CAPITOLUL 5 Extracţia solid-lichid (SLE)

5.1. Principiul de bază
CAPITOLUL 5
Extracţia solid-lichid (SLE)
Această tehnică de separare presupune extracţia unor componenţi dintr-o probă
solidă sau semi-solidă într-un solvent adecvat. Pentru alegerea solventului, solubilitatea
analiţilor de interes este cel mai important criteriu. De asemenea, alegerea solventului
presupune cunoaşterea parţială a matricei în care analiţii de interes se găsesc, pentru a
evita pe cât posibil co-extracţia unei părţi din matrice concomitent cu analiţii, deşi de cele
mai multe ori această cerinţă nu este posibilă. Astfel, analiţii anorganici sau organici cu
caracter hidrofil se pot extrage din probe solide în apă, sau în soluţie apoasă cu pH
controlat, în timp ce compuşii organici hidrofobi se extrag în solvenţi organici
corespunzători. Astfel, vitaminele hidrosolubile se pot extrage din probe alimentare solide
utilizând apa sau soluţii tampon ca solvent, pe când vitaminele liposobile se pot extrage
în diverşi solvenţi organici, miscibili sau nemiscibili cu apa.
In practică este puţin probabil ca un solvent să extragă numai analiţii de interes şi
de aceea, de multe ori, soluţia rezultată urmează în continuare o procedura de prelucrare
pentru eliminarea unei părţi din interferenţi. Randamentul de extracţie în această variantă
este influenţat de:
- mărimea particulelor solide;
- timpul de contact între probă şi solvent;
- temperatură;
- natura solventului;
- natura interacţiilor dintre analit şi matricea probei solide.
Natura interacţiilor analit-matrice a probei diferă de interacţiile care intervin în
cazul extracţiei în fază solidă (SPE), iar prin urmare această metodă nu poate fi privită ca
una opusă SPE. Acestea depind de compoziţia şi provenienţa probei, iar în general sunt
mai puţin cunoscute. In principiu, analiţii pot fi adsorbiţi pe suprafaţa specifică a
particulelor probei, când interacţia poate fi învinsă prin utilizarea unui solvent cu o mare
afinitate (solubilitate) pentru analit, sau moleculele de analit pot fi înglobate fizic în
matricea probei, iar în acest caz pentru extracţia acestora este nevoie de distrugerea
fizică a texturii probei. Adesea, însă, aceste metode sunt aplicate pe baza unor parametrii
empirici care ţin de solubilitatea analiţilor în solventul ales şi de modul de lucru aplicat.
Natura interacţiilor analit-matrice depinde în mare măsură de provenienţa probei.
De exemplu, într-un fel interacţionează hidrocarburile policiclice aromatice (PAHs),
provenite din procesele de ardere atmosferică a combustibililor fosili, cu matricea solidă a
pulberilor din aer, unde sunt adsorbite pe suprafaţa micro-particulelor de praf. Altfel însă,
vor interacţiona aceleaşi hidrocarburi cu matricea solidă a negrului de fum, rezultat în
procesele de chimizare a hidrocarburilor alifatice inferioare, unde din cauza unor reacţii
incomplete de descompunere elementară se pot forma şi aceste specii PAHs. In acest
ultim caz, practic PAHs sunt înglobate în reţeaua solidă a particulelor de carbon, de unde
se pot extrage mai greu, datorită forţelor mai puternice dintre aceste molecule şi reţeaua
micro-cristalinică a negrului de fum.
82

5.2. Extracţia Soxhlet
Cea mai cunoscută tehnică de extracţie solid-lichid poartă numele de tehnică
Soxhlet, care se efectuează practic într-un aparat de extracţie cu acelaşi nume (Fig. 5.1).
Această metodă se bazează pe o diferenţă mare dintre punctele de fierbere ale
solventului şi cele ale analiţilor extraşi. Pe baza acestei proprietăţi extrasul este adus la o
temperatură de fierbere a solventului, care va condensa într-un refrigerent şi va reveni în
cartuşul care conţine proba de extras. Prin realizarea mai multor cicluri de extracţie,
randamentul procesului poate fi controlat astfel încât randamentul de extracţia să fie
maxim.
Practic, procedurile de extracţie Soxhlet trebuie să cuprindă următoarele etape:
- uscarea corespunzătoare a probei, dar astfel încât să nu se piardă din cantitatea de
analit din probă;
- mărunţirea acesteia (de obicei prin mojarare) pentru asigurarea unui contact cât mai
bun între matricea probei şi solvent;
- estimarea volumului probei (în mL);
- alegerea cartuşului de extracţie (se pot folosi cartuşe mici, intermediare şi cu volum
mare de extracţie);
- alegerea solventului potrivit pentru extracţie, astfel încât acesta să dizolve cât mai
selectiv analiţii de interes faţă de alţi componenţi din matricea probei;
- estimarea volumului de solvent utilizat pentru extracţie, la care se ţine cont şi de
volumul probei extrase;
- estimarea timpului de fierbere şi de extracţie;
- efectuarea procedurii propriu-zise de extracţie, care are o durată funcţie de numărul
ciclurilor de extracţie şi a timpului unui ciclu;
- stoparea procedurii se face atunci când analiţii sunt extraşi cantitativ, iar o parte a
solventului evaporat va rămâne condensat în cartuş (în felul acesta concentrarea
este asigurată printr-un volum mai mic de solvent în balonul în care se culege
acesta);
- analiza conţinutului extrasului printr-o tehnică analitică adecvată.
Randamentul de extracţie este estimat pe amestecuri sau probe sintetice (cu
matricea cât mai apropiată de cea a probei de analizat), în care se cunoaşte cantitatea
de analit adăugată, manalit(proba). După determinarea cantităţii de analit din solventul
utilizat în extracţie, manalit(solvent), randamentului de extracţie este dat de relaţia simplă:
η%
manalit
( solvent)
= ⋅100
(5.1)
manalit
( proba)
Extracţia Soxhlet se aplică, de regulă, probelor solide sau ″semisolide″. Probe de
analizat, precum plante sau părţi din ele, ţesuturi animale, sol, cărbune şi şisturi sunt mai
întâi mărunţite şi aduse într-o formă de pulbere foarte fină pentru a mări suprafaţa de
contact în procesul de extracţie. Analiţii extraşi se vor concentra în balonul în care se află
solventul de extracţie.
Două inconveniente principale pot totuşi interveni în cadrul tehnicii de extracţie
Soxhlet. Primul se referă la faptul că extractul este expus pe tot parcursul procesului la
temperatura de fierbere a solventului, care dacă este foarte ridicată, poate afecta unii
analiţi din probă, labili din punct de vedere termic. Al doilea inconvenient îl constituie
83

concentraţia mică în final datorită cantităţii mari de solvent utilizată; o parte din solvent ar
putea fi înlăturată prin antrenare cu un curent de gaz inert, dar acesta poate antrena pe
lângă solvent şi o parte din analiţii extraşi în el. Utilizarea de solvenţi cu puncte de
fierbere foarte joase poate înlătura aceste două inconveniente.
Dacă se introduce un extractor Soxhlet într-o cameră de presiune ridicată, astfel
încât presiunile din interiorul şi exteriorul extractorului sunt egale, atunci se pot utiliza
lichide cu puncte de fierbere mici, precum freon 12 (CCl2F2), amoniac sau chiar bioxid de
carbon. Avantajele acestei variante sunt în general date de cele atribuite extracţiei în
fluide supercritice, discutată în 7.4.
Cartuş pentru probă
Solvent
de extracţie
Refrigerent
Aplicaţii analitice
Fig. 5.1. Componentele de bază ale unui extractor Soxhlet.
Această metodă se poate aplica în cazul probelor alimentare, probe de mediu,
probe biologice, etc. [56] Câteva exemple concrete sunt redate sumar în Tabelul 5.1.
Un exemplu de aplicaţie a acestei metode se referă la determinarea
hidrocarburilor policiclice aromatice (PAHs) sau nitro-derivaţii lor din aer (NO2-PAHs, care
se pot forma în atmosferă datorită unor reacţii chimice radicalice, v. Fig. 5.2). [57]
Concentraţiile determinate pentru aceşti poluanţi sunt de ordinul ng/m 3 aer. Prelevarea
probelor în vederea reţinerii particulelor în suspensie din aer ce pot conţine şi NO2-PAHs
84
Apă de răcire
Sursă de încălzire

se poate realiza prin trecerea aerului timp de 12 ore până la 24 ore, cu debit mare şi
măsurat, prin filtre din fibră de cuarţ, capabile să reţină particule până la un diametru de
10 μm. După prelevare, aceste filtre sunt stocate în folii de aluminiu, care la rândul lor
sunt păstrate în pungi de plastic, la o temperatură joasă (-10°C). Prelucrarea acestor
probe reţinute pe filtre se face prin extracţie Soxhlet, utilizând ca solvent un amestec de
CH2Cl2 şi CH3Cl. Determinarea NO2-PAHs din probele obţinute prin extracţia Soxhlet se
face prin cromatografie de gaze pe coloană capilară (CGC) cu detecţie prin spectrometrie
de masă (MS) pentru confirmarea structurală a analiţilor determinaţi.
Tabel 5.1. Câteva exemple de aplicaţii analitice ale extracţiei Soxhlet.
Proba Analiţi Solvent Condiţii de extracţie
Tehnica
cromatografică
Propolis
26 compuşi
fenolici
Eter de petrol 40 - 60°C, 3 h.
HPLC, detecţie
UV
Seminţe de
legume
Saponine Metanol 50 h. TLC
Sedimente
de râu
Pesticide
organo-clorurate
Hexan/acetonă
(1 : 1)
10 h GC-ECD
Sol Piridină CH2Cl2 GC-MS
Emisii
Dioxine,
Dibenzofurani
Toluen
Reţinere
pe XAD-2,
extracţie 24 h
GC-MS
Pigmenţi
Dioxine,
Dibenzofurani
CH3Cl/Toluen
(19 : 1)
24 h GC-MS
Peşte
Arsenobetaine
Arsenocholine
CHCl3 şi
CH3OH
-
HPLC cu
AAS off-line
Chelidonium
majus
Alcaloizi CHCl3 2 h
HPLC,
detecţie UV
Peşte PCBs
Rădăcini de
Plumbago
Zeylanica
Nuca de
Hexane/CH2Cl2
(1:1)
Plumbagin CHCl3 4 h
85
3 h GC-MS
HPLC,
detecţie UV
pecan
Tocoferol Hexane - HPLC-FLD
Tulpini,
frunze
Flavonoide 95% etanol -
TLC,
detecţie UV
Seminţe Carbaril
Acetonă, hexan
sau metanol
4 h
HPLC,
detecţie UV
Seminţe de
cacao
Trigliceride
Eter de petrol
(p.f. 40-60°C) -
dietileter (1:1)
4 h
HPLC cu
detecţie de
indice de
refracţie
Sol
2,4,6trinitrotoluene
CH3OH -
HPLC,
detecţie UV
Filtru de ţigări Benz[c]acridină Clorbenzen - HPLC-FLD
Sol Fluazifop Acetonă 18 h
HPLC,
detecţie UV

+ X .
Fig. 5.2. Mecanismul de formare în atmosferă a nitro-PAHs, în prezenţa radicalilor X·.
De cele mai multe ori, în cazul compuşilor organici extraşi prin această metodă,
proba rezultată este analizată printr-o tehnică cromatografică, ţinând cont de
complexitatea sa. Există situaţii în care proba rezultată poate fi prelucrată în continuare şi
analizată în final printr-o tehnică spectrometrică. De exemplu, determinarea parationului
(insecticid extrem de toxic, din clasa esterilor tiofosforici) din probe vegetale se bazează
pe o extracţie Soxhlet, utilizând dietileterul ca solvent de extracţie. Extrasul final este
adus la sec, prin evaporarea solventului, iar reziduul rezultat este supus unei hidrolize
bazice, cu formarea p-nitrofenolului, compus ce poate fi determinat prin spectrometrie de
absorbţie moleculară în ultraviolet.
Atunci când proba conţine apă de umectare randamentele de extracţie sunt mici,
deoarece contactul solventului organic cu matricea solidă este împiedicat. De aceea,
proba trebuie uscată înaintea extracţiei, încălzirea fiind puţin recomandată pentru a evita
pierderile de analit prin încălzire. O soluţie practică este adăugarea la probă a unui agent
de uscare (desicant) anorganic (vezi tabelul 3.3).
In anul 1994 a fost acceptat de către EPA sistemul de extracţie Soxhlet automat,
comercializat sub denumirea de Soxtec. Extracţia cu acest sistem se efectuează în trei
etape distincte: 1) aducerea solventului la punctul de fierbere, etapă în care cartuşul
conţinând proba este imersat în solvent; 2) ridicarea cartuşului deasupra solventului, iar
picăturile de solvent condensat vor cădea în cartuş, preluând analiţii solubilizaţi; 3) etapa
de concentrare, în care solventul recuperat este evaporat la un volum mic (1 – 2 mL) cu
ajutorul sistemului de concentrare Kuderna-Danish.
5.3. Extracţia accelerată cu solvent
H
O 2 N O P
X
.
S
H
+ NO 2
(Piren) (2-Nitropiren)
O-C 2 H 5
O-C 2 H 5
(NaOH) O2N ONa
Extracţia accelerată cu solvent (ASE – „accelerated solvent extraction”) este o
metodă nouă de extracţie, bazată pe utilizarea temperaturii şi presiunii înalte pentru a
accelera cinetica dizolvării şi a desface legăturile de interacţie analit-matrice. Din acest
motiv, această metodă mai este numită şi extracţie presurizată cu lichid (solvent). In plus,
prin creşterea temperaturii scade viscozitatea solventului, ceea ce face ca acesta să
penetreze mai uşor matricea solidă a probei. In felul acesta, timpul de extracţie se reduce
de la zeci de minute la maximum câteva minute, iar probele de extras pot fi în cantităţi
86
H
X
H
NO 2
- HX
NO 2

mici. Această metodă este o alternativă la extracţia Soxhlet sau la extracţia cu fluide
supercritice.
După cum se menţiona în cap. 5.1 în cazul înglobării moleculelor de analit în
textura (structura) fizică a particulelor probei solide acestea pot fi extrase doar dacă
textura este distrusă fizic: aceasta se poate realiza mai uşor utilizând procedura ASE.
Dispozitivele în care se efectuează o astfel de extracţie trebuie să reziste la
presiuni înalte; probele şi solventul fiind introduse într-o incintă închisă şi încălzită.
Temperatura mare (50 - 200°C) accelerează difuzia moleculelor de solvent în textura
probei, iar presiunea mare care se obţine menţine solventul în stare lichidă. Operaţia se
efectuează într-o celulă de extracţie care trebuie să reziste la presiune înaltă. Volumul
acesteia este standardizat: 11; 22 sau 33 mL capacitate.
Etapele principale ale unei proceduri ASE (statice) sunt următoarele:
- introducerea probei în celula de extracţie;
- umplerea cu solvent;
- încălzirea şi presurizarea celulei;
- golirea celulei prin purjarea cu ajutorul unui flux gazos (N2);
- culegerea extractului într-o fiolă în vederea analizei sau a unei alte etape de prelucrare
(evaporare solvent, derivatizare).
Sistemele ASE sunt total automatizate. Se cunoaşte şi modalitatea dinamică, mai
rar utilizată, prin care solventul trece în mod continuu prin celula de extracţie, dar
consumul de solvent este mare. Schema unui sistem bazat pe extracţie cu solvent
accelerată, realizat pentru prima dată de Dionex Corporation, este redată mai jos.
1
2 3
N2
4
Fig. 5.3. Componentele unui sistem ASE: 1 – rezervorul; 2 – pompă; 3 – valva de pompă;
4 – valva de purjare; 5 – celula de extracţie; 6 – incinta de termostatare; 7 – valva statica;
8 – fiolă (vial) de colectare.
Acest procedeu este recomandat de U.S. EPA pentru extracţia PAHs, [57]
pesticidelor şi insecticidelor organoclorurate, compuşilor bifenilpolicloruraţi (PCBs), sau a
pesticidelor organofosforice din probe solide din mediu, în vederea analizei lor prin
diverse tehnici cromatografice. Solvenţii cei mai recomandaţi pentru extracţie în această
variantă a unor poluanţi organici prioritari din probe de mediu sunt redaţi în tabelul
următor.
Există posibilitatea controlului selectivităţii acestui procedeu, prin introducerea
87
6
5
7
8

alături de probă a unui adsorbant, care să reţină o parte a analiţilor extraşi din probă. De
exemplu, la extracţia PCBs din matrici biologice cu conţinut lipidic prin adăugarea unui
adsorbant alături de probă permite extracţia selectivă a acestor compuşi poluanţi şi
reţinerea gliceridelor pe adsorbant.
Se cunosc aplicaţii ale acestei metode şi la extracţia monomerilor şi oligomerilor
din matrici polimerice, antioxidanţilor din polietenă de joasă densitate, sau chiar a unor
substanţe active din produse farmaceutice. Compuşii graşi din diverse seminţe pot fi
extraşi cu randamente mari prin acest procedeu rapid.
Tabel 5.2. Solvenţi recomandaţi de EPA pentru extracţia cu solvent accelerată
a unor poluanţi organici din probe de mediu. [58]
Clasă de poluanţi Solvent de extracţie
Pesticide organoclorurate
PCBs
Compuşi organici semi-volatili
Acetonă/hexan (1 : 1)* sau
acetonă/diclormetan (1 : 1)
Pesticide organofosforice Diclormetan sau acetonă/diclormetan (1 : 1)
Erbicide clorurate
Dibenzofurani policloruraţi
Dibenzo-p-dioxine policlorurate
* raport exprimat ca volum/volum.
acetonă/diclormetan/soluţie H3PO4
(250 : 125 : 15) sau
acetonă/diclormetan/CF3COOH
(250 : 125 : 15)
5.4. Extracţia cu solvent asistată de microunde
Toluen, sau soluţie 5% acid acetic glacial în
toluen
Microundele reprezintă radiaţia electromagnetică în domeniul de frecvenţă situat
între 0,3 şi 300 GHz (corespunzătoare lungimii de undă între 0,1 şi 100 cm). Ele se
situează între frecvenţele radio şi infraroşu. Microundele pot fi utilizate pentru încălzirea
materialelor, principiu bazat pe absorbţia radiaţiei şi disiparea căldurii dezvoltate în
interiorul materialului. Iniţial, acest procedeu bazat pe microunde a fost utilizat pentru
dezagregarea probelor solide cu scopul îndepărtării constituenţilor organici, ca o
alternativă la dezagregarea probelor în mediu acid sau puternic bazic. In felul acesta se
poate elimina matricea organică interferentă în determinarea speciilor metalice prin
spectrometrie de absorbţie atomică cu flacără.
Extracţia cu solvent asistată de microunde (MASE – „Microwave-Assisted Solvent
Extraction”) s-a dezvoltat pornind de la aplicaţiile menţionate mai sus, fără însă a îşi
propune o dezagregare a probei. Proba solidă şi solventul sunt supuse unui tratament cu
microunde, care accelerează procesul de extracţie datorită încălzirii sistemului. In acest
caz se utilizează un solvent polar sau un amestec de solvenţi polari miscibili, datorită
faptului că solvenţii nepolari nu absorb aproape de loc radiaţia de microunde. Benzile de
frecvenţă utilizate în laboratoare pentru aceste aplicaţii sunt următoarele: 915; 2450;
88

5800 sau 22125 MHz. Puterea dezvoltată de aceste microunde se situează între 300 şi
700 W.
In timpul tratamentului cu microunde, două procese principale determină
absorbţia radiaţiei de microunde de către probă: rotaţia dipolilor şi conducţia ionică.
Maximul de absorbţie a radiaţiei este situat la frecvenţa:
1
ν = (5.2)
2 ⋅ π ⋅ τ
, unde τ este timpul de relaxare dielectric.
Conducţia ionică este un proces de migrare al ionilor în soluţie datorat unui câmp
electromagnetic aplicat. Frecarea dintre ioni şi moleculele din soluţie generează căldură.
Aceasta este echivalentă cu un flux de curent care are ca rezultat o cantitate de căldură
dată de legea lui Joule:
Q = I 2 R (5.3)
, unde I este intensitatea curentului electric, iar R – rezistenţa la fluxul de ioni.
Solvenţii polari, precum acetona, metanolul, sau diclormetanul se încălzesc rapid
sub influenţa microundelor. In schimb, hexanul, benzenul sau chiar toluenul nu pot fi
încălziţi prin acţiunea microundelor, deoarece neavând moment de dipol nu absorb
radiaţia de microunde.
Experimental, MASE se aplică probelor solide, care sunt introduse într-un solvent
organic sau un amestec de solvent organic şi apos, şi apoi iradiat sistemul pentru un
interval scurt de timp (0,5 până la 10 minute). După răcirea sistemului, soluţia de
supernatant (extractul) este decantat, iar matricea solidă este spălată de câteva ori cu
solventul utilizat, care se adăugă extractului. In cazul în care se utilizează solvenţi
nepolari (cum este hexanul), care nu absorb radiaţia de microunde, se procedează la
adăugarea unui solvent polar, până în 10%.
Componentele de bază ale unui sistem MASE cuprind generatorul de microunde
(magnetron), un element de direcţionare a microundelor, o cavitate rezonantă şi o sursă
de alimentare cu curent electric. Această procedură se poate aplica la presiune
atmosferică şi la punctul de fierbere al solventului (în sistem deschis când pierderea de
solvent se evită prin condensarea vaporilor şi revenirea lor în extractor), sau la presiune
ridicată (în sistem închis, când presiunea din sistem creşte în timpul extracţiei). [59]
Exemple de aplicaţii ale acestei tehnici se referă în special la extracţia unor
compuşi poluanţi (PAHs, PCBs, fenoli, pesticide organo-clorurate, erbicide, compuşi
organo-stanici) din probe de mediu (sol, sedimente, particule din atmosferă, nisip,
cenuşă). Se cunosc aplicaţii referitoare la extracţia unor aditivi din materiale polimerice, a
unor contaminanţi sau substanţe nutritive din produse de importanţă alimentară, sau a
unor substanţe active din formulaţii farmaceutice.
89