KR101991303B1 - 분산성 에너지화 추출을 사용하여 분석적 연구를 위한 급속한 샘플 준비 - Google Patents

Abstract

분석적 연구를 위한 샘플을 준비하는 추출 방법이 개시된다. 상기 방법은 하나 이상의 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스를 열 전도성 샘플 컵 안에 넣는 단계, 열 전도성 샘플 컵을 압력-저항성 반응 챔버 안에 위치시키는 단계, 열 전도성 샘플 컵 안으로 용매를 분배하는 단계, 반응 챔버 내 샘플 컵 내의 용매 및 샘플 매트릭스를 분산시키는 단계, 반응 챔버 내 샘플 컵 내의 샘플 매트릭스 및 추출 용매를 분배된 용매가 대기압 이상을 발생하는 온도로 가열하는 단계, 및 추출 용매 추출물을 샘플 컵으로부터 대기압에서 방출하는 단계를 포함한다.

Description

분산성 에너지화 추출을 사용하여 분석적 연구를 위한 급속한 샘플 준비{RAPID SAMPLE PREPARATION FOR ANALYTICAL ANALYSIS USING DISPERSIVE ENERGIZED EXTRACTION}

관련된 출원

본원은 분석적 샘플 준비용 기기에 대해 이와 함께 동반하여 출원된 출원 일련 번호 ______ 및 분석적 연구를 위한 급속한 에너지화 분산성 고상 추출 ( SPE )에 대해 이와 함께 동반하여 출원된 출원 일련 번호 ______에 관한 것이다.

본 발명은 분석 화학에 관한 것으로, 특히 분자 분석을 위한 샘플 준비에 관한 것이다.

임의의 제품의 분자 분석 (샘플에서 하나 이상의 화합물을 확인하는 과제)을 수행하기 위해, 제품의 샘플은 크로마토그래피, 분광법, 질량 분광법 및/또는 핵자기 공명 장치에 의해 쉽게 분석될 수 있는 형태로 되어야 한다.

이들 분석 기기는 실질적으로 순수한 단리된 피분석물을 필요로 하기 때문에, 일반적으로 "샘플 준비"로 지칭되는 일부 중간 단계를 수행하여 발견될 수 있는 샘플 매트릭스에서 관심 있는 화합물을 분리하고 이들을 계기 장비에 의한 분석을 준비해야 한다.

샘플에서 하나 이상의 화합물을 식별하는 과제는 - 샘플 준비와 관련하여 막대하게 더 큰 세트의 가능성과 과제를 제시한다. "자연 발생" 화합물 (식물 또는 동물에 의해 생성된 것들)의 수는 측정할 수 없게 많고, 현대의 유기 및 무기 합성 능력은 - 비유적으로 또는 문자 그대로 - 유사한 수의 합성 화합물을 생성한다.

산업 공정 및 폐수, 토양 및 공기에서 오염 물질에 대한 환경 시험과 관련하여 관심있는 화합물에 대한 확인 또는 정량적 측정에 엄청난 관심이 있다.

작은 그룹의 인식 가능한 대표적인 샘플조차도 식품 내에 살충제, 식품 내에 다른 합성 화학물질 (항생제, 호르몬, 스테로이드), 토양 중의 합성 조성물 (벤젠, 톨루엔, 정제된 탄화수소) 및 일상 용품에서의 바람직하지 않은 조성물 (예를 들어, 폴리카보네이트 병 및 다른 플라스틱 식품 포장에서의 비스페놀-A ("BPA")를 포함한다.

일반적으로 추출은 샘플 준비의 주요 형태이다; 즉, 분석 기술에 의해 측정될 수 있도록 샘플로부터 원하는 화합물(들)이 추출되는 용매와 샘플을 혼합함으로써 샘플로부터 하나 이상의 관심 있는 화합물을 추출하는 단계.

몇 세대 동안 (그리고 현재까지 지속하여), 추출의 형태로 된 샘플 준비는 19세기에 발명된 잘 알려진 속슬레 방법에 의해 수행되었다. 속슬레 기술에서는 추출이 완료될 때까지 단일 부분의 용매가 샘플 매트릭스를 통해 반복적으로 순환한다. 속슬레 방법이 이점을 가지는 정도로, 이것은 끓는 플라스크가 가열되고 콘덴서가 차가워지는 만큼 오랫동안 자체 조화를 지속하는 추출을 허용한다.

이 추출 방법은 관심 있는 화합물을 완전히 추출하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있다. 가연성 용매, 위험한 폐기물 및 깨질 수 있는 유리그릇으로부터 안전성에 대한 다른 우려는 이 방법의 중요한 단점이다.

또 다른 통상적으로 공지된 추출 방법은 초고-초음파처리; 즉, 진탕을 초래하는 초음파 (>20 kHz) 웨이브로 액체 샘플의 조사를 사용한다. 비록 초고-초음파처리는 추출 공정을 가속화하는 이점이 있지만 이것은 노동 집약적인 수작업이며 다량의 용매를 사용한다는 약점이 있다.

보다 최근 몇 년 동안에는 분석적 규모의 마이크로파-보도 추출법 (MAE)이 이용되었다. MAE는 마이크로파 에너지를 사용하여 샘플 매트릭스로부터 용매로 피분석물을 분배하기 위해 샘플과 접촉하는 용매를 가열한다. MAE의 주요 이점은 샘플 용매 혼합물을 빠르게 가열하는 능력이다. 폐쇄된 가압된-용기를 사용할 때 추출은 샘플 매트릭스로부터 관심 있는 화합물의 추출을 촉진하는 상승된 온도에서 수행 될 수 있다. MAE는 추출 공정을 가속화하지만, 그것의 약점도 또한 가지고 있다. 마이크로파 가열 과정에서 전형적으로 극성 용매는 쌍극자의 역전과 용질 및 용매에 존재하는 하전된 이온의 변위를 통해 쌍극자 회전과 이온성 전도를 제공하는 것이 요구되어, 무극성 용매 사용을 제한한다. MAE는 추출물을 여과하는 수단을 제공하지 않는 비싼 고-압력 용기를 사용하며 이들은 압력이 방출될 수 있기 전에 냉각되어야 한다.

1990년대에 피분석물의 추출을 위한 자동화 장치가 개발되었다. 이들 장치는 상승된 온도와 압력하에서 가압된 셀에 용매 추출을 통합했으며 "가압된 유체 추출" ("PFE") 또는 "가속화된 용매 추출" ("ASE")로 지칭된다. PFE는 용매가 높은 추출 특성을 나타내는 고온에 있는 것을 제외하고는 속슬레 추출과 유사한 것으로 나타났다. 이 절차는 Dionex (Richter DE 등, Anal Chem 1996, 68, 1033)에 의해 처음 개발되었다. 그러한 PFE 자동화 추출 시스템 (Dionex ASE)은 상업적으로 입수가능하다.

PFE는 초기에는 토양, 침전물 및 동물 조직에서 환경 오염물질 (EPA 방법 3545, 제초제, 살충제, 탄화수소)에 대해 사용되었지만, 식품, 의약품 및 다른 생물학적 샘플에서의 사용으로 확창되었다.

PFE는 효율적인 추출을 제공하지만, 그러나 여전히 분석을 위해 샘플을 준비하는 데 필요한 많은 단계와 관련된 주요 병목 현상을 극복하지 못했다. PFE는 다중-구성요소 셀과 많은 단계를 사용한다. 셀은 샘플 및 다른 팩킹 물질로 단단히 포장되어 셀 내의 임의의 공동 영역을 없애고 분리를 향상시키며 채널링을 회피한다. 분석을 위해 셀을 준비하는 데는 전형적으로 15분이 걸릴 수 있다. 셀은 최대 1500 psi의 압력에서 사전-가압되고 용매를 추가하기 전에 최대 200℃까지 가열된다. 추출은 칼럼을 통해 고온 용매를 강제하는 크로마토그래피 원리를 기반으로 한다. 사이클 시간은 최대 20분이 걸릴 수 있으며 고압의 요건은 비용 및 유지 관리 측면에서 2차적인 약점으로 이어진다.

최신 PSE 또는 ASE 기술은 이들 어려움 중 일부를 해결하기 위해 시도하지만, 그러나 셀이 단단히 팩킹될 것이 여전히 요구되어, 각각의 추출에 요구된 복잡성과 전반적인 시간을 부가한다.

샘플 준비는 비록 수년에 걸쳐 개발되어 왔지만, 그럼에도 불구하고 분자 분석에서 주요 병목현상이 남아 있다. 따라서, 비록 속슬레, 초음파처리, MAE 및 PFE 기술이 그것의 이점을 가지지만, 각각은 상대적으로 시간 소모적이다. 그 결과, 필요한 또는 원하는 정보를 제공하기 위해 다수의 샘플이 요구되거나 필요할 때, 임의의 주어진 추출-기재 분자 준비 단계를 수행하는 데 요구된 시간은 임의의 주어진 시간 내에 제조될 수 있는 샘플의 수를 감소시키고, 따라서 임의의 주어진 시간 간격 내에 이용가능한 정보의 양을 감소시킨다. 측정이 연속적인 공정에서 도움이 되거나 필요한 정도로, 이것은 샘플 간의 더 긴 간격을 나타내거나 그전에 변칙적인 또는 고질적인 결과가 확인될 수 있다.

요약하면, 현재의 샘플 준비 기술은 느리고, 복잡하고, 비효율적이고, 다수의 개별의 단계를 필요하고, 과잉의 용매를 사용하고, 자동화하기 어렵고, 그리고 높은 액체 압력하에서 작동한다.

따라서, 추출-기반 샘플 준비는 분석적 기술에서 주요한 병목현상으로 계속 인식되고 있다.

일 측면에서 본 발명은 추출 용매 및 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스가 샘플 컵 내에 배치되고 진탕되고, 가열되고, 그리고 가압된 후 배출되고 그리고 용매 추출물은 그 후에 냉각되는 분석용 냉각된 추출 용매 추출물을 수집하는 단계를 포함하는 분자 분석을 위한 피분석물을 준비하기 위한 추출 방법이다.

또 다른 측면에서 본 발명은 추출 용매 및 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스를 샘플 컵 내에 위치시키는 단계, 그 후에 진탕하는 단계, 가열하는 단계, 및 상기 가열된 샘플 매트릭스로부터 피분석물을 그리고 가열된 추출 용매 안으로 추출하기 위해 샘플 컵 내의 추출 용매 및 샘플 매트릭스를 가압하는 단계, 그 후에 대기압에서 그리고 배출된 추출 용매 추출물이 주위 온도에 접근 또는 도달할 때까지 샘플 컵으로부터 대기압에서 상기 가압되고 가열된 추출 용매를 배출하는 단계, 및 분석을 위해 상기 냉각된 추출 용매 추출물을 수집하는 단계를 포함하는 분자 분석을 위한 피분석물을 준비하기 위한 추출 방법이다.

또 다른 측면에서 본 발명은 샘플 컵 내에 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매를 넣는 단계를 포함하는 추출 기반 샘플 제조 방법이다. 상기 방법은 상승된 온도와 함께 샘플 매트릭스로부터 추출 용매 안으로 실질적으로 피분석물을 유도하는 대기압 이상을 발생시킬 때까지, 샘플 컵 내의 샘플 매트릭스 및 추출 용매를 진탕하면서 압력-저항성 반응 챔버 내의 샘플 컵, 샘플 매트릭스, 및 추출 용매를 가열하는 단계 및 샘플 컵으로부터 대기압에서 냉각 코일 안으로 상기 용매 추출물을 방출하는 단계를 포함하고 여기서 상기 냉각 코일은 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 상기 용매 추출물을 실질적으로 냉각하기에 충분한 길이를 가진다.

또 다른 측면에서 본 발명은 샘플 컵 내에 하나 이상의 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스를 넣는 단계, 상기 샘플 컵을 압력-저항성 반응 챔버 안에 위치시키는 단계, 상기 샘플 컵 안으로 용매를 분배하는 단계, 상기 반응 챔버 내 샘플 컵 내의 용매 및 샘플 매트릭스를 분산시키는 단계, 상기 반응 챔버 내 샘플 컵 내의 샘플 매트릭스 및 추출 용매를 상기 분배된 용매가 대기압 이상을 발생하는 온도로 가열하는 단계, 상기 추출 용매 추출물을 샘플 컵으로부터 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 코일 내에서 용매 추출물의 온도를 감소시키기에 충분한 길이를 갖는 냉각 코일 안으로 방출하는 단계 및 상기 코일로부터 여과된 용매 추출물을 수집하는 단계를 포함하는 분석적 연구를 위한 샘플을 준비하는 추출 방법이다.

또 다른 측면에서 본 발명은 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매를, 하나의 개방된 여과 단부를 갖는 열 전도성 샘플 컵을 포함하는 압력-저항성 반응 챔버에 의해 둘러싸인 열 전도성 샘플 컵 안으로 넣는 단계, 샘플 컵의 내부와 샘플 컵의 외부에 배치되는 반응 챔버 둘 모두에 추출 용매를 첨가하는 단계, 및 상승된 온도와 함께 샘플 매트릭스로부터 추출 용매 안으로 실질적으로 피분석물을 유도하는 대기압 이상을 발생시킬 때까지, 샘플 컵의 외부의 반응 챔버의 용매를 가열하여 차례로 샘플 컵, 샘플 매트릭스 및 추출 용매를 가열하는 단계, 샘플 컵으로부터 대기압에서 냉각 튜브 안으로 상기 용매 추출물을 방출하는 단계를 포함하는 추출 기반 샘플 제조 방법으로 여기서 상기 냉각 튜브는 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 상기 용매 추출물을 실질적으로 냉각하기에 충분한 길이를 가진다.

또 다른 측면에서 본 발명은 샘플 컵 내의 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매의 가열되고 가압되고 진탕된 혼합물이다.

본 발명의 전술한 목적 및 이점들과 다른 목적 및 이점들 그리고 이들이 달성되는 방식은 수반되는 도면들과 연계하여 취해진 다음의 상세한 설명에 기초하여 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명의 방법을 수행하기 위해 사용된 일부 요소들의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 기반한 BNA CMR 추출의 예시적인 전체 스캔 크로마토그램이다.
도 3은 ASE 추출에 비교된 본 발명에 따른 실시예 1 추출의 오버레이이다.
도 4는 본 발명을 사용한 실시예 2 폴리에틸렌 CRM 추출의 샘플 전체 스캔 크로마토그램이다.

수많은 용어들이 본 방법을 기술하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

용어 "용매"는 그것의 잘 이해되는 화학적 의미; 예를 들어, "분자 또는 이온성 크기 수준에서 균일하게 분산된 혼합물 (용액)을 형성하도록 또 다른 물질 (용질)을 용해할 수 있는 물질"로 사용된다. 형용사 "유기"는 산소, 황, 및 금속 그리고 일부 경우에는 할로겐과 탄소의 특정 소분자 조합 이외에 "탄소의 모든 화합물을 포함"하는 그것의 잘 이해된 의미로 사용된다. 문헌 [Lewis, Hawley's Condensed Chemical Dictionary, 15th Edition, 2007, John Wiley 및 Sons] 참고.

"샘플 매트릭스"는 피분석물의 존재와 선택적으로 그 양에 대해 시험되어 지는 물질이다.

"피분석물"은 흥미 있는 분자 화합물이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "피분석물"은 단일 샘플 내에 복수의 피분석물을 갖는 샘플을 포함할 수 있다.

"용매 추출물"은 추출 후 용매 내 피분석물의 용액이다.

"샘플 컵"은 샘플 매트릭스 및 용매용 용기이다.

"수집 용기"는 냉각 후 용매 추출물을 수집하는 용기이다.

제1 측면에서 본 발명은 분자 분석용 샘플을 준비하는 추출 방법이다. 본 방법에서 추출 용매 및 샘플 매트릭스는 샘플 컵 안으로 위치되고, 상기 샘플 컵은 압력 저항성 가열 챔버 내에 배치된다. 전형적인 (그러나 제한되지 않는) 샘플 매트릭스는 식품, 식품 포장, 및 토양을 포함한다.

숙련가에 의해 인식되는 바와 같이 (예를 들어, US EPA 방법 3545), 샘플은 흥미 있는 농도로 샘플 매트릭스로부터 흥미 있는 피분석물의 최적의 재생가능한 회수를 제공하는 용매계를 사용하여 추출되어야 한다. 추출 용매의 선택은 관심 있는 피분석물에 좌우되며, 단일 용매는 모든 피분석물에 보편적으로 적용할 수 없다.

분자 분석을 위한 전형적인 (그러나 제한되지 않는) 고체-액체 추출 용매는 물, 약산, 약염기, 아세톤, 헥산 2-프로판올, 사이클로헥산, 디클로로메탄, 아세토니트릴, 메탄올, 및 이들의 혼합물을 포함한다.

본 명세서에서 추가로 제시되는 바와 같이, 그리고 이론에 의한 구속됨 없이, 반응 챔버를 가열하여 차례로 샘플 컵을 가열하는 단계는 용매 및 샘플의 혼합 및 진탕하는 것을 돕기에 충분한 사전-평형 열구배를 생성한다. 일부 구현예에서, 반응 챔버는 추출을 향상시키고 사전-평형 열구배 및 그것의 잠재적인 이점을 잠재적으로 향상시키기 위해 사전-가압된다 (약 25 psi가 충분한 것으로 밝혀졌다).

본 발명의 방법에서, 샘플 매트릭스는 또한 샘플 컵에 느슨하게 충전된 것으로 기재될 수 있다. 비록 용어 "느슨한"이 마찬가지로 상대적이기는 하지만, 이것은 여기서 그것의 보통의 의미로 결합 또는 구속하고 고정 또는 부착으로부터 유리되거나 방출되는 것으로부터 자유로운 것으로 사용된다 (문헌 [Urdang, The Random House College Dictionary, Random House Inc. (1972)]). 샘플 매트릭스가 느슨하기 때문에, 상단, 하단 또는 둘 모두로부터 용매의 첨가는 용매에 시료 매트릭스가 분산되는 것을 돕는다.

추출 용매 및 샘플 매트릭스는 또한 그렇지 않으면 샘플 매트릭스, 피분석물 또는 용매에 대해 불활성인 진탕하는 가스의 흐름을 사용하여 챔버 내의 컵 안에서 혼합될 수 있다. 추출 기술 분야에서의 숙련자는 가스가 따라서 상기 공지된 파라미터에 기초하여 선택될 수 있고, 그리고 일부 경우에는 압축된 공기가 적절할 수 있는 반면, 다른 것에서는 질소 또는 수소가 (수소의 가연성 특성에 기초한 주의로) 최상일 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 사례에서 비활성 가스 (예를 들어, 헬륨, 아르곤) 중 하나가 최상일 수 있다.

다른 혼합 기술 (예를 들어, 자석 교반기 또는 다른 기계적 디바이스)이 사용될 수 있으나, 보다 복잡한 계기 장비를 필요로 하는 경향이 있다.

샘플 매트릭스 및 용매는 그런 다음 반응 챔버 내 샘플 컵에서 증발된 용매가 대기압-이상을 발생시키는 온도로 가열된다. 90℃-180℃의 온도가 예시적으로 (미국 환경청에서 토양에 대해 120℃를 제시함), 이 온도에서 전형적인 유기 추출 용매는 50-250 제곱인치 당 파운드 (psi)의 상응하는 압력을 발생된다. 현재까지의 실험에서 이 온도에 도달하는 시간은 약 90초이고, 이 시점에서 추출은 실질적으로 완료되었다 (추출은 평형 과정인 것으로 이해됨). 이어서, 용매로부터의 증기에 의해 생성된 압력은 용매 추출물이 코일에 있는 동안 추출물의 온도를 거의 주위 온도 (예를 들어, 25℃)로 감소시키기에 충분한 길이를 갖는 냉각 코일 내로 샘플 컵으로부터 용매 추출물을 배출시키는데 사용된다. 용매 추출물은 그런 다음 코일로부터, 전형적으로 수집 용기 내에 수집된다. 예시적인 실험에서, 약 10피트의 길이를 갖는 금속 튜우빙은 약 30초의 체류 시간을 제공하는 경향이 있는데, 이는 용매 추출물을 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 냉각하기에 충분하다. 따라서, 코일은 전형적으로 공간 절약 목적으로 사용되지만, 코일 형상은 의무적인 것이기보다는 선택적이다.

샘플 매트릭스 및 추출 용매는 이 분야에서 전형적인 양으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 고체 매트릭스는 관심 있는 샘플 매트릭스 약 5 또는 10그램 (g) 사이를 제공하는 방식으로 수집된다. 추출 용매의 양은 비례한다; 전형적으로 약 30-100 밀리리터 (mL)이다.

도 1은 본 발명의 방법 단계를 수행하기 위한 기기의 기본적 요소들의 개략도이다.

도 1은 개략도의 맥락에서 본 방법의 수많은 특징을 예시한다. 도 1은 압력 저항성 반응 챔버(12)에 의해 둘러싸인 열-전도성, 압력-저항성 샘플 컵(10)을 예시한다.

본 발명의 맥락에서, 전형적인 샘플 컵은 열-전도성 재료의 실린더 형태이다. 샘플 컵(10)은 반응 챔버(12)의 내부에 있기 때문에, 차압이 거의 또는 전혀 없으며, 따라서 그것의 질량이 최소화될 수 있어 열적 이동을 촉진한다. 본 구현예에서, 길이가 약 3.5 인치 (8.9cm)이고 직경이 약 1.25 인치 (3.2cm)이고 벽 두께가 약 0.1 인치 (2.54mm)인 알루미늄 실린더가 적절한 것으로 밝혀졌다. 용어들 "열 전도성" 또는 "열적으로 전도성"은 열이 이를 통해 상대적으로 빠르게 통과하는 물질을 나타내는 그것의 잘 이해되는 의미로 사용된다. 물론, 열이 이를 통해 보다 천천히 통과하는 물질을 기술하는 것으로 마찬가지로 잘 이해되는, 용어 "절연성"은 그것의 반대이다. 그것에 기초하여, 많은 금속 및 합금은 그러한 전도도가 대부분의 금속 및 합금의 특징적인 특성 중 하나임을 감안하여 용기로 특히 유용하다. 대안적으로, 많은 폴리머성 물질은 절연성으로 간주되고 통상적으로 본 발명의 관점에서 덜 도움이 된다. 많은 금속 및 합금의 열전도도가 공개되고 널리 전파되며, 적절한 금속 또는 합금이 과도한 실험과정 없이 숙련가에 의해 선택될 수 있다.

적절한 샘플 컵은 일 단부에서 열린 입구와 반대편 단부에 또는 그 근처에 부분적으로 열린 마루를 가진 실린더이다. 형상 또는 위치 (즉, 컵, 그 입구 또는 열린 단부)의 작은 변화는 물론 본 발명의 기대된 범위 내에 있다. 부분적으로 개방된 마루는 필터 또는 여과재를 지지할 수 있고 용매 추출물이 샘플 컵으로부터 배출되도록 한다. 용매는 샘플 컵의 최상부로부터, 샘플 컵의 바닥을 통해 또는 둘 모두에 의해 샘플 컵 안으로 분배될 수 있다.

피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매의 조합 (수평 라인(11)으로 개략적으로 도시됨)은 하나의 개방되고 여과된 단부(13)를 사용하여 샘플 컵(10) 내에 유지된다. 여과재는 14로 지정되어 있다.

도 1은 또한 샘플 컵(10)에 재킷을 씌우기 위해 점선(15)으로 표시된 바와 같이 추가의 추출 용매가 샘플 컵(10) 외부의 반응 챔버(12)에 선택적으로 첨가될 수 있음을 나타낸다. 폐쇄(46)은 반응 용기(12) 내의 샘플 컵(10)을 밀봉한다.

가열기(16)는 샘플 컵(10)의 외부의 반응 챔버(12) 내의 용매(15)를 가열하여, 상승된 온도와 함께 샘플 매트릭스로부터 추출 용매 안으로 실질적으로 피분석물을 유도하는 대기압 이상을 발생시킬 때까지, 샘플 컵(10), 샘플 매트릭스(11) 및 추출 용매를 차례로 가열한다.

용매 추출물은 그런 다음 용매 추출물을 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 냉각시키기에 충분한 길이를 갖는 냉각 튜브(17)로 용매 추출물이 이동할 수 있도록 개방 말단에서 대기압으로 반응 챔버를 (예를 들어, 밸브(21)를 사용하여) 개방함으로써 방출되어, 냉각된 용매 추출물이 예를 들어 수집 용기(20)에서 분석을 위한 준비로 수집될 수 있다.

분자 분석을 위한 샘플의 준비를 수행함에 있어서, 샘플 매트릭스는 열전도성 반응 챔버(12)에 그런 다음 배치된 샘플 컵(10)에 위치된다. 공급원(22)으로부터의 용매는 밸브(33), 관련된 통로(24 및 25) 및 전달 헤드(26)를 통해 샘플 컵(10) (그리고 따라서 샘플 매트릭스)으로 전달된다. 액체 매트릭스 샘플은 주사기 펌프(27, 30) 및 밸브(33)로부터 전달될 수 있다. 추가로, 용매는 밸브(33), 라인(28), 밸브(21) 및 라인(31)을 사용하여 반응 챔버(12)의 바닥으로 첨가될 수 있다.

도 1은 또한 밸브(42)에 의해 제어되는 바와 같이, 통로(40, 41)를 사용하여 샘플 컵의 바닥 또는 그 부근에서의 위치로 공급원(37)으로부터 불활성 가스를 전달함으로써 가스 교반이 수행되는 것을 예시한다. 2차 진탕이 요구되는 경우, 전형적으로는 압전 변환기인 초음파 발생기(43)와 같은 장치로 수행될 수 있다.

배출 단계는 밸브(21)가 대기압으로 개방될 때 일어나고 따라서 열전도성 챔버(12) 내의 가압된 용매는 통로(31)를 통해, 그런 다음 밸브(21)를 통해 그 다음 냉각 코일(17)로 액체 용매 추출물을 밀어낸다. 냉각 코일은 수집관(32)에 의해 수집 용기(20)에 연결된다.

도 1에 더하여 그리고 가능성의 설명을 완료하기 위해, 용매는 용매 공급원(22)으로부터 라인(24)을 통해 회전식 밸브(30)로 흐를 수 있다. 라인(47)은 회전식 밸브(30)를 보조 밸브 밸브(33)와 연결한다. 라인(28)은 보조 밸브(33)를 가스 밸브(21)에 연결하고, 이것은 차례로 라인(31)을 사용하여 반응 챔버(12)의 바닥으로 용매를 전달할 수 있다.

라인(48)은 회전식 밸브(30)를 주사기(40)에 연결하여 공급원(22)으로부터의 액체가 공급원(22)으로부터 주사기(40) 안으로 그리고 그 후 주사기(40)로부터 샘플 컵 내로 그리고 라인(35에서 25로) 및 분배기 헤드(26)를 통해 계량될 수 있다. 점선(15)은 용매가 샘플 컵(10)에 재킷을 씌우기 위해 사용될 때 샘플 컵(10)과 반응 챔버(12) 사이의 용매의 위치를 나타낸다.

가스 공급원(37)은 몇 개의 다른 항목에 대한 가스 흐름과 함께 밸브(32)에 의해 제어되는 라인(50 및 47)을 통해 상부공간에 추가의 압력을 공급할 수 있다. 라인(51)은 밸브(32)를 벤트(35)에 연결한다.

가스 압력 모니터링의 일부로서, 라인(52)은 밸브(32)를 압력 게이지(23)에 연결하고 압력 게이지(23)는 통신 라인(53)을 통해 프로세서(38)에 유선 연결된다. 프로세서(38)는 또한 통신 라인(54)을 사용하여 열전쌍(44)에 연결되어 다양한 샘플 추출에 대한 온도 및 증기압의 모니터링된 조합을 사용하여 도움이 되는 표준화된 정보를 개발할 수 있다.

반응 챔버(12) 및 샘플 컵(10)의 바닥 내로 진탕하는 가스를 제공하기 위해, 37에서의 가스 공급원은 또한 적절한 라인 또는 튜브(184)를 통해 밸브(21)에 연결된다.

압력 헤드 밀봉(46)은 반응 챔버 내의 샘플 컵을 밀봉한다. 라인(56)은 용매를 밸브(21)로부터 코일(17)로 배출하고, 라인(32)은 코일(17)로부터 수집 용기(46)로 배출한다.

본 방법의 특성은 이것이 일부 추가의 측면으로 표현될 수 있도록 된다. 제2 측면에서, 단계는 샘플 컵에 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매를 위치시키는 단계를 포함한다. 그 후에, 상기 샘플 매트릭스 및 추출 용매는 샘플 컵에서 진탕되고, 가열되고 그리고 가압되어 가열된 샘플 매트릭스로부터 그리고 가열된 추출 용매 안으로 피분석물을 추출한다. 그런 다음 가압되고 가열된 추출 용매 추출물은 배출된 추출 용매 추출물이 주위 온도에 접근하거나 도달할 때까지 샘플 컵으로부터 그리고 냉각 코일을 통해 대기압에서 배출된다. 냉각된 추출 용매 추출물은 그런 다음 분석을 위해 수집된다.

도 1에서 샘플 컵(10) 내 용매(11) 위의 상부공간은 밸브(32) 및 라인(47)을 사용하여 가스 공급원(37)으로부터 가압될 수 있다.

명백하게, 숙련가에게 광범위한 선택이 이용 가능하며, 본 발명은 다른 방법과 동일한 용매 및 고정상을 사용하기 때문에, 과도한 실험과정 없이 적절한 선택이 이루어질 수 있다.

제2 진탕 단계가 필요한 경우, 이것은 가열 및 가압 단계 전에, 또는 이와 동시적으로, 그리고 전형적으로 초음파 진동을 사용하여 수행될 수 있다. 대안적으로 (또는 추가로) 진탕은 용매 및 피분석물에 불활성인 가스를 공급함에 의해 수행될 수 있다.

이전의 구현예에서와 같이, 방출 용매를 배출하는 단계는 방출 용매가 코일에 있는 동안 배출된 방출 용매가 주위 온도에 접근하거나 도달하도록 냉각하기에 충분한 길이를 갖는 코일로 가열된 방출 용매를 배출하는 단계를 포함한다. 그 시점에서, 피분석물을 함유하는 방출 용매는 통상적인 설비에서 분자 분석이 준비된 온도에 있다.

기본적으로, 본 발명의 방법은 기대된 온도 및 압력에서 안정적인 임의의 피분석물을 준비하기에 적절하다.

각각의 구현예에서, 용매는 물, 약산, 약염기, 에틸 아세테이트, 메틸 3차-부틸 에테르 ("MTBE"), 메틸렌 염화물, 헥산, 아세톤, 헥산 2-프로판올, 사이클로헥산, 아세토니트릴, 메탄올 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 그 특정한 군에 제한되지 않는다.

각각의 구현예는 가압된 가열 단계 동안 초음파 제2 진탕 단계를 사용할 수 있다.

각각의 구현예에서, 대기압에 용매 추출물의 방출이 사용되어 샘플 컵으로부터 그리고 냉각 코일 안으로 용매 추출물을 유도한다.

각각의 구현예에서, 대표적인 가열 온도는 90-180℃이고 그리고 대표적인 얻어진 압력은 약 50 내지 250 psi 사이이다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 샘플 컵 내에 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매의 가열되고 가압되고 진탕된 혼합물로 표현될 수 있다.

실험

실시예 1―표 1: 환경 적용; 토양으로부터 BNA's의 추출

표 1은 속슬레 (EPA 3540C), 본 발명 (실시예 1), 및 가속화된 용매 추출 (ASE; EPA 3545)을 비교한 토양으로부터 염기 중성 및 산 ("BNA's")의 추출로부터의 데이터를 나타낸다. 표시된 ASE의 것에 대한 용적 및 시간은 Dionex 애플리케이션 노트 317에 제시된 파라미터를 사용한 수행으로부터 얻어진다. 분석은 기체 크로마토그래피 이어서 질량 분광법 (GCMS; EPA 8270)을 사용하여 수행되었다.

본 발명의 방법은 다른 방법보다 상당히 적은 용매를 사용하고 상당히 적은 시간이 걸린다. 특히, ASE 추출 셀의 준비는 일반적으로 10개 이상의 성분 및 단계로 지루한 반면, 본 발명은 단지 3개의 간단한 부분을 사용한다. 평균적으로, ASE 추출 셀의 준비는 약 15분이 소요되는 반면, 본 발명은 몇 초 내에 준비된다.

표 2 환경 적용: 토양으로부터 BNA's의 추출; CRM 회수 데이터 (%)

표 2는 워터스 코포레이션 (미국 MA 01757 밀퍼드 소재; ERA 카탈로그 번호 727)으로부터 수득된 인증 표준 물질 (CRM) 토양에서의 BNA's에 대한 백분율에 의한 데이터를 요약한다. 당해 기술의 숙련가에 의해 이해되는 바와 같이, 목표는 CRM 샘플에 존재하는 것으로 공지된 물질의 100% 회수율을 얻는 것이다. 각각의 방법에 대해 모든 회수율은 품질관리 성능 승인 범위 내에 있었지만, ASE는 단지 38개만 회수하고 2-메틸나프탈렌은 식별하지 못한 반면 본 발명 (실시예 1)은 39개의 모든 피분석물을 회수하였다. 따라서 본 발명은 회수된 피분석물 및 피분석물의 회수율 퍼센트에 관하여 최상의 전반적인 성능을 갖는다.

도 2는 실시예 1에 기초한 BNA CMR 추출의 예시적인 전체 스캔 크로마토그램이다.

도 3은 ASE 추출에 비교하여 본 발명에 따른 실시예 1 추출의 오버레이이다. 더 높은 피크 각각은 회수에서 ASE를 상당히 능가하는 실시예 1 추출을 나타낸다. 추가로, 체류 시간 10.36 (2-메틸나프탈렌)에서의 ASE 피크의 부재는 ASE가 이 피분석물을 식별하지 못하는 것을 실증했다.

실시예 2―표 3: 폴리에틸렌으로부터 프탈레이트의 추출

표 3은 폴리에틸렌으로부터 프탈레이트의 추출에 대하여 속슬레, 본 발명 (실시예 2), 및 ASE 사이에서의 비교 차트이다. ASE에 대한 용적 및 시간은 Dionex 간행물 (Knowles, D; Dorich, B; Carlson, R; Murphy, B; Francis, E; Peterson, J, Richter, B. "Extraction of Phthalates from Solid Liquid Matrices," Dionex Corporation, 2011)에 언급된 파라미터를 사용한 수행으로부터의 것이고 그리고 모든 방법은 CPSC-CH-C1001-09.1 (소비자 제품 안전위원회, 시험 방법: CPSC-CH-C1001-09.3 프탈레이트의 결정을 위한 표준 조작 절차; http://www.cpsc.gov/about/cpsia/CPSC-CH-C1001-09.3.pdf)에 기반되었다.

또한, 본 발명의 방법 (실시예 2)은 다른 방법에 비하여 상당히 적은 용매를 사용하고 상당히 적은 시간이 걸렸다.

실시예 2―표 4 CRM 회수 데이터 (%)

표 4는 CRM 샘플 (SPEX CertiPrep CRM-PE001; 미국 NJ 08840 메터친 소재)에서 폴리에틸렌으로부터 프탈레이트의 추출에 대한 백분율에 의한 회수 데이터를 비교한다. 이 실험에서, 가열 전에 버블링(bubbling) 및 초음파처리 둘 모두의 30초 동안 진탕이 수행되었다. 다시, 본 발명 (실시예 2) 회수 데이터는 ASE보다 상당히 우수하고 진탕의 사용으로 개선을 나타내었다. 진탕을 한 실시예 2의 결과는 추출에 대한 "황금 표준"으로 간주된 속슬레 데이터와 매치된다. CRM에서의 모든 피분석물이 모든 방법에 대해 회수되었다.

도 4는 본 발명을 사용한 실시예 2 폴리에틸렌 CRM 추출의 샘플 전체 스캔 크로마토그램이다.

도면 및 명세서에 본 발명의 바람직한 구현예가 제시되어 있으며, 비록 구체적인 용어가 사용되었지만, 이들은 일반적이고 설명적인 의미로만 사용되며 제한의 목적으로는 사용되지 않으며, 본 발명의 범위는 청구범위에 정의되어 있다.

Claims (34)

1. 추출 기반 샘플 제조 방법으로서,
   하나의 개방된 여과 단부 및 상기 개방된 여과 단부 반대편에 입구를 갖는 열 전도성 샘플 컵을 포함하는 압력-저항성 반응 챔버에 의해 둘러싸인 열 전도성 샘플 컵 안으로 피분석물을 함유하는 샘플 매트릭스와 추출 용매를 위치시키는 단계;
   샘플 컵의 내부와 샘플 컵의 외부에 배치되는 반응 챔버 둘 모두에 액체 추출 용매를 부가하는 단계;
   가열 단계가 주위 온도 및 압력에서 용매의 증기압 이상으로 액체 추출 용매의 증기압을 증가시키도록, 컵 입구에 있는 밀봉 커버와 반응 챔버의 반대편 개방된 여과 단부에 있는 유출구 밸브 사이에서 샘플 컵을 밀봉하는 단계; 및
   상승된 온도와 함께 샘플 매트릭스로부터 액체 추출 용매 안으로 실질적으로 피분석물을 유도하는 대기압 이상을 발생시킬 때까지 샘플 컵, 샘플 매트릭스 및 액체 추출 용매를 차례로 가열하도록 샘플 컵의 외부의 반응 챔버 내의 용매를 가열하는 단계- 여기서 상기 대기압 이상을 발생하게 하는 상기 온도는 50℃ 내지 180℃이고; 및
   대기압에서 샘플 컵으로부터 액체 추출 용매를 주위 온도 또는 주위 온도 근처로 실질적으로 냉각하기에 충분한 길이를 갖는 냉각 튜브 안으로 액체 용매 추출물을 방출하는 단계
   를 포함하는 추출 기반 샘플 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액체 추출 용매를 샘플 컵 안으로 위치시키는 단계는, 샘플 컵의 최상부, 샘플 컵의 바닥, 및 샘플 컵의 최상부와 바닥 둘 모두로 구성된 군으로부터 선택된 위치로부터 수행되는, 추출 기반 샘플 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 개방된 여과 단부는 필터 또는 여과재를 지지하고 액체 추출 용매가 샘플 컵으로부터 배출되도록 하는, 추출 기반 샘플 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 샘플 컵의 바닥을 통해 샘플 매트릭스에 불활성 가스를 버블링(bubbling)시킴으로써 용매 및 샘플 매트릭스를 분산시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 분산시키는 단계는 상기 압력-저항성 반응 챔버의 가열 전에 수행되는, 추출 기반 샘플 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   가압된 가열 단계 동안 초음파 진탕을 적용하는 것을 추가로 포함하는, 추출 기반 샘플 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   발생되는 상기 대기압 이상은 50 psi 내지 250 psi(345 kPa 내지 1724 kPa)인, 추출 기반 샘플 제조 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 추출 용매는 물, 약산, 약염기, 에틸 아세테이트, 메틸 3차-부틸 에테르 ("MTBE"), 메틸렌 염화물, 헥산, 아세톤, 헥산 2-프로판올, 사이클로헥산, 아세토니트릴, 메탄올 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 추출 기반 샘플 제조 방법.
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