Analýza aniontových tenzidů v čisticích prostředcích kapilární elektroforézou Úkol: Pomocí kapilární elektroforézy v nevodném prostředí semikvantitativně stanovte vybrané aniontové tenzidy v čisticím prostředku. Teoretická část: Kapilární zónová elektroforéza (CZE) patří spolu s dalšími elektromigračními metodami mezi moderní a vysokoúčinné separační techniky. CZE je založena na elektroforetické migraci iontů v elektrickém poli, je tedy použitelná pro analyty schopné nést náboj v důsledku jejich disociace. Separace je uskutečňována v kapiláře, která je vyrobena z taveného křemene a je pokryta vrstvou polyamidu, který zabezpečuje mechanickou odolnost. Polyamid je opticky nepropustný, proto v místě detekce je potřeba jeho vrstvu odstranit. Konce kapiláry jsou umístěny v nádobkách se separačním elektrolytem a do nádobek jsou vloženy platinové elektrody. Separace analytů probíhá vložením vysokého napětí, které je používáno v rozmezí od 0 do ±30 kv. Rozseparované analyty jsou poté detekovány pomocí detektoru, který je umístěn na opačném konci kapiláry než dávkovaný vzorek. Nejčastěji využívaným detektorem je spektrofotometrický detektor založený na měření absorbance v detekčním okénku na kapiláře. Při průchodu látky absorbující záření při zvolené vlnové délce je zaznamenán úbytek intenzity záření, signál je sledován v závislosti na čase a výsledný záznam se nazývá elektroferogram. Sledovány jsou obvykle látky, které obsahují chromofor; je však možné využít nepřímé spektrofotometrické detekce, kdy elektrolyt obsahuje vhodnou absorbující látku pro sledování látek, které neabsorbují záření při zvolené vlnové délce. Při průchodu neabsorbující látky přes detekční okénko dochází ke snížení koncentrace absorbující látky ze základního elektrolytu a je zaznamenán pokles absorbance. Jeho míra odpovídá množství látky podobně jako u přímé spektrofotometrické detekce. Kapilárna elektroforéze využívá nejčastěji vodné elektrolyty jako separační prostředí, avšak elektrolyty založené na jiných rozpouštědlech také nacházejí uplatnění díky svým odlišným vlastnostem. Organická rozpouštědla jako methanol, ethanol, propanol, acetonitril nebo tetrahydrofuran se vyznačují zejména nižší relativní permitivitou a odlišnou 1
autoprotolytickou konstantou významně ovlivňující disociační rovnováhy látek, ale také jinou viskozitou a povrchovým napětím ovlivňující celkové separační podmínky. Těchto vlastností se dá s výhodou využít pro separace látek, které by bylo jinak obtížné analyzovat ve vodných elektrolytech např. pro jejich podobné chování nebo rozpustnost. Tenzidy představují skupinu povrchově aktivních látek, snižují povrchovou či mezifázovou energii, a proto se samovolně koncentrují ve fázovém rozhraní jako voda-vzduch. Jelikož tenzidy snižují povrchové napětí rozpouštědel, usnadňují tak smáčení, pronikání do materiálů a rozpouštění nečistot. Proto se často používají v čisticích a pracích prostředcích. Proces mytí a praní spočívá v tom, že nečistoty (např. lipidy, proteiny), které jsou zpravidla nepolárního charakteru, je pro jejich odstranění z povrchu látky nutné převést do vodného roztoku. To umožňuje tenzid, protože ten se svým nepolárním koncem naváže na nepolární nečistotu a druhým koncem (polárním) na molekuly vody. Částice nečistot jsou tedy obklopeny molekulami tenzidu, rozptýleny ve vodném roztoku a následně odplaveny vodou. Důležitým parametrem tenzidů je kritická micelární koncentrace, po jejímž dosažení začne povrchově aktivní látka tvořit micely, agregáty molekul tenzidů dispergované v kapalném prostředí. Ve vodném prostředí se vyznačují orientací hydrofilní částí k povrchu micela a hydrofobních části dovnitř. Je ovlivněna jak strukturou molekuly tenzidu, ale také vlastnostmi roztoku jako koncentrací složek, ph a teplotou. Vzrůstající koncentrace tenzidu ve vodě: hromadění tenzidu na rozhraní vzduch voda. Při překročení kritické micelární koncentrace tvorba micel. Schéma micely hydrofilní skupiny orientované ven, hydrofobní skupiny dovnitř. Zdroj: wikipedia.org. 2
Tenzidy zahrnují mnoho skupin látek, jejich základní dělení je na ionogenní a neionogenní. Ionogenní tenzidy lze dále dělit podle typu náboje na anionaktivní, kationaktivní a amfolytické tenzidy. Alkylsulfáty (R O-SO - 3 ) patří do skupiny anioaktivních tenzidů a jsou jedny z nejčastěji využívaných látek v čisticích prostředcích. Mezi stanovované vybrané aniontové tenzidy patří oktylsulfát sodný, decylsulfát sodný, dodecylsulfát sodný, tetradecylsulfát sodný, hexadecylsulfát sodný, oktadecylsulfát sodný. Jejich analýza pomocí kapilární elektroforézy nabízí rychlou separaci s minimální úpravou vzorku, využití nevodného prostředí je výhodné pro zvýšení selektivity analýzy pro zvýraznění rozdílů mezi jednotlivými tenzidy s různými funkčními skupinami. Výrazné zvýšení kritické micelární koncentrace zabraňuje agregaci tenzidů i s různou délkou řetězce. Praktická část Vybavení: Agilent HP 3D CE s UV detektorem, vypalovač detekčních okýnek, ultrazvuk, váhy Pomůcky: Kádinky, odměrné baňky, odměrný válec, nylonové filtry s velikostí pórů 0,45 µm, křemenná kapilára (s vnitřním průměrem 50 µm a celkové délky 48,5 cm), řezátko, vialky, mikrozkumavky Chemikálie: 2-naftalensulfonová kyselina, triethylamin, standardy aniontových tenzidů (C 8 C 18 ), methanol, acetonitril, deionizovaná voda Pracovní postup Příprava elektrolytu: - 15 mm naftalensulfonová kyselina, 15 mm triethylamin v ACN/MeOH 75/25 (v/v) - v odměrném válci připravte 50 ml směsi acetonitrilu a methanolu v poměru 75:25 - odpovídající množství naftalensulfonové kyseliny rozpusťte ve směsi rozpouštědel - přidejte odpovídající množství triethylaminu 3
Příprava standardů: - ze zásobních roztoků odpipetujte odpovídající množství standardů pro přípravu směsi všech aniontových tenzidů do jedné směsi o koncentraci 0,1 mg/ml Příprava vzorku: - vzorek čisticího prostředku navažte, aby koncentrace roztoku byla 10 g/l, rozpusťte v methanolu, umístěte do ultrazvuku na 10 minut a poté přefiltrujte přes nylonový filtr Příprava separační kapiláry: - podle pokynů vedoucího cvičení uřízněte potřebnou délku separační kapiláry - ve vzdálenosti 8,5 cm odstraňte pomocí vypalovače vrstvu polyamidu a okénko otřete gázou navlhčenou v metanolu - podle pokynů vedoucího cvičení umístěte kapiláru do interface a vložte kapiláru do přístroje - kapiláru promyjte 5 minut 1M NaOH, 5 minut vodou, 5 minut 0,1 M NaOH, 5 minut vodou a následně separačním elektrolytem; nastavte parametry metody (-20 kv, detekce při 220 nm, nástřik 50 mbar 3 sekundy) Měření vzorků: - proměřte standardní směs aniontových tenzidů, postupně přidávejte jednotlivé tenzidy do směsi ve vialce pro ověření identity jednotlivých píků a pro zjištění jejich migračního pořadí - proměřte vzorek čisticího prostředku, v případě potřeby vzorek dále nařeďte Vyhodnocení: Porovnejte záznamy analýzy standardů a vzorku, na základě migračních parametrů určete, které z aniontových tenzidů se nachází v čisticím prostředku. Pomocí výšky píku odhadněte přibližnou koncentraci nalezených tenzidů ve vzorku. 4
Otázky k přípravě: 1. Popište kritickou micelární koncentraci a její interakci s nepolárními látkami. 2. Vysvětlete princip nepřímé UV detekce v kapilární elektroforéze. 3. Jaké další separační metody by mohly sloužit pro určení těchto aniontových tenzidů? 4. Bylo by možné separovat neionogenní tenzidy pomocí kapilární elektroforézy? Doporučená literatura: 1. Baker D.R., Capillary electrophoresis: Techniques in analytical chemistry. John Wiley and Sons Ltd, New York 1995. 2. Analytické separační metody, Karolinum Praha 2004, Štulík K. a kol. 3. Teoretické základy a separační principy kapilárních elektromigračních metod, Chemické listy, 91 (1997) 320 329, V. Kašička. 5