Výběr vhodného povlaku vláken SPME - vliv molekulové hmotnosti a polarity analytu

Robert Shirey

EU Volume 28

robert.shirey@sial.com

Předtím jsme se v časopise Reportér (svazek 23) zabývali výběrem vhodné sestavy vláken se zaměřením na jádro vlákna, rozteč jehly a konstrukci sestavy. Tento článek se zaměřuje na to, jak vybrat vhodný povlak vlákna na základě velikosti analytu a polarity. Existují 4 hlavní kritéria, která se běžně používají při výběru vhodného povlaku vlákna. Jsou to molekulová hmotnost/velikost analytu, polarita, úroveň koncentrace analytu a složitost matrice vzorku. Tento článek se zaměří na molekulovou hmotnost nebo velikost a polaritu analytu ve vztahu k povlakům vláken. Budoucí článek se více zaměří na vztah mezi koncentrací analytu a kapacitou vlákna.

Molekulární hmotnost analytu určuje, jak rychle se může pohybovat dovnitř a ven z povlaku vláknové fáze a skrz vzorek. Menší analyt se bude pohybovat rychleji a nebude tak dobře zadržován; zatímco větší analyty migrují povlakem a vzorkem pomaleji a trvá jim mnohem déle, než dosáhnou rovnováhy. Tloušťka povlaku hraje hlavní roli při určování rovnovážné doby a účinnosti desorpce analytu z povlaku vlákna (obr. 1).

Obrázek 1. Rozsah extrakce molekulových hmotností pro povlaky vláken SPME

Důležitá je také velikost a tvar molekuly. Plochá planární struktura bez substitučních skupin může interagovat s fázovým povlakem nebo adsorbentem obvykle prostřednictvím π-π interakcí. Příkladem těchto typů analytů jsou polycyklické aromatické uhlovodíky a dlouhé řetězce molekul s více dvojnými vazbami, které je činí rigidnějšími. Díky zvýšené interakci se tyto analyty účinně chovají jako analyty s molekulovou hmotností o 30-50 jednotek atomové hmotnosti (AMU) vyšší. Naopak, pokud je analyt vysoce rozvětvený nebo je aromatický se substitučními skupinami, jako je chlor nebo brom, snižuje to interakci s adsorbenty a jejich efektivní velikost je ve skutečnosti menší, pokud má substituční skupina vysokou elektronegativitu. Jelikož je velikost molekuly menší než struktura všech uhlovodíků o stejné MW, má extrakční účinnost podobnou jako molekula, která má přibližně o 30 amu menší molekulovou hmotnost. Toto číslo se mění v závislosti na stupni substituce a je pouze hrubým vodítkem.

Obecně se pro menší analyty s MW menší než 150 doporučuje povlak adsorpčního vlákna, který dokáže tyto rychle se pohybující analyty udržet. Pro tyto analyty se doporučují karboxenová vlákna, zejména při stopových koncentracích. Jiné povlaky vláken obsahující DVB a povlaky se silnější fází mohou být vhodné, zejména pokud jsou analyty ve vyšších koncentračních hladinách nebo vzorky obsahují více analytů (Obrázek 2). Na tomto obrázku jsou počty ploch označeny nad píky. Povlak vlákna Carboxen-PDMS extrahoval v průměru 200krát více těchto analytů než 100 μm vlákno PDMS.

Obrázek 2. Srovnání potahů vláken - odezva nízkomolekulárních analytů

Pro větší analyty mohou být lepší volbou absorpční vlákna (bez adsorbentů), ale pro mnoho těchto analytů jsou vhodná i vlákna obsahující divinylbenzen (DVB) s většími póry. Obrázek 3 ukazuje účinnost extrakce i některých větších analytů. Plošné odezvy pro povlaky vláken, které poskytují nejvyšší a nejnižší odezvy, byly zaznamenány se skutečnými počty ploch. Nejméně účinným vláknem pro extrakci chrysenu je Carboxen-PDMS. Tento čtyřprstenný PAU má silnou interakci s povrchem uhlíku a není účinně desorbován. Odezva je tak nízká, že se na grafu neprojeví. Přestože má dechlorbifenyl vyšší molekulovou hmotnost než chrysen, je desorbován vláknem Carboxen- PDMS účinněji, protože molekuly chloru snižují π-π interakce mezi Carboxenem a DCBP.

Obrázek 3. Srovnání povlaků z vláken - reakce polotěkavých sloučenin

Většina ostatních vláken extrahuje tyto velké nepolární analyty poměrně dobře. Hlavní roli hraje doba extrakce. Doba extrakce pro analyty uvedené na obrázku 2 byla 30 min. Větší analyty jsou účinněji analyzovány 30 μm vláknem PDMS než 100 μm, PDMS vláknem. U silnějších povlaků vláken trvá mnohem déle, než velké analyty dosáhnou rovnováhy. Rovněž desorpce z tlustších povlaků je méně účinná. Obecně jsou pro tyto větší analyty lepší volbou absorpční povlaky vláken, které neobsahují DVB nebo karboxen.

Dibutylnitrosoamin je jediným analytem v tomto grafu, který má smíšenou polaritu. Má 2 objemné nepolární butylové skupiny, ale obsahuje polární nitrosaminové seskupení. Kvůli zvýšené polaritě nebyla nepolární vlákna PDMS pro extrakci těchto analytů účinná. Pro tyto polárnější analyty byla lepší volbou polyakrylátová vlákna a vlákna obsahující adsorbent. Další alternativou je nově vyvinuté vlákno PEG.

Vlákno DVB-Carboxen bylo navrženo pro extrakci širšího rozsahu molekulových hmotností. Tento povlak vlákna se skládá z vrstvy DVB suspendované v PDMS potažené vrstvou Carboxen-PDMS. Koncepce spočívá v tom, že větší analyty budou zachyceny DVB, zatímco menší analyty budou migrovat do adsorbentu Carboxen. Tím se účinně zvyšuje rozsah molekulových hmotností, které může vlákno extrahovat. Jak ukazují obrázky 2 a 3, toto vlákno bylo dobrým kompromisem ve velmi širokém rozsahu molekulových hmotností. Jediným omezením je, že toto vlákno bude mít menší kapacitu vzorku kvůli tenčím povlakům jednotlivých vrstev.

Obrázek 4. Srovnání povlaků vláken SPME - extrakce bazických neutrálních látek, polární frakce

Druhým kritériem, které je třeba sledovat, je polarita analytu. Pro těkavé sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností jsou stále nejlepší volbou vlákna potažená karboxenem-PDMS. Jakmile se molekulová hmotnost zvýší nad 80 amu, vliv polarity vláken se pro extrakci polárních analytů stává zřetelnějším.

Existují pouze 2 polární povlaky vláken, nicméně existují případy, kdy jiná vlákna budou extrahovat i polární analyty, ale s nižší účinností. Těmito 2 polárními vlákny jsou 60 μm polyetylenglykolová (PEG) fáze a 85 μm polyakrylátová (PA) fáze. V ideálním případě chcete, aby polární vlákna byla selektivnější, aby nejen extrahovala polární analyty, ale také odpuzovala nepolární analyty. Obrázky 4 a 5 ukazují srovnání 4 různých povlaků SPME pro extrakci bazicky neutrálních analytů. Obrázek 4 ukazuje polární frakci analytů. Ve všech případech bylo pro tyto analyty nejvhodnější 60 μm vlákno PEG. Povlak PA vlákna, o něco méně polární než povlak PEG, je pro extrakci těchto analytů rovněž vhodný. Vlákno PDMS o průměru 100 μm špatně extrahovalo tyto polární analyty. Protože počty byly tak nízké, v některých případech se plošná odezva na grafu neprojevila, takže plošné počty jsou uvedeny nad sloupcem.

Obrázek 5. Srovnání povlaků SPME vláken - extrakce bazických neutrálních látek, neutrální frakce

Obrázek 5 ukazuje, že v neutrální frakci jsou analyty účinně extrahovány všemi vlákny, jak ukazují vyšší počty ploch. Zajímavé je, že pro některé neutrální sloučeniny bylo nejlepší vlákno PA, které má rádo aromatické sloučeniny. Vlákno PEG, které je podle očekávání nejpolárnější, extrahovalo tyto analyty méně účinně než ostatní vlákna. To naznačuje, že toto vlákno skutečně selektivně extrahuje polární analyty ve srovnání s ostatními vlákny SPME.