di scarto è stata esaminata come fonte di combustibile. L'estrazione solido-liquida è stata utilizzata per separare i componenti dei carboidrati dalla lignocellulosa, lasciando la lignina alle spalle. La lignina è stata poi utilizzata per ulteriori esperimenti di fermentazione.
L'estrazione solido-liquido può anche essere utilizzata per misurare il contenuto di cera nelle bucce dei frutti. In questo esperimento, è stato analizzato il contenuto di cera delle bucce di pomodoro.
La decerativa esaustiva delle bucce di pomodoro essiccato è stata completata utilizzando un apparecchio Sohxlet, al fine di rimuovere completamente il contenuto di cera nelle bucce. Le bucce di pomodoro con la cera rimossa sono state poi ulteriormente analizzate utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Ciò ha contribuito a chiarire la composizione e la degradazione dei frutti nativi e ingegnerizzati.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'estrazione solido-liquido. Ora dovresti avere una migliore comprensione dell'estrazione dei soluti tra le fasi solida e liquida.
Grazie per l'attenzione!
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Results
Un campione di terreno è stato raccolto da un sito brownfield simile a uno a Sewickley in Pennsylvania, come mostrato nella Figura 1. Le aree dismee, come definite dalla United States Environmental Protection Agency (U. S. EPA), sono proprietà immobiliari, dove l'espansione, la riqualificazione o il riutilizzo possono essere complicati a causa della potenziale presenza di contaminanti pericolosi. Il terreno è stato raccolto dal sito Brownfield utilizzando un campionatore del suolo, come mostrato nella Figura 2.
L'inquinante di interesse in questo esperimento era l'atrazina (Figura 3); un comune erbicida organoclorurato. Una volta estratti e concentrati i componenti organici del terreno, questi sono stati analizzati mediante gascromatografia con un rivelatore a ionizzazione di fiamma (GC-FID). L'analisi GC è stata effettuata utilizzando uno Shimadzu 14A GC (rivelatore: FID) dotato di iniettore split/splitless e di una colonna capillare CBP-10 (30 m × 0,22 mm i.d.). La temperatura della colonna è stata prima impostata a 150 °C e poi programmata da 150 a 230 °C ad una velocità di 5 °C al minuto. La temperatura dell'iniettore era di 250 °C e la temperatura del rivelatore era di 260 °C. Le iniezioni sono state eseguite in modalità splitless. Il gas vettore di elio è stato utilizzato a una portata costante di 1 ml / min. La concentrazione di atrazina è stata calcolata utilizzando concentrazioni standard di atrazina, come mostrato nella Figura 4. In questo caso, la concentrazione approssimativa di atrazina nel sito brownfield studiato era di 2 mg di atrazina per kg di terreno.
Figura 1. Sito dismessa a Sewickley, PA.
Figura 2. Terreno contaminato raccolto utilizzando un campionatore di terreno.
Figura 3. Struttura chimica dell'organocloruro atrazina.
Figura 4. Gascromatogramma del campione di terreno con atrazina. Inserto: standard di atrazina.
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Applications and Summary
La procedura generale di estrazione solido-liquido è applicabile a una vasta gamma di settori, dal monitoraggio ambientale (mostrato in questo video) ai cosmetici e alla lavorazione degli alimenti. Il problema critico è scegliere un solvente che dissolva efficacemente l'analita. Con cambiamenti minimi nel solvente, il metodo di preparazione del campione in questo video può essere utilizzato per estrarre uno qualsiasi di una vasta gamma di contaminanti ambientali semivolatili che si dividono principalmente su terreni e fanghi.
Esempi di tali semivolatili includono molti inquinanti nocivi come pesticidi, idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e bifenili policlorurati (PCB). A causa dei potenziali effetti sulla salute di queste molecole, l'identificazione e la quantificazione di queste specie è di interesse accademico e anche ampiamente praticata nel settore della consulenza ambientale e nelle agenzie governative. L'EPA mantiene compendi di metodi analitici e di campionamento approvati per identificare e quantificare possibili inquinanti. Il metodo mostrato in questo video illustra i principi di base contenuti nel metodo EPA 3550C, che descrive l'estrazione ad ultrasuoni di semivolatili e nonvolatili dai solidi. 1 Il metodo EPA 3550C è uno dei metodi di estrazione a cui si fa riferimento nel metodo EPA 8081B, che descrive l'analisi GC dei pesticidi organoclorurati. 2 La maggior parte dei file di metodo approvati dall'EPA sono scritti con il presupposto che l'analista abbia una formazione preliminare significativa. Pertanto, acquisire familiarità con le caratteristiche di base della preparazione del campione aiuta a seguire i metodi EPA.
L'uso di un apparato Soxhlet può aiutare nell'estrazione di soluti scarsamente solubili in solventi. La configurazione consiste in un pallone a fondo tondo, un estrattore Soxhlet e un condensatore a riflusso. Questa tecnica è dimostrata dalla rimozione dei PCB dai pesci al fine di esaminare il trasferimento di tossine tra pesci predatori e pesci preda. 3 Inoltre, questa tecnica può essere utilizzata per misurare il contenuto di cera nelle bucce dei frutti al fine di comprendere la composizione e la degradazione dei frutti autoctoni e ingegnerizzati. 4 Infine, l'estrazione di carboidrati dalla lignocellulosa, o sostanza vegetale secca, può essere effettuata utilizzando l'estrazione liquida solida. 5 Quando i carboidrati vengono estratti, la lignina viene lasciata indietro. Entrambi i componenti possono quindi essere utilizzati per applicazioni di biocarburanti.
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Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarato.
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).
