Overview
출처: 제이 디너 박사 연구소 — 뉴욕 시대학교
추출은 대부분의 화학 분석에서 중요한 단계입니다. 샘플 매트릭스에서 분석기를 제거하고 분광 또는 크로마토그래픽 식별 및 정량화에 필요한 단계로 전달하는 것을 수반합니다. 시료가 고체이고 분석에 필요한 단계가 액체인 경우, 공정은 고체 액체 추출이라고 합니다. 간단하고 광범위하게 적용 가능한 형태의 고체 액체 추출은 고체와 분석이 용해되는 용매를 결합하는 수반됩니다. 동요를 통해, 아닐리바이트는 액체 상으로 분할, 여과를 통해 고체에서 분리 될 수있다. 용매의 선택은 대상 별문별의 용해도와 비용, 안전 및 환경 문제의 균형에 따라 이루어져야 합니다.
Principles
추출은 용해도의 속성을 사용하여 솔테를 한 단계에서 다른 단계로 옮킵니다. 추출을 수행하기 위해서는 솔루트가 원래 단계보다 두 번째 단계에서 더 높은 용해도를 가져야 합니다. 액체 액체 추출에서, solute는 두 개의 액체 상, 일반적으로 수성 및 유기 상 사이에서 분리됩니다. 가장 간단한 경우에, 3개의 분대가 관련됩니다: 솔루트, 담체 액체 및 용매. 담체 액체에 용해된 솔루트를 함유한 초기 혼합물은 용매와 혼합된다. 혼합시, 솔루트는 캐리어 액체에서 용매로 옮겨질 수 있습니다. 밀도가 높은 솔루션은 바닥에 정착합니다. 솔루트의 위치는 액체와 솔ute 모두의 특성에 따라 달라집니다.
고체 액체 추출은 용염이 담체 액체가 아닌 고체 매트릭스에 분산된다는 점을 제외하고는 액체 액체 추출과 유사합니다. 솔루트를 함유하는 고체 상은 용매에 분산되고 혼합된다. 솔루트는 고체 상에서 용매로 추출되고, 고체 상은 여과에 의해 제거된다.
본 비디오에서, 고체 액체 추출 기술의 예는 토양에서 유기염소산 잔류물의 추출을 보여줌으로써 설명될 것이다. 도시된 고체 액체 추출은 초음파 교반, 여과, CaCl2이상 건조하여 잔류물의 제거, 흐르는 질소 하에서 의 사전 농도에 이어 n-헥산과 샘플의 조합을 수반한다. 준비된 샘플은 다양한 분광 및 크로마토그래피 방법에 의해 분석할 준비가 되어 있습니다.
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Procedure
1. 토양에서 흡착 된 유기물의 추출
- 깨끗한 구강 파렉스 접시에 흙 20g을 넣고 50°C 오븐에 넣고 최소 12시간 동안 건조시다. 건조 후, 파이렉스 접시에서 토양을 제거하고 박격포와 유봉을 사용하여 균일 한 분말로 갈기. 토양의 5.00g의 무게와 깨끗하고 건조한 둥근 바닥 플라스크 (크기 100 mL)에 놓습니다. 플라스크에 15mL의 n-헥산을 넣습니다. 플라스크를 초음파 욕조에 놓고 60 분 동안 초음파 처리하십시오.
2. 추출물과 토양의 분리
- 분석 필터 용지로 뷔흐너 깔때기를 준비합니다. 필터용지에 1mLn-헥산으로 적시고 진공 여과를 시작합니다. 필터 용지 위에 둥근 바닥 플라스크의 내용을 천천히 붓습니다. 뷔흐너 플라스크에는 토양에서 추출된 유기물을 함유한 n-헥산이 들어 있습니다. 필터는 제거된 토양 고체를 유지합니다.
3. 청소 및 사전 농도
- n-헥산용액이 흐리면 잔류물이 있습니다. n-헥산용액을 건조하려면 CaCl2의작은 주걱 1 개를 추가하십시오. 용액을 소용돌이치는 경우 최소 15분 동안 관찰하십시오. 용액이 여전히 흐리고 CaCl2의 전부가 뭉쳐있는 경우 여전히 물이 남아 있으며 3.1 단계를 반복해야합니다. 용액이 반투명하고 CaCl2가 자유롭게 흐르는 경우 3.1 단계를 반복하지 마십시오. 명확한 해결책이 달성되면 중력 여과를 사용하여 헥산을 CaCl2에서 분리합니다. 추출물 농도가 검출에 충분하면 여과된 헥산이 깨끗하고 건조한 플라스크로 옮겨져 저장 및 이후 분석을 할 수 있다. 검출 한계에 비해 추출물 농도가 낮으면 여과된 육사를 깨끗하고 건조한 3넥 라운드-하부 플라스크, 크기 100mL로 옮기는다. 고무 스토퍼를 플라스크의 중앙 목에 넣고 다른 목 중 하나에 고무 중격을 넣습니다. 세 번째 목을 열어 둡니다. 고무 중격을 관통하고 플라스크를 통해 질소 흐름을 소개합니다. 질소는 용액을 통해 버블링하지 않고 용액 위의 공간에서 흐르고 있어야합니다. 상기 추출물은 이제 질소를 흐르는 질소를 통해 사전 농축되어 과잉 용매를 증발시킬 수 있다. 이제 샘플이 분석을 위해 준비되었습니다.
추출은 혼합하지 않는 두 개의 다른 단계에서 용용성에 따라 혼합물의 구성 요소를 분리하는 데 사용되는 유기 화학에서 중요한 분리 기술입니다.
추출은 두 단계 사이에 수행됩니다. 액체 액체 추출의 경우 용해 된 솔루트는 한 액체 상에서 다른 액체 상으로 옮겨져 있습니다. 추출은 또한 고체 액체 추출이라고 하는 액체 및 고체 상으로 수행되며, 여기서 솔직한 단계는 고체 상에서 액체 상으로 전달됩니다. 고체 액체 추출의 간단한 예는 물과 고체 커피 찌꺼기의 혼합을 포함하는 커피 양조입니다. 커피 맛 화합물은 커피를 형성하기 위해 물으로 부지에서 추출됩니다. 이 비디오는 추출의 원리를 설명하고 토양에서 유기화물 잔류물을 제거하여 실험실에서 고체 액체 추출을 시연합니다.
추출은 용해도의 속성을 사용하여 솔테를 한 단계에서 다른 단계로 전송합니다. 추출을 수행하기 위해서는 솔루트가 원래 단계보다 두 번째 단계에서 더 높은 용해도가 있어야 합니다. 일반적으로 매우 비극성 솔루트는 유기 단계로 분할되며 극성 솔루트는 수성 단계로 분할됩니다. 단계의 선택은 관심의 솔트에 따라 달라집니다.
두 단계도 무척 해야 합니다. 불굴의 용액은 결코 혼합하지 않으며 석유와 물과 같은 별도의 단계로 남아 있습니다. 혼합 후 미분용 솔루션은 완전히 균일합니다.
액체 액체 추출에서, solute는 두 개의 액체 상 사이 분리 됩니다., 일반적으로 수 성 및 유기. 이것은 종종 하단에 스톱콕과 상단에 스토퍼가 장착 된 분리 깔때기에서 수행됩니다.
가장 간단한 경우에, 세 가지 구성 요소가 관련되어 있습니다: 솔루트, 담체 액체 및 용매. 담체 액체에 용해된 솔루트를 함유한 초기 혼합물은 용매와 혼합된다. 혼합시, 솔루트는 캐리어 액체에서 용매로 옮겨지며, 솔루스가 담체 액체보다 용매에 더 용해되는 한, 담체 액체 및 용매가 불굴의 한. 밀도가 높은 솔루션은 바닥에 정착합니다.
두 가지 결과 단계가 있습니다: 캐리어 액체를 포함하는 라피네이트, 및 솔루트와 용매를 포함하는 추출물. 실제로 두 단계에서 각 구성 요소의 잔여물이 있을 가능성이 높습니다. 고체 액체 추출은 액체 액체 추출과 유사하며, 솔루트가 담체 액체가 아닌 고체 매트릭스에 분산된다는 것을 제외하고는. 솔루트를 함유하는 고체 상은 용매에 분산되고 혼합된다. 솔루트는 고체 상에서 용매로 추출되고, 고체 상은 여과에 의해 제거된다. 이제 추출 의 원리가 설명되었으므로 실험실에서 추출을 수행하여 고체 액체 추출 기술이 입증됩니다.
이 실험에서 토양 샘플은 펜실베이니아 주 세윅리(Sewickley)에서 이와 유사한 브라운필드 부위에서 수집되었습니다. 미국 EPA가 정의한 브라운필드는 유해 오염 물질의 잠재적 존재로 인해 확장, 재개발 또는 재사용이 복잡할 수 있는 부동산입니다. 이 경우에 관심의 오염 물질은 유기화물입니다 : 제초제 아트라진. 토양 샘플이 관심있는 사이트에서 수집되면 실험실로 옮기하십시오.
깨끗하고 건조하고 넓은 입파이렉스 접시에 토양 10g의 무게를 내립니다. 오븐에 접시를 넣어 적어도 12 시간 동안 건조. 일단 건조하면, 박격포와 유봉과 균일 한 분말에 토양을 갈기. 지상 토양 5g을 깨끗하고 건조한 100mL 라운드 바닥 플라스크에 넣습니다. 헥산 15mL를 넣고 플라스크를 느슨하게 간피합니다. 초음파 욕조에 넣고 60 분 동안 초음파 처리하십시오.
분석 필터 용지로 뷔흐너 깔때기를 준비합니다. 초음파 처리가 완료되면 육산으로 종이를 적시고 진공 여과를 시작합니다. 필터 용지 위에 샘플을 천천히 붓습니다. 플라스크에서 잔류 고체를 헥산으로 헹구고 필터에 추가합니다. 제거된 토양은 필터에 남아 있으며, 헥산과 추출된 유기물은 플라스크에서 수집됩니다.
헥산 용액이 흐리면 잔류물이 존재합니다. 용액을 건조하려면 염화 칼슘과 같은 건조제의 작은 주걱을 추가하십시오. 건조제가 용해될 때까지 용액을 저어서 용액을 관찰합니다.
용액이 여전히 탁탁상태에 있거나 염화칼슘이 집계된 경우 용액에 여전히 물이 있습니다. 솔루션이 명확하고 건조제가 자유롭게 흐를 때까지 프로세스를 반복합니다.
다음으로, 중력 여과에 의해 염화칼슘을 제거합니다.
관심 화합물의 농도가 정량화의 한계 이하인 경우, 농축되어야 한다. 여과된 추출물을 깨끗하고 건조한 3넥 라운드 하단 플라스크로 옮기습니다. 중앙 목을 멈추고 고무 중격을 다른 목 중 하나에 놓습니다. 세 번째는 열려 있습니다.
중격을 관통하고 질소 라인에 튜브를 부착합니다. 플라스크를 통해 질소를 흐르기 시작합니다. 가스는 용액 위의 헤드스페이스에서 흐르고 이를 통해 버블링하지 않아야 합니다. 흐르는 가스는 과도한 용매를 증발시다. 약 50% 부피 감소가 있을 때까지 가스가 흐르도록 합니다.
토양의 유기 성분이 추출되고 농축되면 가스 크로마토그래피에 의해 분석될 수있다.
아트라진 농도는 아트라진 표준 농도를 사용하여 계산될 수 있다. 이 경우, 연구된 브라운필드 부위의 대략적인 아드라진 농도는 토양 1kg당 2 mg의 아트라진이었다.
고체 액체 추출은 광범위한 분야에서 사용됩니다.
이 기술은 물고기에서 폴리 염화 비페닐, 또는 PCBs의 전송을 이해하는 데 사용할 수 있습니다. PCB는 EPA에 의해 금지 된 인공 염소 화탄수소입니다. PCB는 쉽게 환경에서 분해하지 않고 물고기에 축적하는 경향이있다.
이 실험에서 PCB가 들어있는 먹이 물고기는 육식 동물 물고기에게 공급되었습니다. 포식자 물고기는 다음 수집 및 희생되었다. 물고기 조직은 추출을 준비하기 위해 접지되었습니다.
물고기 조직의 PCB는 Soxhlet 추출기를 사용하여 유기 상으로 추출되었다. 회전 바닥 플라스크, 응축기 및 Soxhlet 장치로 구성된 Soxhlet 추출기 설정은 용매에서 용해성이 떨어지는 솔루트를 추출하는 데 자주 사용됩니다. Soxhlet 추출을 통해 소량의 용매를 대형 고체 샘플과 함께 사용할 수 있습니다. 추출물은 질량 분석법을 사용하여 PCB 함량에 대해 테스트되었습니다.
리그노셀룰로오스(lignocellulose)라고 불리는 건조 식물 물질은 바이오 유래 연료에 대해 연구되는 가장 풍부한 원료입니다. 그러나 연료로 사용되는 탄수화물은 리그닌이라고 불리는 경질 식물 매트릭스 내에 갇혀 있습니다.
탄수화물을 제거하면 리그닌 매트릭스는 일반적으로 폐기물로 폐기됩니다. 그러나, 이 실험에서는, 폐기물 리그닌은 연료원으로 검토되었다. 고체 액체 추출은 리그노셀룰로오스에서 탄수화물 성분을 분리하여 리그닌을 남겨두는 데 활용되었다. 그런 다음 리그닌을 추가 발효 실험에 사용하였다.
고체 액체 추출은 과일 껍질의 왁스 함량을 측정하는 데도 사용할 수 있습니다. 본 실험에서 토마토 스킨의 왁스 함량을 분석하였다.
말린 토마토 스킨의 철저한 탈밀은 피부에 왁스 함량을 완전히 제거하기 위해 Sohxlet 장치를 사용하여 완료되었습니다. 왁스를 제거한 토마토 스킨은 핵 자기 공명 분광법을 사용하여 추가로 분석되었다. 이것은 토착 및 엔지니어링 과일의 구성과 저하를 해명하는 데 도움이되었습니다.
당신은 고체 액체 추출에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 고체 상과 액체 단계 사이의 솔루트 추출에 대한 더 나은 이해가 있어야 합니다.
시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
도 1에 도시된 바와 같이, 세위키리 펜실베이니아의 토양 샘플과 유사한 브라운필드 사이트에서 토양 샘플을 채취하였다. 미국 환경보호국(미국 EPA)이 정의한 브라운필드는 유해 오염물질의 잠재적 존재로 인해 확장, 재개발 또는 재사용이 복잡할 수 있는 부동산입니다. 토양은 도 2에 도시된 바와 같이 토양 샘플러를 사용하여 브라운필드 현장에서 채취하였다.
이 실험에 대한 관심의 오염 물질은 아트라진(도3);이었다; 일반적인 유기 제초제. 토양의 유기 성분을 추출하고 농축한 후, 화염 이온화 검출기(GC-FID)를 사용하여 가스 크로마토그래피에 의해 분석되었다. GC 분석은 분할/스플리스 인젝터및 CBP-10 모세관 컬럼(30m × 0.22 mm i.d.)을 갖춘 시마드 14A GC(검출기: FID)를 사용하여 수행하였다. 기둥 온도는 먼저 150°C로 설정된 다음 150 내지 230°C에서 분당 5°C의 속도로 프로그래밍하였다. 인젝터 온도는 250°C이고 검출기 온도는 260°C였습니다. 주사는 스플리트 모드로 수행되었습니다. 헬륨 캐리어 가스는 1mL/min의 일정한 유량으로 사용되었다. 아트라진 농도는 도 4에도시된 바와 같이 아트라진 표준 농도를 사용하여 계산되었다. 이 경우, 연구된 브라운필드 사이트에서 대략적인 아트라진 농도는 토양 kg당 2 mg의 아트라진이었다.
그림 1. 세윅리, 펜실베이니아의 브라운필드 사이트.
그림 2. 토양 샘플러를 사용하여 수집된 오염된 토양.
그림 3. 오가노클로라이드 아라진의 화학적 구조.
그림 4. 아트라진을 곁들인 토양 샘플의 가스 크로마토그램. 인세트: 아트라진 표준.
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Applications and Summary
일반적인 고체 액체 추출 절차는 환경 모니터링(본 비디오에 도시됨)부터 화장품 및 식품 가공에 이르기까지 다양한 분야에 적용됩니다. 중요한 문제는 효과적으로 해석을 용해 용매를 선택하는 것입니다. 용매의 최소한의 변화로, 이 비디오의 샘플 준비 방법은 주로 토양과 슬러지에 분할 반휘발성 환경 오염 물질의 넓은 범위 중 하나를 추출하는 데 사용할 수 있습니다.
이러한 반휘발성물질의 예로는 살충제, 다환 방향족 탄화수소(PAH), 폴리염화 비페닐(PCB)과 같은 많은 유해 오염물질이 포함됩니다. 이러한 분자의 잠재적인 건강 효과 때문에, 이러한 종의 식별 및 정량화는 학문적 관심사이며 환경 컨설팅 산업및 정부 기관에서 널리 시행됩니다. EPA는 가능한 오염 물질을 식별하고 정량화하기 위해 승인된 분석 및 샘플링 방법의 보상을 유지합니다. 이 비디오에 표시된 방법은 고체에서 반휘발성 및 비휘발성의 초음파 추출을 설명하는 EPA 방법 3550C에 포함된 기본 원리를 보여줍니다. 1 EPA 방법 3550C는 유기염소 농약의 GC 분석을 설명하는 EPA 방법 8081B에서 참조되는 추출 방법 중 하나입니다. 2 EPA가 승인한 대부분의 메서드 파일은 분석가가 중요한 사전 교육을 가지고 있다는 가정하에 작성됩니다. 따라서, EPA 방법을 따르는 샘플 준비 보조제의 기본 특성에 익숙해지는 것이다.
Soxhlet 장치의 사용은 용매에서 용해성이 떨어지는 솔루트의 추출에 도움이 될 수 있습니다. 설정은 둥근 바닥 플라스크, 삭스슬렛 추출기 및 역류 응축기로 구성됩니다. 이 기술은 육식 동물 물고기와 먹이 물고기 사이의 독소의 전송을 검사하기 위해 물고기에서 PCBs의 제거에 의해 입증된다. 3 또한, 이 기술은 토착 및 엔지니어링 과일의 조성 및 분해를 이해하기 위해 과일 껍질의 왁스 함량을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 4 마지막으로, 리노셀룰로오스 또는 건조 식물 물질로부터 탄수화물을 추출하는 것은 고체 액체 추출을 사용하여 달성될 수 있다. 5 탄수화물을 추출하면 리그닌이 남게 됩니다. 두 구성 요소는 바이오 연료 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다.
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Disclosures
이해 상충이 선언되지 않았습니다.
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).
