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Tipps für mehr Nachhaltigkeit

Was bringt die „Grüne Chromatographie“?

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Abb.2: Alternative Möglichkeiten in den verschiedenen Schritten des Arbeitsprozesses
Abb.2: Alternative Möglichkeiten in den verschiedenen Schritten des Arbeitsprozesses
(Bild: Niub)

Für die Probenvorbereitung mittels Mikroextraktion bieten sich verschiedene Techniken an. Neben Liquid-Phase-Microextraction und Solid-Phase-Microextraction wird auch oft auf superkritisches CO2 als Extraktionsmittel zurückgegriffen. Ein Überblick über „grüne Prbobenvorbereitung“ und die folgende Auftrennung und Analyse ist auch in Abbildung 2 gegeben.

1. Liquid-Phase-Microextraction (LPME):

Bei der Liquid-Phase-Microextraction (LPME) wird der gewünschte Analyt in einer geringen Menge an organischem Lösungsmittel, die von 1 µl bis zu maximal 100 µl reichen kann, extrahiert und gleichzeitig aufkonzentriert. Dafür stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung [11].

Sehr elegant, einfach und billig ist beispielsweise die Solidified Floating Organic Drop Microextraction (SFOD), bei der höherwertige Alkohole – wie Nonanol, Decanol oder Undecanol – als Extraktionsmittel eingesetzt werden. Auf die wässrige Probe wird ein Tropfen des Extraktionsmittels gegeben, das eine geringere Dichte als Wasser und vor allem einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Unter Rühren (ca. 30 min) erfolgt zunächst die Extraktion der Analyten im Lösungsmittel. Daran anschließend wird das gesamte Gefäß im Eisbad abgekühlt. Das Extraktionsmittel mit den gelösten Analyten wird bei diesen niedrigen Temperaturen fest, kann aus der wässrigen Probe einfach entnommen und in ein anderes Gefäß überführt werden. Das Extraktionsmittel schmilzt bei Raumtemperatur wieder und die darin gelösten Analyten können weiter analysiert werden.

Wie mit der Temperatur die Trennleistung in der HPLC positiv beeinflusst werden kann, lesen Sie hier:

Die Dispersive Liquid-Liquid-Microextraction (DLLME) ist ebenfalls einfach und vor allem schnell durchführbar. Sie kombiniert die Flüssig-Flüssig-Extraktion mit der Cloud-Point-Extraktion (CPE). Bei dieser Methode erfolgt die Analytentrennung durch Extraktion mit 10 µl bis maximal 150 µl organischem Lösungsmittel, welches in diesem Fall eine höhere Dichte als Wasser besitzt, sowie einem Dispersionsmittel. Als organisches Lösungsmittel werden halogenierte Kohlenwasserstoffe verwendet oder ionische Flüssigkeiten, als Dispersionsmittel beispielsweise Aceton oder Methanol. Nach Zugabe von Extraktions- und Dispersionsmittel zur Probe bildet sich nach kurzem Schütteln eine Dispersion, in der sich die unpolaren Analyten instantan in den feinverteilten Extraktionsmitteltröpfchen lösen: Durch die Bildung der Emulsion wird die Oberfläche der unpolaren Phase vergrößert und es stellt sich augenblicklich ein Gleichgewicht ein. Im abschließenden Zentrifugationsschritt werden die dispergierten Tröpfchen mit den angereicherten Analyten abzentrifugiert und danach kann die Probe entnommen und analysiert werden.

Weitere Methoden sind die Single Drop Microextraction (SDME) oder die membranbasierte Hollow-Fibre – Liquid Phase Membrane Extraction (HF-LPME). Bei der SDME liegt die organische Phase als Tropfen vor und die Analyten reichern sich entweder aus einer wässrigen oder gasförmigen Phase heraus im Tropfen an. Die membranbasierte HF-LPME, gibt es als zwei- oder dreiphasiges System. Hier wird die wässrige Phase durch eine poröse, in organischem Lösungsmittel getränkte Membran von einem inneren Lumen getrennt, welches das organische Lösungsmittel enthält (zweiphasiges System). Beim dreiphasigen System befindet sich im Inneren der mit organischem Lösungsmittel getränkten Membran ebenfalls eine wässrige Lösung. Diese unterscheidet sich von der äußeren Lösung in ihrem pH-Wert. Die Analyten reichern sich über die Membran in der inneren Lösung an und liegen hier aufgrund des geänderten pH-Wertes entweder protoniert oder deprotoniert vor und können das Innere nicht mehr verlassen. Auf diese Weise konnten beispielsweise pharmazeutische Wirkstoffe wie Diclofenac oder Ibuprofen angereichert werden [9].

2. Solid-Phase-Microextraction (SPME):

Bei der Solid-Phase-Microextraction reichert sich der zu untersuchende Analyt in einer festen Phase an und wird in einem zweiten Desorptionsschritt wieder entfernt. Als feste Phase dienen diverse Coating-Materialien, am häufigsten wird dabei PDMS (Polydimethylsiloxan) für unpolare und PA (Polyacrylat) für polare Substanzen verwendet. [11]. Im Fall der am häufigsten verwendeten „Fiber-SPME“-Methode wird das Coating auf einer Quarzfaser aufgebracht. Diese befindet sich am Ende einer Nadel, die Teil einer modifizierten Spritze ist [12]. Diese Nadel wird entweder im Fall der Direct Immersion-SPME (DI-SPME) in die flüssige Probe eingetaucht oder aber im Fall der Headspace-SPME (HS-SPME) in die Gasphase über einer Flüssigkeit, um flüchtige Analyten zu adsorbieren. In beiden Fällen reichern sich die Analyten in der festen Phase an und können nach der Gleichgewichtseinstellung von der festen Phase gelöst werden. Diese Technik wird sehr häufig in der Gaschromatographie angewandt, kann aber mithilfe eines speziellen Interfaces auch für den Auftrag auf die HPLC genutzt werden.

Einen Überblick über die Geschichte der HPLC als Trennmethode gibt der Chromatographie-Artikel aus unserer Meilenstein-Serie:

Zwischenzeitlich wurden eine Reihe an Varianten für die SPME entwickelt, die sich dadurch unterscheiden, wo und wie das Extraktionsmaterial verwendet wird [12]. Statt an der Außenfläche einer Quarzfaser befindet sich das Coating bei der Microextraction by packed syringe (MEPS) an der Innenseite einer Nadel und kommt hier mit der Analysenlösung in Kontakt. Andere Varianten nutzen kleine Tubes, die innen beschichtet werden oder speziell beschichtete Magnetrührer, die direkt in der Lösung eingesetzt werden können und auf deren Oberfläche sich eine relativ große Menge an Analyten anreichern kann (SBSE: Stir Bar Sorptive Extraction). Weitere Abwandlungen nutzen kein Coating, sondern setzen es als Sorbensmaterial in Tubes oder Pipettenspitzen ein (In-tube SPME oder In-tip SPME). Durch die Entwicklung neuer Coatings sowie die Möglichkeit zur Automatisierung finden diese Extraktionsmethoden breite Anwendung.

3. Nutzung superkritischer Flüssigkeiten und unterstützende Maßnahmen:

Wasser und CO2 verändern im superkritischen Zustand ihre physikalischen Eigenschaften und können als umweltfreundliche und nicht-toxische Extraktionsmittel eingesetzt werden (SFE: supercritical fluid extraction). Andere Alternativen bestehen in der Behandlung durch Mikrowellen, die eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Probe erlaubt oder die Behandlung durch Ultraschall [13]. Beide Methoden werden auch gerne in Kombination mit anderen Methoden der Probenvorbereitung angewandt. Beispielsweise wird die Emulsionsbildung in der DLLME auch durch Behandlung der Probe mit Mikrowellen oder Ultraschall erreicht, wodurch andere Dispersionsmittel überflüssig gemacht werden.

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