DE4439273A1 - Vorbereitung einer Dünnfilm-Probe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Extraktion von interessierenden Komponenten aus einer Probenmatrix durch ein Extraktionslösungsmittel. Die Probenmatrix ist in einem Dünnfilm gebildet, um den Oberflächenkontakt zwischen der Probenmatrix und dem Extraktionslösungsmittel zu opti­ mieren, und um gleichzeitig den Querschnitt der Probenmatrix zu minimieren, wodurch die Entfernung, durch die das Extrak­ tionslösungsmittel diffundieren muß, um die interessierenden Komponenten aufzulösen, minimiert wird.

Die Extraktion ist als ein chemischer oder physikalischer Prozeß zum Herausziehen von interessierenden Komponenten aus einer Probenmatrix definiert. Traditionelle Extraktionsein­ richtungen betreffen das Mischen eines Extraktionslösungs­ mittels mit der Probenmatrix derart, daß die interessieren­ den Komponenten in einem Versuch, ein Gleichgewicht auf der Grundlage der relativen Löslichkeit der Probenmatrix und des Lösungsmittels zu erreichen, in dem Lösungsmittel aufgelöst werden. Das Lösungsmittel, das die gelösten Komponenten ent­ hält, kann dann abgesaugt werden oder auf andere Weise zur Erfassung durch ein spektrographisches Gerät oder zur Injek­ tion in ein chromatographisches Gerät entfernt werden.

Ein gründliches Mischen der Probenmatrix und des Lösungs­ mittels ist wichtig, um den Kontakt zwischen der Probenma­ trix und dem Lösungsmittel zu maxiinieren. Eine Anzahl von verbesserten Verfahren zum Mischen schließt eine mechanische Hin- und Her-Bewegung, eine Ultraschall-Dissoziation, ein Schütteln oder ein Rühren ein. Zusätzlich wird manchmal eine Erwärmung verwendet, um das Freisetzen der interessierenden Komponenten zu unterstützen. Abhängig von der Komplexität der Probenmatrix, bezüglich der die Extraktion durchgeführt wird, kann es einige Stunden bis einige Tage dauern, um eine Extraktion vollständig durchzuführen. Die Menge einer er­ wünschten Komponente, die extrahiert wird, hängt von vielen Variablen ab, die das verwendete Extraktionsverfahren, die Komplexität der Probenmatrix und den Grad der Mischung ein­ schließen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit und Präzision bei der Extraktion von in­ teressierenden Komponenten aus einer festen, flüssigen oder einer Suspensions/Emulsions-Probenmatrix zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, An­ spruch 7, Anspruch 15 und Anspruch 17 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Probenmatrix, die in einem dünnen, gleichmäßigen Film gebildet ist, um die Ober­ flächenfläche für ein gegebenes Probenvolumen zu maximieren. Die Maximierung der Oberflächenfläche, die mit dem Lösungs­ mittel in Kontakt ist, erhöht die Rate, mit der die interes­ sierenden Komponenten in das Gleichgewicht zwischen der Pro­ benmatrix und dem Lösungsmittel gelangen. Die Bildung eines dünnen, gleichmäßigen Films stellt ebenfalls sicher, daß der Querschnitt der Probenmatrix minimiert ist, um die Entfer­ nung, durch die das Extraktionslösungsmittel diffundieren muß, um die interessierenden Komponenten zu lösen, minimiert ist.

Das manuelle Verteilen der Probenmatrix auf einem Trägerme­ dium ermöglicht die Bildung eines dünnen, gleichmäßigen Films. Das Substrat und die Probenmatrix können dann locker aufgewickelt werden und innerhalb eines Probengefäßes zur weiteren Verarbeitung mit einem Extraktionslösungsmittel an­ geordnet werden.

Die Erfindung kann ebenfalls automatisiert sein, um einen dünnen, gleichmäßigen Film auf den inneren Wänden eines Pro­ benbehälters zu schaffen. Genauer gesagt wird eine Proben­ matrix in einem Probenbehälter oder in einem Probengefäß an­ geordnet, das dann um dessen vertikale Achse mit einer Rate, die von der Viskosität der Probenmatrix abhängt, rotiert wird. Die Zentrifugalkraft bewirkt, daß sich auf den Innen­ wänden ein Dünnfilm aus der Probenmatrix bildet. Diese Hand­ lung kann auch als Verwirbelung der Probe betrachtet werden. Das Lösungsmittel wird dann in das Probengefäß eingebracht, um die Probe zu waschen. Die erforderliche Menge an Lösungs­ mittel, um die Probe zu waschen, kann durch Rotieren des Probengefäßes derart minimiert werden, daß die Zentrifugal­ kraft bewirkt, daß das Lösungsmittel eine dünne Schicht über der Probenmatrix bildet.

Die Vorbereitung einer Dünnfilm-Probe kann ebenfalls den folgenden Schritt aufweisen: Bilden eines Dünnfilms auf der inneren Oberfläche eines Probenbehälters aus einem Gemisch, das eine Affinität gegenüber den interessierenden Komponen­ ten aufweist, oder das eine Affinität bezüglich Verunrei­ nigungen in der Probenmatrix aufweist. Eines oder mehrere Lösungsmittel können dann verwendet werden, um die inter­ essierenden Komponenten aus der Probenmatrix auszuwaschen und/oder zu extrahieren.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird auf der inneren Oberfläche des Probengefäßes durch Rotieren dieses um die vertikale Achse eine Trockenmittelbedeckung gebildet. Eine Probe wird dann durch Einbringen der Probe in das Gefäß und durch Rotieren des Probengefäßes, um einen maximalen Kontakt zwischen der Probe und der Trockenmittelbedeckung sicherzu­ stellen, getrocknet.

Die Erfindung kann ebenfalls auf Extraktionen im Luftraum im Probenbehälter angewendet werden, bei denen gasförmige Lö­ sungsmittel verwendet werden. Genauer gesagt wird ein Pro­ bengefäß mit einer Rate rotiert, um die Probenmatrix als Dünnfilm auf den inneren Wänden zu bilden. Die Probenmatrix wird dann in Anwesenheit eines gasförmigen Extraktionslö­ sungsmittels derart erhitzt, daß es den interessierenden Komponenten ermöglicht wird, in der Gasphase einen Gleich­ gewichtszustand anzunehmen. Die Bildung der Probenmatrix als Dünnfilm minimiert die Entfernung, durch die die flüchtigen Komponenten diffundieren müssen, um einen Gleichgewichts­ zustand herzustellen. Das Einbringen einer Dispensationsna­ del in eine mittlere Region des Probengefäßes ermöglicht das Ansaugen eines Teils des gasförmigen Extraktionslösungs­ mittels zur Analyse. Die Bildung der Probe als Dünnfilm stellt sicher, daß der Gleichgewichtszustand viel schneller eintritt und gleichförmiger ist, als wenn die Probe in einer herkömmlicheren Form wäre. Dort wo die Probenmatrix eine Flüssigkeit oder in irgendeiner anderen Form ist, die die Dünnfilmform nach der Rotation nicht beibehalten wird, kann der Rotationsbetrieb fortgeführt werden, während die Ober­ fläche der Probenmatrix mit einem Lösungsmittel gewaschen wird, oder mit einem Gas geklärt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, die ein fla­ ches Trägermedium verwendet;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der ein Probengefäß rotiert wird, um die Probenmatrix in einen dünnen, gleichmäßigen Film zu zwingen;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der die Probe in einem rotierenden Probengefäß mit einer Trockenmittelbedeckung getrocknet wird;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem eine Verunreinigung in einer Probe von der Probe durch Rotieren der Probe in einem Probengefäß mit einer inneren Bedeckung mit einer Affinität bezüglich der Verunreinigung getrennt wird;

Fig. 5 ein perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der zwei Gemische getrennt werden; und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der eine Extraktion im Luftraum im Probenbehälter durchge­ führt wird.

Fig. 1 stellt ein Verfahren dar, bei dem eine Probenmatrix 10 als Dünnfilm auf einem Trägermedium 20 verteilt wird. Das Trägermedium 20 wird dann locker gewickelt, derart, daß es in einem Probengefäß 30 angeordnet werden kann. Eine Nadel 50 wird verwendet, um ein Extraktionslösungsmittel, wie zum Beispiel Hexan oder Methylchlorid, einzubringen. Nachdem der Querschnitt der Probenmatrix verglichen mit dessen Oberflä­ chenfläche relativ klein ist, ist die Rate, mit der die in­ teressierenden Komponenten einen Gleichgewichtszustand zwi­ schen der Probenmatrix und dem Lösungsmittel herstellen, relativ hoch. Zusätzlich ermöglicht die Gleichmäßigkeit der Probenmatrix genaue und reproduzierbare Ergebnisse. Sobald die interessierenden Komponenten in dem Extraktionslösungs­ mittel aufgelöst sind, wird die Nadel 50 verwendet, um das Lösungsmittel abzusaugen.

Es ist offensichtlich, daß als Probengefäße verschieden ge­ formte Gefäße möglich sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein röhrenförmiges Gefäß als Testgefäß verwendet.

Fig. 2 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem die Probenmatrix 210 in einem Probenbehälter oder in einem Probengefäß 220 angeordnet ist, und mit Ge­ schwindigkeiten rotiert wird, daß die Zentrifugalkraft be­ wirkt, daß sich die Probenmatrix sich als Dünnfilm auf der inneren Oberfläche des Probengefäßes bildet. Ein typischer Geschwindigkeitsbereich ist 500 Umdrehungen pro Minute bis 10 000 Umdrehungen pro Minute, abhängig von der Viskosität der Probenmatrix. Eine kleine Menge Extraktionslösungsmittel 230 (etwa 5% bis 40% des Probengefäßvolumens, für ein Standardprobengefäß mit 2 ml sind das 0,1 ml bis 0,8 ml) wird eingebracht. Das Probengefäß wird dann derart rotiert, daß das Extraktionslösungsmittel mit der Probenmatrix auf der inneren Oberfläche des Probengefäßes in Kontakt kommt. So­ bald die Extraktion beendet ist, wird die Rotation des Pro­ bengefäßes beendet, die Nadel 250 wird erneut in das Pro­ bengefäß eingebracht und das Extraktionslösungsmittel, das die interessierenden Komponenten enthält, wird abgesaugt. Die erforderliche Lösungsmittelmenge zur Extraktion kann durch Verwendung eines Probengefäßes mit einem konischen Bo­ denabschnitt 305, der zur maximalen Wiedergewinnung entwor­ fen ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, weiter reduziert werden. Diese Erfindung ist besonders vorteilhaft, nachdem sie zu einem hochkonzentrierten Extraktionslösungsmittel mit kleinen Volumen zur Analyse durch standardmäßige chromato­ graphische Verfahren führt.

Anstelle des Transports des Probengefäßes an einen standard­ mäßigen chromatographischen Detektor ist auch der Transport an andere bekannte Detektoren zur Probenidentifikation möglich.

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung dar, das zum Trocknen einer Probenmatrix verwendet wird. Ein Dünnfilm einer Trockenmittelbedeckung 310 wird auf der inneren Oberfläche eines Probengefäßes durch Rotation des Probengefäßes mit einer hohen Geschwin­ digkeit gebildet. Eine Nadel 350 wird verwendet, um die Pro­ benmatrix 320 in dem Probengefäß zu verteilen. Das Proben­ gefäß wird dann rotiert, um einen vollständigen Kontakt zwi­ schen der Probenmatrix und der Trockenmittelbedeckung sicherzustellen. Die Feuchtigkeit 360 verbindet sich mit der Trockenmittelbedeckung, um die Probenmatrix wirksam aus zu­ trocknen. Die Nadel 350 wird dann erneut eingeführt, um die Probe aus dem Probengefäß zur Analyse abzusaugen.

Fig. 4 stellt die Erfindung dar, die zur Entfernung von Ver­ unreinigungen 405 aus einer Probenmatrix 410 verwendet wird. Die innere Oberfläche eines Probengefäßes wird zuerst mit einer Bedeckung 415 behandelt, die eine Affinität gegenüber einer bekannten Verunreinigung hat, die ein Analysator wünscht aus der Probenmatrix vor der Analyse zu entfernen. Das Probengefäß kann rotiert werden, um sicherzustellen, daß die Bedeckung 415 ein Dünnfilm ist. Die Probenmatrix 410 wird dann durch eine Nadel 450 in das Probengefäß einge­ bracht und dann mit dem bedeckten Probengefäß durch die Zen­ trifugalkraft in Kontakt gebracht. Die Verunreinigungen 405 werden durch die Bedeckung 415 auf der inneren Oberfläche des Probengefäßes derart zurückgehalten, daß eine reine Pro­ be 440 durch die Nadel 450 abgesaugt werden kann.

Fig. 5 stellt die Erfindung dar, bei der die innere Ober­ fläche eines Probengefäßes zuerst mit einer Bedeckung 515 behandelt wird. Eine Probenmatrix 510 mit gelösten Kompo­ nenten A und B wird zusammen mit einem Lösungsmittel 505 in das Probengefäß durch eine Nadel 550 eingebracht und wird anfangs mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit gedreht, derart, daß die Probenmatrix 510 an der Bedeckung 515 an­ haftet. Das Probengefäß wird dann mit einer relativ hohen Geschwindigkeit rotiert, um das erste Lösungsmittel 505 zu verdampfen. Ein zweites Lösungsmittel 525 wird dann in das Probengefäß eingebracht, um die Komponente A zu lösen, wäh­ rend die Komponente B an der inneren Wand des Probenbehäl­ ters angehaftet bleibt. Die Nadel 550 wird dann verwendet, um die Komponente A aus dem Probengefäß zur Analyse abzu­ saugen.

Fig. 6 stellt dar, wie die Erfindung für eine Extraktion im Luftraum im Probenbehälter verwendet werden kann, bei der gasförmige Lösungsmittel verwendet werden. Insbesondere wird eine Dispensationsnadel 650 zum Einbringen der Probenmatrix 610 in das Probengefäß 600 verwendet. Das Probengefäß wird dann mit einer sehr hohen Rate rotiert, derart, daß sich die Probenmatrix 610 als Dünnfilm 615 auf den inneren Wänden des Probengefäßes bildet. Die Dispensationsnadel 650 bringt ein flüchtiges Extraktionslösungsmittel 640 ein, das in einer flüssigen oder einer gasförmigen Form sein kann. Die Proben­ matrix wird dann bei Vorhandensein des Extraktionslösungs­ mittels 640 in der Art derart erwärmt, daß es den interes­ sierenden Komponenten ermöglicht wird, in einen Gleichge­ wichtszustand in der Gasphase innerhalb des Probengerätes zu kommen. Wenn die interessierenden Komponenten relativ flüch­ tig sind, kann auf eine Erwärmung verzichtet werden. Die Dispensationsnadel 650 kann dann verwendet werden, um den Luftraum 660 abzusaugen, um die flüchtigen interessierenden Komponenten aus dem Luftraum innerhalb des Probengefäßes zu erhalten. Zusätzlich kann das Probengefäß derart rotiert werden, daß die schwereren Komponenten der Matrix nach außen gezwungen werden und die leichteren, flüchtigen interessie­ renden Komponenten sich in die Mitte des Probengefäßes bewe­ gen. Die Dispensationsnadel kann in die mittlere Region des Probengefäßes eingeführt werden, um einen Teil des gas­ förmigen Extraktionslösungsmittels zur Analyse abzusaugen. Durch Bilden der Probe als Dünnfilm tritt der Gleichge­ wichtszustand viel schneller ein und ist wesentlich gleich­ mäßiger, als wenn die Probe eine herkömmliche Form hätte. Wenn die Probenmatrix flüssig ist, oder irgendeine andere Form aufweist, die nach der Rotation nicht in der Dünnfilm­ form bleiben wird, kann der Rotationsbetrieb fortgeführt werden, während die Oberfläche der Probenmatrix mit einem Lösungsmittel gewaschen wird, oder mit einem Gas geklärt wird.

Es ist offensichtlich, daß die oben beschriebenen Be­ deckungen der inneren Wand des Probengefäßes eine Verän­ derung der inneren Oberfläche des Probengerätes durch eine chemisch reaktive Phase einschließt, wobei dies das che­ mische Anbringen von Funktionsgruppen umfaßt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Extraktion einer interessierenden Kompo­ nente aus einer Probenmatrix (10), mit folgenden Schritten:
Bilden der Probe als dünnen und gleichmäßigen Film, wo­ bei die Oberflächenfläche für ein gegebenes Probenvo­ lumen maximiert wird;
Kontaktieren der dünnen Probenschicht mit einem Lö­ sungsmittel zum Lösen der interessierenden Komponente; und
Entfernen des Lösungsmittels, das die interessierende Komponente enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt des Bildens der Probe als Dünnfilm ferner den Schritt des Ver­ teilens der Probenmatrix (10) auf einem Substrat (20) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Substrat (20) ein poröses Medium ist, das das Freilegen beider Seiten des Dünnfilms während der Extraktion ermöglicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das ferner den Schritt des Anordnens des porösen Mediums in einer Teströhre und den Schritt des Einbringens eines Extraktionslösungs­ mittels umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Bildens der Probe als dünne und gleich­ mäßige Schicht ferner die Schritte des Anordnens der Probenmatrix (10) in einem Probengefäß (30) und des Rotierens des Probengefäßes (30) mit einer Geschwindig­ keit umfaßt, derart, daß die Zentrifugalkraft bewirkt, daß sich die Probe als dünne und gleichmäßige Schicht bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Probengefäß (30) mit einer Geschwindigkeit größer als 1000 Umdrehungen pro Minute rotiert wird.

7. Verfahren zur Dünnfilmextraktion innerhalb eines Pro­ bengefäßes (220), mit folgenden Schritten:
Bedecken der Innenseite eines Probengefäßes (220) mit einem Dünnfilm in einer chemisch reaktiven stationären Phase;
Einbringen einer flüssigen Probe in das Probengefäß (220); und
Rotieren des Probengefäßes (220) entlang dessen Achse mit einer Geschwindigkeit, derart, daß die Zentrifugal­ kraft bewirkt, daß sich die Probe als Dünnfilm ver­ teilt, um den Kontakt mit der chemisch reaktiven Ober­ fläche zu maximieren, und um den Diffusionsweg durch diese hindurch zu minimieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Bedeckungs­ schritt ferner den Schritt des Rotierens des Probenge­ fäßes (220) umfaßt, derart, daß die Zentrifugalkraft bewirkt, daß sich die chemisch reaktive Oberfläche als Dünnfilm auf der inneren Oberfläche des Probengefäßes (220) verteilt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner den Schritt des Erwärmens des Probenbehälters während der Rotation um­ faßt, um eine Wechselwirkung zwischen der Probe und der reaktiven Oberfläche zu verbessern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die reaktive Phase ferner eine Trockenmittelbedeckung (310) umfaßt, um Wasser aus der Probe aufzunehmen, und die Probe dadurch auszutrocknen.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Probe zumindest eine erste Komponente (A) und eine zweite Komponente (B) in Lösung mit einem ersten Lösungsmittel (505) um­ faßt,
wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt:
Rotieren des Probengefäßes mit hohen Geschwindigkeiten, um das erste Lösungsmittel (505) zu verdampfen;
Einbringen eines zweiten Lösungsmittels (525), das die Fähigkeit hat, lediglich die erste Komponente (A) und nicht die zweite Komponente (B) zu lösen, derart, daß die erste Komponente (A) aus den Wänden des Gefäßes in das zweite Lösungsmittel (525) ausgewaschen wird; und
Entfernen des zweiten Lösungsmittels (525) und der ersten Komponentenmischung.

12. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner den Schritt des Anhaltens der Rotation des Probengefäßes umfaßt, derart, daß die Probe von den inneren Wänden zum Boden des Probengefäßes läuft.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Absaugens der Probe von dem Boden des Probengefäßes zur Einbringung in einen Chromatographen umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Transportierens des Probengefäßes zu einem Detektor zur Probenidentifikation umfaßt.

15. Verfahren zur Probenvorbereitung innerhalb eines Pro­ bengefäßes, das folgende Schritte umfaßt:
Verändern der inneren Oberfläche eines Probengefäßes durch eine chemische Reaktion;
Einbringen einer flüssigen Probe in das Probengefäß;
Rotieren des Probengefäßes mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, um zu bewirken, daß sich die Probe als Dünnfilm ausbreitet, um den Kontakt mit der verän­ derten inneren Oberfläche zu maximieren, um dadurch eine erwünschte Änderung der Probe herbeizuführen; und
Entfernen der flüssigen Probe aus dem Probengefäß.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt des Veränderns der inneren Oberfläche ferner den Schritt des chemischen Anbringens von Funktionsgruppen umfaßt.

17. Verfahren zur Probenvorbereitung innerhalb eines Pro­ bengefäßes (600), mit folgenden Schritten:
Anordnen einer Probenmatrix (610), die interessierende Komponenten enthält, innerhalb des Probengefäßes (600);
Rotieren des Probengefäßes (600) derart, daß die Zen­ trifugalkraft bewirkt, daß sich die Probenmatrix (610) als dünner und gleichmäßiger Film auf der inneren Ober­ fläche des Probengefäßes (600) verteilt;
Einbringen eines Lösungsmittels (640) in das Probenge­ fäß (600) und Rotieren des Probengefäßes (600) derart, daß das Lösungsmittel (640) mit der Probenmatrix (610) in Kontakt kommt; und
Absaugen des Luftraums (660), der die flüchtigen interessierenden Komponenten enthält, aus der Mitte des Probengefäßes (600).

18. Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Rotieren des Probengefäßes (600) mit einer Geschwindigkeit umfaßt, die ausreichend ist, um zu bewirken, daß schwerere flüchtige Partikel von der Mitte des Probengefäßes (600) wegbewegt werden, derart, daß die leichteren interessierenden Komponenten von der Mitte des Proben­ gefäßes (600) abgesaugt werden können.