DE69504327T2

DE69504327T2 - Chemisch modifizierte festphase-extraktionspartikel und diese enthaltende artikel

Info

Publication number: DE69504327T2
Application number: DE69504327T
Authority: DE
Inventors: Philip J. Saint Paul Mn 55133-3427 Dumont; James S. Saint Paul Mn 55133-3427 Fritz; Donald F. Saint Paul Mn 55133-3427 Hagen; Craig G. Saint Paul Mn 55133-3427 Markell; Luther W. Saint Paul Mn 55133-3427 Schmidt
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: EP0758261B1; EP0758261A1; WO1995030467A1; JPH10500058A; JP3899380B2; CA2189553C; DE69504327D1; US5618438A; CA2189553A1; AU2198395A; US5616407A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Teilchen, die für Feststoffextraktions- (SPE-)Verfahren geeignet sind, wobei die Teilchen unter geregelten Bedingungen zur Modifizierung der Sorptionseigenschaften teilweise chemisch modifiziert wurden. In einem anderen Aspekt werden Verfahren zur Herstellung der Teilchen und zur Verwendung der Teilchen in gepackten Säulen und in bahnartigen Verbundstoff-Gegenständen der Erfindung offenbart.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei klassische Methoden zur Abtrennung von Analyten von Wasser und anderen Flüssigkeiten werden Flüssig/Flüssig-Extraktionen (LLE-)Verfahren eingesetzt, wobei der Analyt vorzugsweise vom einer Flüssigkeit auf der Grundlage von Wasser in eine damit nicht mischbare flüssige Extraktionsphase partitioniert wird. Die Wirksamkeit und Selektivität der Extraktion spezieller Analyten durch LLE hängt vom Verteilungskoeffizienten des Analyten zwischen den beiden Flüssigkeiten ab und wird durch den Typ Extraktionsflüssigkeit, der verwendet werden kann, beschränkt. Kürzlich wurden Feststoffextraktions- (SPE-)Verfahren entwickelt, bei denen feste, aus Teilchen bestehende Phasen verwendet werden, die durch Ionenaustausch, Chelatbildung, die Bildung von kovalenten Bindungen, Ausschluß, Sorption und andere Mechanismen mit dem Analyten wechselwirken können, wodurch der Analyt gebunden und aus der Flüssigkeit entfernt wird. SPE-Verfahren werden in der Analytica Chimica Acta, 236, 157-164 (1990), und LC/GC, 9 : 5, 332-337 (1991) beschrieben. Die Anwendung von Mischmodus-SPE unter Verwendung von copolymerisierten Mischmodus-Harzen, wobei funktionelle C&sub1;&sub8;- (Octadecyl-) und Sulfonsäuregruppen in einer größeren Nähe als bei "vermischten" Mischmodus-Harzen vorliegen, wird in J. Chrom. 629 (1993), 11-21 angegeben.
Der Typ des zur Bewerkstelligung der Trennung von speziellen Analyten gewählten, aus Teilchen bestehenden SPE-Materials kann anorganisch, anorganisch mit organischen Beschichtungen, anorganisch mit kovalent gebundenen organischen funktionellen Gruppen, polymeren organischen Harzen und Derivate davon sein.
Das U.S.-Patent Nr. 4 895 662 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von wässrigem Ablauf aus dem Bleichen von Holzschliff unter Verwendung von makroporösen, adsorbierenden Harzen, die vor dem Kontakt mit dem ablaufenden Abwasser im aufgequollenen Zustand nachvernetzt und durch hydrophile Gruppen funktionalisiert wurden.
Die U.S.-Patente Nr. 5 104 545 und 5 135 656 beschreiben ein Verfahren zum Entfernen von wasserlöslichen Metallsalzen organischer Säuren aus Wasser von Ölfeldern unter Verwendung von nichtionogenen, makroretikulären Adsorptionsharzen, wie XAD-16TM von der Rohm and Haas Co., Philadelphia, PA.
Die U.S.-Patente Nr. 5 071 565 und 5 230 806 beschreiben neutrale, funktionalisierte Harze, die organische Stoffe durch Adsorption statt durch Ionenaustausch aufnehmen, und lehren, daß die Menge der funktionalen Gruppen relativ zur Menge des Poly(styroldivinylbenzols) nicht kritisch ist. Sie lehren, daß die funktionelle Gruppe neutral sein muß, weil anionische oder kationische Harze vorhandene unerwünschte. Materialien aufnehmen können. Der Gebrauch dieser Harze für die SPE von Phenolen wurde von J. S. Fritz et al. in J. Chrom. 641 (1993) 57-61, berichtet.
Das U.S.-Patent Nr. 5 114 591 beschreibt Ionenaustausch-Harze zur Verminderung des Gehalts an organischem Material von Lackierkabinen-Abwasser mit funktionellen Gruppen, die eine ionenaustauschende Wirkung ergeben und darüber hinaus neutrale Moleküle in wechselnden Graden adsorbieren.
Das U.S.-Patent Nr. 5 236 594 beschreibt ein Verfahren zur Entfernung von speziellen, wenigstens eine Carboxylatgruppe enthaltenden Giftstoffen aus wässrigen Erdöl-Abwasserströmen, wobei nichtionische, makroretikuläre Polymerharze verwendet werden.
Das U.S.-Patent Nr. 4 537 683 beschreibt Anionenaustausch- Teilchen allein oder kombiniert mit Kationenaustausch-Teilchen in Form einer Flocke. Es wird angegeben, daß das Maß der Ionenaustausch-Funktionalität nur eine eingeschränkte Auswirkung auf die Fähigkeit der Teilchen zur Entfernung von Trihalogenmethan-Vorstufen hat.
Das U.S.-Patent Nr. 5 279 742 beschreibt Medien und Verfahren zur Feststoffextraktion, bei denen ein aus Teilchen bestehendes, sorbierendes Material in mit Teilchen beladenen PTFE-Matrix-Konfigurationen eingesetzt wird, wobei Scheiben derselben oder verschiedener Zusammensetzungen zur Bewerkstelligung von Trennungen gestapelt werden können.
Eine Hauptanforderung für ein für die SPE brauchbares, aus Teilchen bestehendes Material besteht darin, daß es ein ausreichendes Sorptionsvermögen hat, um den Analyten von Interesse zurückzuhalten. Die Merkmale der Retention eines speziellen Analyten durch ein aus Teilchen bestehendes, sorbierendes Material werden durch dessen "Kapazitätsfaktor (k')", siehe "Contemporary Practice of Chromatography", C. F. Poole und S. A. Schuette, Elsevier, New York, NY (1984), S. 2 ' - 6, numerisch ausgedrückt.
J. J. Sun und J. S. Fritz beschreiben in J. Chrom., 552 (1990), 95-105, chemische Modifikationen von polymeren Harzen zur Erhöhung des Kapazitätsfaktors (k') für Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie-Anwendungen.
Reaktive Polymers 1 (1983), 215-226, und der Derwent Abstract Nr. 90-190245 von JP-A-2126155 offenbaren die Verwendung von Polystyrol-Teilchen mit einer ionischen Funktionalität in chromatographischen Verfahren.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Kurz zusammengefaßt, macht die vorliegende Erfindung ein funktionalisiertes, makroporöses Poly(styroldivinylbenzol)- Teilchen, das ionische (kationische oder anionische) funktionelle, kovalent daran gebundene Gruppen umfaßt, wobei die funktionalisierten Teilchen eine sorbierende Fähigkeit gegenüber einem Analyten aufweisen und die funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm des funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzols) vorhanden ist, zur Verwendung in der Feststoffextraktion verfügbar.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung wenigstens eines nichtionischen, neutralen Analyten aus einem Fluid durch Feststoffextraktion, umfassend den Schritt des Durchleitens eines den Analyten enthaltenden Fluids durch wenigstens ein Feststoff-Extraktionsmedium, umfassend:
a) eine faserartige Matrix und
b) in der Matrix eingeschlossene, sorbierende Teilchen, umfassend:
(1) im Bereich von mehr als 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, funktionalisierte Poly- (styroldivinylbenzol)-Teilchen, umfassend wenigstens eine ionische funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Sulfonatgruppe, der Carboxylatgruppe, quaternären Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3;, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und aminierten Gruppen N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und C&sub1;- bis C&sub4;-Alkanolgruppen ausgewählt ist, die kovalent daran gebunden sind, wobei die funktionalisierten Teilchen gegenüber dem nichtionischen, neutralen Analyten eine sorbierende Funktion aufweisen, die ionische funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm Poly(styroldivinylbenzol) vorhanden ist und
(2) im Bereich von 0 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete Teilchen oder poröse, organische Polymerteilchen,
wobei das Verhältnis der sorbierenden Teilchen zu der faserartigen Matrix im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, bezogen auf das Gewicht, liegt.
Bevorzugte Ausführungsformen, die die auf den Polystyrolteilchen vorhandene funktionelle Gruppe, den Typ des Analyten oder der faserartigen Matrix betreffen, sind diejenigen, die in den Ansprüchen 2 bis 8 offenbart sind. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Mediums, umfassend:
a) eine faserartige Matrix und
b) in der Matrix eingeschlossene, sorbierende Teilchen, umfassend:
(1) im Bereich von mehr als 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, funktionalisierte Poly- (styroldivinylbenzol)-Teilchen, umfassend wenigstens eine ionische funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Sulfonatgruppe, der Carboxylatgruppe; quaternären Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3;, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und aminierten Grup pen N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und C&sub1;- bis C&sub4;-Alkanolgruppen ausgewählt ist, die kovalent daran gebunden sind, wobei die funktionalisierten Teilchen gegenüber dem nichtionischen, neutralen Analyten eine sorbierende Funktion aufweisen, die ionische funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm Poly(styroldivinylbenzol) vorhanden ist und
(2) im Bereich von 0 bis weniger als 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete anorganische Teilchen, wobei das Verhältnis der sorbierenden Teilchen zu der faserartigen Matrix im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, bezogen auf das Gewicht, liegt,
als Feststoff-Extraktionsmedium zur Isolierung wenigstens eines nichtionischen, neutralen Analyten aus einem Fluid.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein selbstbenetzbares Feststoff-Extraktionsmedium, wobei das Medium wie oben definiert ist, das in dem angegebenen Konzentrationsbereich eine optimale Benetzbarkeit aufweist.
Vorzugsweise weist das funktionalisierte Teilchen einen Bereich der maximalen Retentionskapazität für ausgewählte Analyten in Abhängigkeit von der Konzentration der vorhandenen funktionellen (d. h. substituierten) Gruppe auf.
Vorzugsweise weist der Analyt unter Verwendung von funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen in dem angegebenen Bereich der Austausch-Konzentration einen Höchstwert des Kapazitätsfaktors (k') auf, verglichen mit einem niedrigeren Wert des Kapazitätsfaktors (k') für denselben Analyten für ähnlich funktionalisierte Teilchen, die in einer Menge vorhan den sind, die außerhalb des Bereichs der Ionenaustauscher- Konzentration liegt. Überraschend fällt das Maximum der Retentionskapazität nicht mit der maximal möglichen Konzentration der funktionellen Gruppen zusammen. Die Teilchen sind sowohl dann, wenn sie in Säulen gepackt sind, als auch dann, wenn sie in faserartige Membranen eingearbeitet sind, für Feststoffextraktionen brauchbar.
In einem anderen Aspekt weisen die funktionalisierten Teilchen der Erfindung, die kationische oder anionische funktionelle Gruppen in dem oben festgelegten Ionenaustausch-Konzentrationsbereich aufweisen, gegenüber Flüssigkeiten, vorzugsweise Flüssigkeiten auf der Grundlage von Wasser, verglichen mit funktionalisierten Teilchen, die außerhalb des oben festgelegten Ionenaustausch-Konzentrationsbereichs liegende funktionelle Gruppen umfassen, überlegene Benetzungseigenschaften auf. Flüssigkeiten auf der Grundlage von Wasser umfassen Wässer, gegebenenfalls in Kombination mit wenigstens entweder einer mischbaren organischen Flüssigkeit oder anorganischen Spezies.
In einem weiteren Aspekt können die Feststoff-Extraktionsteilchen der Erfindung in eine Säule oder ein Bett gepackt werden, oder die Teilchen können in eine poröse, faserartige Membran eingearbeitet werden, wodurch ein poröses, faserartiges Medium in Bahnform erzeugt wird, und ein solches Medium oder ein Stapel eines solchen Mediums kann bei Anwendungen in den Fachgebiet der Trennungen brauchbar sein.
In noch einem weiteren Aspekt macht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Optimierung von Sorptionseigenschaften verfügbar, wobei der Kapazitätsfaktor (k') eines mittels eines aus Teilchen bestehenden, funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Materials zu sorbierenden Analyten maximiert wird, wobei das Verfahren den Schritt des Bereitstellens eines Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchens umfaßt, an das im Ionenaustausch-Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalente kationische oder anionische funktionelle Gruppen pro Gramm funktionalisiertes Polymer gebunden sind. Der Analyt weist in bezug auf Poly(styroldivinylbenzol), das in dem aufgeführten Konzentrationsbereich funktionalisiert ist, verglichen mit dem (k') desselben Analyten für ein ähnlich funktionalisiertes Poly(styroldivinylbenzol) außerhalb des aufgeführten Konzentrationsbereichs ein Maximum des Kapazitätsfaktors (k') auf.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen eines Analyten in konzentrierter Form aus einer Lösung durch das In-Kontakt-Bringen des funktionalisierten Teilchens der Erfindung mit dem Analyten für einen Zeitraum und eine Temperatur, die ausreichend sind, um den Analyten an das Teilchen zu binden. In einem weiteren Schritt der Erfindung betrifft die Erfindung das Regenerieren des funktionalisierten Teilchens durch das Entfernen des Analyten in konzentrierter Form vom funktionalisierten Teilchen, vorzugsweise durch das Eluieren des Analyten durch ein geeignetes Lösungsmittel.
Funktionalisierte Teilchen werden aus makroporösen Poly- (styroldivinylbenzol)-Teilchen hergestellt, die kommerziell erhältlich sind (siehe zum Beispiel die U.S.-Patente Nr. 4 501 826, 4 382 124, 4 297 220, 4 256 840 und 4 224 415), und die Funktionalisierung wird durch im Fachgebiet bekannte Verfahren bewerkstelligt.
Es wird angenommen, daß im Fachgebiet neu ist, daß geregelte Konzentrationen einer chemischen Modifizierung (Funktionalisierung) eines aus Teilchen bestehenden, sorbierenden Materials für Teilchen, die für Feststoff-Extraktionen verwendet werden, eine optimale Retentionskapazität des Analyten und eine optimale Benetzungsfähigkeit verfügbar machen.
In dieser Anmeldung:
bedeutet "Analyt" die isolierte molekulare Spezies;
bedeutet "Kapazitätsfaktor" (k') eine numerische Meßgröße der Retentionsmerkmale eines speziellen Analyten durch ein aus Teilchen bestehendes sorbierendes Material (stationäre Phase). Er wird durch das Verhältnis der Zeit, während der der Analyt in der stationären Phase vorliegt, zu der Zeit, während der er in der mobilen Phase, vorliegt, definiert, was durch Gleichung 1 ausgedrückt wird:
Gleichung 1: k' - (tr - tm)/tm,
wobei tr die Retentionszeit des Analyten in einer Säule ist und tm die Totzeit der Säule oder die Zeit des Durchgangs einer nicht zurückgehaltenen Spezies durch die Säule ist (k') variiert mit der Teilchengröße, der spezifischen Oberfläche, der chemischen Funktionalität des aus Teilchen bestehenden sorbierenden Materials und der Zusammensetzung der mobilen Phase;
"Derivatisierungsgrad", "Innenaustausch-Kapazität" und "Kapazität" werden hier austauschbar verwendet;
"Derivat von" oder "derivatisiertes" oder "funktionalisiertes" Poly(styroldivinylbenzol) bedeutet Poly(styroldivinylbenzol), an das wenigstens eine funktionelle Gruppe kovalent gebunden ist, die Protonen aufnimmt oder Protonen spendet, die Elektronen aufnimmt oder Elektronen spendet oder die zur Verteilung von Elektronen beiträgt;
"hydrophil" bedeutet das Vorhandensein einer Affinität für das Anziehen, Adsorbieren oder Absorbieren von Wasser; vorzugs weise bedeutet es das Vorhandensein einer Oberflächen-Polarität von 0,5 oder darüber;
"hydrophob" bedeutet das Vorhandensein eines Mangels einer Affinität zu oder des Nicht-Adsorbierens von Wasser oder des Abstoßens davon; vorzugsweise bedeutet es das Vorhandensein einer niedrigen Oberflächen-Polarität, zum Beispiel im Bereich von 0,1 bis weniger als 0,5;
"Makroporöses Harz", auch bekannt als "makroretikuläres Harz" bedeutet ein Element einer Klasse von hochvernetzten, mit Kanälen durchzogenen Polymerteilchen, durch die Lösungen diffundieren können; sie werden oft als Ionenaustauscher verwendet. Poren sind Bereiche zwischen dicht gepackten Polymerketten. Poren, die kleiner als 50 Å sind, werden als Mikroporen bezeichnet, Poren zwischen 50 und 200 Å werden als Mesoporen bezeichnet, und Poren von mehr als 200 P~ werden als Makroporen bezeichnet;
"unpolare Verbindung" bedeutet Moleküle, die kein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen;
"Normalphasensystem" bedeutet ein Verfahren, bei dem eine polarere stationäre Phase mit einer weniger polaren, sich bewegenden Phase zum Bewirken der Trennung von molekularen Spezies verwendet wird;
"Teilchen" oder ein "aus Teilchen bestehendes Material" bedeutet ein regelmäßig oder unregelmäßig geformtes Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 150 um, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 30 um und noch mehr bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 um; ebenfalls eingeschlossen ist ein polymerer Faserbrei mit einer Länge im Bereich von 0,8 mm bis 4,0 mm und einem mittleren Durchmesser im Bereich von weniger als 1 bis 20 um;
"polare Verbindung" bedeutet Moleküle, die polare, kovalente Bindungen enthalten; die, wenn sie gelöst sind, dissoziieren können; polare Verbindungen umfassen anorganische Säuren, Basen und Salze;
"Reversed-Phase-System" bedeutet ein Verfahren, bei dem eine weniger polare stationäre Phase mit einer polareren, sich bewegenden Phase verwendet wird, um die Trennung von molekularen Spezies zu bewirken;
"Feststoffextraktion" (SPE) bedeutet ein Verfahren, bei dem eine feste Phase zum Isolieren von Klassen von molekularen Spezies von flüssigen Phasen wie Gasen und Flüssigkeiten durch Sorptions-, Ionenaustausch-, Chelatbildungs-, Ausschluß- (Ausschluß auf molekularer Ebene), Affinitäts-, Ionenpaarbildungs- Mechanismen etc. verwendet wird;
"sorbierend" oder "Sorption" oder "Sorbens" bedeutet die Fähigkeit des Aufnehmens und Haltens entweder durch Absorption oder Adsorption;
"Benetzbarkeit" bedeutet die Fähigkeit einer Oberfläche eines beliebigen Feststoffs, durch den Kontakt einer Flüssigkeit benetzt zu werden, daß heißt, daß die Oberflächenspannung der Flüssigkeit dahingehend vermindert wird, daß die Flüssigkeit sich auf der Oberfläche ausbreitet; und
"Benetzen" bedeutet die Behandlung eines hydrophoben, aus Teilchen bestehenden Stoffs oder Mediums mit einem organischen Lösungsmittel, gewöhnlich Methanol, um die Polarität von dessen Oberfläche zu erhöhen, wodurch sie für Flüssigkeiten mit einer hohen Oberflächenspannung wie Wasser leichter zugänglich wird.
Ein beim Stand der Technik auftretendes Problem besteht darin, daß für ein hydrophobes, sorbierendes, aus Teilchen bestehendes Material in gepackten Säulen oder mit Teilchen beladene Bahn-Verbundstoffe, die zur SPE von hydrophoben Analyten in Wasser verwendet werden, zuerst ein "Benetzungs-"Schritt mit Lösungsmitteln wie Methanol erforderlich ist. Das Benetzen ist erforderlich, weil infolge der niedrigen Oberflächenenergie der hydrophoben Teilchen oder des hydrophoben Verbundstoffs die hohe spezifische Oberfläche der inneren Poren der sorbierenden Teilchen für wässrige Lösungen mit einer hohen Oberflächenspannung nicht zugänglich ist.
Zur Erhöhung der Benetzbarkeit oder Hydrophilie dieser Teilchen und Verbundstoffe ist eine Reihe von Versuchen gemacht worden. Ein Versuch zum Eliminieren oder Minimieren des Benetzungsproblems kann in der Zugabe von hydrophilen Zusätzen wie mikrokristallinen Cellulosefasern zu Gegenständen aus Verbundstoff-Bahn, die Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder andere hydrophobe Fibrillen enthalten, und verschiedenen sorbierenden, aus Teilchen bestehenden Materialien bestehen, wie im U.S.-Patent Nr. 4 810 381 beschrieben wird. Obwohl durch diesen Versuch die allgemeine hydrophobe Beschaffenheit des Verbundstoffs verstärkt wird, widmet er sich nicht dem Benetzen der inneren Poren von eingeschlossenem, aus Teilchen bestehendem, sorbierenden Material. Die intramolekulare Einführung von hydrophilen Gruppen, beispielsweise in die makroporösen Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen der Erfindung, erzeugt die "Selbstbenetzbarkeit" sowohl auf den Außenoberflächen als auch den verfügbaren inneren Porenoberflächen.
Kein uns bekannter Stand der Technik offenbart, daß infolge der von der vorliegenden Erfindung gelehrten Regelung der Konzentration der ionischen (kationischen oder anionischen) chemischen Modifizierung von Poly(styroldivinylbenzol) ein optimierter Kapazitätsfaktor (k') für Trennungen erhalten werden kann. Im Stand der Technik gibt es keinen Hinweis auf Vorschläge, daß spezielle Konzentrationsgrade der Funktionalisierung von hydrophoben Teilchen mit hydrophilen Gruppen insbesondere mit Bezug auf nichtionische, neutrale Analyten optimale SPE-Eigenschaften ergeben. Tatsächlich würde die Intuition einen Fachmann zu der Annahme verleiten, daß eine höhere Funktionalisierung besser sei. Überraschenderweise zeigt die vorliegende Erfindung, daß verbesserte Trennungen bei Funktionalisierungen/Konzentrationen erreicht werden, die weniger als vollständig sind. Obwohl im Fachgebiet anerkannt ist, daß durch die Substitution von Teilchen durch hydrophile Gruppen die Benetzbarkeit der Teilchen verbessert wird, wird ein Fortschritt im Fachgebiet erreicht, indem die Konzentration der hydrophilen Gruppen geregelt wird, um eine optimale Benetzbarkeit und einen Kapazitätsfaktor (k') des Analyten zu erhalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Serie von vier Diagrammen des Kapazitätsfaktors (k') von Phenol als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität von sulfonierten Poly(styroldivinylbenzol)-Harzen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Die funktionalisierten Teilchen der Erfindung können aus Poly- (styroldivinylbenzol)-Teilchen hergestellt werden. Besonders bevorzugte, aus Teilchen bestehende Materialien sind:
* In einem oder mehreren der U.S.-Patente Nr. 4 501 826, 4 382 124, 4 297 220, 4 256 840, 4 224 415 offenbart
Die funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen können Kationen- oder Anionenaustauscher-Teilchen sein. Starke Kationenaustauscher umfassen die Teilchen, die beispielsweise durch Gruppen starker Säuren, wie anionische Sulfonat- (HSO&sub3;-)Gruppen, funktionalisiert sind; schwache Ionenaustauscher umfassen die Teilchen, die beispielsweise durch anionische Carboxylat- (COOH-)Gruppen funktionalisiert sind. Andere funktionalisierte Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen können starke Anionenaustauscher sein, umfassend die Grundteilchen, die beispielsweise durch quaternäre Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3; funktionalisiert sind, wobei jedes R unabhängig C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen sein kann. Schwache Anionenaustauscher umfassen aminierte Gruppen N(R¹)&sub2;, wobei jedes R¹ unabhängig C&sub1;- bis C&sub4;- Alkylgruppen oder Alkanolgruppen sein kann. Repräsentative N(R¹)&sub2;-Gruppen umfassem NH&sub2;, N(C&sub2;H&sub5;)&sub2;, N(CH&sub3;)&sub2; und N(C&sub2;H&sub4;OH)&sub2;, die alle kationisch sind. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen, die funktionalisiert (d. h. chemisch geändert) wurden, indem optimale Konzentrationen von Sulfongruppen an wenigstens entweder der ortho- und/oder der para-Position der aromatischen Ringstruktur des Harzes hinzugefügt wurden. Die Substitution eines Rings durch funktionelle Gruppen erfolgt gemäß bekannter Regeln der organischen Chemie, siehe zum Beispiel Carl. R. Noller, "Textbook of Organic Chemistry", W. B. Saunders Company, Philadelphia, PA (1951), S. 331-351. Das funktionalisierte Teilchen kann aus dem Grundteilchen hergestellt werden, das mit Eisessig vermischt und dann mit konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt wird. Wenn der erwünschte Sulfonierungsrad erreicht ist, kann die Reaktion mit Wasser gequencht werden. Einzelheiten zu diesem Verfahren sind in Beispiel 1 unten offenbart.
Es ist gefunden worden, daß durch die Funktionalisierung der Teilchen im Ionenaustausch-Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten kovalent gebundener ionischer Funktionalität pro Gramm funktionalisiertes Polymer, vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 2,0, noch mehr bevorzugt im Bereich von 0, 2 bis 1,1 Milliäquivalenten pro Gramm und am meisten bevorzugt im Ionenaustausch-Konzentrationsbereich von 0,3 bis weniger als 0,9 Milliäquivalente pro Gramm und sogar noch mehr bevorzugt 0,3 bis 0,8 und am allermeisten bevorzugt etwa 0,3 bis 0,6 Milliäquivalenten pro Gramm ein maximales Retentionsvermögen für polare oder halbpolare Analyten bei Feststoffextraktionen ergibt.
In einer Ausführungsform fällt der Bereich der Grade der chemischen Modifikation durch Sulfonat zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Teilchen mit der Erhöhung des Kapazitätsfaktors (k') des Analyten bis zu einem optimalen Grad von 0,6 Milliäquivalenten pro Gramm zusammen, wobei jedoch weiter erhöhte Sulfonatgruppen-Substitutionsgrade zu abnehmenden numerischen Werten des Kapazitätsfaktors des Analyten führten, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Dieser Funktionalisierungsgrad gewährleistet auch eine Optimierung der Benetzungsmerkmale der Teilchen. Bei der SPE können die durch Sulfonat funktionalisierten Teilchen in Abwesenheit eines Benetzungsmittels wirksam sein.
In einer zweiten Ausführungsform kann Poly(styroldivinylbenzol) mit Carboxylat-Funktionen zur Verwendung in Feststoffextraktionen hergestellt werden. Bei einem Verfahren können Teilchen aus Poly(styroldivinylbenzol)-Harz durch die Oxidation von seitenständigen Gruppen wie aromatischen Vinyl- oder aromatischen Alkylgruppen unter Bildung von funktionellen Carboxylatgruppen chemisch geändert werden. Eine solche Oxidation kann gemäß der Kenntnisse im Fachgebiet durchgeführt werden, wobei beispielsweise Oxidationsmittel wie Natriumhypochlorid, Kaliumpermanganat oder verdünnte Salpetersäure in Mengen verwendet werden, bei denen der Umwandlungsgrad zu Carboxylatgruppen geregelt werden kann. Siehe beispielsweise Donald G. Lee, "The oxidation of organic compounds by permanganate ions and hexavalent chromium", Open Court Publishing Company: La Salle, IL, 1980, S. 43-64, und J. March, "Advanced Organic Chemistry 3rd Ed.", Wiley-Interscience: New York, 1985. Bei einem zweiten Verfahren können variierende Grade der Carboxylat-Funktionalität durch die Copolymerisation von Styrol, Divinylbenzol und einem geeigneten Monomer mit Carbonsäure-Funktionen, wie Methacrylsäure, erhalten werden. Dieses zweite Verfahren wird von R. Kunin in "Ion Exchange Resins", 2. Auflage, Wiley: New York, (1958), S. 87, und von Meitzner et al., U.S.-Patent Nr. 4 256 840, beschrieben.
Die Fähigkeit organischer Harze zum Sorbieren bestimmter analytischer, mäßig wasserlöslicher Moleküle kann mit der hydrophilen/hydrophoben Beschaffenheit des aus Teilchen bestehenden Materials in eine direkte Beziehung gebracht werden. In der bevorzugten Ausführungsform erhöht sich die Hydrophilie eines aus Poly(styroldivinylbenzol) bestehenden Materials, wenn eine höhere Substitution durch SO&sub3;&supmin; auftritt, die Aus wirkung auf den Kapazitätsfaktor (k') ist jedoch überraschend, weil eine Sulfonierung von über etwa 0,6 Milliäquivalenten/ Gramm zu einer Verminderung des Kapazitätsfaktors (k') führt. Im Stand der Technik umfaßte die Optimierung des Kapazitätsfaktors (k') die Auswahl zwischen verschiedenen funktionalisierten, aus Teilchen bestehenden Mitteln. Diese Erfindung lehrt die Modifizierung der adsorbierenden Beschaffenheit eines gegebenen, aus Teilchen bestehenden Materials durch die geregelte Funktionalisierung des aus Teilchen bestehenden Materials durch geeignete Grade bestimmter funktioneller Gruppen.
Die Teilchen können eine Kugelform, eine regelmäßige Form oder eine unregelmäßige Form aufweisen. Aus Teilchen bestehendes Material, das sich in der Erfindung als brauchbar erwies, wies eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis etwa 150 um, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 100 um, noch mehr bevorzugt von 1 bis 100 um und am meisten bevorzugt von 5 bis 20 um auf. In einigen Fällen erwies es sich als vorteilhaft, aus Teilchen bestehende Materialien mit zwei oder mehr Teilchengrößen zu verwenden, die in den breiten Bereich fallen. Als Beispiel können Teilchen der vorliegenden Erfindung mit einer mittleren Größe im Bereich von 0, 1-30 um mit einer Fähigkeit zur Feststoffextraktion in Kombination mit Teilchen mit einer mittleren Größe im Bereich von 1 bis 150 um verwendet werden, die als Eigenschaftsregler dienen. Größere Teilchen (z. B. mit 40 bis 150 um, für industrielle Anwendungen sogar bis zu 4 mm oder darüber) sind für gepackte Säulen und einige Vliese besonders wünschenswert.
Wie oben festgestellt wurde, kann mehr als ein Typ eines aus funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen bestehendes Material in Säulen und Membranen der vorliegenden Erfindung brauchbar sein. Die funktionalisierten Teilchen können in jedem Verhältnis vorgemischt werden; die Gesamtheit der funktionalisierten SPE-Teilchen dieser Erfindung kann im Bereich von über 20 bis zu 100 Gew.-% der gesamten Teilchen, vorzugsweise von 35 bis 100 Gew.-%, noch mehr bevorzugt 50 bis 100 Gew.-% organische polymere Teilchen, am meisten bevorzugt 90 bis 100 Gew.-% derivatisierte, organische, polymere Teilchen dieser Erfindung und 0 bis 80 Gew.-% des gesamten, aus Teilchen bestehenden Materials beliebiger anderer SPE-Teilchen, vorzugsweise 0 bis 65 Gew.-% und noch mehr bevorzugt 0 bis 50 Gew.-% und am meisten bevorzugt 0 bis 10 Gew.-% anderer SPE-Teilchen vorhanden sein. Andere SPE-Teilchen umfassen poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete Teilchen und poröse, organische, polymere Teilchen, die funktionalisiert oder unfunktionalisiert sein können.
In einem anderen Aspekt macht die vorliegende Erfindung eine verbesserte SPE-Verbundstoff-Struktur und ein Verfahren dafür verfügbar, wobei es sich bei der Verbundstoff-Struktur vorzugsweise um eine gleichmäßig poröse Verbundstoff-Bahn handelt, die sorbierende Teilchen der Erfindung umfaßt, die gleichmäßig in einer aus Vlies gebildeten, faserartigen Matrix verteilt sind. In einer solchen Struktur sind fast alle der Teilchen voneinander getrennt und in einer Matrix aus Fasern eingeschlossen, die das Teilchen zurückhält. Die bevorzugte Bahn der vorliegenden Erfindung hat eine Dicke im Bereich von 125 bis 10 000 um. Das Verhältnis der gesamten Teilchen zur faserartigen Matrix liegt, bezogen auf das Gewicht, im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, vorzugsweise 19 : 1 bis 4 : 1.
In den mit Teilchen beladenen Verbundstoff-Gegenständen der Erfindung können Eigenschaftsregler und Hilfsstoffe vorteilhaft zu dem primären, aus Teilchen bestehenden Material in dem faserartigen Medium gegeben werden, um eine weitere Verbesserung oder Modifikation von Eigenschaften zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein modifizierendes, aus Teilchen bestehendes Material inaktive Materialien wie Glaskugeln mit einer niedri gen spezifischen Oberfläche umfassen, die als Eigenschaftsregler und Verarbeitungshilfsmittel dienen. Farbgebendes oder fluoreszierendes aus Teilchen bestehendes Material kann mit niedrigen Konzentrationen (bis zu 10 Gew.-% des aus Teilchen bestehenden Materials) zugegeben werden, um die Sichtbarmachung von zu trennenden Komponenten von Proben zu unterstützen. Chemisch aktive, aus Teilchen bestehende Hilfsstoffe, die eine chemische Aktivität oder Acidität der Komponenten der Probe anzeigen, können für Diagnosezwecke brauchbar sein.
Wenn die Teilchen der vorliegenden Erfindung in mit Teilchen beladene faserartige Gegenstände eingearbeitet werden, bei denen es sich vorzugsweise um Mikrofaser-Gegenstände handelt, umfassen die Gegenstände im Bereich von 20 bis 80 Vol.-% Fasern und aus Teilchen bestehendes Material, vorzugsweise 40 bis 60 Vol.- % Fasern und aus Teilchen bestehendes Material und 80 bis 20 Vol.-% Luft, vorzugsweise 60 bis 40 Vol.-% Luft.
Faserartige, zur Einarbeitung des aus Teilchen bestehenden Materials der Erfindung brauchbare Matrizen umfassen Vliese wie polymere Vliese, die Polytetrafluorethylen (PTFE) umfassen, Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen, Polyaramid (z. B. KevlarTM, DuPont), Polyamide wie Nylon 6 und Nylon 66, Polyurethane, Polyester wie Polyethylenterephthalat, Polyacrylnitril (Cyanamid, Wayne, NJ); andere Vliese umfassen Glasfaser-Vliese und Vliese aus keramischen Fasern.
PTFE ergibt für die derivatisierten, aus Teilchen bestehenden Materialien der vorliegenden Erfindung eine besonders brauchbare Matrix. Der Verbundstoff kann zum Beispiel durch die Verfahren hergestellt werden, die in einem oder mehreren der Patente 4 810 381, 4 985 296, 5 071 610, 5 279 743 und 4 985 296 offenbart sind.
Andere für die Einarbeitung der Teilchen der vorliegenden Erfindung brauchbaren Vliese umfassen Makro- und Mikrofaser- Vliese wie schmelzgeblasene Vliese, schmelzgesponnene oder Blasvliese, geblasene faserartige Vliese. Die Herstellung und Verwendung solcher Vliese wird im U.S.-Patent Nr. 5 328 758 offenbart. Das Pressen oder Verschmelzen der Vliese ist in den Gegenständen der vorliegenden Erfindung gewöhnlich nicht erforderlich. Auch Glasfaser- und Keramikfaser-Vliesstoffe können brauchbar sein.
Die das aus Teilchen bestehende Material enthaltenden, faserartigen Vliese der Erfindung können in einem ersten Modus brauchbar sein, in dem der Verbundgegenstand der Erfindung zum Vorkonzentrieren und Isolieren bestimmter Materialien für die weitere Analyse verwendet wird, zum Beispiel durch hochauflösende Säulenchromatographie. In diesem Modus, der im Fachgebiet wohlbekannt ist und gewöhnlich als Feststoffextraktion bezeichnet wird, wird der aus Lösungsmittel und Probe bestehende Strom mit einem Winkel von etwa 90º zur Oberfläche der Bahn eingeführt. Dies ist eine konventionelle Konfiguration, und die Länge des Trennungsweges ist gleich der Dicke der Bahn. Die Bahnlänge kann durch das Auflegen zusätzlicher Schichten (Medien), die dieselbe oder eine verschiedene Zusammensetzung aufweisen können, vergrößert werden, wobei die einzelnen Schichten jedoch nicht innig miteinander verbunden sein müssen. Dieser Modus ist bei einstufigen oder mehrstufigen Adsorptions-Desorptions-Trennungen wirksam. Dieser Modus ist beim Einsatz von sorbierendem, aus Teilchen bestehenden Ionenaustauscher-Material im normalen oder im Reversed-Phase- Modus wirksam. Der Gegenstand adsorbiert den Analyten von Interesse stark auf dem in dem Verbundstoff vorhandenen aktiven, aus Teilchen bestehenden Material, und unerwünschte Komponenten werden mit einem ersten Eluenten herausgewaschen. Umgekehrt können unerwünschte Komponenten stark gebunden werden, und der Analyt kann mit dem ersten Lösungsmittel ausgewaschen werden. Dann wird ein wirksameres eluierendes Lösungsmittel zum Verdrängen der erwünschten Komponente aus dem aus Teilchen bestehenden Material verwendet, wodurch es in einer konzentrierteren und vereinigten Form gewonnen werden kann.
Die Verbundstoff-Extraktionsgegenstände der Erfindung können eine Vielzahl von Größen und Formen einnehmen. Vorzugsweise kann es sich bei den Gegenständen um bahnartige Materialien handeln, die zum Beispiel in Scheiben- oder Streifenform vorliegen können.
Diese Erfindung offenbart ein Scheiben-/Platten-Verbundmaterial zur Feststoffextraktion (SPE) und ein Verfahren, das beispielsweise zum Isolieren von polaren, halbpolaren und unpolaren Verunreinigungen aus Fluids (Flüssigkeiten und Gasen) brauchbar ist. Der Gegenstand kann als einzelne, selbsttragende Bahn oder als Kombination von Bahnen unter Bildung eines Stapels oder als Verbundfolie, die an Trägern wie Glas, Papier, Metalle oder Polymere haftet, verwendet werden. Der Gegenstand ist für polare und halbpolare Analyten bevorzugt. Insbesondere Rückstände von Explosivstoffen, phenolische Verbindungen und organische Säuren sind verbreitete Verunreinigungen von Feststoffen, Luft und Wasser und können unter Anwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung wirksam entfernt, konzentriert oder isoliert werden. Die Isoliervorgänge können im analytischen Maßstab oder in Anwendungen im großen Maßstab durchgeführt werden.
Unpolare Analyten, d. h. solche mit einem minimalen Dipolmoment, sind hydrophob und weisen mit hydrophoben sorbierenden Teilchen wie an C&sub1;&sub8; gebundenem Siliciumdioxid und neutralen makroporösen Harzen wie Poly(styroldivinylbenzol) gewöhnlich hohe Grade des Kapazitätsfaktors (k') auf. Es wird nicht erwartet, daß beim Einsatz der funktionalisierten Teilchen der vorliegenden Erfindung diese unpolaren Analyten im Vergleich zu denjenigen (k'), wie sie für polare und halbpolare Analyten gefunden werden, wesentliche Erhöhungen der (k')-werte aufweisen. Eine gewisse Erhöhung des Kapazitätsfaktors (k') kann aufgrund der vergrößerten, durch den Zugang zu benetzten inneren Poren verfügbaren, spezifischen Oberfläche auftreten.
Repräsentative polare und halbpolare Verbindungen (Analyten), die durch die funktionalisierten Teilchen der vorliegenden Erfindung sorbiert werden können, umfassen Explosivstoffe wie 1,3,5,7-Tetranitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctan (HMX), explosive Verunreinigungen wie Dinitrotoluol und phenolische Verbindungen wie Phenol, 2-Chlorphenol, 4-Chlorphenol, o- oder p-Cresol, 2- oder 4-Nitrophenol, 4,6-Dinitro-o-cresol, 2,4-Dinitrophenol, 2,4-Dimethylphenol, 4-Chlor-4-methylphenol, 2-Methyl- 4,6-dinitrophenol, Pentachlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 2,4,5- Trichlorphenol und 2,4,6-Trichlorphenol und Brenzcatechin, die Wasserschadstoffe sind und von ökologischer Bedeutung sind. Repräsentative, im allgemeinen als halbpolare Verbindungen angesehene Pestizide, die aus wässrigen Flüssigkeiten zurückgewonnen werden können, umfassen Atrazin, Alachlor und Diazinon. Repräsentative, im allgemeinen als halbpolare Verbindungen angesehene Medikamente umfassen d-Amphetamin, Methamphetamin, Salicylat, Ibuprofen, Butalbital, Acetaminophen, Amobarbital, Pentobarbital, Secobarbital, Glutethimid, Phenycyclidin (PCP), Phenobarbital, Naproxyn, Methadon, Methaqualon, Propoxyphen, Kokain, Imipramin, Desipramin, Phenytoin, Codein, Morphin und Flurazepam.
Neutrale Analyten wie Ethylpyruvat und Butandion weisen in dem Konzentrationsbereich der Erfindung einen maximalen Kapazitätsfaktor auf. Diese Verbindungen werden gewöhnlich mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE), beschrieben in den EPA- Verfahren 608, 625 etc., aus Wasser extrahiert. Es ist hochgradig wünschenswert, Verfahren der Flüssig-Flüssig-Ex traktion (LLE) durch Materialien und eine Methodik der Feststoffextraktion (SPE) zu ersetzen, um den Gebrauch von Extraktions-Lösungsmitteln, Extraktionszeit und Umweltgefahren zu vermindern oder zu eliminieren. Dieser Aspekt der Erfindung offenbart eine Kreuzung aus der Säulenteilchen- und der Membrantechnologie zur Verfügbarmachung eines Mittels zur Oberwindung der Nachteile herkömmlicher Verfahren bei wesentlichen Zeit- und Kosteneinsparungen.
Wo Kombinationen von Verunreinigungen zu extrahieren sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Stapel von Scheiben (z. B. 2 bis 5 oder mehr) zu verwenden, wobei einer oder mehrere Typen aus Teilchen bestehender Materialien verwendet werden, von denen jeder eine optimale Extraktions- oder Reaktionswirksamkeit für einzelne Verunreinigungen aufweist. Die Auswahl von Elutions-Lösungsmitteln hängt von den Verunreinigungen und dem aus Teilchen bestehenden Extraktionsmaterial ab.
Diese Erfindung ist bei der Extraktion von anorganischen und organischen Substanzen aus Flüssigkeiten und Gasen in einem Durchfluß- oder Filtrationsmodus brauchbar. Die Erfindung kann in einem analytischen Maßstab - wie bei der Untersuchung von Wasserproben auf Umweltschadstoffe - verwendet werden. Diese Erfindung kann auch in einem größeren Maßstab - wie zur Abhilfe schaffenden Entfernung von Verunreinigungen oder Analyten aus Flüssigkeits- oder Gasquellen - verwendet werden.
Nach dem Gebrauch kann der Gegenstand wiederaufgearbeitet werden, indem die sorbierten Schadstoffe mittels einer Flüssigkeit, die die sorbierten Materialien aus dem Sorbens aufnehmen kann, einfach aus dem Gegenstand eluiert werden. Eine thermische oder durch superkritische Fluids erfolgende Verdrängung des sorbierten Analyten kann ebenfalls angewandt werden.
Teilchen, die in eine gepackte Säule gefüllt werden können, und Verbundstoffe der Erfindung sind bei einer weiten Vielzahl von Trennungen nützlich, bei denen das ausgewählte, aus Teilchen bestehenden Material für eine durch die Größe geregelten Filtration oder einen sterischen Ausschluß, zum Beispiel einstufige oder mehrstufige Sorptions-Desorptions-Trennungen spezieller Komponenten, für Anwendungen, bei denen an einem aus Teilchen bestehendes sorbierendes Material chemische oder biochemische Trennungen durchgeführt werden, für Ionenaustausch-Umwandlungen von Kationen und Anionen, zur Reinigung von Materialien und für chromatographische Trennungen und Analysen im Modus sowohl des freien als auch des Zwangsdurchlaufs brauchbar ist, wobei alle diese Verfahren den Fachleuten bekannt sind.
Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, wobei die in den Beispielen aufgeführten, aus Teilchen bestehenden Materialien sowie andere Bedingungen und Einzelheiten nicht unzulässigerweise dahingehend aufgefaßt werden dürfen, daß sie diese Erfindung einschränken.

BEISPIELE

Beispiel 1 -- Chemische Modifizierung von Poly(styroldivinylbenzol)

Für ein erstes Produkt wurden Portionen von 2 g eines aus Teilchen von 8 um bestehenden Poly(styroldivinylbenzol)- (SDVB-)Harzes von Sarasep, Santa Clara, CA, verwendet. Acht Harzproben wurden jeweils mit 2 ml Eisessig vermischt, wodurch eine Aufschlämmung gebildet wurde. Anschließend wurde konzentrierte Schwefelsäure in 50 ml Portionen zu jeder dieser Aufschlämmungen gegeben und bei verschiedenen Temperaturen und für verschiedene Zeiträume reagieren gelassen. Die Reaktionen wurden dann durch das Verdünnen der Schwefelsäure in der Mischung mit Wasser gequencht, und die Harzteilchen wurden durch Filtration getrennt. Nach dem Waschen mit Wasser und dem Trocknen wurde der Sulfonierungsgrad einer jeden Probe durch Titration mit einer Natriumhydroxid-Standardlösung bestimmt, um die Ionenaustausch-Kapazität in Milliäquivalenten pro Gramm zu bestimmen. Die Reaktionszeiten, Temperaturen und die Austausch-Kapazität in Milliäquivalenten pro Gramm für diese Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt. TABELLE 1 Sulfonierungsgrade von Poly(styroldivinylbenzol)
Bei Probe 1 (Vergleich A) handelte es sich um ein unfunktionalisiertes Poly(styroldivinylbenzol)-Ausgangsmaterial, und Probe 9 (Vergleich B) stellte ein typisches starkes Kationaustauscher-Harz dar, das schwer sulfoniert wurde (die Ionenaustausch-Kapazität ist außerhalb des Konzentrationsbereichs der vorliegenden Erfindung).
Ein zweites Verfahren zur chemischen Modifizierung von Poly- (styroldivinylbenzol) umfaßte das Vermischen von 5 ml Eisessig und 5 ml konzentrierter H&sub2;SO&sub4; mit einer Probe des Grundharzes.
In einer 60minütigen Reaktion bei Raumtemperatur wurde ein dunkeloranges Harz erzeugt, das jedoch nicht benetzbar war. Schließlich wurde eine Reaktionsdauer von 5-10 min unter Erwärmen (100-150ºC) angewandt. Dieses Harze waren dunkelbraun und durch wässrige Lösungen benetzbar. Das endgültige Harz mit einer Kapazität von 0,7 meq SO&sub3;&supmin; wurde unter den folgenden Bedingungen hergestellt:
2 g makroporöses Poly(styroldivinylbenzol)-Harz (Sarasep, Inc.) wurden unter mäßiger Wärmeeinwirkung (100ºC für 5 bis 10 min) getrocknet. Eisessig (5 ml) wurde zugegeben, und die Mischung wurde in ein Ölbad von 150ºC gestellt. Konzentrierte H&sub2;SO&sub4; (5 ml) wurde zugegeben, und die Mischung wurde mit einem kreuzförmigen Magnetrührstäbchen 5 min lang heftig gerührt. Die Reaktion wurde gequencht, indem die Mischung in 100 ml kaltes H&sub2;O gegossen wurde. Die wässrige Mischung wurde filtriert und nacheinander mit 100 ml Portionen deionisiertem Wasser, Aceton und Methanol gespült. Das funktionalisierte polymere Harz wurde dann mehrere Stunden lang bei etwa 100ºC getrocknet.
Das Harz wurde mit Methanol vorbenetzt, und dann wurde eine Feststoffextraktion (SPE) mehrerer Phenole mit diesem Harz durchgeführt (50 mg Harzteilchen, gepackt in eine kleine SPE- Säule (20 mm · 2,1 mm Innendurchmesser)). Jedes Phenol war in 15 ml H&sub2;O vorhanden. Nach Durchführung der SPE wurde jedes Phenol mit 1 ml Methanol extrahiert. Die Ausbeuten (Mittelwert von drei Versuchen) sind unten in Tabelle 2 aufgeführt. TABELLE 2 SPE von Phenolen mit einem sulfonierten Harz

Beispiel 2 -- Kapazitätsfaktor (k') als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität

Die in Tabelle 1 aufgeführten Proben 1 bis 9 wurden in eine Säule gepackt, um die Auswirkung verschiedener Sulfonierungsgrade des Poly(styroldivinylbenzols) auf die Sorptionskapazität auszuwerten. Zur Bestimmung der Kapazitätsfaktoren (k') wurde dann eine Serie relativ hydrophiler Verbindungen einschließlich Phenol, Brenzkatechin, Ethylpyruvat (ein neutraler Ester) und 2,3-Butandion (ein neutrales Keton) durch die nicht mit Methanol vorbenetzte Säule geleitet. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 aufgeführt. TABELLE 3 Kapazitätsfaktoren von Analyten mit unbenetzten Teilchen
* SO&sub3;&supmin;-Innenaustausch-Kapazität in Milliäquivalenten/g aus Tabelle 1.

Beispiel 3 -- Kapazitätsfaktor (k') als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität

Die Auswertung der Daten von Tabelle 3 zeigt, daß der Kapazitätsfaktor (k') in jedem Fall einen Höchstwert erreichte, wenn die Ionenaustausch-Kapazität etwa 0,6 Milliäquivalente pro Gramm erreichte. Ein zweiter Versuch wurde unter Verwendung des von Hagen et al., Analytica Chimica Acta, 236 (1990), 157 - 164 beschriebenen Verfahrens zum Benetzen eines aus Teilchen bestehenden Materials durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. TABELLE 4 Kapazitätsfaktoren des Analyten mit benetzten* Teilchen
* mit Methanol benetztes, aus Teilchen bestehendes Material
** Austausch-Kapazität des SO&sub3;&supmin;-Ions in Milliäquivalenten/g
Die Auswertung der Daten in den Tabellen 3 und 4 zeigt, daß der Kapazitätsfaktor (k') für den Ester, das Keton und die Phenole in jedem Fall einen Höchstwert erreichte, wenn die Ionenaustausch-Kapazität etwa 0,6 Milliäquivalente pro Gramm des aus Teilchen bestehenden Materials betrug.
Abb. 1 veranschaulicht graphisch die Optimierung des Kapazitätsfaktors (k') durch die Regelung des Sulfonierungsgrads des aus Teilchen bestehenden Materials.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß das unfunktionalisierte, aus Teilchen bestehende Material einen niedrigen Wert für den Kapazitätsfaktor (k') ergibt. Das aus Teilchen bestehende Poly(styroldivinylbenzol)-Material, das höher sulfoniert war und für ein Ionenaustausch-Harzales Standes der Technik typisch ist, ergibt ebenfalls einen niedrigen Wert des Kapazitätsfaktors (k'). Der Höchstwert des Kapazitätsfaktors (k') für das sulfonierte Teilchen lag bei etwa 0,6 Milliäquivalenten/g, kann aber für andere, die Benetzbarkeit erhöhende funktionelle Gruppen wie die Acetyl- oder Hydroxylgruppe variieren.
Insbesondere sind in der Zeichnung, Fig. 1, vier Kurven der Daten des Phenol-Kapazitätsfaktor s (k') als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität von Poly(styroldivinylbenzol)-Härten aus Tabelle 6 dargestellt. Insbesondere wiesen die Teilchen eines jeden Laufs einen mittleren Durchmesser von 5-8 um auf und waren in eine Säule von 20 mm · 2,1 mm Innendurchmesser gepackt. Kurve A zeigt Daten eines Laufs, bei dem mit Methanol benetzte Teilchen aus sulfoniertem Poly(styroldivinylbenzol) (Probe 4 von Tabelle 1) verwendet wurden; Kurve B zeigt Daten eines Laufs, bei dem unbenetzte Teilchen aus sulfoniertem Poly(styroldivinylbenzol) (Probe 4 von Tabelle 1) verwendet wurden; Kurve C zeigt Daten eines Laufs, bei dem eine Mischung (Probe 10b von Tabelle 6) von Teilchen aus sulfoniertem Poly- (styroldivinylbenzol) (Probe 9. von Tabelle 1) und unfunktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen (Probe 1, Tabelle 1) verwendet wurde, wobei die Teilchen vor dem Lauf mit Methanol befeuchtet wurden; Kurve D zeigt Daten eines Laufs, bei dem eine Mischung von unbenetzten Teilchen aus sulfoniertem Poly(styroldivinylbenzol) (Probe 9 von Tabelle 1) und unfunktionalisierten Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen (Probe 1, Tabelle 1) verwendet wurde. Die Kurven A, B, C und D zeigen, daß ein maximaler Kapazitätsfaktor (k') erreicht wird, wenn die Ionenaustausch-Kapazität des derivatisierten Poly(styroldivinylbenzols) im Bereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten, vorzugsweise 0,15 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm und noch mehr bevorzugt 0,2 bis 1,1 Milliäquivalenten liegt. Bei benetzten und unbenetzten Teilchen wird eine maximale Kapazität für Phenol erreicht, wenn die Ionenaustausch- Kapazität des funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzols) im Bereich von 0,1 bis 2,5 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm des funktionalisierten Poly(styroldivinylbenzols), vorzugsweise 1,5 bis 2,0 und am meisten bevorzugt 0,2 bis 1,1 Milliäquivalenten liegt. Eine Benetzung von Teilchen ergibt für Teilchen aus funktionalisiertem Poly(styroldivinylbenzol) einen optimalen Kapazitätsfaktor (k'). Die Kurven C und D zeigen, daß eine Mischung aus funktionalisierten und unfunktionalisierten Teilchen einen nur geringfügig erhöhten Kapazitätsfaktor (k') mit einer Erhöhung der Ionenaustausch- Kapazität ergab, obwohl die benetzten Teilchen verglichen mit einer Mischung aus unbenetzten Teilchen mit Hinsicht auf den Kapazitätsfaktor einen gewissen Vorteil aufwiesen.

Beispiel 4

Membranen aus PTFE-Verbundmaterial, bestehend aus 80% des sulfonierten Poly(styroldivinylbenzols) von Probe 4 (0,6 meq/g Ionenaustausch-Kapazität) und 20 Gew.-% PTFE, wurden mit Hinsicht auf ihre Fähigkeit ausgewertet, eine in Tabelle 5 unten aufgeführte Serie von Phenolverbindungen zu extrahieren. Die erhaltenen Ausbeuten wurden mit denen verglichen, die mit Membranen aus PTFE-Verbundmaterial erhalten wurden, die 20 Gew.-% PTFE und 80 Gew.-% AmberChrome 71 Harz enthielten, das im U.S.-Patent Nr. 5 279 742 als wünschenswertes sorbierendes Teilchen beschrieben wurde. Eine Lösung eines jeden Phenols mit einer Konzentration von 500 ppb, bezogen auf das Gewicht, wurde in jeweils 500 ml deionisiertem Wasser hergestellt. Der pH-Wert wurde mit HCl auf 2,0 eingestellt, und 10 Gew.-% NaCl wurden zugegeben, um die löslichen Phenole aus der wässrigen Phase in die sorbierende feste Phase auszusalzen. Dieses Verfahren ist im Fachgebiet wohlbekannt. Durch das Absenken des pH-Wertes wird die Protonierung der Phenole sichergestellt, so daß sie besser auf das hydrophobe SPE-Medium übertragen werden.
Die die phenolischen Analyten enthaltende Wasserprobe wurde unter Verwendung einer standardmäßigen Filtrationsvorrichtung (Millipore Corp., Bedford, MA) durch die SPE-Membran (Durchmesser 47 mm) gesogen; dabei betrug das Wasserstrahlvakuum 66 cm (26 inch) Hg. Nach dem -Extraktionsschritt wurden die Phenol-Analyten mit 3 aufeinanderfolgenden 3 ml Aliquoten Tetrahydrofuran (THF) aus der Membran eluiert. Die 3 Aliquote wurden vereinigt, und THF wurde zugegeben, wodurch ein Endvolumen von 10 ml für die Analyse durch Flüssigkeitschromatographie erhalten wurde. Die in Tabelle 5 aufgeführten Analysenergebnisse sind Mittelwerte von 4 Bestimmungen für das sulfonierte Poly(styroldivinylbenzol) und von 3 Bestimmungen für das AmberChrom 71. Tabelle 5 Ausbeutedaten für die SPE von Phenolen
Die Daten zeigen, daß die für das sulfonierte Poly(styroldivinylbenzol) erhaltenen Ausbeuten der Phenole im Vergleich zu denjenigen, die mit einem herkömmlichen sorbierenden, aus Teilchen bestehenden Material, AmberChrom 71, erhalten wurden, als sehr gut anzusehen sind.

Beispiel 5

Kapazitätsfaktor (k') für Phenol als Funktion des Sulfonierungsgrads von Poly(styroldivinylbenzol)-Sorbens

Die Daten in Tabelle 6 (die für die Proben 1-9 die Daten der Tabellen 3 und 4, Spalten 1-3, enthält) zeigen, daß ein optimaler Kapazitätsfaktor (k'.) erreicht werden kann, indem die Teilchen aus Poly(styroldivinylbenzol) kontrolliert funktionalisiert werden. Zusätzliche Versuche zeigten, daß einfache, durch die Proben 10a, 10b und 10c veranschaulichte Mischungen aus unsulfonierten (neutralen) Teilchen und schwer sulfonierten Teilchen (starker Kationenaustausch) die in den Beispielen 1-9 gezeigte Optimierung des Kapazitätsfaktors (k') nicht erreichten. Tabelle 6 Kapazitätsfaktor (k') für Phenol als Funktion des Sulfonierungsgrads von Poly(styroldivinylbenzol)-Sorbens
(a) vergleichend
* Zweiter Versuch mit den Proben 1 bzw. 9 zum Vergleich des (k') der Mischungen
** Das Vermischen von Teilen der Proben 10a und 10c ergab Probe 10b mit einer Netto-Ionenaustauschkapazität von 0, 6 meq SO&sub3;&supmin;/g

Beispiel 6

A. Proben aus makroporösen Poly(styroldivinylbenzol)-Harzen mit verschiedenen Konzentrationen an Carbonsäure-Funktionalität (einer schwachen Kationenaustausch-Gruppe) wurden gemäß der Beschreibung von R. Kunin in "Ion Exchange Resins", z. Auflage, Wiley: New York, (1958), S. 87, und von Meitzner et al. im U.S.-Patent Nr. 4 256 840 hergestellt, wobei die Ionenaustausch-Kapazitäten variiert wurden, indem das Verhältnis zwischen den Ausgangsmonomeren Methacrylsäure, Divinylbenzol und Styrol variiert wurde. Diese Proben mit Ionenaustausch-Kapazitäten, die von 0 für nicht carboxyliertes Grund-Poly(styroldivinylbenzol) bis zu 0,3, 2,9 und 5,8 Milliäquivalenten pro Gramm für carboxylierte Harze reichten, wurden in ein 0,5 mm dickes PTFE-Bahnmaterial eingearbeitet, das 20% PTFE und 80 Gew.-% eines jeden aus Teilchen bestehenden Harzmaterials enthielt, wobei ein im U.S.-Patent Nr. 5 147 539 beschriebenes Verfahren verwendet wurde. Aus diesen Bahnmaterialien wurden Scheiben mit einem Durchmesser von 47 mm ausgeschnitten, und die mit Teilchen beladenen Scheiben, die Teilchen mit variierenden Ionenaustauscher-Kapazitäten enthielten, wurden unter Verwendung der in Tabelle 5 aufgeführten Phenol-Analyten einzeln mit Hinsicht auf die SPE- Wirksamkeit untersucht.
Bei diesen Versuchen wurden 500 ml Testproben, die eine Mischung eines jeden der Phenol-Analyten in einer Konzentration von 100 ppb (100 ug pro Liter) und destilliertem Wasser enthielten, mit Salzsäure auf einen pH-Wert von 2 eingestellt. (Das Ansäuern wird angewandt, um die Ionisierung zu unterdrücken und den Phenol-Analyten in der protonierten Form zu halten, wodurch die Extrahierbarkeit durch aus Teilchen bestehendes Reverse-Phase-Material verstärkt wird.) Proben wurden durch die in einer standardmäßige MilliporeTM-Filtrationsvorrichtung montierten Scheiben gesogen, wobei ein Vakuum von 66 cm (26 inch) Hg angelegt wurde. Analyten, die durch mit Harz beladene Scheiben aus diesen Wasserproben adsorbiert wurden, wurden anschließend desorbiert, d. h. aus den Scheiben eluiert, indem 2 aufeinanderfolgende Portionen von 10 ml Tetrahydrofuran (THF) verwendet wurden, die dann vereinigt und für die Analyse mit THF auf 25 ml aufgefüllt wurden. Diese Eluentlösungen wurden durch Flüssigkeits-Chromatographie analysiert, um den Gehalt des Phenolanalyten zur Bestimmung der durch das SPE-Verfahren erhaltenen prozentualen Ausbeute zu bestimmen. Die Daten sind in Tabelle 7A unten angegeben. Tabelle 7A Prozentuale Ausbeuten von Phenolen als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität von carboxyliertem SDB-Copolymerharz
* Stellt eine Vergleichsprobe aus unfunktionalisiertem Poly(styroldivinylbenzol) dar
** Relative Standardabweichung
+ Eine Rückgewinnung von über 100% stellt eine experimentelle Streuung dar
Die Daten in Tabelle 7 zeigen, daß für die weniger polaren der getesteten Phenole (d. h. 2-Nitrophenol, 2,4-Dimethylphenol, 4-Chlor-3-methylphenol, 2,4,6-Trichlorphenol und Pentachlorphenol) gute Ausbeuten gefunden wurden, wobei eine geringe Abhängigkeit von der Menge der auf dem Poly(styroldivinylbenzol)-Sorbens vorhandenen Carboxylgruppen vorlag. Bessere Ausbeuten wurden für die polareren Phenolanalyten (Phenol und 4-Nitrophenol) erhalten. Insbesondere Phenol und 4-Nitrophenol zeigten mit der Harzprobe, die einen Ionenaustauschgrad an Carboxylatgruppen von 0,3 Milliäquivalenten pro Gramm aufwies, eine bestimmte höchste prozentuale Ausbeute. Die Ausbeutegrade für 4-Nitrophenol nahmen anschließend ab, wenn höhere Carboxylsäuregrade vorhanden waren. Die Ausbeuten des Isomers 2-Nitrophenol waren unabhängig vom Grad der Carboxylatgruppen- Substitution gleichbleibend hoch. Dies ist nicht unerwartet, weil die enge Nähe der Nitro- und der Phenolgruppe die intramolekulare Wasserstoffbindung fördert und in einer sinkenden Waserlöslichkeit resultiert. Die Ausbeuten des 2,4- Dinitrophenol-Analyten waren höher als diejenigen, die für 4- Nitrophenol gefunden wurden, nahmen aber mit steigenden Graden der Carboxylatsubstitution des sorbierenden, aus Teilchen bestehenden Harzmaterials ab.
B. In einem anderen Satz von Versuchen wurde eine Serie teilweise carboxylierter, aus Teilchen bestehender Copolymerharze durch das von Kunin (siehe Beispiel 6A) beschriebene Verfahren unter Verwendung verschiedener Konzentrationen des Methacrylsäure-Monomers hergestellt. Diese Harzteilchen wurden wie oben beschrieben in PTFE-Membranen eingearbeitet, die 80 Gew.-% Teilchen und 20 Gew.-% PFTE enthielten. Die resultierenden Verbundstoff-Gegenstände wurden mittels der polaren Verbindungen Phenol, 4-Nitrophenol und der neutralen Untersuchungsanalyten Dimethylphthalat (DMP), Diethylphthalat (DEP), Dibutylphthalat (DBP), Dioctylphthalat (DOP) und o-Methylanisol (OMA) (ein Ether) als Untersuchungsanalyten mit Hinsicht auf die sorbierenden Eigenschaften ausgewertet. Das experimentelle Verfahren war dasselbe wie für Tabelle 7A mit der Ausnahme, daß die Analyten mit 5 ppm (5 mg/l) vorhanden waren und Methanol aufgrund der Verfahren zur Herstellung der Proben mit 2 Vol.-% vorhanden war. Die Daten von Tabelle 7B zeigen die erhaltenen prozentualen Ausbeuten. Maxima ergaben sich bei einem Grad von 0,3 Milliäquivalenten Carboxylat-Funktionalität pro Gramm Copolymer-Harz für Phenol und 4-Nitrophenol. Die Analyten Phenol und 4-Nitrophenol sind polar und wiesen niedrige Kapazitätsfaktoren (k') auf, was bei Verwendung der Teilchen auf der Grundlage von Poly(styroldivinylbenzol)- Copolymerharz niedrigere prozentuale Ausbeutegrade ergab. Die Phthalatester und o-Methylanisol sind neutrale Analyten und wiesen hohe Kapazitätsfaktoren (k') auf, wie durch die Ausbeutegrade von fast 100% gezeigt wird, und bei verschiedenen Graden der Carboxylat-Funktionalität wurde keine Auswirkung auf die Ausbeutegrade beobachtet. TABELLE 7B Prozentuale Ausbeute als Funktion der Ionenaustausch-Kapazität von carboxyliertem Poly(styroldivinylbenzol)-Copolymerharz
Es ist im Fachgebiet anerkannt, daß die Werte des Kapazitätsfaktors (k') des Analyten direkt proportional zu den Graden der Analytausbeute in SPE-Verfahren sind. Die Daten der Tabellen 7A und 7B zeigen, daß die Regelung des Grades der Carboxylfunktionalität auf einem Poly(styroldivinylbenzol)- Copolymerharz zur Maximierung der Extrahierbarkeit bestimmter Analyten verwendet werden kann.

Beispiel 7

Umfassendes Serum- und Urin-Screening

Scheiben, die 20% PTFE und 80% der Probe Nr. 4 aus Tabelle 3, Beispiel 2 (aus Teilchen bestehendes Poly(styroldivinylbenzol)-Material, funktionalisiert durch funktionelle Sufonatgruppen mit einer Ionenaustausch-Kapazität von 0,6 meq/g) wurden in einem umfassenden Medikamenten-Screeningvorgang getestet. Die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die mittels Scheiben erhalten wurden, die 20% PTFE und 80% aus Teilchen bestehendes Clean ScreenTM- (CS-) Material von der United Chemical Technology, Bristol, PA (kommerziell erhältliche Teilchen auf der Grundlage von Siliciumdioxid, beschichtet mit einer Mischphase, die eine Reverse-Phase-Octylgruppe und eine starke Kationenaustauscher-Funktionalität umfaßt) umfaßten. Die Ergebnisse wurden auch mit Daten verglichen, die unter Verwendung von TOXI-TUBEs für Extraktionen von sauren und basischen Medikamenten aus Urin erhalten wurden, die von Toxi-Lab, Inc., Irvine, CA, kommerziell erhältlich sind.

Materialien und Verfahren

Medikamenten-Standards

Bei der standardmäßigen Stammlösung handelte es sich um 100 ug/ml jeder der folgenden Medikamente in Methanol:
D-Amphetamin Naproxyn
Methamphetamin Methadon
Salicylat Methaqualon
Ibuprofen Propoxyphen
Butalbital Cocain
Acetaminophen Imipramin
Amobarbital Desipramin
Pentobarbital Phenytoin
Secobarbital Codein
Gluthethimid Morphin
Phencyclidin (PCP) Flurazepam
Phenobarbital
Bei der eingesetzten Standardlösung handelte es sich um 0,5 mg/ml Cyheptamid in Methanol.

Extraktionsverfahren -- Extraktions-Scheibenkartuschen (3M Co., St. Paul, MN), (Spalten B und C in Tabelle 8)

1. Proben wurden wie folgt hergestellt:
Urine: Nacheinander wurden 3 ml destilliertes Wasser, 2 ml 0,1 M Phosphatpuffer (pH = 6,0) und 10 ul der internen Standardlösung zu 2 ml Urin (versetzt mit einer geeigneten Menge des Medikamentenstandards) gegeben. Die Proben wurden gründlich geschüttelt.
Seren: Nacheinander wurden 4 ml destilliertes Wasser, 2 ml 0,1 M Phosphatpuffer (pH = 6,0) und 10 ul der internen Standardlösung zu 2 ml Urin (versetzt mit einer geeigneten Menge des Medikamentenstandards) gegeben. Die Proben wurden gründlich geschüttelt.
2. Die Extraktions-Scheibenkartuschen wurde durch aufeinanderfolgende Zugaben eines 3 ml Volumens Methanol, eines 3 ml Volumens destillierten Wassers und eines 1 ml Volumens eines 0,1 M Phosphatpuffers (pH = 6,0) konditioniert. Bei jeder Probe wurde abgesaugt, die Scheibe wurde jedoch nicht austrocknen gelassen.
3. Die Probe wurde eingebracht und mit dem vollen Vakuum abgezogen.
4. Die Scheibenkartusche wurde mit einem 3 ml Volumen destillierten Wassers, gefolgt von einem 1 ml Volumen einer 1,0 M Essigsäure, gewaschen. Die Scheibenkartusche wurde beim vollen Vakuum 5 min lang getrocknet, dann mit einem 2 ml Volumen Hexan gewaschen.
5. Die Eluierung der sauren und neutralen Medikamente wurde mittels eines 3 ml Volumens Hexan/Ethylacetat (50/50) bewerkstelligt; das Eluat wurde mit weniger als 5 ml/min gesammelt, dann in ein Eindampfröhrchen mit konischem Boden übertragen.
6. Die Scheibenkartusche wurde mit einem 3 ml Volumen Methanol gewaschen und 5 min lang unter vollem Vakuum getrocknet.
7. Basische Medikamente wurden mit einem 2 ml Volumen Eluierungs-Lösungsmittel (24 ml Methylenchlorid, 6 ml Isopropanol und 0,9 ml Ammoniumhydroxid; täglich frisch hergestellt) eluiert. Das Eluat wurde in dasselbe Röhrchen wie das vorherige Eluat überführt.
8. Die Eluatprobe wurde konzentriert, indem sie in einem schwachen Druckluftstrom getrocknet wurde, ohne sie zu erwärmen. Nach dem vollständigen Trocknen wurden 150 ul Chloroform zum Rückstand gegeben, und die Probe wurde gründlich gemischt.
9. Die Probe wurde analysiert, indem 1 ul der die Analyten enthaltenden Chloroformlösung in einen Chromatographen injiziert wurde.

Extraktionsverfahren -- Flüssig-flüssig-Extraktion für Urine (Spalten D und E in Tabelle 8)

1. Jedes Extraktionsrohr wurde vorbereitet, indem 2 ml Urin (versetzt mit einer geeigneten Menge des Medikamentenstandards) und 10 ul einer (oben beschriebenen) Standardlösung in TOXI-TUBES (basische und saure Extraktionen) gegeben wurden.
2. Der Inhalt eines jeden Extraktionsrohres wurde mindestens 5 min lang durch vorsichtiges Umdrehen gemischt.
3. Das Rohr wurde 5 min lang bei einer hohen Drehzahl zentrifugiert.
4. Die organische Schicht wurde in ein Eindampfröhrchen mit konischem Boden übertragen.
5. Die Probe wurde aufkonzentriert, indem die organische Schicht unter einem schwachen Druckluftstrom getrocknet wurde, ohne sie erwärmen. Nachdem der Rückstand vollständig trocken war, wurden 150 ul Chloroform zugegeben und as Röhrchen geschüttelt.
6. Die Probe wurde analysiert, indem 1 ul der die Analyten enthaltenden Chloroformlösung in einen Chromatographen injiziert wurde.

Extraktionsverfahren -- Flüssig-flüssig-Extraktion für das Serum (Spalte A in Tabelle 8)

Stammlösung A:

Ammoniumsulfat-Kristalle wurden zweimal mit Methanol gewaschen und mehrere Stunden lang bei 100ºC getrocknet. Es wurde eine übersättigte Lösung der Kristalle in destilliertem Wasser hergestellt. Dann wurden 20 ml konz. HCl mit 250 ml der übersättigten Ammoniumsulfatlösung vermischt.
1. Jedes Extraktionsrohr wurde vorbereitet, indem 0,4 ml Stammlösung A mit 10 ul des (oben beschriebenen) internen Standards zu 1 ml Serum (versetzt mit einer geeigneten Menge des Medikamentenstandards) gegeben wurden. Dann wurden 9 ml Methylenchlorid-Extraktionslösungsmittel zugegeben.
2. Das Rohr wurde 5 bis 10 min lang geschüttelt.
3. Das Rohr wurde 5 min lang bei hoher Drehzahl zentrifugiert.
4. Die Methylenchloridschicht wurde in ein Eindampfröhrchen mit konischem Boden überführt.
5. Die Probe wurde konzentriert, indem das Methylenchlorid- Extraktionslösungsmittel mit einem schwachen Druckluftstrom verdampft wurde. Nachdem der Rückstand vollständig trocken war, wurden 150 ul Chloroform zugegeben, und die Probe wurde gründlich gemischt.
6. Die Probe wurde analysiert. 1 ul der die Analyten enthaltenden Chloroformlösung wurde in einen Chromatographen injiziert. Tabelle 8 Nachweis von Medikamenten aus extrahierten Proben
(a) vergleichend
A Flüssig-flüssig-Extraktion -- herkömmliches Verfahren
B Clean Screen -- Mit Teilchen beladener Vliesstoff als Scheibe in einem Kartuschenformat
C SCX/SDB -- mit Teilchen der vorliegenden Erfindung beladener Vliesstoff; Scheibe in einer Kartusche
D Basisches Toxi-Tube -- (vergleichend), flüssig/flüssig- Extraktion
E Saures Toxi-Tube -- (vergleichend), flüssig/flüssig- Extraktion
Die Daten von Tabelle 8 zeigen, daß die mit Teilchen der vorliegenden Erfindung beladenen Membranen als Screening- Vorrichtungen zum Nachweis des Vorhandenseins von 20 gewöhnlich untersuchten Medikamenten mindestens so gut wie herkömmliche Vorrichtungen und in den meisten Fällen besser als diese waren.
Die Vorteile von Teilchen aus sulfoniertem Poly(styroldivinylbenzol) in Membranformat für ein umfassendes Medikamenten- Screening umfassen das Eliminieren der Notwendigkeit für getrennte basische und saure Flüssig/Flüssig-Extraktionen und somit von zwei Injektionen für die chromatographische Analyse. Die Membran der vorliegenden Erfindung ermöglicht chromatographische Analysen mit einer Extraktion (wobei zwei Eluierungs- Lösungsmittel verwendet und vor dem Eindampfen vereinigt werden) und einer Injektion zur chromatographischen Analyse, wodurch Zeit gespart wird.
Die Membran der vorliegenden Erfindung ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Flüssig/Flüssig-Analysen den Nachweis von mehr Medikamenten durch das Screening-Verfahren [z. B. Amphetamin, Methamphetamin, Morphin, Codein, Cocain (Serum) und Amphetamin, Methamphetamin, Ibuprofen, Phencyclidin, Phenobarbitol (Urin)].
Die Membran der vorliegenden Erfindung spart bei diesem Screening-Verfahren Zeit und Geld. Darüber hinaus ergibt sich durch die Verwendung von Materialien der vorliegenden Erfindung das Potential zur Automatisierung.

Claims

1. Verfahren zur Isolierung wenigstens eines nichtionischen, neutralen Analyten aus einem Fluid durch Feststoffextraktion, umfassend den Schritt des Durchleitens eines den Analyten enthaltenden Fluids durch wenigstens ein Feststoff-Extraktionsmedium, umfassend:

a) eine faserartige Matrix und

b) in der Matrix eingeschlossene, sorbierende Teilchen, umfassend:

(1) im Bereich von mehr als 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, funktionalisierte Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen; umfassend wenigstens eine ionische funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Sulfonatgruppe, der Carboxylatgruppe, quaternären Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3;, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und aminierten Gruppen N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und C&sub1;- bis C&sub4;-Alkanolgruppen ausgewählt ist, die kovalent daran gebunden sind, wobei die funktionalisierten Teilchen gegenüber dem nichtionischen, neutralen Analyten eine sorbierende Funktion aufweisen, die ionische funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2, 5 Milliäquivalenten pro Gramm Poly- (styroldivinylbenzol) vorhanden ist und

(2) im Bereich von 0 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete Teilchen oder poröse, organische Polymertelichen,

wobei das Verhältnis der sorbierenden Teilchen zu der faserartigen Matrix im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, bezogen auf das Gewicht, liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die funktionelle Gruppe der Teilchen eine Sulfonatgruppe ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die funktionelle Gruppe der Teilchen eine Carboxylatgruppe ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die funktionelle Gruppe der Teilchen wenigstens eine quaternäre Ammoniumgruppe N&spplus;(R)&sub3; ist, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und einer aminierten Gruppe N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und Alkanolgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Analyt aus der aus Phenolen, Alkoholen, Ketonen, Ethern und Estern bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Analyt aus der aus explosiven Rückständen, Pestiziden und Medikamenten bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die faserartige Matrix eine poröse faserartige Matrix ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die faserartige Matrix aus der aus Polytetrafluorethylen, Polyolefinen, Polyaramiden, Polyamiden, Polyurethanen, Celluloseerzeugnissen und Gläsern bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

9. Verwendung eines Mediums, umfassend:

a) eine faserartige Matrix und

b) in der Matrix eingeschlossene, sorbierende Teilchen, umfassend:

(1) im Bereich von mehr als 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, funktionalisierte Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen, umfassend wenigstens eine ionische funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Sulfonatgruppe, der Carboxylatgruppe, quaternären Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3;, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und aminierten Gruppen N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und C&sub1;- bis C&sub4;-Alkanolgruppen ausgewählt ist, die kovalent daran gebunden sind, wobei die funktionalisierten Teilchen gegenüber dem nichtionischen, neutralen Analyten eine sorbierende Funktion aufweisen, die ionische funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2, 5 Milliäquivalenten pro Gramm Poly- (styroldivinylbenzol) vorhanden ist und

(2) im Bereich von 0 bis weniger als 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete Teilchen oder poröse, organische Polymerteilchen,

wobei das Verhältnis der sorbierenden Teilchen zu der faserartigen Matrix im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, bezogen auf das Gewicht, liegt,

als Feststoff-Extraktionsmedium zur Isolierung wenigstens eines nichtionischen, neutralen Analyten aus einem Fluid.

10. Selbstbenetzbares Feststoff-Extraktionsmedium, umfassend:

a) eine faserartige Matrix und

b) in der Matrix eingeschlossene, sorbierende Teilchen, umfassend:

(1) im Bereich von mehr als 20 bis 100 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, funktionalisierte Poly(styroldivinylbenzol)-Teilchen, umfassend wenigstens eine ionische funktionelle Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Sulfonatgruppe, der Carboxylatgruppe, quaternären Ammoniumgruppen N&spplus;(R)&sub3;, wobei jeder R unabhängig aus C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und aminierten Gruppen N(R¹)&sub2; ausgewählt ist, wobei jeder R¹ unabhängig aus der aus Wasserstoff, C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylgruppen und C&sub1;- bis C&sub4;-Alkanolgruppen ausgewählt ist, die kovalent daran gebunden sind, wobei die funktionalisierten Teilchen gegenüber dem nichtionischen, neutralen Analyten eine sorbierende Funktion aufweisen, die ionische funktionelle Gruppe in einem Konzentrationsbereich von 0,1 bis 2,5 Milliäquivalenten pro Gramm Poly- (styroldivinylbenzol) vorhanden ist und

(2) im Bereich von 0 bis weniger als 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtheit der Teilchen, poröse, mit organischen Stoffen beschichtete oder unbeschichtete und poröse, organische, polymere Teilchen,

wobei das Verhältnis der sorbierenden Teilchen zu der faserartigen Matrix im Bereich von 40 : 1 bis 1 : 4, bezogen auf das Gewicht, liegt, wobei das Medium eine optimale Benetzbarkeit in dem aufgeführten Konzentrationsbereich aufweist.