CC BY
87Научная статья
УДК 543
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.048
ГЛУБОКИЕ ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ РАСТВОРИТЕЛИ В ХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ. ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ.
Андрей Юрьевич Шишов
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия, andrey.shishov.rus@gmail. com
Аннотация
Глубокие эвтектические растворители (ГЭР) представляют собой смесь двух или более компонентов, температура плавления которой существенно ниже температур плавления исходных веществ. Экологическая безопасность, простота приготовления в лабораторных условиях и низкая стоимость привели к тому, что они в последнее время находят все более широкое применение в аналитической химии. Наибольшее распространение ГЭР получили в методах разделения и концентрирования как эффективные экстрагенты для выделения как гидрофобных, так и гидрофильных аналитов из различных объектов анализа. Однако возможность их применения не ограничивается использованием только в качестве экстрагентов. Представлена классификация ГЭР по критерию их стабильности в водной фазе, рассмотрены возможности и примеры выделения аналитов из жидких, твердофазных и газообразных проб в фазу ГЭР. Кроме того, изучены различные схемы реализации жидкостной микроэкстракции на принципах образования и разрушения ГЭР и способы их автоматизации на принципах проточных методов. Продемонстрирована возможность применения эвтектических соединений в качестве эффективных диспергаторов при проведении дисперсионной жидкостной экстракции. Показана возможность одновременного применения эвтектических растворителей и как экстрагентов, и как реактивов при дериватизации аналитов для перевода их в аналитическую форму непосредственно в процессе экстракции, а также возможность модификации различных сорбционных материалов эвтектическими растворителями для метода твердофазной микроэкстракции. Затронуты проблемы и ограничения, связанные с применением ГЭР в химическом анализе, а также основные перспективы развития данного направления.
Ключевые слова:
глубокие эвтектические растворители, аналитическая химия, экстракция
Благодарности:
работа поддержана грантом Российского научного фонда 20-73-00043. Научные исследования частично выполнялись в ресурсном центре «Методы анализа состава вещества» Санкт-Петербургского государственного университета.
Original article
DEEP EUTECTIC SOLVENTS IN CHEMICAL ANALYSIS. OPPORTUNITIES AND LIMITATIONS. Andrey Yu. Shishov
Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia, andrey.shishov.rus@gmail.com
Abstract
Deep eutectic solvents (DES) are a mixture of two or more components, the melting point of which is significantly lower than the melting points of the starting materials. Environmental safety, ease of preparation in the laboratory, and low cost of DES have led to the fact that they have recently found increasing use in analytical chemistry. DES are most widely used in separation and concentration methods as effective extractants for the isolation of both hydrophobic and hydrophilic analytes from various objects of analysis. However, the possibility of their application is not limited to use only as extractants. This paper presents the classification of DES according to the criterion of their stability in the aqueous phase, the possibilities and examples of the separation of analytes from liquid, solid-phase and gaseous samples into the DES phase are also considered. In addition, various schemes for the implementation of liquid microextraction based on the principles of the formation and destruction of DES and methods for their automation based on the principles of flow methods are considered. The possibility of using eutectic compounds as effective dispersants in dispersive liquid extraction has been demonstrated. The possibility of simultaneous use of eutectic solvents both as extractants and as reagents for the derivatization of analytes to convert them into an analytical form directly in the extraction process, is shown. The possibility of modification of various sorption materials with eutectic solvents for the method of solid-phase microextraction, is shown. The paper touches upon the problems and limitations associated with the use of DES in chemical analysis, as well as the main prospects for its development.
Keywords:
deep eutectic solvents, analytical chemistry, extraction
Acknowledgments:
the work was supported by Russian Science Foundation grant 20-73-00043. The research was partially carried out at the Resource Center "Methods of the Substance Composition Analysis" of the Saint Petersburg State University.
Введение
На сегодняшний день в аналитической химии большое внимание уделяется новому классу экологически безопасных и высокоэффективных растворителей — глубоким эвтектическим растворителям, состоящим из двух или более исходных компонентов, которые способны образовывать между собой водородные связи, что приводит к существенному понижению температуры плавления данной системы и обуславливает тот факт, что многие ГЭР находятся в жидком состоянии при нормальных условиях. Такие растворители недавно появились в аналитический практике, но уже зарекомендовали себя как эффективные и экологически безопасные экстрагенты для выделения и последующего определения большого числа аналитов.
В настоящее время ГЭР рассматриваются как более доступные и экологичные аналоги ионных жидкостей. Они обладают многими схожими химическими и физико-химическими свойствами, такими как плотность, вязкость, электрическая проводимость и растворяющая способность. Последнее привело к тому, что наибольшее применение они получили в качестве эффективных и селективных экстрагентов для выделения большого числа аналитов из твёрдых, жидких и газообразных проб сложного состава. Однако это не ограничивает сферу их применения. Актуальным направлением современной аналитической химии является поиск новых возможностей использования ГЭР, что и стало целью данного исследования.
Для достижения поставленной цели автором разработан комплекс новых высокоэффективных методик химического анализа биомедицинских объектов, пищевых продуктов и биологических жидкостей на принципах применения ГЭР, удовлетворяющих концепции зеленой аналитической химии.
Применение ГЭР в проточном анализе
Впервые предложена и реализована идея применения ГЭР в условиях проточного анализа, который традиционно направлен на автоматизацию и миниатюризацию химического анализа, что приводит к существенному сокращению расходов пробы и реагентов. Однако даже проточный анализ не позволяет полностью отказаться от применения токсичных органических экстрагентов. Автором разработаны две методики анализа биологических жидкостей (слюны) и пищевых продуктов (тонизирующих напитков), включающие стадии экстракции аналитов в ГЭР. Для определения прокаинамида в слюне ГЭР на основе холинхлорида и глицерина смешивался с пробой в смесительной камере проточного анализатора под действием потока воздуха для интенсификации экстракции. После разделения фаз фаза эвтектического растворителя подавалась в проточную кювету спектрофлуориметра для регистрации аналитического сигнала. Для определения кофеина в напитках предложена полностью автоматизированная методика гомогенной экстракции аналита в образующуюся фазу ГЭР с последующим детектированием методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Разработанные методики позволили радикально сократить объем пробы и используемых экстрагентов, повысить точность получаемых результатов за счет автоматизации процесса.
Применение явления образования ГЭР для селективного выделения аналитов из сложных матриц
Наибольшее распространение в аналитической химии эвтектические растворители нашли в качестве эффективных экстрагентов. При этом, независимо от методики анализа, на предварительном этапе происходит синтез самих ГЭР. Впервые предложена новая возможность экстракции аналитов и сложных матриц не в ГЭР, а за счёт их образования непосредственно в процессе экстракции, которая ещё не была описана в литературе. Для демонстрации данного подхода были разработаны две аналитические методики выделения нестероидных противовоспалительных препаратов из биологических жидкостей (мочи) и пищевых продуктов (молока) в фазу образующегося ГЭР. В литературе показана возможность образования так называемых терапевтических ГЭР между нестероидными противовоспалительными препаратами и природными терпенами, такими как ментол. Однако данные ГЭР использовались только для доставки лекарственных препаратов в ткани.
В рамках данной работы разработана высокоэффективная экологически безопасная методика выделения нестероидных противовоспалительных препаратов (кетопрофена и диклофенака) из мочи, в соответствии с которой на предварительном этапе проба мочи подвергается кислотному гидролизу для получения свободных форм аналитов. После этого к пробе добавляется кристаллический ментол, проба нагревается до 50 °С и перемешивается. При этом происходит плавление ментола и образование ГЭР между ментолом и аналитами. После разделения фаз фаза ментола анализируется методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Таким образом, в качестве экстрагента используется экологически безопасный природный ментол, что делает данную методику полностью удовлетворяющий концепции зелёной аналитической химии. Для определения аналитов (кетопрофена, диклофенака, мефенаминовой кислоты и индометацина) в пищевых продуктах (молоке) на предварительном этапе происходит щелочной гидролиз пробы для устранения мешающего влияния жиров. После этого происходит образование ГЭР между ментолом с последующим детектированием аналитов в фазе ментола методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием. Такой подход позволил полностью отказаться от органических растворителей, традиционно используемых для устранения мешающего влияния жиров, что также позволяет говорить о предложенной методики как об экологически безопасной.
Применение ГЭР в качестве диспергаторов в дисперсионной жидкостной микроэкстракции
Третий этап работы направлен на разработку новых подходов применения ГЭР в дисперсионной жидкостной экстракции, в последнее время широко распространенной при анализе водных и органических жидких проб. Данный метод заключается в быстром вводе (инжекции) смеси экстрагента и диспергатора в пробу. В качестве диспергаторов используются вещества, как смешивающиеся с пробой, так и растворяющие в себе экстрагент. В качестве экстрагентов при анализе водных проб обычно используют неполярные вещества, такие как: углеводороды, жирные кислоты и высшие спирты, ионные жидкости, эфиры, хлорорганические соединения. В качестве диспергаторов обычно используют полярные органические растворители, такие как: спирты (метиловый и этиловый), ацетон, ацетонитрил. При быстром вводе экстракционной смеси, состоящей из диспергатора и экстрагента в пробу, происходит растворение диспергатора, которое приводит к диспергированию экстрагента. В результате образуется эмульсия, состоящая из диспергированных микрокапель экстрагента во всём объеме пробы. Большая площадь контакта фаз способствует большой скорости массообмена и высоким скоростям экстракции. После центрифугирования органическую фазу отделяют от пробы и анализируют подходящим инструментальным методом. Данный вариант экстракции не лишен недостатков, основным из которых является необходимость применения полярных диспергаторов. Растворяясь в фазе пробы, они тем самым увеличивают растворимость целевых аналитов или аналитических форм, что приводит к уменьшению степени выделения и повышению пределов обнаружения. В данной работе предлагается новый способ дисперсионной жидкостной микроэкстракции с использованием ГЭР на основе тетрабутиламмония бромида и органических водорастворимых кислот в качестве эффективных диспергаторов. Такие ГЭР способны сами растворяться в водной пробе и при этом растворять в себе неполярные органические соединения, такие как длинноцепочечные спирты и жирные кислоты, которые могут выступать в качестве эффективных и экологически безопасных экстрагентов при выделении неполярных и малополярных соединений.
Идея применения ГЭР в качестве эффективных диспергаторов реализована автором в методике выделения бисфенола А из пищевых продуктов методом дисперсионной жидкостной микроэкстракции. В качестве диспергатора был синтезирован ГЭР на основе тетрабутиламмония бромида и муравьиной кислоты с последующим растворением в нем октанола, который использовался в качестве экстрагента. При инжекции подобной смеси в пробу происходило растворение ГЭР с одновременным диспергированием октанола во всём объеме пробы. При этом было показано, что помимо диспергирующих свойств, растворяясь, ГЭР проявлял высаливающий эффект, что приводило
к увеличению степени выделения аналитов из пробы. После разделения фаз органическая фаза октанола была проанализирована методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Расширение аналитических возможностей нового варианта дисперсионной жидкостной микроэкстракции было реализовано в автоматизации данного подхода на принципах проточных методов. Предложенный растворитель был использован в качестве эффективного диспергатора при выделении хрома (VI) из пищевых продуктов в условиях проточного анализа. Для этого готовили экстракционную смесь, состоящую из ГЭР на основе тетрабутиламмония бромида и муравьиной кислоты, в которой был растворен октанол в качестве экстрагента и 1,5-дифенилкарбазид в качестве фотометрического реагента. Данная смесь подавалась в шприцевой насос проточного анализатора, где смешивалась с пробой для эффективной дисперсии экстрагента и одновременного образования аналитической формы окрашенного комплекса хрома. Данный комплекс экстрагировался в октанол с последующим его детектированием методом спектрофотометрии в проточном анализаторе.
Применение явления разрушения гидрофобных ГЭР в качестве нового варианта дисперсионной жидкостной микроэкстракции
В литературе показана возможность образования гидрофобных ГЭР между четвертичными аммонийными соединениями, такими как тетрабутиламмоний бромид, и неполярными органическими веществами, такими как жирные спирты. При этом авторы данных работ используют эти растворители для экстракции неполярных и малополярных аналитов. Автором работы впервые доказано явление разрушения таких растворителей при контакте с водной пробой за счет растворения четвертичных аммониевых соединений, что ставит под сомнение утверждения других авторов о том, что экстракция протекает непосредственно в данный вид ГЭР. Впервые использовано явление разрушения ГЭР как новый вариант эффективной дисперсионный жидкостной микроэкстракции. Показано, что растворение четвертичного аммонийного соединения приводит к эффективному диспергированию гидрофобной части ГЭР и к одновременной экстракции неполярных аналитов в данный растворитель. Кроме того, в результате растворения четвертичного аммонийного соединения наблюдается высаливающий эффект, что повышает степень извлечения аналитов. Предложенный вариант дисперсионной жидкостной микроэкстракции отличается от предыдущего тем, что он не требует предварительного растворения подходящего экстрагента в эвтектическом растворителе. В данном случае в качестве диспергатора выступает гидрофильная (водорастворимая) часть эвтектического растворителя, а в качестве экстрагента — его гидрофобная часть. Способ дисперсионной жидкостной микроэкстракции, основанный на разрушении гидрофобных ГЭР, использован автором при разработке методики определения стероидных гормонов в фармацевтических препаратах. Проба препарата растворяется в воде, и полученный раствор вводится в гидрофобный ГЭР. При этом происходит разрушение эвтектического растворителя и высвобождение его гидрофобной части, представленной длинноцепочечным спиртом. После этого данная органическая фаза анализируется методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Показаны преимущества данного метода перед традиционно используемыми диспергаторами, такими как полярные органические растворители.
Применение ГЭР в качестве среды для лазерного осаждения металлов
Кроме непосредственного применения ГЭР для экстракции и выделения аналитов и сложных матриц, впервые предложена возможность осаждения металлов на диэлектрических подложках под действием лазерного излучения. Данный вариант использования ГЭР также ещё не был описан в литературе. Показано, что применение ГЭР, по сравнению с традиционно используемыми растворителями, не только позволяет сократить расход растворителей до нескольких сот микролитров, но и повышает скорость осаждения металлов более чем в 150 раз. Описываемое явление не относится напрямую к аналитической химии, однако с помощью данного процесса возможно получение как металлических, так и полиметаллических композитов для создания электрохимических
микросенсоров, применяемых в химическом анализе. Работа опубликована автором недавно и требует более детального изучения и оптимизации условий осаждения металлов, что позволит использовать предложенный метод не только в аналитической химии, но и в электротехнике для изготовления проводящих металлических и полиметаллических микроструктур.
Автором уже была опубликована обзорная статья, посвящённая различным вариантам применения ГЭР в химическом анализе. В данной статье описаны существующие методы использования ГЭР в химическом анализе, а также выдвинуты предположения о дальнейших путях развития данного направления в аналитической химии.
Информация об авторе
А. Ю. Шишов — кандидат химических наук, доцент. Information about the author
A. Yu. Shishov — PhD (Chemistry), Associate Professor.
Статья поступила в редакцию 14.02.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022. The article was submitted 14.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
