Estrazione solido-liquido (lisciviazione)

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.

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.

1. Estrazione di sostanze organiche adsorbite dal suolo

1. 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

1. 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

1. 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.

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.

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.

1. US Environmental Protection Agency. Ultrasonic Extraction, Method 3550C. Washington: Government Printing Office (2007).
2. US Environmental Protection Agency. Organochlorine pesticides by gas chromatography, Method 8081B. Washington: Government Printing Office (2007).
3. 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).
4. 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).
5. 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).

Nessun conflitto di interessi dichiarato.