Способ извлечения органических веществ из водных сред экстракцией в сочетании с вымораживанием

Изобретение может быть использовано в аналитической химии, фармакологии и других областях для извлечения органических соединений из водных сред. В пробу, содержащую целевые органические вещества, добавляют растворимый в воде органический растворитель и замораживают. В процессе замораживания органический растворитель с экстрагированными органическими веществами выделяется в отдельную жидкую фазу. Получаемый органический экстракт отделяют, когда водная часть пробы заморожена. Изобретение позволяет исключить сложное технологическое оснащение, многостадийность, снизить энергетические затраты.

 

Изобретение относится к гидрохимии, аналитической химии, биохимии, экологии, криомедицнне, фармакологии, судебной медицине, криминалистике и может быть использовано для выделения как природных, так и синтетических, техногенных органических веществ из водных сред, водосодержащих биологических жидкостей (моча, кровь и др.) и водных экстрактов-вытяжек различных объектов.

Известен способ выделения органических веществ, сочетающий экстракцию и вымораживание [1]. Растворенные органические соединения переводят из предварительно охлажденной до температуры, близкой к температуре замерзания, водной среды в нерастворимый в воде сжиженный легкий углеводород (н-бутан, изобутан, пропан) при постоянном перемешивании до полной кристаллизации воды.

Однако указанный способ [1] имеет ряд серьезных недостатков:

- для осуществления процесса требуется сложное технологическое оснащение, специальное оборудование для предварительного охлаждения-сжижения газа бутана (пропана), система термостатирования и термоизоляции, постоянное перемешивание и др.;

- эффективность извлечения существенным образом зависит от условий эксперимента, интенсивности диспергирования органического экстрагента в объеме кристаллизующейся воды и т.п.;

-многостадийность, значительные трудовые и энергетические затраты.

Известен способ [2] очистки сточных вод от высококонцентрированных мелкодисперсных органических и минеральных примесей, в том числе от синтетических и полусинтетических смазочно-охлаждающих жидкостей, в котором после химического разложения композиции фосфорной кислотой при рН 4,6 и добавления алифатических спиртов, эффекта отделения органической фазы от воды добиваются процедурой замораживания до (-3)-(-4)°С с последующим оттаиванием смеси до 0-(+5)°С.

Однако указанный способ [2] имеет ряд серьезных недостатков:

- для осуществления процесса требуется сложное технологическое оснащение, специальное оборудование для охлаждения-сжижения аммиака, система термостатирования и термоизоляции, трубопроводы, различного назначения емкости и др.;

- многостадийность, значительные трудовые и энергетические затраты;

- не может быть использован для выделения из биологических жидкостей природных гидрофильных органических веществ и медицинских препаратов, концентрации которых в исходной пробе обычно очень малы (0,5÷10 мг% - органические кислоты в крови и моче [3], менее 10 мг/л - терапевтические концентрации большинства лекарственных препаратов в крови [4]), поскольку принцип выделения целевых веществ и водорастворимого экстрагента изопропанола в качестве отдельной органической фазы при замораживании-оттаивании базируется на большом содержании выделяемых органических примесей в исходном образце (4% по объему), которые «..вместе с экстрагентом после оттаивания всплывают наверх...» на поверхность жидкой воды в резервуаре для разделения смеси;

- не применим для работы с малыми объемами исходного образца, например, при анализе биологических жидкостей (кровь, моча и т.п.), где объем пробы обычно не превышает нескольких миллилитров;

- ограниченно применим при анализе органического вещества природных и минеральных вод, поскольку позволяет использовать в этом случае только нерастворимые в воде спирты.

Технический результат - улучшение экономических показателей и исключение многостадийности.

Это достигается тем, что целевые органические вещества извлекают из воды, водосодержащих биологических жидкостей, водных вытяжек различных объектов путем предварительного добавления в объем пробы растворимого органического экстрагента (ацетонитрил, ацетон, диэтиловый эфир и т.п.) и последующего охлаждения приготовленного раствора до кристаллизации водной части. В результате в выделяющийся в отдельную жидкую фазу добавленный органический растворитель на поверхности твердого льда переходят извлекаемые органические вещества. Полученный жидкий органический экстракт с целевыми компонентами отделяют от замороженной части образца. При размораживании твердой части образца и повторном замораживании вновь в жидкую фазу выделяется: оставшаяся часть органического растворителя, содержащая экстрагируемые компоненты. Количество циклов «размораживания-замораживания» для увеличения степени извлечения целевых веществ зависит от объема и физико-химических свойств добавляемого экстрагента.

Пример 1.

Образец воды массой 38 г, содержащий уксусную и пропионовую кислоты в концентрациях 11,4 мкг/г и 10,7 мкг/г соответственно, поместили в стеклянный флакон с завинчивающейся пробкой емкостью 50 см³. Добавили 2 см³ ацетонитрила марки «Химически чистый для хроматографии» (сорт 6, ТУ 6-09-06-1099-83). Герметично закрыв завинчивающейся пробкой флакон, содержимое перемешали до растворения. Полученный раствор поместили в морозильную камеру бытового холодильника «Саратов» (температура -15±1°С). После кристаллизации водной части образца на поверхности льда образовался слой жидкой фазы органического растворителя, который отделили декантацией в отдельную пробирку. Масса экстракта составила 0,254 г. Методом газожидкостной хроматографии установлено содержание органических кислот в экстракте: уксусной - 77,0 мкг/г, пропионовой - 198,0 мкг/г.

Оставшуюся твердую часть пробы (лед) разморозили при комнатной температуре, перемешали и вновь поместили в морозильную камеру бытового холодильника. После кристаллизации водной части на поверхности льда вновь образовался слой жидкости ацетонитрила. Масса экстракта составила 0,260 г, а концентрации органических кислот в нем по данным ГЖХ-анализа соответственно - 240,0 мкг/г уксусной и 267,5 мкг/г пропионовой.

Пример 2.

В первый флакон (проба) с завинчивающейся пробкой емкостью 100 см³ поместили 25,5 г утренней мочи пациента Б., 10 г дистиллированной воды и 2 см³ ацетонитрила марки «Химически чистый для хроматографии» (сорт 6, ТУ 6-09-06-1099-83). Во второй аналогичный флакон (проба с добавкой) поместили 25,5 г утренней мочи пациента Б., 9,8 г дистиллированной воды, 0,2 г стандартного раствора органических кислот с концентрацией уксусной 2167 мкг/г и пропионовой 2030 мкг/г, а также 2 см³ ацетонитрила марки «Химически чистый для хроматографии» (сорт 6, ТУ 6-09-06-1099-83). Флаконы герметично закрыли завинчивающимися крышками. Содержимое перемешали встряхиванием. Пробы поместили в морозильную камеру холодильника «Саратов» (температура -15±1°С). После кристаллизации водной части исследуемых образцов с поверхности льда декантацией собрали жидкую органическую фазу. Массы экстрактов составили соответственно в первом флаконе (проба) - 0,186 г, во втором (проба с добавкой) - 0,234 г. В результате ГЖХ-исследования установлено содержание органических кислот:

- в первом экстракте (проба) концентрация уксусной кислоты 26,0 мкг/г, пропионовой 11,0 мкг/г;

- во втором экстракте (проба с добавкой) концентрация уксусной кислоты 39,0 мкг/г, пропионовой 59,0 мкг/г.

Оставшуюся твердую часть пробы разморозили и, перемешав, вновь поместили в морозильную камеру бытового холодильника. После кристаллизации водной части пробы из первого флакона путем декантации получено 0,306 г органического экстракта, из второго - 0,202 г. Концентрация органических кислот, как показал ГЖХ-анализ, составила соответственно:

- в экстракте из первого флакона (проба) уксусной 18,0 мкг/г, пропионовой 22,1 мкг/г,

- в экстракте из второго флакона (проба с добавкой) уксусной кислоты 62,1 мкг/г, пропионовой 29,9 мкг/г.

Пример 3.

В пенициллиновый флакон емкостью 15 см³ поместили 1 см³ сыворотки крови пациента С. Добавили 0,2 г стандартного раствора бензоата натрия 169,0 мкг/г.Содержимое перемешали и добавили 2 см³ 50%-ного водного раствора трихлоруксусной кислоты для седиментации белков. Тщательно перемешав, добавили 1 см³ ацетонитрила. Вновь перемешали и поместили в морозильную камеру бытового холодильника «Саратов» (температура -15±1°С). После того, как водная часть пробы замерзла, декантацией отделили органический прозрачный слой жидкого экстракта ацетонитрнла. Его масса составила 0,287 г. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии установлено содержание бензойной кислоты в экстракте 21,9 мкг/г.

Пример 4.

Пробу мочи в количестве 8 мл с содержанием оксазепама 5÷10 мкг/мл и феназепама 16÷32 мкг/мл помещают в пенициллиновый флакон емкостью 15 мл. Добавляют 2 мл диэтилового эфира, герметично закрывают полиэтиленовой пробкой и тщательно перемешивают. Во флакон добавляют 0,4 мл ацетонитрила и, закрыв полиэтиленовой пробкой, помещают в морозильную камеру холодильника (температура минус 14-18°С) для вымораживания водной части полученной смеси. После образования в нижней части флакона твердой фазы льда выделившийся верхний жидкий слой диэтилового эфира и ацетонитрила (около 1,5-2 мл) полностью сливают в другой пенициллиновый флакон. Оставшейся ледяной части пробы дают растаять при комнатной температуре, добавляют новую порцию диэтилового эфира в количестве 0,5 мл, после перемешивания и добавления 0,2 мл ацетонитрила подвергают дополнительному циклу замораживания, помещая вновь в морозильную камеру холодильника. После вымораживания водной части образца выделяющийся над поверхностью льда жидкий органический экстракт декантируют в первую порцию экстракта. Процедуру дополнительной экстракции с 0,5 мл эфира и 0,2 мл ацетонитрила повторяют. Растворители после трехкратного извлечения из объединенного экстракта удаляют выпариванием в потоке воздуха, регулируя его интенсивность и избегая конденсации влаги. Сухой остаток растворяют в 100 мкл ацетонитрила и направляют на исследование с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии с УФ-детектированием (ВЭЖХ). Степень извлечения из мочи оксазепама - от 60 до 77%, феназепама - от 78 до 81%. Чувствительность метода (при детекции на длине волны 230 нм, дозируемом объеме пробы в инжектор хроматографа 10 мкл) составляет не хуже 0,5 мкг по оксазепаму и 2,0 мкг по феназепаму бензодиазепина в аналитической пробе.

Предлагаемый способ позволяет:

- выполнить прямое одностадийное извлечение растворенных органических веществ в растворители, смешивающиеся с водой (ацетонитрил, ацетон, диэтиловый эфир и т.п.),

- уменьшить материальные, энергетические и трудовые затраты.

Источники информации

1. А.А.Русинова, Ю.М.Полежаев, А.И.Матерн. Концентрирование растворов вымораживанием. Аналитика и контроль, 1999, № 4, с.4-10.

2. В.Т.Письменко. Е.А.Кареев, Л.И.Булдаковская. Способ разложения синтетических и полусинтетических СОЖ. Патент RU 2129990 (Кл. C02F 1/26, С10М 175/04), 1999, 6с.

3. Биохимические методы исследования в клинике. (Справочник) Под ред. акад. А.А.Покровского, М.: Медицина, 1969, с.596.

4. С.К.Еремин, Б.Н.Изотов, Н.В.Веселовская. Анализ наркотических веществ. Рук-во по хим.-токс. анализу наркотических и других одурманивающих средств. М.: Мысль, 1993, с.266.

Способ извлечения органических веществ из водных сред, включающий вымораживание водной части и экстракцию растворенных соединений в добавленный растворимый в воде органический растворитель, выделяющийся в отдельную жидкую фазу в процессе замораживания, отличающийся тем, что получаемый органический экстракт отделяют, когда водная часть заморожена.