Trennung und Extraktion

Trennung und Extraktion

Die Extraktion ist eine Methode der Probenvorbereitung, die  häufig  chemischen Analyseverfahren vorausgeht. Die Aufgabe der Extraktion liegt darin, die Analyten anzureichern und Störstoffe aus der Probe zu entfernen. Die Extraktion macht sich dabei die unterschiedliche Löslichkeit verschiedener Substanzen und Stoffklassen zunutze. So grenzt sie sich von anderen Verfahren zur Trennung wie dem Filtrieren ab, das Stoffe anhand ihrer Teilchengröße trennt.

Probentrennung/ Probenextraktion – Unterschied oder das Gleiche?

Die Extraktion ist ein Trennverfahren, das dazu dient, einen oder mehrere Stoffe aus einem Stoffgemisch herauszulösen. In der Probenvorbereitung dient der Schritt dazu, um unerwünschte Stoffe aus einer Probe zu entfernen. Diese können die Ergebnisse der Analyse verfälschen oder zu Störungen der Analysatoren führen. Außerdem dient die Extraktion der Anreicherung des Analyten. Damit ist eine höhere Nachweisgenauigkeit möglich. Die Ergebnisqualität und des chemischen Analyseverfahrens profitiert daher von einer optimalen Probenvorbereitung durch Extraktion.

Um die relevanten Stoffe voneinander abzutrennen, kommt ein Extraktionsmittel (Lösungsmittel) zum Einsatz. Als Kriterium für die Trennung dient die charakteristische Löslichkeit der Stoffe. Anhand dieses Grundprinzips lässt sich die Extraktion von vielen anderen Trennungsverfahren unterscheiden, beispielsweise:

• Filtrieren (Teilchengröße)
• Dekantieren (Dichte)
• Zentrifugieren (Dichte und resultierende Fliehkraft)
• Abscheiden (Dichte)
• Destillieren (Siedetemperatur)

Die Extraktion ist also eines von zahlreichen Verfahren zur Probentrennung. In der Praxis werden auch lösungsmittelfreie Trennverfahren als Extraktion bezeichnet, obwohl dies nicht der eigentlichen Definition entspricht.

Methoden der Probenextraktion

Die Extraktion im Rahmen der Probenvorbereitung lässt sich anhand des Aggregatzustands von Probe und Lösungsmittel in mehrere Gruppen einteilen.

Bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) kommt ein flüssiges Lösungsmittel zum Einsatz, um einen gelösten Stoff von der flüssigen Probe zu trennen. Ein einfaches Beispiel dafür ist die Abtrennung von Fett aus Milch, die zum Beispiel mit Waschbenzin als Lösungsmittel erfolgen kann. Dieser Prozess ist auch unter der Bezeichnung Ausschütteln geläufig.

Durchführung des SPE-Verfahrens

Die Variante der Festphasenextraktion findet eine große Verbreitung in der Probenvorbereitung. Gegenüber der Flüssig-Flüssig-Extraktion hat sie durch den geringeren Lösungsmittelverbrauch und  Zeitbedarf sowie die Möglichkeit zur Automatisierung entscheidende Vorteile. Daher kommt die SPE in den Bereichen Pharmaindustrie, Umwelt und Lebensmittelchemie standardmäßig zur Anwendung. Vor allem Labore in diesen Bereichen profitieren von einer effizienten SPE. Schließlich ist die Probenvorbereitung meist ein besonders zeitintensiver Schritt im Analyseprozess.

Verfahrensablauf

Das SPE-Verfahren lässt sich in vier Schritte einteilen.

1. Konditionierung des Sorbens
   Die Konditionierung der festen Phase besteht aus deren Benetzung mit einem Lösungsmittel. Im Fall einer wässrigen Probenmatrix folgt darauf Wasser. Die Auswahl der Substanzen für die Konditionierung hängt von der SPE-Methode ab. Das Ziel besteht in der Schaffung einer Umgebung, die die maximale Wechselwirkung zwischen Sorbens und Probe möglich macht.¹
2. Probenaufgabe
   Unter positivem oder negativem Druck erfolgt der Durchfluss der Probe durch die SPE-Säule. In Abhängigkeit von der SPE-Variante erfolgt entweder die Retention des Analyten oder die Retention der Störkomponenten.
3. Waschen des Sorbens
   Das Waschen des Sorbens ist nur bei dem SPE-Verfahren notwendig, bei dem sich der Analyt am Sorbens anreichert. In diesem Fall wird die Phase gewaschen, um sich ebenfalls anlagernde Verunreinigungen zu entfernen.
4. Elution
   Im Fall der Retention des Analyten erfolgt im letzten Schritt die Elution des Analyten vom Sorbens. Dazu kommt ein geeignetes Lösungsmittel zur Anwendung. Erfolgt die Extraktion durch Retention der Störkomponenten, dann fließt der Analyt nach der Probenaufgabe ohne Wechselwirkungen durch das Sorbens, sodass er unten aus der Säule austritt. Somit entfällt der separate Schritt des Waschens.

Anforderungen

Der Bedarf an Zeit und Lösungsmitteln für die Extraktion kann sich besonders in Laboren mit einem hohen Durchsatz erheblich auf die Wirtschaftlichkeit auswirken. Eine leistungsfähige Extraktion macht auch genauere Ergebnisse möglich, indem sie Störkomponenten aus der Probe entfernt.² Daraus lassen sich einige Anforderungen an die SPE ableiten.

Die Reduzierung des Zeitbedarfs unterstützt die Festphasenextraktion dadurch, dass sie eine deutlich höhere Trennleistung als die Flüssig-Flüssig-Extraktion erreicht. Dazu sind nur wenige Schritte erforderlich, die sich zudem gut automatisieren lassen. So erfolgen alle Abläufe der SPE mit der selben Säule, ohne dass ein Handhabungsaufwand entsteht. Auch die Druckunterstützung bei der Probenaufgabe trägt dazu bei. Mehrere Proben lassen sich mit einem SPE-Gerät parallel vorbereiten.

SPE-Geräte sparen gegenüber der Flüssig-Flüssig-Extraktion deutlich an Lösungsmittelverbrauch ein. Gleichzeitig ergibt sich eine erheblich höhere Aufkonzentration der Analyten, was die anschließende Quantifizierung des Analyten in einem Messgerät erleichtert.  Zusätzlich stellen (teil-) automatisierte SPE-Prozesse sicher, dass die Extraktion ohne Analytverluste, reproduzierbar und kontaminationsfrei abläuft.³

Störvariablen

Die Anwendung der SPE zur Probenvorbereitung verfolgt oft das Ziel, Störungen aus der Probe zu entfernen, bevor die eigentliche Analyse erfolgt. Diese Störungen beeinträchtigen vor allem die Qualität der Ergebnisse.

Komplexe Probenmatrizes erschweren die Analyse der relevanten Stoffe deutlich. Je mehr Verbindungen sich in der Probe befinden, desto schlechter lassen sich die Analyten qualitativ und quantitativ nachweisen. Werden Störungen aus der Probe entfernt, gelangen weniger Verunreinigungen in den Analysator und oft verbessert sich dadurch auch die Standzeit bestimmter Verschleißmaterialien im Messinstrument. Bei der SPE ist daher besonders darauf zu achten, eine Phase zu verwenden, die die optimale Auftrennung der vorliegenden Stoffe gewährleistet. Dies ist genauso wie die Auswahl des Elutionsmittels Teil der SPE-Methodenentwicklung.

Für die Auftrennung bzw. Fraktionierung in verschiedene Stoffklassen ist es auch möglich, mehrere unterschiedliche Elutionsmittel nacheinander einzusetzen. Hierbei kommen Lösungsmittel mit auf- oder absteigender Polarität zum Einsatz.

Trennverfahren in verschiedenen Industrien

Die SPE hat sich als Trennverfahren ein breites Anwendungsgebiet erschlossen. Durch die Verfügbarkeit vieler verschiedener fester Phasen und Vorgehensweisen bei der Elution lässt sich das Verfahren spezifisch an verschiedene Analyten und Matrizes anpassen. Einsatzschwerpunkte liegen in der Umweltanalytik, der pharmazeutischen und biochemischen Analytik sowie der Lebensmittelanalytik.

Umweltanalytik

Der Summenparameter AOX (Adsorbierbare organisch gebundene Halogene) dient der Abwasserüberwachung. Halogenverbindungen entstehen durch technische Prozesse und werden in der Umwelt oft nur langsam abgebaut.  Deshalb reichern sie sich im Nahrungskreislauf an und können den menschlichen Organismus beeinträchtigen.

Ein Verfahren zur Bestimmung des AOX beschreibt die DIN EN ISO 9562. Hier sind auch Störeinflüsse beschrieben, die die Bestimmung des AOX beeinträchtigen können. So kann zum Beispiel eine hohe Konzentration an organischen Substanzen in der Probe Minderbefunde an AOX verursachen. Überbefunde an AOX können durch die Anwesenheit hoher Chloridgehalte verursacht werden. Durch eine Probenverdünnung können die Störeinflüsse in der Regel minimiert werden, allerdings wird durch eine Probenverdünnung unmittelbar die Bestimmungsgrenze für den Parameter erhöht.

Im Falle einer hohen Chloridkonzentration kann eine Probenverdünnung dazu führen, dass der AOX nicht mehr bestimmbar ist. Deshalb wurde ein Probenvorbereitungsverfahren entwickelt, welches die Bestimmung des AOX in Proben mit hohen Gehalten an Chlorid und/oder organischen Substanzen ermöglicht: der sogenannte SPE-AOX. Die Bestimmung des SPE-AOX ist im Anhang A der ISO 9562 ebenfalls beschrieben. Mit Hilfe der Festphasenextraktion wird die Probe von störenden Chloridionen befreit, die Analyten reichern sich auf der festen Phase an. Nach Elution mit Methanol und Verdünnung mit Wasser wird die Probe im Anschluss an Aktivkohle adsorbiert und in einem herkömmlichen AOX-Analysator gemessen.

Für die Probenvorbereitung nach SPE-AOX-Verfahren kann das vollautomatische System APU 28 verwendet werden. Es kann bis zu 28 Proben für die Analytik vorbereiten. Mit der APU sim steht ein weiteres semi-automatisches System für die SPE-AOX-Probenvorbereitung zur Verfügung. Damit können gleichzeitig bis zu 6 Proben bearbeitet werden.

Pharmazeutische Analytik

Die Drogenanalytik muss wie alle Verfahren der forensischen Toxikologie besonderen Anforderungen an die Validität der Ergebnisse genügen. Eine manuelle SPE-Anreicherung stellt dabei aufgrund der Fehleranfälligkeit des Verfahrensablaufs einen Risikofaktor dar.

Institute nutzen beispielsweise für den Nachweis des Cannabiswirkstoffs THC die Gaschromatographie mit einem Massenspektrometer als Detektor (GC/MS). Zur Probenvorbereitung gehört dabei die SPE. Die bisher manuelle SPE kann zu Zwecken der Effizienzsteigerung auf ein automatisches Probenvorbereitungssystem übertragen werden. Dabei entstehen keine Beeinträchtigungen der Validität.⁴

Lebensmittelanalytik

Bei der Röstung von Kaffee entsteht unweigerlich der kanzerogene Stoff Acrylamid. Da sich der Vorgang nicht verhindern lässt, muss in der Produktion eine dauerhafte Überwachung des Acrylamid-Gehalts erfolgen, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.⁵

Auch bei der Analyse von Kaffeeproben spielt die Matrixreduktion eine wichtige Rolle. Als gut geeignet hat sich dafür die Festphasenextraktion gezeigt. Die eigentliche Analytik erfolgt dann etwa mit der HPLC-MS. Das Verfahren erreicht eine sehr gute Wiederfindungsrate des Acrylamid. Gerade bei dem hohen Probenaufkommen in der Lebensmittelanalytik stellt die Automatisierbarkeit der SPE ein großes Effizienzpotenzial im Labor dar.⁶

Quellen

¹ https://analytik.news/fachartikel/pdf/ABC_Probenvorbereitung_4.pdf
² https://www.waters.com/nextgen/de/de/education/primers/beginner-s-guide-to-spe.html
³ https://www.labo.de/umweltanalytik/automatisierte-probenvorbereitung------effizienzsteigerung-im-spurenanalytischen-labor.htm
⁴ https://www.laborpraxis.vogel.de/automatisierte-spe-gcms-methode-liefert-drogennachweis-a-398813/
⁵ https://www.mn-net.com/de/chroma-news/was-gibt-es-besseres-als-einen-frisch-gebruehten-heissen-kaffee-am-morgen