Chromatograficzne oznaczanie zawartości kofeiny w herbacie

W ostatnim czasie trochę nie bardzo miałem czas na wpisy na blogu, zwłaszcza że te dopiero przygotowywane są dłuższe i wymagają większej pracy, dlatego aby nie zaniedbać tego miejsca całkowicie, przedstawię coś wygrzebanego z archiwum notatek.

Kofeina jest naturalnym alkaloidem zawierającym azot, o właściwościach lekko zasadowych, wstępującym w wielu roślinach, głównie w krzewie kawowym i krzewie herbacianym. Napoje otrzymywane z tych roślin nie miały by dla nas wielkiej wartości gdyby nie ów związek, a to z powodu pobudzających właściwości. Kofeina zmniejsza poczucie zmęczenia, rozszerza naczynia krwionośne, pobudza wydzielanie soków żołądkowych i moczu, zwiększa wydzielanie neuroprzekaźników dając krótkotrwały efekt "jasności umysłu"; niestety jak wszystkie substancje wpływające na percepcję prowadzi do fizycznego uzależnienia, choć lekkiego. Dlatego też ludzkość spożywa ją tonami.

W ćwiczeniu jakie wykonywaliśmy na zajęciach chodziło wprawdzie o oznaczenie ilości kofeiny w herbacie, ale główną sprawą na jaką zwracano naszą uwagę, był sposób przygotowania próbki - konkretnie zaś technika SPE.

W procesie analitycznym samo badanie i interpretacja wyników stanowią dosyć krótki etap, natomiast przygotowanie próbki tak, aby można było ją zbadać niejednokrotnie okazuje się najbardziej czasochłonną częścią. W dodatku musi być to etap wykonany dokładnie, bo choćby sprzęt pomiarowy był supernowoczesny, to wynik oparty o badanie złej próbki nadaje się tylko do kosza. Dlatego też sposoby przygotowania próbek to dziedzina równie szeroka i dynamiczna jak metody analityczne. Jednym z tych sposobów jest ekstrakcja do fazy stałej czyli właśnie SPE.
W pewnym stopniu można zaliczać SPE do chromatografii, gdyż i tutaj i tu używa się kolumny wypełnionej adsorbentem, różnica jest jednak taka iż w chromatografii stosujemy ciągły przepływ rozpuszczalnika, chcąc uzyskać ruch w kolumnie, z różnymi prędkościami, składników analitu; natomiast w SPE chodzi o to, aby to co zostanie wchłonięte, pozostawało na adsorbencie tak długo jak to nam będzie potrzebne. Właściwie jest to technika mająca pomóc oddzielić to co nas interesuje od tego co nam przeszkadza, a często też mogąca zagęścić składnik występujący w śladowych ilościach.

Na przykład mamy do czynienia ze ściekami, w których chcemy oznaczyć benzen. Ścieki zawierają całe mnóstwo składników o różnorodnych właściwościach, przez co niektóre czułe detektory mogą zostać całkiem zdezorientowane, należy zatem oddzielić to co niepotrzebne, a więc sole, białka, aminokwasy, kwasy organiczne, alkohole i cokolwiek innego, od frakcji właściwej, zawierającej niepolarne rozpuszczalniki organiczne. Przepuśćmy więc nasz roztwór przez jakiś niepolarny adsorbent, który będzie takie rozpuszczalniki dobrze pochłaniał. Niepolarne substancje zostaną pochłonięte, zaś polarne będzie można wypłukać czystą wodą. Teraz przepłuczmy nasz absorbent czymś, co może wypłukać niepolarne substancje, na przykład heksanem, a otrzymamy roztwór zdecydowanie prostszy w analizie, bo zawierający wyodrębnione ze ścieków same tylko substancje niepolarne, w tym nasz benzen. Jeśli w dodatku przedtem występował w próbce w niewielkich ilościach, to po wymyciu z adsorbenta niewielką ilością rozpuszczalnika zdecydowanie się zatęży. Odwrotnym przypadkiem jest przepuszczanie próbki przez adsorbent, na którym zatrzymają się przeszkadzające zanieczyszczenia.
I to jest w zasadzie cała istota techniki.

Przemywania dokonuje się zazwyczaj w krótkich, szerokich kolumienkach, przypominających strzykawki, często przepływ przyśpiesza się podłączając wylot kolumienki pod niższe ciśnienie

W techniczne szczegóły nie będę się tu na razie wdawał, czas bowiem przejść do opisu ćwiczenia.

Na początek wzięliśmy kilka torebek herbaty ekspresowej (chyba "Minutki") i po rozerwaniu odmierzyliśmy dokładnie 0,85 g, po czym wsypaliśmy do kolby. Zaraz potem wsypaliśmy tam 2 g tlenku magnezu:

I dolaliśmy gorącej wody. Wyciąg należało zaparzać przez kwadrans. Po co tlenek magnezu? Zmieszany z wodą częściowo reagował dając wodorotlenek, i nadając roztworowi łagodnie zasadowy odczyn. W normalnej sytuacji kofeina tworzy z garbnikami herbacianymi mało rozpuszczalne połączenia, więcej jest ich w herbacie zielonej stąd też może mieć ona słabsze działanie pobudzające niż czarna. Zasadowe środowisko powoduje rozpad tych połączeń i większy stopień ekstrahowania z fusów. Ponadto w takich warunkach kofeina nie przechodzi  formę jonową, co ma znaczenie dla dalszego przebiegu ćwiczenia. Gdy nasza herbatka była już gotowa, należało ją przesączyć, oddzielając fusy i tlenek magnezu.
użyta kolumienka zawierała jako adsorbent żel krzemionkowy C-18, to jest z przyłączonymi do powierzchni osiemnastowęglowymi łańcuchami węglowodorowymi. Takie wypełnienie jest zatem bardzo niepolarne. Kofeina w formie niejonowej jest bardzo słabo polarna, mimo całkiem sporego momentu dipolowego, dlatego jest pochłaniana. Zanim jednak przepuściliśmy przez kolumienkę nasz roztwór, przepłukaliśmy ją metanolem, aby dotychczas suchy adsorbent był gotowy do pracy, zaś łańcuchy C-18 mogły się rozprostować.

Nabralliśmy 2 ml naparu i przepuściliśmy przez kolumienkę, której wypełnienie zabarwiło się na brązowo:

Gdy już wszystko zostało wchłonięte, przepłukaliśmy kolumienkę metanolem z wodą amoniakalną, aby wypłukać to co nie potrzebne, a na sam koniec wysuszyliśmy złoże, to jest, pozwoliliśmy aby podciśnienie zassało przezeń powietrze.
Tak więc potrzebną frakcję substancji niepolarnych - w tym kofeiny - mieliśmy już wchłoniętą. I czym ją teraz wypłukać? Moglibyśmy użyć rozpuszczalnika organicznego, ale ten wypłukałby nam wszystko co tam jest, a już po brązowym kolorze wypełnienia można było poznać, że oprócz kofeiny jest tam wiele innych związków. Przypomnę teraz że kofeina,, jak wszystkie alkaloidy, zawiera azot o właściwościach zasadowych - a więc mogący przyjmować proton. Po przyjęciu protonu alkaloid przechodzi w formę jonową z ładunkiem dodatnim. A taka forma jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo adsorbowania na podłożach niepolarnych.
Zatem przepłukaliśmy naszą kolumienkę mieszaniną wody, metanolu i kwasu octowego, uzyskując żółtawy roztwór, zawierający kofeinę i niezbyt dużą ilość przeszkadzających zanieczyszczeń. Najwyraźniej niektóre garbniki mają na tyle zbliżone właściwości aby przechodzić przez kolejne etapy w podobny sposób.

Dalsza analiza została przeprowadzona za pomocą chromatografii cieczowej - szerzej opisuję ją w tym wpisie . Najpierw na kolumnę nastrzyknięto próbkę wzorca kofeiny, o stężeniu 0,05 µg/ml, otrzymując chromatogram z pikiem o czasie retencji 14,293 minuty. Potem wstrzyknęliśmy próbkę z przygotowanego przez nas roztworu, uzyskując podobny pik o tym samym czasie retencji, muszący być analizowanym związkiem. Pola pod pikami wynosiły 1 224 259 jednostek względnych dla wzorca i 731 882 dla próbki analizowanej. Detektor fotometryczny mierzył absorpcję w ultrafiolecie dla fali 272 nm.
Znając masę próbki, stężenia wzorców i wiedząc jaki procent pierwotnej próbki stanowiła ta ostateczna, można było wyliczyć zawartość kofeiny w herbacie na 5% suchej masy, co stanowi dość dużą wartość (źródła podają zwykle, że dla herbaty zawartość nie przekracza 4,5%), choć oczywiście w normalnym przypadka nie cała ilość przechodzi do naparu.
Nie taka zła ta herbata