DOI: https://doi.org/10.1186/s43094-024-00658-6
تاريخ النشر: 2024-07-08
المؤلف: Meshwa Mehta وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية والكروماتوغرافيا
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التحديات التي تطرحها طرق الكيمياء التحليلية التقليدية، مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) والكروماتوغرافيا الغازية (GC)، التي تعتمد بشكل كبير على المذيبات العضوية وتساهم في تلوث البيئة. استجابةً لذلك، يتجه المجال نحو ممارسات الكيمياء التحليلية الخضراء (GAC) التي تستخدم مذيبات صديقة للبيئة مثل الإيثانول والماء، وتقلل من استخدام المذيبات من خلال تقنيات تحضير العينات المبتكرة، وتتبنى طرقًا أكثر كفاءة مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء للغاية (UHPLC). تهدف هذه الانتقال إلى تقليل استهلاك الطاقة وتوليد النفايات مع الحفاظ على الأداء التحليلي.
تؤكد المراجعة على أهمية دمج الممارسات المستدامة في سير العمل التحليلي، مع تسليط الضوء على تقنيات خضراء متنوعة، بما في ذلك الاستخراج من الطور الصلب (SPE) وطرق الكروماتوغرافيا البديلة مثل الكروماتوغرافيا الرقيقة عالية الأداء (HPTLC) والكروماتوغرافيا الرقيقة (TLC). تدعو إلى استخدام أدوات تقييم خضراء لتقييم الأثر البيئي للطرق التحليلية، مع التركيز على استخدام المذيبات، واستهلاك الطاقة، وإنتاج النفايات. من خلال تعزيز اعتماد منهجيات أكثر خضرة، تهدف المراجعة إلى إلهام الابتكار في الكيمياء التحليلية، وتشجيع تطوير مذيبات وتقنيات خضراء جديدة، والمساهمة في جدول الأعمال العالمي للاستدامة، مما يعزز في النهاية نهجًا أكثر وعيًا بالبيئة داخل المجتمع العلمي.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الأهمية المتزايدة للكيمياء الخضراء في الممارسات المخبرية، مع تسليط الضوء على التحول العالمي نحو عمليات كيميائية أكثر استدامة وكفاءة في استخدام الطاقة. تهدف الكيمياء الخضراء، كما عرّفها أنستاس، إلى تقليل أو القضاء على إنتاج المواد الضارة في العمليات الكيميائية. لقد تطور هذا المفهوم، خاصة في الكيمياء التحليلية، حيث تم وضع مبادئ الكيمياء التحليلية الخضراء (GAC) لتعزيز استدامة الطرق التحليلية.
تحدد الورقة المبادئ التوجيهية الاثني عشر لـ GAC، والتي تعمل كإطار لتحسين الإجراءات التحليلية، خاصة في تحضير العينات. تؤكد على الحاجة إلى الحد الأدنى أو عدم وجود تحضير للعينات لتقليل النفايات، مع الاعتراف أيضًا بأن العديد من المواد التحليلية تتطلب استخراج المصفوفة. يدعو المؤلفون إلى تحسين تقنيات تحضير العينات لتقليل استهلاك الطاقة، واستخدام المذيبات، وتوليد النفايات. علاوة على ذلك، تتناول المقدمة الأثر البيئي للطرق الكروماتوغرافية التقليدية، التي تعتمد غالبًا على المذيبات العضوية الضارة، وتؤكد على مسؤولية العلماء التحليليين في التخفيف من هذه الآثار. تهدف المراجعة إلى تقديم رؤى حول الممارسات المستدامة في الكيمياء التحليلية، مع التركيز على استخدام المذيبات الخضراء وتطبيق مبادئ GAC في تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك HPLC وUHPLC وطيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية.
طرق
تناقش هذه القسم طرق كروماتوغرافية وطيفية مباشرة متنوعة تتماشى مع مبادئ الكيمياء التحليلية الخضراء، مع التأكيد على تقليل النفايات واستخدام المذيبات. تتيح تقنيات الكروماتوغرافيا المباشرة، مثل الكروماتوغرافيا الغازية (GC) والكروماتوغرافيا السائلة (LC)، تحليل العينات السائلة والصلبة دون تحضير عينة مكثف، وهو أمر حاسم لتقليل الرواسب وتعزيز الكفاءة. تشمل التطورات الملحوظة تطوير طرق حقن على العمود للكشف عن المركبات الهالوجينية في الماء، بالإضافة إلى استخدام أعمدة مسبقة غير نشطة لحماية الأعمدة التحليلية من التلوث بواسطة الأملاح والجزيئات. ومع ذلك، تقتصر هذه الطرق على مصفوفات عينات نقية نسبيًا، مما يتطلب خطوات تحضيرية بسيطة مثل الترشيح أو التخفيف للحصول على عينات أنظف.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تسليط الضوء على منهجية استخراج QuEChERS كطريقة استخراج خضراء سريعة وفعالة تقلل من استخدام المذيبات العضوية. تتضمن هذه الطريقة استخراج المذيبات وتنظيف العينات، باستخدام كبريتات المغنيسيوم اللامائية وكلوريد الصوديوم لتعزيز النقاء. كما تتناول القسم طرق طيفية صديقة للبيئة تم تطويرها للتquantification المتزامن للأدوية، باستخدام مذيبات خضراء مثل محلول الفوسفات وكربونات البروبلين. تظهر هذه الطرق دقة عالية، مع معدلات استرداد قريبة من 100% وحدود كشف (LOD) وحدود تقدير (LOQ) مواتية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية اعتماد ممارسات مستدامة في الكيمياء التحليلية لتقليل الأثر البيئي مع الحفاظ على الأداء التحليلي.
نقاش
تستعرض قسم النقاش في ورقة البحث تقنيات تحضير العينات المختلفة التي تتماشى مع مبادئ الكيمياء التحليلية الخضراء، مع التأكيد على فوائدها البيئية والعيوب المحتملة. يتم تسليط الضوء على استخراج الطور الصلب (SPE) لاستخدامه القليل من المذيبات وإنتاج النفايات، على الرغم من أن مشكلات مثل عدم تجانس مادة التعبئة والانتقائية المنخفضة للجزيئات القطبية تتطلب تحسينًا دقيقًا. يوفر استخراج الطور الصلب الدقيق (SPME) نهجًا خاليًا من المذيبات، مما يعزز كفاءة تحضير العينات، ومع ذلك، يواجه تحديات مثل هشاشة الألياف وتأثيرات المصفوفة. يتم أيضًا مناقشة استخراج السائل-السائل الموزع (DLLME) واستخراج السائل المضغوط (PFE) واستخراج المساعد بالميكروويف (MAE) التي تستفيد من درجات الحرارة والضغوط العالية لتحسين سرعة الاستخراج وتقليل استهلاك المذيبات.
تستكشف القسم أيضًا استخدام المذيبات العضوية الأكثر خضرة في الكيمياء التحليلية، داعيةً إلى بدائل للمذيبات التقليدية بسبب سمّيتها وأثرها البيئي. يتم تقديم المذيبات الطبيعية العميقة (NADESs) والمذيبات المستندة إلى البيولوجيا كخيارات صديقة للبيئة، بينما يتم التأكيد على أهمية أدلة اختيار المذيبات (SSGs) لاختيار المذيبات المستدامة. تظهر التطبيقات الحديثة للتكنولوجيا الخضراء في الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) التكامل الناجح للمذيبات الصديقة للبيئة، مما يحقق كفاءة عالية وإعادة إنتاجية في تحليلات متنوعة. بشكل عام، يؤكد النقاش على أهمية اعتماد منهجيات خضراء في الممارسات التحليلية لتقليل الأثر البيئي مع الحفاظ على الأداء التحليلي.
DOI: https://doi.org/10.1186/s43094-024-00658-6
Publication Date: 2024-07-08
Author(s): Meshwa Mehta et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Chromatography
Overview
The section provides an overview of the challenges posed by traditional analytical chemistry methods, such as high-performance liquid chromatography (HPLC) and gas chromatography (GC), which rely heavily on organic solvents and contribute to environmental pollution. In response, the field is shifting towards Green Analytical Chemistry (GAC) practices that utilize eco-friendly solvents like ethanol and water, minimize solvent use through innovative sample preparation techniques, and adopt more efficient methods such as ultra-high-performance liquid chromatography (UHPLC). This transition aims to reduce energy consumption and waste generation while maintaining analytical performance.
The review emphasizes the importance of integrating sustainable practices in analytical workflows, highlighting various green techniques, including Solid Phase Extraction (SPE) and alternative chromatographic methods like High-Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) and Thin Layer Chromatography (TLC). It advocates for the use of green evaluation tools to assess the environmental impact of analytical methods, focusing on solvent usage, energy consumption, and waste production. By promoting the adoption of greener methodologies, the review aims to inspire innovation in analytical chemistry, encourage the development of new green solvents and techniques, and contribute to the global sustainability agenda, ultimately fostering a more environmentally conscious approach within the scientific community.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the growing importance of green chemistry in laboratory practices, highlighting the global shift towards more sustainable and energy-efficient chemical processes. Green chemistry, as defined by Anastas, aims to minimize or eliminate the production of hazardous substances in chemical processes. The concept has evolved, particularly in analytical chemistry, where the principles of Green Analytical Chemistry (GAC) have been established to enhance the sustainability of analytical methods.
The paper outlines the twelve guiding principles of GAC, which serve as a framework for improving analytical procedures, particularly in sample preparation. It stresses the need for minimal or no sample preparation to reduce waste, while also acknowledging that many analytes necessitate matrix extraction. The authors advocate for optimizing sample preparation techniques to decrease energy consumption, solvent usage, and waste generation. Furthermore, the introduction addresses the environmental impact of traditional chromatographic methods, which often rely on harmful organic solvents, and underscores the responsibility of analytical scientists to mitigate these effects. The review aims to provide insights into sustainable practices in analytical chemistry, focusing on the use of green solvents and the application of GAC principles in various analytical techniques, including HPLC, UHPLC, and UV-Visible spectroscopy.
Methods
The section discusses various direct chromatographic and spectroscopic methods that align with the principles of green analytical chemistry, emphasizing the reduction of waste and solvent use. Direct chromatographic techniques, such as gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC), allow for the analysis of liquid and solid samples without extensive sample preparation, which is crucial to minimize residues and enhance efficiency. Notable advancements include the development of on-column injection methods for detecting halogenated compounds in water, as well as the use of deactivated pre-columns to protect analytical columns from contamination by salts and particulates. However, these methods are limited to relatively pure sample matrices, necessitating simple preparatory steps like filtration or dilution for cleaner samples.
Additionally, the QuEChERS extraction methodology is highlighted as a rapid and efficient green extraction technique that minimizes the use of organic solvents. This method involves solvent extraction and sample clean-up, utilizing anhydrous magnesium sulfate and sodium chloride to enhance purity. The section also details various eco-friendly spectrophotometric methods developed for the simultaneous quantification of pharmaceuticals, employing green solvents such as phosphate buffer and propylene carbonate. These methods demonstrate high accuracy, with recovery rates close to 100% and favorable limits of detection (LOD) and quantification (LOQ). Overall, the research underscores the importance of adopting sustainable practices in analytical chemistry to reduce environmental impact while maintaining analytical performance.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines various sample preparation techniques that align with green analytical chemistry principles, emphasizing their environmental benefits and potential drawbacks. Solid Phase Extraction (SPE) is highlighted for its minimal solvent usage and waste production, although issues such as uneven packing material and low selectivity for polar molecules necessitate careful optimization. Solid Phase Microextraction (SPME) offers a solvent-free approach, enhancing sample preparation efficiency, yet it faces challenges like fiber brittleness and matrix effects. Stir-Bar Sorptive Extraction (SBSE) and Dispersive Liquid-Liquid Microextraction (DLLME) are also discussed, showcasing their solvent-free nature and high efficiency, while Pressurized Fluid Extraction (PFE) and Microwave-Assisted Extraction (MAE) leverage high temperatures and pressures to improve extraction speed and reduce solvent consumption.
The section further explores the use of greener organic solvents in analytical chemistry, advocating for alternatives to traditional solvents due to their toxicity and environmental impact. Natural Deep Eutectic Solvents (NADESs) and bio-based solvents are presented as eco-friendly options, while the importance of solvent selection guides (SSGs) is emphasized for choosing sustainable solvents. Recent applications of green technology in high-performance liquid chromatography (HPLC) demonstrate the successful integration of environmentally friendly solvents, achieving high efficiency and reproducibility in various analyses. Overall, the discussion underscores the significance of adopting green methodologies in analytical practices to minimize environmental impact while maintaining analytical performance.