استخراج فاز جامد؛ مزایا، کاربردها و روش کار

استخراج فاز جامد تجزیه ای چیست و برای چه مواردی استفاده می شود؟ مراحل کار در این روش تجزیه ای چیست و چطور برای آنالیز نمونه ها به کار می رود؟ روش های آماده سازی نمونه در استخراج فاز جامد چگونه است؟

در این مطلب به طور اجمالی به توضیح این موارد می پردازیم.

استخراج فاز جامد (SPE)، solid phase extraction، یکی از بهترین تکنیک هایی است که برای خالص سازی و تغلیظ نمونه ها قبل از تجزیه و آنالیز به روش های کروماتوگرافی گازی (GC)، gas chromatography یا کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC)، high performance liquid chromatography استفاده می شود.

در این روش از کارتریج های SPE عمدتاً استفاده می شود. کارتریج ها ستون هایی هستند که با یک بستر جاذب کروماتوگرافی پر شده اند، آنالیت ها از داخل ستون عبور می کند، نمونه مورد مطالعه روی بستر جاذب باقی می ماند و ماتریس از ستون عبور می کند. سپس بستر جاذب برای حذف مواد یا عناصر تداخل کننده، با محلول مناسب شسته می شود، سپس از حلال شستشو برای شستشوی آنالیت ها از ستون استفاده می شود.

بیشتر بخوانید: ترجمه تخصصی متون شیمی تجزیه

انواع جاذب در روش  استخراج فاز جامد و کاربرد آنها

چهار نوع اصلی از فاز جاذب در روش تجزیه ای SPE وجود دارد که عبارت است از: جاذب های غیر قطبی، جاذب های قطبی، تبادل جاذب های یونی و جاذب های مخلوط.

فاز جاذب غیرقطبی در روش SPE حاوی گروه های عاملی غیر قطبی هستند، به عنوان مثال، ۱۸C، ۸C، فنیل (phenyl)، سیکلوهگزیل (cyclohexyl) و غیره. آنالیت از طریق نیروهای وان دروالس با سطح جاذب برهمکنش دارد. یک جاذب غیر قطبی معمولاً برای استخراج گروه های عاملی غیر قطبی از ماتریس های قطبی مانند آب انتخاب می شود.

فازهای جاذب قطبی در روش SPE شامل گروه های عاملی قطبی مانند دی اُل، آمینوپروپیل (aminopropyl) و سیلیس بدون پیوند هستند. جاذب های قطبی برای استخراج آنالیت های قطبی از ماتریس های غیرقطبی استفاده می شوند؛ گروه های عاملی قطبی آنالیت می توانند از طریق برهمکنش های پیوند دو قطبی – دو قطبی یا پیوند هیدروژنی با بستر جاذب تعامل داشته باشند.

فازهای جاذب تبادل یونی در روش SPE به دو شکل آنیونی و کاتیونی موجود هستند. از این فازها برای استخراج آنالیت هایی با گروه های عاملی قلیایی (کاتیونی) یا اسیدی (آنیونی) استفاده می شود. جاذب های تبادل یونی آنیونی (Anionic-exchange sorbents) از گروه های عاملی با بار مثبت و جاذب های تبادل یونی کاتیونی (cationic-exchange sorbents) از گروه های عاملی با بار منفی تشکیل شده اند. این سطوح از طریق برهمکنش های الکترواستاتیکی با یک آنالیت با بار مخالف، با همدیگر در تعامل هستند.

فاز جاذب مخلوط در روش SPE دارای دو یا چند حالت مختلف هستند؛ رایج ترین جاذب های حالت مخلوط در سطح خود دارای گروه های آبگریز و تبادل یونی هستند.

بیشتر بخوانید: کامپوزیت چیست؛ تعریف، خواص، انواع و کاربردها

نکات مهم در انجام روش استخراج فاز جامد

۱- مرحله شستشو (شویش) – The elution stage

برای اینکه یک آنالیت از سطح فاز جاذب شسته شود، تعامل بین آنالیت و جاذب باید حذف شود. برای سطوح غیر قطبی، این مرحله به معنای استفاده از حلال غیر قطبی مانند متانول است. برعکس، برای آنالیت های قطبی که از بسترهای جاذب قطبی شسته می شوند باید از یک حلال قطبی برای شستشوی آنالیت استفاده شود، مانند اتیل استات.

شستشوی آنالیت از بستر جاذب تبادل یونی با سه مکانیسم مختلف امکان پذیر است؛ ۱) با استفاده از یک بافر با قدرت یونی بالا؛ ۲) از طریق تغییر pH، با افزودن یک اسید یا یک باز؛ و ۳) با استفاده از بافرهایی که میل ترکیبی بالا نسبت به سطح جاذب داشته و یون های متضاد دارند.

برای شستشو و آنالیت از بستر جاذب های مخلوط، هر دو مکانیسمی که توسط آن آنالیت به سطح متصل می شود، باید مختل شوند. به عنوان مثال، آنالیت های روی بسترهای جاذب با ویژگی های آبگریز و تبادل یونی، اغلب با استفاده از یک حلال غیر قطبی، با مواد اسید، قلیا یا بافر مناسب شسته می شوند.

۲- انتخاب بستر جاذب – Sorbent selection

هنگام انتخاب جاذب مناسب برای انجام روش استخراج فاز جامد تجزیه ای، SPE، باید عواملی از جمله آنالیت هدف، ماتریس نمونه و مقدار نمونه مورد تجزیه و تحلیل را در نظر بگیرید.

جاذب SPE باید با گروه های عاملی آنالیت و همچنین قطبیت آن انتخاب می شود. هر ویژگی دیگری که ممکن است برای یک آنالیت، منحصر به فرد باشد نیز باید در نظر گرفته شود؛ از جمله، خواص یونی، ویژگی های آروماتیک و قطبیت.

ویژگی ها و ماهیت ماتریس نمونه نیز مهم است. نمونه های آبی باید با استفاده از فاز معکوس SPE (یعنی آنالیت غیر قطبی با جاذب غیر قطبی) جداسازی شوند. تحقیق بر روی نمونه‌های موجود در حلال‌های آلی، برای روش SPE فاز معمولی (آنالیت قطبی با جاذب قطبی) مناسب‌تر است.

برای اینکه نمونه مورد نظر در ماتریس صحیح و بر روی یک جاذب مناسب مورد مطالعه قرار گیرد، به آماده سازی نمونه نیاز است. آماده سازی نمونه ها قبل از انجام روش های تجزیه ای اغلب در مورد نمونه‌های بیولوژیکی باید انجام گیرد؛ به این ترتیب ممکن است به یک بستر جاذب قطبی یا انتقال به یک حلال غیر قطبی نیاز داشته باشند.

۳- جرم جاذب – Sorbent mass

انتخاب جرم جاذب برای روش استخراج فاز جامد تجزیه ای به غلظت نمونه و تکنیک تحلیلی مورد استفاده بستگی دارد. جرم ترکیبات باقیمانده که توسط جرم معینی از جاذب نگه داشته می شود، ظرفیت جاذب (sorbent capacity) نامیده می شود.

۴ مرحله استخراج فاز جامد

اولین گام در SPE، پیش تصفیه نمونه (Sample Pretreatment) است. این مرحله، بسیار مهم است زیرا حفظ آنالیت روی بستر جاذب را بهینه سازی می کند. آماده سازی نمونه با روش SPE باعث می شود آنالیت برای ورود به مراحل آنالیز با روش های کروماتوگرافی، آماده شود. نحوه پردازش نمونه به عواملی از جمله آنالیت، جاذب و ماتریس نمونه بستگی دارد.

در مرحله بعد، شرایط بستر جاذب باید متعادل و تنظیم شود، به اصطلاح می گوییم، بستر باید Condition شود. این کار به منظور حذف هرگونه ناخالصی که ممکن است در طول فرآیند، باقی مانده باشد انجام می گیرد. تنظیم شرایط بستر جاذب می تواند سطوح آن را فعال کند تا بتواند با آنالیت، تعامل بهتری برقرار سازد.

پس از آماده سازی (conditioning)، شرایط جاذب، درست قبل از ورود نمونه، تنظیم می شود. این کار بسیار مهم است زیرا یک محیط شیمی مشابه را برای جاذب و نمونه ایجاد می کند. اگر این کار انجام نشود، نمونه ممکن است شیمی جاذب SPE را تغییر دهد؛ این مغایرت ها منجر به نتایج غیر قابل تکرار و بازیابی ضعیف آنالیت در روش استخراج فاز جامد می شود.

سپس در ادامه مراحل استخراج فاز جامد تجزیه ای، نمونه بر روی ستون SPE بارگذاری می شود یا به اصطلاح، نمونه به داخل ستون های SPE تزریق می شود. هنگام ورود نمونه بر روی جاذب باید آن را با سرعت کنترل شده اضافه کرد تا آنالیت بتواند به طور موثر با بستر جاذب تعامل داشته باشد.

پس از آن، شویش نمونه انجام می شود تا ذرات اضافی یا آلودگی ها را از بین ببرد و نمونه را تمیز کند. خواص یک حلال شستشو دهنده این است که قدرت شویش قوی‌تری نسبت به حلال نمونه دارد، اما قدرت شستشوی آن نسبت به حلال شویش نهایی، ضعیف‌تر است. اختلاف بین قدرت حلال برای عبور از ستون های SPE، در واقع معین می کند که آنالیت شسته نشود اما ناخالصی ها یا آلاینده های ناخواسته شسته شوند.

در نهایت از یک حلال شستشو دهنده برای خارج کردن نمونه از بستر جاذب استفاده می شود. یک حلال مناسب برای شستشوی آنالیت از روی بستر جاذب بر اساس توانایی آن در برهم زدن تعامل بین آنالیت و بستر جاذب انتخاب می شود.

بیشتر بخوانید: سیر تا پیاز ترجمه مقالات شیمی

مزایای استخراج فاز جامد تجزیه ای – Advantages of Solid Phase Extraction

استخراج فاز جامد در صنایع مختلف مانند داروسازی، پزشکی قانونی، محیط زیست و مواد غذایی، صنایع شیمیایی، کشاورزی، آزمایشگاه های تحقیقاتی و دانشگاه ها و … کاربرد دارد.

SPE یک تکنیک کاربردی و همه کاره است و نیاز به استفاده از طیف وسیعی از حلال‌های آلی مختلف را رفع می‌کند؛ منظور، حلال‌هایی است که در روش استخراج مایع – مایع (LLE)، liquid-liquid extraction استفاده می‌شوند. مصرف کمتر حلال به معنای مصرف سایر مواد شیمیایی و یا معرف های سمی است. همچنین SPE، قدرت جداسازی و دقت بیشتری نسبت به روش LLE دارد.

ترجمه تخصصی: اولتراشیمی