Журнал аналитической химии, 2020, T. 75, № 9, стр. 771-776

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Реагенты. Использовали кофеин х. ч. (ООО “Люмэкс”, С.-Петербург, Россия); ацетонитрил “сорт 0” (ООО “НПК Криохром”, С.-Петербург, Россия).

Аппаратура. Для приготовления модельных и стандартных растворов кофеина в диапазоне концентраций от 0.2 до 4520 мкг/мл, определения массы получаемого экстракта применяли аналитические весы ЛВ-210-А (ЗАО “Сартгосм”, С.-Петербург, Россия) с погрешностью взвешивания, не превышающей 0.5 мг.

Получаемые экстракты и стандартные смеси исследовали методом газовой хроматографии на хроматографе Кристаллюкс-4000М с термоионным детектором (ГХ-ТИД) (ООО НПФ “Мета-Хром”, Йошкар-Ола, Россия) и капиллярной колонкой ZB-5 длиной 30 м, внутренним диаметром 0.32 мм (Phenomenex, США).

Методика эксперимента. Процедура экстракционного вымораживания в условиях действия поля центробежных сил (ЭВЦ) детально описана нами ранее [16, 17]. Исследуемый образец модельного водного раствора кофеина готовили добавлением к определенному объему воды в стеклянной виале емк. 12 мл при заданном значении рН необходимого количества стандартного раствора аналита в ацетонитриле. Затем добавляли определенное количество ацетонитрила, используемого в качестве экстрагента. Объем растворителя, вносимый со стандартным раствором кофеина, учитывали в расчетах при обработке результатов экстракции. Регулировали значение рН добавлением серной кислоты и раствора гидроксида натрия. Флакон герметично закрывали завинчивающейся пробкой, перемешивали и помещали в ротор криоэкстрактора [17] для вымораживания водной части образца. Условия проведения ЭВЦ: температура –(29 ± 2)°С, скорость вращения ротора 4000 об./мин (центробежное ускорение 1650 g), продолжительность процедуры 25 мин. После описанного этапа верхний жидкий ацетонитрильный слой отделяли декантацией, взвешивали и подвергали ГХ-ТИД-анализу. Известно [18], что кофеин можно определять методами ВЭЖХ и ГХ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кофеин (1,3,7-триметилпурин-2,6-дион) – пуриновый алкалоид, довольно широко представленный в растительном мире. Благодаря биологической активности, он часто применяется в современной медицине [19]. Наличие в молекулярной структуре кофеина трех атомов азота аминного характера позволило отнести его к группе слабых органических оснований [18]. В таком случае, исходя из известных принципов экстракции, лучше он должен извлекаться из щелочной среды [20, 21], когда находится в растворе в молекулярной форме. Вместе с тем по данным [18] кофеин из водных растворов экстрагируют хлороформом и при рН 2.

Ранее при извлечении ацетонитрилом одноосновных карбоновых кислот С₂–С₈ методом ЭВ установлено [22], что рН среды существенным образом влияет на эффективность их экстракции. При переходе из кислой в щелочную среду степень извлечения каприловой кислоты снижается более чем в 10 раз, а в случае уксусной – в 150 раз. Это связано с подавлением электролитической диссоциации органических кислот в кислой среде, что способствует их локализации в органической жидкой фазе экстракта.

В данной работе исследовано влияние рН на эффективность извлечения кофеина с помощью ЭВЦ. Как видно из графиков 1 и 2 на рис. 1, переход от нейтральной среды к кислой при прочих равных условиях сопровождается значительным снижением величины наклона линейной зависимости с_org от m_o/V_extr (тангенс угла наклона с 0.87 до 0.30). В используемой модели это эквивалентно уменьшению коэффициента распределения *K_eq аналита между объемом жидкого экстракта и поверхностью образующейся кристаллической фазы льда, т.е. снижению эффективности экстракции. Рост сорбции кофеина на поверхности льда при переходе от нейтральной к кислой среде с учетом его основных свойств согласуется с известными закономерностями для сорбционных процессов на полярных фазах [23].

Рис. 1.

Зависимость концентрации кофеина в экстракте с_org от его исходной массы m_o в воде и объема ацетонитрила V_extr в результате ЭВЦ: мольная доля ацетонитрила в воде 0.027, температура –(29 ± 2)°С, скорость вращения ротора 4000 об./мин, продолжительность процедуры ЭВЦ 25 мин. 1 – рН 6–7; 2 – рН 2; 3 – рН 10.

Наличие основных свойств у кофеина позволяет также объяснить полученные результаты его ЭВЦ из водных растворов при переходе от кислой среды к щелочной. Из сравнения графиков 2 и 3 рис. 1 следует, что наклон линейной зависимости с_org от m_o/V_extr, полученной в условиях ЭВЦ из кислой среды, существенно ниже, чем при рН 10, при котором тангенс угла наклона составил 0.71.

Сравнение линейных зависимостей 1 и 3 рис. 1 свидетельствует о том, что в нейтральной среде коэффициент *K_eq при извлечении кофеина методом ЭВЦ из воды в ацетонитрил больше, чем в щелочной (рН 10). Следовательно, в щелочной среде, как и в кислой, кофеин сильнее сорбируется на поверхности льда по сравнению с нейтральной. Подобный эффект не зафиксирован при изучении влияния рН на степень концентрирования одноосновных органических кислот С₂–С₈ методом ЭВ [22]. Кроме того, известно [24], что в широком диапазоне рН 3−10 сорбция кофеина из водных растворов на различных по природе сорбентах не меняется.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что зависимость сорбции кофеина на поверхности льда во время ЭВЦ от рН не имеет монотонного характера, как на обычных сорбентах, а проходит через минимум при рН 6−7. Поскольку структура льда, а следовательно, и его сорбционные свойства, формируются в процессе ЭВЦ, можно предположить, что этот эффект, по-видимому, связан с изменением структуры льда в зависимости от рН. Это в свою очередь приводит к изменению сорбционных свойств кристаллической поверхности льда, зависящих от целого ряда параметров, в том числе от формы кристаллов, структуры твердой фазы. Например, методом оптической микроскопии на примере различных классов органических веществ показано [25], что их добавление в воду существенно меняет форму и размеры микрочастиц льда, способствует или препятствует образованию микротрещин в его структуре.

Детальное изучение установленного факта не являлось предметом настоящего исследования. Вместе с тем данное обстоятельство следует принимать во внимание при разработке методики определения кофеина с помощью ЭВЦ в различных объектах, в том числе биологических. Ранее установлено [11–13], что применение ЭВЦ на стадии извлечения целевых компонентов из биологических, в том числе растительных, проб существенно снижает фон соэкстрактивных веществ. Использование в настоящей работе ГХ-ТИД способствует как повышению селективности, так и снижению пределов определения кофеина. Минимальная определяемая концентрация кофеина в стандартном растворе составила 0.2 мкг/мл. Степень его концентрирования при извлечении из водных растворов в ацетонитрил в результате одной процедуры ЭВЦ достигала 17.4 при соотношении объемов водного раствора и экстрагента 10 : 0.5 (мольная доля ацетонитрила в воде 0.017). Дополнительно установлено, что применение метода ЭВЦ в сочетании с ГХ-ТИД позволяет снизить предел определения кофеина в воде до уровня 0.015 мкг/мл. Очевидно, что с учетом перечисленных выше достигнутых параметров концентрирования из водных растворов, а также относительно высокого природного содержания кофеина, например в чае, есть все предпосылки создания экспресс-метода его определения.

Из фазовой диаграммы системы ацетонитрил–вода [26] следует, что во время процедуры ЭВЦ при температуре –(28−30)°С выделяющийся в отдельную жидкую фазу незамерзающий ацетонитрил содержит не более 4% воды. Если пренебречь ее присутствием в экстракте, то можно для концентрации аналита в экстракте записать следующее выражение:

В таком случае, принимая во внимание выражение (1), можно записать:

Иными словами, коэффициент распределения аналита *K_eq между объемом образующегося экстракта и поверхностью кристаллической фазы льда во время ЭВЦ в этих условиях фактически равен доле целевого вещества (R), перешедшего из воды в ацетонитрильный экстракт, т.е. степени извлечения аналита. Таким образом, в рамках сделанных допущений степень извлечения кофеина из воды ацетонитрилом в изученных диапазонах концентраций и соотношений отдающей и принимающей фаз при рН 2 составляет примерно 30%, при рН 10 не превышает 71%, а в случае нейтральных условий ЭВЦ – 87% соответственно (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость степени извлечения кофеина в ацетонитрил в результате процедуры ЭВЦ от рН водного раствора: мольная доля ацетонитрила в воде 0.027.

Ранее полученные величины *K_eq > 1 для карбоновых кислот С₄–С₈ [27] позволили сделать вывод, что при ЭВЦ ацетонитрилом из воды также играет роль их поверхностная активность в отношении границы раздела ацетонитрильного экстракта с газовой фазой (воздух). Данный эффект проявляется в превышении найденных экспериментально степеней концентрирования указанных кислот по сравнению с теоретическими. Учитывая это, можно полагать, что поверхностная активность кофеина меньше по сравнению с карбоновыми кислотами, поскольку *K_eq < 1. Следовательно, установленные в настоящем исследовании закономерности связаны с факторами, лежащими в основе механизма ЭВЦ.

Соотношение объемов воды и ацетонитрила в исходной смеси в процессе ЭВЦ кофеина слабо влияет на величину *K_eq. Как видно из рис. 3, уменьшение мольной доли экстрагента ацетонитрила в образце с 0.15 (объемное отношение воды и ацетонитрила 2 : 1) до 0.017 (объемное отношение воды и ацетонитрила 10 : 0.5) сопровождается несущественным возрастанием коэффициента распределения *K_eq с 0.58 до 0.67. Вместе с тем необходимость снижения доли экстрагента в экстракционной системе на практике обусловлена как стремлением увеличить степень концентрирования, так и его экономией. Это актуально и с точки зрения повышения экологичности метода анализа, поскольку снижает количество токсичных отходов (растворителей).

Рис. 3.

Зависимость коэффициента распределения *K_eq кофеина от мольной доли экстрагента (ацетонитрила) в исходной смеси при ЭВЦ: температура –(29 ± 2)°С, 4000 об/мин, продолжительность процедуры ЭВЦ 25 мин, рН 10.

Ранее установлено [16, 27], что осуществление ЭВ в условиях действия центробежных сил существенно сокращает количество трещин и дефектов в структуре льда. Образуется более прозрачная, монокристаллическая твердая фаза льда. В результате растет доля жидкого ацетонитрильного экстракта, которую можно отделить от застывшей части образца. Удалость достичь объемного соотношения вода–ацетонитрил (10 : 0.4), а следовательно, и высокой степени концентрирования аналита в экстракте. Например, даже для пропионовой кислоты получено 24-кратное концентрирование за один цикл ЭВЦ. Вместе с тем в представленном исследовании на большом массиве экспериментальных данных (более 200 опытов) показано, что, как и в случае ЭВ без центрифугирования образца, доля экстракта, которая остается в объеме льда, довольно значительна. Как видно из табл. 1, она частично снижается с увеличением относительного содержания ацетонитрила в экстракционной системе, но в указанных условиях ЭВЦ больше половины объема экстракта, тем не менее, остается в твердой фазе. Некоторая его часть, очевидно, втягивается за счет капиллярных сил в область между образцом и стенками виалы, чего нельзя избежать. Следовательно, перспективы развития метода связаны, прежде всего, с поиском условий ЭВЦ, сокращающих потери экстракта в объеме льда. Предварительные исследования показали [15], что одним из эффективных для этого параметров может стать величина поля центробежных сил.

* * *

Таким образом, установлено, что рН влияет на эффективность извлечения кофеина из водных растворов методом ЭВЦ, причем эффективность экстракции максимальна из нейтральной среды. Степень извлечения при рН 6−7 достигает 87%. Развитие метода связано с дальнейшей оптимизацией параметров технологии ЭВЦ и, в частности, изучением влияния величины поля центробежных сил на степень концентрирования.