Vloeistof-vloeistofextractie (LLE, van het Engelse liquid-liquid extraction) is een scheidingstechniek waarbij een doelstof wordt overgebracht van de ene vloeistoffase naar een andere, niet-mengbare vloeistoffase. De techniek berust op het principe dat stoffen zich verdelen over twee fasen op basis van hun relatieve oplosbaarheid in elk van die fasen. LLE is een van de oudste en meest toegepaste extractietechnieken in de analytische chemie, de organische synthese en de industriële verwerking van grondstoffen.
In het laboratorium wordt LLE doorgaans uitgevoerd in een scheidingstrechter: een glazen recipiënt met een kraantje aan de onderkant waarmee de zwaardere fase nauwkeurig kan worden afgetapt. De techniek vereist geen dure instrumentatie en is daarmee breed toepasbaar, van eenvoudige practicum-experimenten tot complexe monstervoorbereiding voor chromatografische analyse.
LLE berust op de thermodynamische verdeling van een opgeloste stof (de doelstof) over twee niet-mengbare vloeistoffen. De mate van verdeling wordt beschreven door de verdelingscoëfficiënt K (ook wel partitiecoëfficiënt of distributiecoëfficiënt genoemd):
K = cₒˇ / cᵂ
Hierbij is cₒˇ de concentratie van de doelstof in de organische fase en cᵂ de concentratie in de waterige fase. Een hoge K-waarde betekent dat de doelstof sterk de voorkeur geeft aan de organische fase en dus efficiënt wordt geëxtraheerd. Een lage K-waarde duidt op een voorkeur voor de waterige fase.
De verdelingscoëfficiënt is stofspecifiek en afhankelijk van temperatuur, pH en de aard van de gebruikte oplosmiddelen. Voor ioniseerbare verbindingen (zuren, basen) wordt daarnaast de distributieverhouding D gebruikt, die rekening houdt met alle aanwezige chemische vormen van de doelstof (geïoniseerd en niet-geïoniseerd).
De verdelingscoëfficiënt K beschrijft de verdeling van uitsluitend de niet-geïoniseerde (neutrale) vorm van een stof over twee fasen en is daarmee een intrinsieke, pH-onafhankelijke grootheid. De distributieverhouding D is breder: die beschrijft de verdeling van álle aanwezige chemische vormen van de doelstof — zowel de geïoniseerde als de niet-geïoniseerde — bij een bepaalde pH. Voor niet-ioniseerbare verbindingen zijn K en D aan elkaar gelijk. Voor zwakke zuren en basen loopt D sterk uiteen met K zodra de pH de pKa-waarde van de verbinding benadert. In de praktijk is D dan ook de relevantere parameter bij de extractie van farmaceutische werkzame stoffen, aminozuren of andere ioniseerbare verbindingen.
In de organische synthese wordt LLE regelmatig uitgevoerd als een zogenaamd wasproces: in plaats van de doelstof naar de organische fase over te brengen, worden ongewenste bijproducten of reagensresten selectief naar de waterige fase overgedragen. Een reactiemengsel in ethylacetaat kan bijvoorbeeld worden gewassen met verdund zuur om basische bijproducten te verwijderen, daarna met verdunde base om zure resten te neutraliseren en ten slotte met verzadigde zoutoplossing (brine) om waterresten uit de organische laag te trekken. Het fysische principe — verdeling over twee niet-mengbare fasen op basis van K — is identiek aan extractie. Het verschil zit in het doel: bij extractie wordt de doelstof overgebracht naar de nieuwe fase; bij wassen blijft de doelstof in de uitgangsfase en worden de verontreinigingen verwijderd.
De keuze van het extractiemiddel is bepalend voor de efficiëntie en selectiviteit van de extractie. De belangrijkste selectiecriteria zijn:
De praktische selectie van een oplosmiddel begint bij de polariteit van de doelstof: apolaire stoffen (zoals polycyclische aromatische koolwaterstoffen, vetten en pesticide-residuen) worden het best geëxtraheerd met apolaire oplosmiddelen zoals hexaan of tolueen. Matig polaire verbindingen — waaronder veel geneesmiddelen en pesticiden — worden doorgaans met ethylacetaat of dichloormethaan geëxtraheerd. Sterk polaire doelstoffen zoals aminozuren of suikers zijn moeilijk met klassieke LLE te extraheren; voor dergelijke verbindingen is vaste-fase-extractie (SPE) of ionenpaarextractie dikwijls een betere keuze.
Naast polariteit spelen praktische overwegingen een rol: dichloormethaan en chloroform zijn zwaarder dan water en zinken naar de bodem van de scheidingstrechter, terwijl ethylacetaat, diethylether en hexaan boven het water drijven. Dit bepaalt welke laag via het kraantje wordt afgetapt. Houd ook rekening met de zuiverheidskwaliteit: voor analytische toepassingen is HPLC-grade of pesticide-grade kwaliteit vereist. Zie het artikel over zuiverheidsgraden van chemicaliën voor een overzicht van de gangbare aanduidingen.
De dichtheid van het organische oplosmiddel bepaalt of het na de fasescheiding bovenin of onderin de scheidingstrechter komt te staan. Oplosmiddelen lichter dan water (dichtheid kleiner dan 1,00 g/mL) vormen de bovenste laag; oplosmiddelen zwaarder dan water vormen de onderste laag. Deze positie is essentieel om te weten, omdat de onderste laag altijd via het kraantje wordt afgetapt.
Een vaste praktijkregel bij vloeistof-vloeistofextractie is dat de onderste fase altijd via het kraantje wordt afgetapt, ongeacht of dat de waterige of de organische fase is. Probeer nooit de bovenste laag via het kraantje af te tappen: dat leidt onvermijdelijk tot vermenging met de onderste laag op het moment dat het grensvlak het kraantje passeert. De bovenste laag wordt na het volledig aftappen van de onderste laag uit de bovenkant van de trechter geschonken in een schone erlenmeyer.
Het extractierendement E (uitgedrukt als percentage) geeft aan welk aandeel van de totale hoeveelheid doelstof is overgebracht naar de organische fase na één extractiestap:
E (%) = 100 × K / (K + Vᵂ / Vₒˇ)
Hierbij is Vᵂ het volume van de waterige fase en Vₒˇ het volume van de organische fase. Uit deze formule volgt een praktisch belangrijk inzicht: meerdere extracties met een kleiner volume oplosmiddel geven een hoger totaal rendement dan één extractie met een groot volume. Drie extracties met elk 10 mL oplosmiddel leveren doorgaans meer doelstof op dan één extractie met 30 mL, omdat bij elke stap opnieuw een evenwicht wordt ingesteld vanuit een verarmde waterige fase.
Het aantal benodigde extractiestappen hangt af van de verdelingscoëfficiënt K en de verhouding van de fasevolumes. Bij een K-waarde van 10 en gelijke fasevolumes (Vₒˇ = Vᵂ) bedraagt het rendement per stap circa 91%; na twee stappen is ruim 99% van de doelstof geëxtraheerd. Bij een lagere K-waarde van 2 haalt u per stap slechts circa 67%, en zijn vier of vijf extractiestappen nodig om boven de 98% te komen. In de praktijk wordt bij routinematige analytische extracties gewerkt met drie extractiestappen, waarbij het totale oplosmiddelvolume wordt verdeeld over die stappen. Het heeft dan ook geen zin te streven naar een zo groot mogelijk oplosmiddelvolume per stap: de winst zit in de herhaling, niet in het volume.
Voor zwakke zuren en basen is de pH van de waterige fase een kritische parameter. Een zwak zuur (bijv. een carbonzuur) is in zijn niet-geïoniseerde vorm veel beter extraheerbaar naar een organische fase dan in zijn geïoniseerde (gedeprotoneerde) vorm. Door de pH te verlagen wordt de protonering bevorderd en neemt de extraheerbaarheid toe. Omgekeerd geldt voor zwakke basen: een hogere pH bevordert de niet-geïoniseerde vorm en verbetert de extractie.
Dit pH-effect wordt doelbewust ingezet bij terugextractie (back-extraction of stripping): de doelstof wordt eerst bij een gunstige pH uit de waterige fase geëxtraheerd in de organische fase, waarna de pH wordt aangepast om de doelstof selectief terug te extraheren in een nieuwe waterige fase. Op deze manier kan een hoge zuiverheidsgraad worden bereikt.
De pH van de waterige fase bepaalt in welke mate een ioniseerbare verbinding in zijn neutrale, organisch-extraheerbare vorm aanwezig is. Als vuistregel geldt: extraheer een zwak zuur bij een pH die minstens twee eenheden onder de pKa-waarde ligt (ten minste 99% niet-geïoniseerd), en extraheer een zwakke base bij een pH die minstens twee eenheden boven de pKa-waarde ligt. Bij een pH die te dicht bij de pKa ligt, bestaat een aanzienlijk deel van de verbinding in de geïoniseerde, wateroplosbare vorm, wat leidt tot verlies aan rendement. Buffers (bijv. fosfaat-, acetaat- of ammoniumbuffers) worden ingezet om de pH tijdens de extractie stabiel te houden, met name wanneer het te extraheren monster zelf een bufferende werking heeft, zoals urine of bloed.
Een veelvoorkomend praktisch probleem bij LLE is emulsievorming: de twee fasen scheiden niet volledig, waardoor een troebele tussenlaag ontstaat die de analyse verstoort of de opbrengst verlaagt. Emulsies ontstaan met name bij:
Praktische maatregelen om emulsievorming te verminderen of op te lossen zijn het toevoegen van natriumchloride (uitzouten, het zogenaamde salting-out effect), centrifugeren, filtreren over een fasescheidingspapier (bijv. Whatman 1PS), toevoegen van een kleine hoeveelheid ethanol of isopropanol, of het wisselen naar een organisch oplosmiddel met een groter dichtheidsverschil ten opzichte van water.
Als de bovengenoemde maatregelen onvoldoende effect hebben, zijn er aanvullende opties. Centrifugeren bij 1.000 tot 3.000 rpm gedurende enkele minuten is doorgaans de snelste en meest betrouwbare methode om emulsielagen te breken. Wanneer eiwitten de emulsie veroorzaken — zoals bij de extractie van plasma of serum — helpt proteïneprecipitatie vooraf met acetonitril of methanol om de emulsievorming te voorkomen in plaats van te behandelen. Bij emulsies veroorzaakt door galzouten of detergenten kan toevoeging van een magnesiumsulfaatoplossing of natriuumwaterstofcarbonaat de fasescheiding bevorderen. Als laatste redmiddel kan de emulsielaag worden verzameld en apart nogmaals worden geëxtraheerd na verdunning met extra zoutoplossing. Een aanpassing van de extractiemethode — minder heftig mengen of overstappen op vortex-extractie in plaats van schudden — vermindert het risico op emulsievorming bij toekomstige extracties.
LLE wordt in de monstervoorbereiding vaak afgewogen tegen alternatieve technieken, met name vaste-fase-extractie (SPE). De keuze hangt af van de toepassing, de doelstof en de gewenste doorvoer.
SPE verdient de voorkeur boven LLE wanneer de doelstof een breed polariteitsbereik heeft, wanneer de matrix complex is (bijv. biologische vloeistoffen met hoge eiwitconcentraties) of wanneer hoge doorvoer en automatisering vereist zijn. SPE biedt ook voordelen bij de analyse van sterk polaire verbindingen die bij LLE slecht in de organische fase worden opgenomen. Omgekeerd is LLE de eenvoudigere en goedkopere keuze wanneer grote monstervolumes moeten worden verwerkt, wanneer geen geschikte SPE-sorbens beschikbaar is voor de doelstof, of wanneer een snelle en instrumentenarme methode gewenst is. Voor routinelaboratoria zonder geautomatiseerde SPE-opstelling blijft LLE een praktische en kosteneffectieve methode.
Vloeistof-vloeistofextractie wordt breed ingezet in uiteenlopende toepassingsgebieden:
Bij LLE worden doorgaans organische oplosmiddelen gebruikt die ontvlambaar, vluchtig of toxisch zijn. De volgende veiligheidsmaatregelen zijn altijd van toepassing:
De scheidingstrechter is het centrale instrument bij LLE. Bij Labvakhandel zijn scheidingstrechters leverbaar in borosilicaatglas (DURAN) in diverse inhouden van 50 mL tot 2.000 mL, met glazen of PTFE-kraantjes. PTFE-kraantjes bieden betere chemische bestendigheid bij gebruik van geconcentreerde zuren of sterke basen en vereisen geen invetten. Bekijk het assortiment extractors en koelers voor het volledige overzicht van beschikbaar glaswerk voor extractietoepassingen.
Voor de opvang en verdere verwerking van de geëxtraheerde fase zijn bekers en erlenmeyers in borosilicaatglas de standaardkeuze. Voor het indampen van het oplosmiddel na extractie worden rondbodemkolven gebruikt in combinatie met een rotatie-indamper.
LLE is één van de technieken binnen de bredere familie van monstervoorbereiding voor chromatografische analyse. Afhankelijk van de matrix, de doelstof en de gewenste gevoeligheid kan LLE worden gecombineerd met of vervangen door andere technieken zoals QuEChERS (voor pesticidenanalyse in voedsel), dispersieve vloeistof-vloeistofextractie (DLLE), Supported Liquid Extraction (SLE) of vaste-fase-microextractie (SPME). Voor toepassingen waarbij een hogere selectiviteit, lager oplosmiddelverbruik of hogere doorvoer vereist is, biedt de techniek van vaste-fase-extractie (SPE) een goed alternatief.
Naast de klassieke batch-LLE in een scheidingstrechter bestaan er verschillende moderne varianten die zijn ontwikkeld om specifieke nadelen — hoog oplosmiddelverbruik, emulsierisico of arbeidsintensiviteit — te ondervangen:
Continue LLE wordt toegepast wanneer de verdelingscoëfficiënt K laag is en een groot aantal extractiestappen nodig zou zijn. Vers oplosmiddel circuleert continu door de waterige fase, zodat het evenwicht voortdurend wordt verschoven in de richting van de organische fase. Dit wordt uitgevoerd in een continue extractieapparaat in combinatie met een terugvloeikoeler.
Dispersieve vloeistof-vloeistofextractie (DLLE) maakt gebruik van een dispergeersolvent dat het extractiemiddel in zeer fijne druppeltjes verdeelt door de waterige fase, waardoor het contactoppervlak sterk toeneemt en het evenwicht razendsnel wordt bereikt. Het totale verbruikte extractiemiddelvolume is daardoor extreem laag (soms minder dan 1 mL), wat DLLE geschikt maakt voor de bepaling van spoorverontreinigingen.
Supported Liquid Extraction (SLE) combineert elementen van LLE en SPE: de waterige fase wordt geadsorbeerd op een inert dragermateriaal waarna het organische oplosmiddel er doorheen wordt gespoeld. SLE is met name geschikt voor biologische matrices zoals plasma en urine, omdat emulsievorming wordt vermeden en de fasescheiding volledig is.
Voor het extraheren van een doelstof uit een vaste matrix — bijvoorbeeld plantenmateriaal, bodem of voedsel — is LLE niet geschikt. In dat geval wordt gebruikgemaakt van vaste-vloeistofextractie, klassiek uitgevoerd met een soxhletapparaat (continue extractie met terugvloeiende warme oplosmiddeldamp) of moderne alternatieven zoals versnelde oplosmiddelextractie (accelerated solvent extraction), microgolfgestuurde extractie en superkritische CO₂-extractie (SFE). Na de vaste-vloeistofextractie kan de organische fase desgewenst nog worden opgewerkt met een LLE-stap om matrixcomponenten te verwijderen.
Bij de keuze van het oplosmiddel voor LLE speelt de zuiverheidskwaliteit een directe rol: voor analytische toepassingen is HPLC-grade of pesticide-grade kwaliteit vereist om interferenties door verontreinigingen in de blanco te voorkomen.
Neem contact op voor advies over de juiste scheidingstrechter, oplosmiddelen of overige materialen voor uw extractietoepassingen.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
