Ligevægtsopsamling gennem membraner (Equilibrium Sampling Through Membranes, ESTM) er et nyt koncept med hulfibre til oprensning, opkoncentrering og måling af polære organiske stoffer og metaller. Metoden kan anvendes til såvel prøveforberedelse i laboratoriet som prøveudtagning i felten.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2007. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Lars Toräng1, Fredrik Reichenberg1, Niklas Larsson2, Jing-fu Liu3, Roberto Romero2, Jan Åke Jönsson2 og Philipp Mayer1
1 Afd. for Miljøkemi og Mikrobiologi, Danmarks Miljøundersøgelser, Roskilde; 2 Institut for Analytisk Kemi, Lunds Universitet; 3 Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
Mange analytiske metoder måler den totale koncentration af kemikalier. Det er ikke nødvendigvis et relevant mål for eksponeringen, da de kemiske forbindelser kan være bundne eller på andre måder utilgængelige i miljøet. Et relativt nyt område inden for eksponeringsanalyse – baseret på simple diffusive opsamlingsteknikker – er derfor opstået. Metoderne måler den frit opløste koncentration, eller i yderste konsekvens stoffernes fugacitet eller kemiske aktivitet [1]. Den kemiske aktivitet af et kemikalie er en drivende kraft for transport, fordeling og biokoncentrering og er således et nøgleparameter for vurdering af biotilgængelighed og toksiske effekter i miljøet [2].
Passiv prøvetagning
Udviklingen af passiv prøvetagning inden for miljøovervågning er i stærk vækst, og i dag findes der mange forskellige formater og metoder [3]. De fleste metoder opererer i det kinetiske optagsområde, som kan ses i figur 1. Her er optagelseskurven linear, og kalibreringen kræver et præcist kendskab til optagelsesraten. Den afhænger bl.a. af analytterne og de hydrologiske forhold, der også kan ændre sig, når der dannes en biofilm på overfladen af den passive opsamler. De mest prominente metoder, der bruges i det kinetiske område, er »Semipermeable Membrane Devices (SPMD)« for organiske stoffer samt »Diffusive Gradient in Thin Films (DGT)« for kationiske metaller.
Ligevægtsopsamlere (Equilibrium Sampling Devices) opererer i området med ligevægt, hvor det ikke er nødvendigt at kende den præcise optagelsesrate [1]. Her kræves det blot, at fordelingskoefficienten mellem vandprøven og opsamleren, Kopsamler, vand, er veldefineret og kendt. Koncentrationen i vandprøven kan herefter beregnes som Cvand = Copsamler / Kopsamler, vand. Den mest benyttede metode er Solid Phase MicroExtraction (SPME), som bruger en tynd glasfiber med et endnu tyndere polymerlag til at opsamle stofferne. Fiberen kan derefter stikkes direkte i injektionsporten af en GC til termisk desorption og efterfølgende analyse. SPME er velegnet til ligevægtsopsamling pga. dets meget store overflade- til volumenforhold, der giver en hurtig optagelseskinetik [1]. Desværre er SPME mindre egnet til analyse af de mere polære stoffer vha. HPLC.
Der er derfor behov for nye opsamlingsteknikker, som kombinerer et stort overflade- til volumenforhold med en god kompatibilitet med HPLC. Det er baggrunden for udviklingen af det nye analytiske koncept »ligevægtsopsamling gennem membraner«, der kombinerer erfaringer fra passiv prøvetagning med traditionel membranekstraktion.
Princip for ligevægtsopsamling gennem membraner
Kernen i metoden er, at der både opnås ligevægt mellem prøve og membran og igen mellem membran og et prøvetagningsmedie. Den kemiske aktivitet af analytterne er således ens i prøven og i opsamleren ved ligevægt, a vand = a opsamler. Analyseoptimeringen skal derfor tage hensyn til at disse ligevægte opnås og opretholdes. Parametre som membrantype og -tykkelse, overflade/volumenforhold, omrøring, temperatur, ionstyrke og pH i prøven har betydning for, hvor hurtigt ligevægten opnås. Vi bruger hulfibermembraner med et meget stort overflade- til volumenforhold for at opnå ligevægt så hurtigt som muligt (figur 2). Mediet til prøveopsamlingen designes efter, hvilke analytter man er interesseret i og efter hvor høj en opkoncentrering, man ønsker. F.eks. kan mediet optimeres mht. pH og indholdet af kompleksbindere og antistoffer. Ved ligevægtsopsamling gennem membraner skal følgende to forudsætninger altid være opfyldt: 1) ligevægten opnås inden for en rimelig tidshorisont og 2) prøvetagningen må ikke påvirke koncentrationen i prøvemediet.
Modellering af data
Eksperimentelle data kan ofte modelleres med følgende funktion:
hvor Copsamler (t) er koncentrationen af kemikalie i prøveopsamleren som funktion af tiden, t, er den frit opløste koncentration af kemikaliet i miljøet, og og er hhv. optagelses- og afgivelses-hastighedskonstanter.
Tiden for at opnå 90% af ligevægtskoncentrationen kan estimeres med ligning 2:
hvor Kopsamler, vand er fordelingskoefficienten mellem vandprøven og prøveopsamleren.
Analogi
I mange henseender kan udstyr til ligevægtsopsamling ses som en analog til et termometer. Et termometer måler en intern temperatur, men ikke nødvendigvis temperaturen i dets omgivelser. Anvendes termometeret korrekt med opmærksomhed på responstiden, kan man bestemme temperaturen i forskellige medier. I stedet for temperatur kan ligevægtsopsamling måle den kemiske aktivitet eller fugacitet. Tabel 1 beskriver tre basale forudsætninger for at anvende ligevægtsopsamling, som alle er velkendte fra brugen af et termometer.
Phenoler
Den frit opløste koncentration af svage syrer og baser kan bestemmes med ligevægtsopsamling gennem en membran. Princippet bygger på, at det kun er uladede molekyler, der kan passere en imprægneret hulfibermembran [4]. For stoffer med syre-base-egenskaber kan dette udnyttes ved inde i fiberen at have en vandig phosphatbuffer med et pH højere end stoffets pKa og højere end pH i prøven. Svage syrer vil her i højere grad være dissocieret og vil derfor opkoncentreres i phosphatbufferen (figur 3). Neutrale stoffer kan ligeledes passere membranen men opkoncentreres ikke i bufferen og diffusionshastigheden afhænger bl.a. af molekylstørrelsen. Vha. en pH-gradient over membranen er det derfor muligt at oprense og opkoncentrere kemikalier, der i prøven optræder på en delvis dissocieret form. Det er for phenoler muligt at beregne en teoretisk fordelingskoefficient ud fra kendskab til stoffets pKa og pH i vandprøven og i prøveopsamleren, Kopsamler, vand = (1+10 pH i vandprøve – pKa)/(1+10 pH i opsamler – pKa). I andre tilfælde kan det være nødvendigt at bestemme fordelingskoefficienten eksperimentelt. Princippet er med succes anvendt på fem chlorphenoler med meget forskellige pKa-værdier (4.9-9.2) og log Kow-værdier (2,35-5,01) i både åvand og drænvand i µg/L-området [5]. Det er for nogle af stofferne muligt at opnå en opkoncentrering på mere end en faktor 1000, men her vil tiden for at opnå ligevægt øges fra få timer til et par dage. Det udviklede prøveudtagningsudstyr består af en enkelt imprægneret hulfiber og er billigt og let at lave (svarende til hulfiberen vist på figur 2).
Kobber
Princippet med ligevægtsopsamling gennem en membran er også anvendt i udviklingen af en sensitiv spektrofotometrisk metode til måling af frit opløst kobber (Cu2+) i vandige prøver [6]. Metoden er baseret på ligevægtsopsamling gennem en kobber-selektiv hulfibermembran ind i et prøvetagningsmedium indeholdende 4-(pyridyl-2-azo)resorcinol (PAR), som både fungerer som kompleksbinder og som metalindikator. Den selektive membran gør det muligt at kvantificere Cu-PAR-komplekset ved simple målinger af den optiske densitet på spektrofotometer, hvilket er næsten uhørt i miljøprøver. Den optimerede metode for måling af Cu2+ har en opkoncentreringsfaktor på 93 mellem opsamleren og prøven, god reproducerbarhed (RSDs < 6%, n = 6) og en detektionsgrænse på 4 µg/L. Kationer af Ni2+, Co2+, Cd2+, Fe3+, Pb2+, Zn2+ og Mn2+ påvirker ikke målingen af Cu2+. Prøver med forskelligt indhold af ligander og kationer viser samtidig en fin overensstemmelse mellem målte og teoretiske beregnede koncentrationer (tabel 2). Metoden har været anvendt på overfladevand og kræver generelt mindre arbejde og mindre sofistikeret udstyr end konventionelle metoder, der typisk er baseret på atom absorption spektrometri eller ICP-MS.
Online måling af 4-nitrophenol
Det er også muligt at udnytte princippet til online-målinger [7]. Her placeres en lang hulfiber i en vandprøve, f.eks. direkte i et rensningsanlæg, og gennem hulfiberen pumpes langsomt en phosphatbuffer. Ved at variere hastigheden på pumpen kan opholdstiden i hulfiberen ændres. Hulfiberen kobles herefter direkte med en 100 cm lang Long-Pass Flow Cell fra Ocean Optics, hvorved man får en yderst følsom spektrofotometrisk metode til bestemmelse af frit opløst 4-nitrophenol direkte i en miljømatrice. Metoden har en detektionsgrænse under 1 µg/L i aktiv slam. I figur 4 er vist nogle eksperimentelle resultater, hvor tiden for at opnå 90% af ligevægtskoncentration kan bestemmes til 31 minutter. Samtidig er der fin overensstemmelse mellem den målte værdi for opkoncentreringsfaktoren på 83 og den teoretiske værdi beregnet vha. formlen givet i eksemplet om phenoler.
Fremtidig brug af ESTM
Fremtiden tegner lovende for brug af ligevægtsopsamling gennem membraner (ESTM) til prøvetagning i felten. Andre prøvetagnings- og ekstraktionsteknikker som anvendes kan kun vanskeligt bruges direkte i felten, da de ofte kræver et veldefineret prøvevolumen eller kontrollerede og standardiserede forhold under prøvetagning. ESTM kræver kun, at prøveopsamleren kommer i ligevægt med et tilstrækkeligt stort prøvevolumen, det gør det meget velegnet til feltmålinger. I den henseende ligner ESTM andre ligevægtsprøvetagere, sensorer og selektive elektroder. Alle disse teknikker kan anvendes under mange forskellige forhold. I den sammenhæng ser brug af ligevægtsopsamlere baseret på hulfibre dog ud til at være et attraktivt format til prøvetagning i felten, da de er billige, simple og har et højt overflade-til-volumenforhold.
Tak
Vi takker MISTRA, stiftelse for miljøstrategisk forskning, Sverige for bevillingen til samarbejdsprojektet »Equilibrium sampling through membranes – towards online and onsite exposure measurements of available pollutants«. Desuden takker vi forskerskolen RECETO samt STVF for støtte til forskningsområdet.
Referencer
1. Mayer, P.; Tolls, J.; Hermens, L.; Mackay, D. Environmental Science & Technology. 2003, 37 (9), 184-191.
2. Reichenberg, F.; Mayer, P. Environ Toxicol Chem. 2006, 25 (5), 1239-1245.
3. Stuer-Lauridsen,F., Environmental Pollution 2005, 136 (3), 503-524.
4. Jonsson, J. A. In Comprehensive Analytical Chemistry XXXVII, Elsevier Science, ed.; Pawliszyn J. Ed.; 2002;Chapter 15, p. 503-530.
5. Liu, J. F.; Jonsson, J. A.; Mayer, P. Analytical Chemistry. 2005, 77 (15), 4800-4809.
6. Romero, R.; Liu, J. F.; Mayer, P.; Jonsson, J. A. Analytical Chemistry. 2005, 77 (23), 7605-7611.
7. Toräng, L.; Mayer, P.; Romero, R.; Jing-fu L.; Jönsson J.Å. 2006. Præsentation ved HTC-9 / ExTech 2006. 6-10 February 2006, York, United Kingdom.
Figur 1. Optagelseskurve for en passiv prøveopsamler. En passiv prøveopsamler kan operere i tre områder; kinetisk (hvidt), mellem (prikket) og nær ligevægt (gråt), og eksperimentelle data kan ofte modelleres med en simpel eksponentiel funktion (ligning 1). Ved ligevægt vil den kemiske aktivitet være ens i prøven og i opsamleren, a vand = a opsamler, og koncentrationen vil derfor være givet gennem fordelingskoefficienten, Kopsamler, vand.
Figur 2. Ligevægtsopsamling gennem en membran kan f.eks. udføres i en porøs hulfiber af polypropylen (240 µm ID, 29 µm vægtykkelse, 0,04 µm porestørrelse, 40% porøsitet), som imprægneres med en organisk væske, der udgør selve membranen. Afhængigt af hvilke kemikalier man ønsker at måle, kan membranen imprægneres med f.eks. undecan, dihexyl ether eller poly(propylene glycol). Et medium til prøvetagningen sprøjtes herefter ind i fiberen og lukkes, og herefter placeres hulfiberen i prøvematricen. Efter at ligevægten er opnået analyseres mikrokoncentratet på f.eks. HPLC/LC-MS.
Figur 3. Principtegning for ligevægtsopsamling gennem en hulfibermembran med opkoncentrering af svage syrer (f.eks. chlorphenoler) ind i en statisk basisk phosphatbuffer.
Figur 4. Eksempel på online-målinger af 4-nitrophenol opnået gennem en 5 meter lang hulfiber. Hulfiberen er anbragt i prøvemediet med pH 7,30, mens der kontinuert pumpes en phosphatbuffer med pH 9,5 igennem med forskellige hastigheder. Opkoncentreringsfaktoren blev målt til 83.
Tabel 1. Sammenligning af ligevægtsopsamling med et termometer.
Tabel 2. Analyse af frit opløst kobber, Cu2+, i fremstillede vandprøver (data fra [6]).
