روش استخراج فاز جامد

فصل اول



1-مقدمه، تئوري، تاريخچه





1-1-اهميت اندازه گيري مواد شيميايي

امروزه نقش شيمي تجزيه در شناسايي و اندازه گيري مواد مختلف که از روش هاي صنعتي يا طبيعي بدست مي آيند بر کسي پوشيده نيست .علم شيمي تجزيه به عنوان هنر تعيين ترکيب درصد مواد بر حسب عناصر و يا ترکيباتي که در آنها موجود است تعريف مي گردد. همچنين نقش شيمي تجزيه در اندازه گيري مواد موجود در سيستم هاي زنده بخصوص در بدن جانداران، گياهان و انسان چنان روشن و واضح است که ذکر اهميت آن چندان ضروري به نظر نمي رسد. امروزه روشها ودستگاههاي مختلفي براي اندازه گيري کمي و تجزيه مواد ارائه شده است. جداسازي، شناسايي و اندازه گيري مواد مختلف هدف نهايي علم شيمي تجزيه است که از دير باز مورد توجه بوده است. در حال حاضر با پيشرفتها و تحولاتي که در اين زمينه از علم تجزيه صورت گرفته روش هاي متنوع، سريع و دقيق براي شناسايي و اندازه گيري و جداسازي مواد، پيشنهاد گرديده است. اين تلاش ها براي اصلاح روش ها و وسايل موجود و ابداع شيوه ها و وسايل نوين ادامه دارد. روش هاي سنتي و قديمي در تجزيه مواد شيميايي عمدتا يا وقت گير هستند يا داراي هزينه بالا مي باشند و يا از دقت کمي برخوردارند. تا آنجا که بسياري از آنها امروزه منسوخ شده و جاي خود را به شيوه هاي مدرن و عمدتا دستگاهي داده اند که نه تنها در وقت و هزينه صرفه جويي مي شود بلکه دقت آنها بسيار زياد است. تجزيه يک گونه خاص در يک نمونه که از بافت پيچيده اي برخوردار است، همواره مشکلاتي را براي کارشناسان تجزيه مواد در رشته هاي مختلف قرار داده است. لذا طي دهه هاي اخير،کارهاي زياد براي ابداع روشها و وسايلي که بتوانند تجزيه يک گونه خاص با مقادير کم را در حضور ساير اجزا موجود در نمونه، با دقت و حساسيت بسيار زياد ممکن سازد، انجام گرفته است. که از اين ميان مي توان به ابداع روشها و دستگاههايي مانند کروماتوگرافي گاز، کروماتوگرافي مايع با کارايي بالا، جذب و نشر و فلورسانس اتمي، اسپکتر و سکپي جرمي و الکترودهاي يون گزين اشاره کرد. هر کدام از اين روشها و دستگاهها داراي معايب و مزايايي است که مي توانند منجر به گزينش يکي از آنها در تجزيه نمونه اي خاص شود [١].





1-2- اهميت آماده سازي نمونه



آزمايشگاه هاي شيمي تجزيه براي فراهم نمودن روش هاي تجزيه سريعتر و مقرون به صرفه تر تحت فشار هستند. اين مسئوليت در آزمايشگاه بيشتر متوجه قسمت آماده سازي نمونه مي باشد. روش آماده سازي نمونه بايد داراي خصوصيات زير از قبيل: تکرار پذيري بالا، مهارت هاي تکنيکي کمتر، کاهش ميزان مصرف حلال هاي آلي و فراهم نمودن امکان استخراج هاي تميزتري براي اندازه گيري دستگاهي با سرعت بيشتر و هزينه کمتر باشند. قسمت عمده زمان تجزيه نمونه صرف آماده سازي آن مي شود، بنابراين ضرورت بهبود تکنيک هاي آماده سازي نمونه بيش از پيش احساس مي شود. بررسي يک مطالعه نشان مي دهد که بيش از 60 درصد زمان تجزيه صرف آماده سازي نمونه مي شود، در حاليکه تنها 7 درصد اين زمان عملا صرف جمع آوري نمونه و بررسي اطلاعات گردآوري شده مي شود. محبوبيت و کاربرد استخراج در فاز جامد (SPE) با سرعت زيادي رو به افزايش است. استخراج فاز جامد به سادگي به صورت اتوماتيک در مي آيد و عموما راندمان



---------------------------------------------------------------------

-1 Solid phase Extraction



بيشتري دارد. ذرات مورد استفاده در SPE از عوامل آلاينده نيستندو مقدار حلال هاي مايع مورد استفاده به ميزان قابل توجهي کمتر از استخراج مايع- مايع مي باشند [2].





1-3- استخراج فاز جامد

استخراج فاز جامد يک روش آماده سازي نمونه است که براي تغليظ و خالص سازي نمونه به کار مي رود. در استخراج فاز جامد، آناليت ها از يک فاز مايع به درون يک فاز جامد شامل ذرات کوچک و متخلخلي از سيليکا مي باشدکه به يک فاز آلي يا يک پليمر الي پيوند داده شده اند اين روش قابل انجام به صورت ناپيوسته مي باشد که در آن ماده جامد استخراج کننده به خوبي با محلول نمونه مايع مخلوط مي شود و در بسياري از موارد به عنوان جايگزين مناسب براي استخراج مايع – مايع به کار مي رود. موادي که بوسيله ذرات جامد استخراج مي شوند را مي توان با شستشو توسط يک حلال مناسب جدا نموده معمولا حجم حلال مورد نياز براي شويش کامل آناليت ها، بسيار کمتر از حجم نمونه اصلي مي باشد و بدين ترتيب نمونه تغليظ شدهاي از آناليت ها بدست مي آيد. در ابتدا استخراج فاز جامد بر پايه استفاده از جاذب هائي نظير رزين هاي XAD بود که براي آناليز داروها مورد استفاده قرار مي گرفت. ستون هاي فاز جامد کنوني، نوعا از جنس پلي پروپلين يا پلي اتيلن هستند که توسط مواد پرکننده با گروه هاي عاملي مختلف پر شده اند. وزن ماده پر کننده اين ستونها بين 50 ميلي گرم تا 10 گرم تغيير مي کند. در اين سيستمها نمونه مايع از ميان ستون عبور مي کند و اناليت آن تغليظ و خالص سازي مي شود. معمولا با استفاده از فشار مثبت يا ايجاد خلا مي توان محلول نمونه را عبور داد. سپس جذب کمي آناليت صورت مي گيرد و بعد از آن ستون با حلال مناسب شستشو و نمونه خارج مي گردد. بنابراين استخراج فاز جامد يک شکل از کروماتوگرافي عددي است که در آن ماده حل شده با مکانيسم هاي مختلف به درون جاذب فاز جامد منتقل مي شود ( اصطلاح عددي به مکانيسم off / on در جذب و وا جذب مربوط مي شود ) هدف از استخراج فاز جامد انتقال کمي آناليت از محلول به فاز جامد و بازيافت کامل آن با يک حلال مناسب است [۳].

1-4- تاريخچه استخراج فاز جامد

استخراج فاز جامد از کروماتوگرافي معمولي مشتق شده است که در آن از يک محيط جاذب براي جدا سازي نمونه ها بر اساس اختلاف در برقراري تعادل با محيط جاذب استفاده شده است[4و5].

سابقه تاريخي استخراج فاز جامد حداقل به اوايل دهه 1970بر مي گردد که در آن زمان ستون هاي انباشته شده با ذرات رزين XAD روهم و هاس¹به منظور تغليظ غلظتهاي بسيار کمي از آلاينده هاي آلي موجود در آب مورد استفاده قرار گرفتند.اما-γ آلومينا و SDS چندين سال قبل از 1970 به منظور تغليظ مواد آلي حل شده پيش از انجام آناليز مورد استفاده قرار گرفته بودند.

در سال 1930 سيليکا، فلوريسيل² و خاک هاي دياتومه (کيزلوهه³) به عنوان جاذب هاي جامد براي تغليظ نمونه هاي فاز – نرمال شدند.رزين XAD به صورت کارتريج نيز استفاده شده و شيميدان هاي باليني در سال 1972 از آنها براي استخراج داروها از سيالهاي بيولوژيک استفاده کردند.

در سال 1980 شرکت هاي توليد کننده فازهاي جامد، مواد پرکننده متنوع با ستون هايي به اشکال متفاوت را به بازار عرضه کردند. پس از اين تاريخ جاذبهاي ترکيبي⁴ براي آناليز داروها معرفي شدند. تحقيقات جديد در استخراج فاز جامد به سمت استفاده از ديسک ها، ميکروفيبرها و خودکار سازي بسياري از محصولات استخراج فاز جامد است. اين روند براي توليد محصولات جديد استخراج فاز جامد ادامه دارد [ 6].









-1Rohem and Havese

-2Florisil

-3Kieselguhr

-4Mixed – Made sorbents

1-5- مقايسه استخراج فاز جامد با ساير روشها

1-5-1- مقايسه استخراج فاز جامد با استخراج مايع-مايع

هدف از استخراج مايع-مايع انتقال مواد حل شده مورد نظر از يک فاز مايع ديگري است که غير قابل امتزاج هسيتند و عمدتا مواد حل شده از يک محلول ابي با حجم بيشتر به درون يک حلال آلي با حجم کمتر استخراج مي شود. معمولا استخراج مايع- مايع تخزيه اي در يک قيف جدا کننده انجام مي شود، به طوريکه پس از انجام استخراج، جدا سازي دو مايع امکانپذير است و مايع استخراج کننده سنگين تر و يا سبک تر از آب است. و مايع استخراج کننده سنگين تر و يا سبک تر از آب است.فراينده انتقال در استخراج مايع-مايع تعادلي مي باشد. يکي از مشکلات اصلي در استخراج مايع-مايع ايجاد محلول امولسيون است که خيلي آهسته از بين ميرود يا اصلا از بين نمي رود. اگر چه SPE را مي توان در يک تعادل ناپيوسته شبيه به آنچه که در استخراج مايع-مايع به کار ميرود نيز انجام داد، اما روش متداول تر استفاده از يک لوله (ستون) کوچک يا کا رتريجي است کا از ذرات جامد انباشته مي باشد، نمونه مايع در طي عبور از ستون، با ذرات جامد کاملا در تماس قرار مي کيرد که در اثر اين عمل تعادل سريعا بر قرار شده و تغليظ آناليت روي فاز جامد امکانپذير مي گردد. .بر خلاف استخراج نا پيوسته که در آن مواد حل شده داراي يک تعادل يکتايي بين دو فاز مي باشد، هنگامي که استخراج فاز جامد با يک ستون کوچک انباشته انجام مي شود، تعادلهاي چند گانه موثري وجود خواهند داشت. اين مساله بدين خاطر است که مواد حل شده با عبور از ستون به طور پيوسته با ذارات تازه اي مواجه مي شوند (که اگر حاوي مقدار زيادي ماده حل شده نباشند، حداقل حاوي مقدار کمي از آن هستند).بنابراين انتظلر مي رود که در مقايسه با استخراج هاي ناپيوسته مايع-مايع، در ستون هاي SPE درصد استخراج بيشتر باشد. معمولا براي اندازه گيري نهايي، انتقال آناليت ها از ذرات جامد به فاز مايع ضرورت پيدا مي کند شيمي اين مرحله، به نوع آناليت ها و جامدات استخراج کننده مورد استفاده بستگي خواهد داشت. معمولا ترکيبات آلي را مي توان بوسيله حجم کمي (کمتر از يک ميلي ليتر) از يک حلال آلي از يک ستون کوچک SEP شويش داد[7].







1-5-2- مقايسه بين SPE وHPLC

در کروماتو گرافي مايع، هدف جدا سازي اجزاي مختلف نمونه از يکديگر بر اساس سرعت هاي متفاوت حرکت آنها در ستون مي باشد ولي در استخراج فاز جامد، هدف تغليظ و جمع آوري گونه مورد آناليز بر روي ستون و سپس شويش توسط يک حلال مي باشد[8].



1-6- انواع فاز جامد

در روش هاي جداسازي و استخراج از ترکيبات مختلفي مانند پليمرهاي متخلخل¹، آلومينا، زير کونيا، خاک دياتومه ، کربن فعال، سلولز و انواع سيليکات ها، به عنوان فاز جامد استفاده شده است [9و4 ]. آلومينا و کربن فعال به علت امکان آن ها و سيليکات ها به علت قيمت کم و استحکام فيزيکي و شيميائي مناسب، بيشترين کاربرد را دارند که به توضيح انها مي پردازيم.



1-6-1-کربن فعال

کربن به فرمهاي مختلفي وجود دارد که يکي از آنها کربن فعال مي باشد. اين ماده با دارا بودن امتيازاتي از قبيل پايداري گرمايي بالا، پايداري زياد در مقابل نور، ساختمان متخلخل و محکم، پايداري مکانيکي بالا، نسبت سطح به حجم زياد و دست يابي به خلوص بالا داراي ظرفيت بالايي براي جذب گونه هاي مختلف مي باشد که آن را براي جداسازي يون ها و گونه هاي آلي کربن فعال تمايل بس از محيط آبي مناسب مي نمايد [10و11] يار زيادي براي جذب مولکول هاي آلي دارد، از طرفي به خاطر گروه هاي عاملي اکسيژن دار بر روي سطح کربن فعال، امکان جذب يون هاي فلزي نيز وجود دارد. کربن فعال از مواد مختلف مثل ليکنيت¹ ، زغال² و پليمرها و هر ماده کربن دار ديگر قابل توليد مي باشد.





---------------------------------------------------------------------

-1Porous Polymer .

همچنين کربن فعال از سبوس برنج ، هسته شفتالو و زردالو و پوسته بادام و سبزي ها تهيه مي شود. خصوصيات سطحي، گروه هاي عاملي موجود در سطح ، اندازه سطح، تخلخل، اندازه و توزيه حفره ها در کربن فعال بسته به نوع ماده اوليه متفاوت است. خصوصيات کربن فعال تا حد زيادي به روش و شرايط فعال سازي بستگي دارد. کربن فعال عمدتا حاوي حفرات ريز مي باشد، اما حفره هاي متوسط و بزرگ نيز در آن وجود دارد که نتيجه عملي آن دسترسي گونه هاي جذب شونده به درون ذرات کربني مي باشد [12]. فعال سازي کربن فعال به دو صورت زير انجام مي گيرد:

1. فعال سازي شيميايي به وسيله اضافه کردن مواد شيميايي از قبيل فسفريک اسيد، کلريد روي، سولفيد پتاسيم، نيتريک اسيد، آمونياک، سولفوريک اسي، پتاسيم پرمنگنات يا کلسيم اکسيد به مواد اوليه کربني صورت مي گيرد.
   
   
2. فعال سازي فيزيکي با استفاده از دميدن گازهائي از قبيل بخار اب ، کربن دي اکسي و کربن منو اکسي به مواد اوليه کربني انجام مي شود [13. 14].
   
   

فعال سازي شيميائي به خاطر پائين تر بودن دماي فعال سازي ، بر فعال سازي فيزيکي برتر ي دارد. نوع ماده مورد استفاده و روش فعال سازي بر اندازه حفره اثر مي گذارند. کربن فعال به خاطر مزايايي از قبيل بر هم کنش قوي و جذب سطحي کامل مولکول هاي داراي الکترون هاي π، کاربرد وسيعي در استخراج مقادير جزئي يون هاي فلزي از طريق ليگاندها ي واجد الکترون هاي π پيدا کرده است [15]. اگر چه مکانيسم کامل جذب گونه ها روي کربن فعال به طور کامل شناخته شده نيست، ولي دو نوع جايگاه بر روي کربن فعال به طور کامل شناخته شده نيست، ولي دو نوع جايگاه بر روي کربن فعال وجود دارد. جذب لانگمور¹ و جذب يوني آن را براي جذب گونه هاي مختلف مناسب مي سازد.به خاطر ماهيت آب گريزي کربن، گونه هاي جذب شونده يون فلزي بايد به فرم فلزي، هيدروکسيد خنثي و يا ترکيب کمپلکس خنثي تبديل شوند[16]. که براي افزايش گزينش پذيري در سيستم هاي استخراج در فاز جامد، حالت آخر ترجيح داده مي شود.



----------------------------------------------------------------

-1Lignite

2-Coa l



1-6-2- آلوميناي فعال

آلومينا به دو فرم γ-آلومينا و α- آلومينا وجود دارد. γ- الومينا داراي بار مثبت روي سطح مي باشد و گونه هاي با بار منفي مثل سديم دو دسيل² (SDS) را به طور موثر در 6-1 = PH جذب مي کند [16]. يعني در حدود 250 ميلي گرم SDSبر روي 5/1 گرم γ- آلومينا به طور کامل جذب مي شود، در حالي که α- آلومينا به خاطر ماهيت شيميايي يعني بي اثر (خنثي بودن) بودن سطح آن تمايل خيلي کمي براي جذب SDS دارد. فعال کردن آلومينا به طور شيميايي و با استفاده از اسيدهاي معدني صورت مي گيرد.





1-7- مواد فعال سطحي³

مواد فعال سطحي سنتزي در مقياس بالايي توليد شده و در صنعت ، مصارف خانگي و نيز در آزمايشگاه هاي تحقيقاتي و بيوشيميايي به کار مي روند. اين مواد به دليل تمايل زياد براي قرار گرفتن در سطح آب، ميزان تبادل اکسيژن هوا را با آب هاي سطحي کاهش داده و مانع رسيدن اکسيژن به آب زيان مي گردند.

ساختار مواد فعال سطحي به طور عمده از دو قسمت تشکيل مي شود. يک بخش غير قطبي که تمايل اندکي نسبت به فاز آبي داشته و گروه آب گريز ناميده مي شود و يک بخش قطبي که تمايل زيادي به حلال آبي داشته و به گروه آب دوست موسوم است(شکل 1-5). چنين ساختار دو گانه اي را ساختار آمفي پاتيک ¹ مي نامند. ساختمان خاص مواد فعال سطحي موجب حلاليت زياد اين ترکيبات در حلال هاي قطبي و غير قطبي و خواص منحصر به فرد آنها از قبيل تمايل زياد اين ترکيبات جهت قرار گرفتن در فصل مشترک مايع – مايع و تشکيل دو لايه الکتريکي در فصل مشترک، تمايل به تشکيل مايسل و کاهش کشش سطحي و ... مي شود [17].

---------------------------------------------------------------------

-1Longmuir

-2Sodium Dodecyl Sulfate

-3Surfac Active Agents , Surfactants

اين مواد به فرم هاي آنيوني، کاتيوني، زوج يوني (آمفوتر) و غير يوني تقسيم مي شود [18 ،19] بخش آب گريز يک ماده فعال سطحي شامل يک زنجير هيدروکربني است يا شاخه دار با حداقل هشت کربن مي باشد. حلاليت يک ماده فعال سطحي به شکل اين زنجيرها و تعداد کربن هاي موجود در آن بستگي دارد، به طوري که براي مواد فعال سطحي با مقدار کربن کمتر از ده، حلاليت بالا، براي کمتر از بيست، حلاليت پائين و براي حالتي که تعداد کربن ها بالاتر از بيست باشد، ماده فعال سطحي در آب نامحلول است.



شکل (1-1) طرحي از يک ماده فعال سطحي





1-7-1- خواص مواد فعال سطحي

مواد فعال سطحي، اگر در غلظت پائين در سيستمي حضور يابند در فصل مشترک دو فاز قرار گرفته و انرژي آزاد بين دو سطح را به ميزان مشخصي تغيير مي دهند. انرژي آزاد سطح²، کمترين مقدار کار لازم جهت ايجاد آن سطح مي باشد.از خواص بارز و منحصر به فرد مواد فعال سطحي اين است که يون ها يا مولکول هاي اين مواد در غلظت هاي بالاتر از يک حدمعين ( که خاص نوع آنهاستمجموعه هايي به نام مايسل را تشکيل مي دهند[17و20].



---------------------------------------------------------------------

-1Amphipathic

-2Interfacial Free Energy

اصطلاح غلظت بحراني مايسلي¹ (CMC) به ناحيه غلظتي اطلاق مي شود که در آن مايسل ها در يک سيستم حاوي حلال – ماده فعال سطحي و منومرهاي مواد فعال سطحي به صورت مجتمع در مي آيندکه به شرايط غلظتي و قدرت يوني، دما، ويسکوزيته و نوع حلال بستگي دارد و اين پارامترها سبب تغيير شکل مايسل ها (کروي، بيضوي، استوانه اي و ... ) مي شوند.







1-7-2- مکانيسم تشکيل مايسل

زماني که ماده فعال سطحي در آب حل مي شود، پل هاي هيدروژني ساختمان آب شکسته مي شوند که اين فرايند با صرف انرژي همراه است. با پخش شدن ماده فعال

سطحي در آب، مولکول هاي آب مجددا در اطراف زنجيره هيدروکربني آن، آرايش منظمي ايجاد مي کنند که در مقايسه با آب خالص، اين پديده منجر به کاهش آنتروپي مي شود و اين امر از نظر انرژي نامطلوب است. براي افزايش بي نظمي و کسب انرژي، مولکول هاي آب زنجيره هاي هيدروکربني را از خود دور مي کنند. در اين وضعيت، منومرهاي ماده فعال سطحي، به يکديگر نزديک شده و تشکيل فرم تجمع يافته اي به نام مايسل را مي دهند. تشکيل مايسل سبب افزايش آنتروپي مي باشد . غلظتي که در آن اولين مايسل در محلول ظاهر مي شود غلظت بحراني مايسل ( CMC) ناميده مي شود.

فرم مايسل به حلالي که در آن تشکيل مي شود بستگي دارد. در حلال هاي قطبي مانند آب و اتيلن گليکول، مايسل به فرم معمولي (نرمال) تشکيل مي شود. در حلال هاي غير قطبي مانند بنزن، سيکلوهگزان و ... مايسل تشکيل شده داراي فرم وارونه (معکوس) است