Analitikai kémiai módszerek és alkalmazásuk a faanyagkémiában

Analitikai kémiai módszerek és alkalmazásuk a faanyagkémiában - Kromatográfiás módszerek - Spektroszkópiai módszerek - Termikus módszerek

- Minőségi és mennyiségi analitikai módszerek

Analitikai kémiai módszerek és alkalmazásuk a faanyagkémiában - Kromatográfiás módszerek Cél: komponensek elválasztása az ún. álló- és mozgófázisok közötti eltérő megoszlási tulajdonságaik alapján. Mennyiségi és minőségi kiértékelés. Előzmények 1906: M. Cvet (1872-1919), orosz botanikus - levél színanyagainak elválasztása CaCO3 állófázison. Kromatográfia. (Adszorpciós oszlop kromatográfia) 1938-ig: Mikro-kromatográfia: Kísérletek az oszlopátmérő lecsökkentésére (1mm-ig). Probléma: oszlop előállítása (töltése), nagyon kis anyagmennyiség vizsgálata. 1937: vékonyréteg kromatográfia elve. A zárt (oszlop) helyett nyitott (vékonyrétegű) állófázis alkalmazása. (Ismailov és Shraiber) 1944: Consden, Gordon, Martin: Aminosavak elválasztása szűrőpapír vékonyrétegen (papírkromatográfia). Megoszlásos kromatográfia. Nagy népszerűség. Hátrányai: állófázis poláros, összetétele nem állandó. Csak egyes anyagcsoportok elválasztása. Nehezen reprodukálható elválasztás, kis felbontású. Nem standardizálható.

Analitikai kémiai módszerek és alkalmazásuk a faanyagkémiában 1958: Vékonyréteg kromatográfia. Előnyei: - Könnyen standardizálható (réteg vastagsága, szemcsemérete, előállítás, kifejlesztő kamra, stb.) - Segédeszközök alkalmazása (mintafelvitelhez, kiértékeléshez, stb..) - Sokoldalúan használható pontosan ismert összetételű szorbensek (állófázis) kifejlesztése (Al2O3, szilikagél (SiO2) , módosított szilikagél, stb.). - Alkalmazási területek kiterjesztése 1962: E. Stahl: A modern vékonyréteg kromatográfia (megoszlásos kromatográfia) alapjai. Megoszlásos kromatográfia: Az elválasztandó komponensek megoszlanak az ún. „mozgófázis” és „állófázisok” között. Nernst-féle megoszlási törvény:

KA – A komponens megoszlási hányadosa CSA – A komponens egyensúlyi koncentrációja az állófázisban CMA – A komponens egyensúly koncentrációja a mozgófázisban KA – A komponens megoszlási hányadosa (Nernst-állandója)

Kromatográfiás módszerek

Mozgófázis áramlása

Szelektivitás

Kromatográfiás módszerek -Csoportosítás a kromatográfiás állófázis alakja szerint: - Rétegkromatográfia: Kétdimenziós elválasztás 1. Vékonyréteg kromatográfia (állófázis: vékonyréteg (0.2 mm vastag réteglap), mozgófázis: folyadék. Nem illékony vegyületek elválasztása) 2. Papírkromatográfia (állófázis: cellulóz, mozgófázis: folyadék. Nem illékony vegyületek elválasztása. elavult..) - Oszlopkromatográfia Egydimenziós elválasztás 1. Folyadékkromatográfia. (állófázis: töltött oszlop, mozgófázis: folyadék. Nem illékony vegyületek elválasztása.) 2. Gázkromatográfia. (állófázis: töltött oszlop, mozgófázis: gáz. Illékony vegyületek elválasztása.)

Vékonyréteg kromatográfia

A vékonyréteg kromatográfiás analízis paraméterei: - Állófázis - Mintafelvitel - Kifejlesztés - Megjelenítés - Minőségi azonosítás - Mennyiségi kiértékelés

Vékonyréteg kromatográfia Állófázis Anyaga: 1. szilikagél (SiO2). Olcsó, hatékony, könnyen előállítható. 10-ből 9 rétegkromatográfiás elválasztás szilikagél állófázison történik. Szemcseméret: 5-15 µm (HPLC töltet: 1.5-5 µm). 2. módosított szilikagél (CN, NH2, C18, C8). Nem olcsó. Speciális alkalmazásokhoz. Vastagsága: 0.1 - 0.2 mm Hordozó: Alumíniumlemez vagy üveglap. Elméleti Elméleti tányérszám tányérmagasság VRK 2000 12 µm HPLC 15000 0.1-0.2 µm A HPLC és a VRK maximális elválasztóképessége 10 cm-es elválasztási távolságon. Hátrány: alacsony felbontás és elméleti tányérszám. Csak kis számú komponens választható el megfelelő elbontással.

Vékonyréteg kromatográfia Mintafelvitel Módja: pontszerű vagy sávszerű mintafelvitel. Mennyisége: feladatnak megfelelően megválasztható (2 pg – 1 mg).

Pont- és sávszerű mintafelvitel

Kifejlesztés után

Előny: - Nincs szükség a minta koncentrálására, ha nem elég tömény. - Egy réteglapra akár 20 minta is felvihető. Egyszerre több minta meghatározható. Kisebb időigény. - Mintafelvitel hossza a feladatnak megfelelően meghatározható (akár 15 cm is lehet)

☺

Vékonyréteg kromatográfia Mintafelvitel

pont

sáv

A sávszerű mintafelvitel javítja az elválasztás hatékonyságát. Főleg nagy mintamennyiségek esetén előnyös.

☺

Vékonyréteg kromatográfia Mintafelvitel

CAMAG Linomat 5 mintafelviviő

Vékonyréteg kromatográfia Kifejlesztés - Dinamikus fázisérintkeztetés. A mozgófázis áramlása a kapilláris erők következtében történik. A fázisérintkeztetés nem-egyensúlyi! - Horizontális és felszálló kifejlesztés. - A gőztér jelenléte befolyásolja az elválasztás hatékonyságát. Felszálló kifejlesztés

Horizontális kifejlesztés 1. Mozgófázis párolgása a kamra gőzterébe. 2. Lepárolgás a rétegről 3. Mozgófázis gőzinek adszorpciója a rétegre. 4. Mozgófázis megoszlása az állófázison (α, β, γ frontok)

Állófázis

Mozgófázis

- A mozgófázis áramlása időben nem egyenletes (lassul). - A gőztér jelenléte befolyásolja az elválasztást. - A mozgófázis ha több komponensű önmaga is megoszlik az állófázison - Nehezen leírható.

Vékonyréteg kromatográfia Megjelenítés A vizsgált komponensek láthatók (pl. festékelegy). A legtöbb komponens azonban nem színes. Ezek megjelenítésére a szilikagél állófázis néhány százalékban tartalmaz ZnSiO3-t (cink-szilikát), amely 254 nm-es UV fénnyel megvilágítva fluoreszkál. A komponensek elfedik a réteget és sötét foltként láthatók. Több vegyület 366 nm-es UV fénnyel megvilágítva önmaga is fluoreszkál. 1

2

3

4

Látható fény

5

UV (254 nm)

UV (366 nm)

Stephania kivonat elválasztása szilikagél állófázison. Megjelenítés különböző hullámhosszakon.

Vékonyréteg kromatográfia Megjelenítés Az esetek többségében azonban a vizsgált komponensek nem láthatók (nem színesek) illetve nem különíthetők el azonnal a többi anyagtól (mátrixtól).

???

Szelektív megjelenítés származékképzéssel: A kifejlesztett réteg lefújása vagy bemerítése olyan anyaggal amely csak a vizsgálni kívánt komponensekkel képez lehetőleg színes vagy fluoreszkáló terméket.

Vékonyréteg kromatográfia Megjelenítés Szelektív megjelenítés származékképzéssel (előhívással) Előny: - Szelektív megjelenítés, csak a vizsgált vegyületcsoportra. - A mátrix, ill. nem vizsgált komponensek láthatatlanok maradnak. Nem szükséges a minta előkészítés során a mintát megtisztítani a mátrixés egyéb zavaró komponensektől. - Nem jelent gondot az állófázis „elszennyezése”.

☺

Azofestékek bomlása során keletkező karcinogén aminok kimutatása festett bőranyagból. Előhívás: N-(1-naftil-)-etiléndiammónium-dikloriddal.

Vékonyréteg kromatográfia Megjelenítés Szelektív megjelenítés származékképzéssel Előny: Többszöri előhívás, illetve többszöri kiértékelés lehetősége.

Astragalus és Hedysarum fajok vizsgálata

☺

Astragalus és Hedysarum fajok vizsgálata A – előhívás nélkül, 254 nm B – előhívás nélkül, 366 nm C – előhívás metanolos kénsavval, látható fény D – előhívás metanolos kénsavval majd 366 nm 1 – asztragalozid IV (szaponin típusú vegyület) 2-6 – Astragalus fajok 7- Hedysarum kivonat

8 – Astragalus minta. Teljes gyökér. 9 – asztragalozid IV 10 – Astragalus gyökér, 2 éves 11 – Astragalus gyökér, 4 éves 12 – Astragalus gyökér, 6 éves 13 – Astragalus gyökér 14 – Astragalus gyökér, föld alatti szár 15 – Astragalus gyökér szelet (kinai) 16 – asztragalozid IV

Vékonyréteg kromatográfia Minőségi azonosítás - Retenciós faktor (Rf) ÉS - szín vagy egyéb optikai információ összevetése (pl. fluoreszcencia, reflexiós spektrum, stb.) alapján.

front

a

b

start

A retenciós faktor értékének kiszámítása adott kromatográfiás sávra

Vékonyréteg kromatográfia Minőségi azonosítás - Kétdimenziós kifejlesztés lehetősége: egy minta kifejlesztése egy réteglapon két különböző mozgófázissal. Réteglap elfordítása, majd kifejlesztés a 2. mozgófázissal

☺

mintafelvitel

kifejlesztés 1.

kifejlesztés 2.

Vékonyréteg kromatográfia Mennyiségi elemzés - Mennyiségi információ: a foltok mérete és optikai sűrűsége (színintenzitás) alapján. - Denzitometria: a kromatográfiás foltok optikai sűrűségének mérése 1. Pásztázó denzitometria (diffúz-reflexiós spektrofotometria). 2. Videodenzitometria (digitális képalkotás a rétegről).

Vékonyréteg kromatográfia Pásztázó denzitometria - Pásztázás optikai réssel, a diffúz módon visszavert fénymennyiség mérése.

s1

m1

s2

m1

s3

m1

s4

m1

s5 denzitogram

m1 – minta s1-s5 – standard

Vékonyréteg kromatográfia Pásztázó denzitometria - Kalibrációs egyenes felvétele adott komponensre. Ismeretlen mintából az adott komponens mennyiségének meghatározása. - Kalibráció csúcsterület vagy csúcsmagasság alapján.

csúcsterület

s5

a

s4 s3 s2 s1

anyagmennyiség (ng) s1

m1

s2

m1

s3

m1

s4

m1

s5

Kalibrációs egyenes a komponensre

A komponens elválasztása m1 mintából és mennyiségének meghatározása ötpontos kalibráció segítségével.

Vékonyréteg kromatográfia Pásztázó denzitométer felépítése

Denzitométer

Denzitogram kiértékelése Pásztázó denzitométer felépítése

Vékonyréteg kromatográfia Vékonyréteg kromatográfia alkalmazása - (+)-katechin meghatározása kocsányos tölgy kérgéből Külső kéreg (KK) KK BK

KK BK

KK BK

Belső kéreg (BK) C EC

Szíjács A kocsányos tölgy kérge

Katechinek elválasztása tölgy kéregből. Állófázis: szilikagél, mozgófázis 9:1 diizopropil-éter.hangyasav. Előhívás vanillin-H3PO4 reagenssel.

C: (+)-katechin

EC: (-)-epikatechin

Kalibrációs görbe (+)-katechinre

Vékonyréteg kromatográfia Denzitometria - Egy réteglap többször is kiértékelhető (pl. több hullámhosszon vagy más megvilágítás mellett. - Külön kiértékelési lehetőség előhívás előtt és után.

☺

- UV-VIS reflexiós spektrum felvételének lehetősége a pásztázó denzitométerrel.

Vékonyréteg kromatográfia Túlnyomásos rétegkromatográfia (OPLC) Hagyományos VRK hátrányai: alacsony elméleti tényérszám, gőzfázis okozta reprodukálhatósági problémák; rövid kifejlesztési táv (6-10 cm); időben változó és nem optimális áramlási sebesség; lassú elválasztás (20 perc/ 6 cm)

Az OPLC előnyei: - Zárt állófázison történik a szétválasztás. Nincs gőztér. - A mozgófázis (a HPLC-hez hasonlóan) kényszeráramlással mozog. - Állandó és optimális áramlási sebesség. - Nagy kifejlesztési távolság (akár 20 cm). - Gyors elválasztás. (10 perc/20 cm) - Alacsony oldószerigény

☺

Az OPLC hátrányai: - Speciálisan előkészített réteglapot igényel, ami drágább.

Vékonyréteg kromatográfia

20 cm

Mozgófázis frontja (mm)

Túlnyomásos rétegkromatográfia (OPLC)

Kifejlesztési idő (s)

1 – telített gőzterű felszálló kamra 2 - telítetlen gőzterű felszálló kamra 3 - OPLC

Festékelegy OPLC elválasztása

Vékonyréteg kromatográfia Túlnyomásos rétegkromatográf (OPLC)

OPLC - túlnyomásos rétegkromatográf

Vékonyréteg kromatográfia Túlnyomásos rétegkromatográfia alkalmazása Szénhidrátok minőségi és mennyiségi meghatározása sörmintából.

xilóz

fruktóz glükóz

szacharóz - Párnanyomás: 50 bar. - Mozgófázis: 9:1 acetonitril:víz - Kifejlesztés 250 µl/perc - 2 x 4500 µl mozgófázis - Megjelenítés: anilin-difenilamin reagenssel. - Kiértékelés: 540 nm-en (látható tartomány)

maltóz

s1 s2 s3 s4

s1 s2 s3 s4

s1 s2 s3 s4

Szénhidrátok elválasztása sörmintából

Vékonyréteg kromatográfia Túlnyomásos rétegkromatográfia alkalmazása Szénhidrátok elválasztása és azonosítása termikusan módosított faanyagból.

Hőkezeléssel módosított faanyag

megjelenítés: naftorezorcin reagenssel

anilin-difenilamin reagenssel

Szénhidrátok elválasztása hőkezeléssel módosított faanyagból Kormatogárfiás körülmények: árnanyomás: 50 bar; Mozgófázis: 9:1 acetonitril:víz; Kifejlesztés 250 µl/perc; 2 x 4500 µl mozgófázis; Előhívás naftorezorcin reagenssel, vagy anilin-difenilamin reagenssel.

Folyadékkromatográfia A folyadékkromatográfiás analízis paraméterei: - Állófázis (szilikagél, vagy módosított szilikagél) - Mozgófázis (víz és szerves oldószer elegye. Gradiensképzés) - Detektálás (átfolyócellás detektor: UV, fluoreszcens, tömegszelektív, törésmutatóindex mérésén alapuló, stb.) - Minőségi azonosítás (retenciós [visszatartási] idő valamint a detektor által szolgáltatott információ alapján [UV elnyelés, spektrum, molekulatömeg]) - Mennyiségi kiértékelés (csúcsterület, ill.csúcsmagasság alapján) HPLC: nagynyomású folyadék kromatográfia: Mozgófázis nagy nyomású kényszeráramoltatása a mozgófázison. Egydimenziós elválasztás. Nem illékony szerves vegyületek elválasztása.

Folyadékkromatográfia HPLC mérőrendszer felépítése

A: mozgófázis tartályok; B: keverő szelep és gradienspumpa; C: Túlnyomás szabályozó; D: pulzáláscsökkentő; E: keverőkamra; F: mintabemérő szelep; G: kromatográfiás oszlop (állófázissal töltve); H. vezérlőegység; I: detektor (pl. UV fotométer); J: számítógép interfész (A/D konverter); K: számítógép; L: nyomtató

Folyadékkromatográfia

Detektorjel

Vörösfenyő kivonat elválasztása HPLC-vel Mintabemérés: 1 mikroliter Mozgófázis A: víz Mozgófázis B: acetonitril Mozgófázis C: víz/acetonitril 95:5 + H3PO4 pH=1.56 Mozgófázis D: víz/acetonitril 95:5 + puffer pH=4.22

Mozgófázis gradiens

Mozgófázis gradiens program: 0 - 11.14 perc: 27-33%B (73-67%A) 11.14 – 16 perc: 33-80%B (67-20%A) 16 – 20 perc: 80%B (20% A) Név

Retenciós idő (perc)

retenciós idő Terület % Csúcsterület Arány %

Kiértékelés

Gázkromatográfia A gázkromatográfiás analízis paraméterei: - Állófázis (adszorbenssel töltött, vagy filmbevonatú kapilláris oszlop) - Mozgófázis (vivőgáz [N2, H2, Ar]. Hőmérsékletgradiens: fűthető oszloptér) - Detektálás (átfolyócellás detektor: tömegszelektív, lángionizációs, vezetőképességi, stb. elven működő detektor) - Minőségi azonosítás (retenciós [visszatartási] idő valamint a detektor által szolgáltatott információ alapján (UV elnyelés, spektrum, molekulatömeg) - Mennyiségi kiértékelés (csúcsterület, ill. csúcsmagasság alapján) GC: gázkromatográfia: Mozgófázis gáz, melynek nyomás hatására történő áramoltatás történik a kromatográfiás oszlopon keresztül. Egydimenziós elválasztás. Illékony szerves vegyületek elválasztása.

Gázkromatográfia

Minta injektálás Reduktor

Erősítő

Injektor

Kromatogram Detektor

Hőmérséklet-programozható oszloptér Kromatográfiás oszlop Vivőgáz (mozgófázis)

A gázkromatográfiás (GC) mérőrendszer felépítése

Gázkromatográfia Detektorjel

Kondenzvíz gázkromatográfiás vizsgálata. Piros: lucfenyő; fekete: kőris kezeléséből származó kondenzvíz.

Mintabemérés: 1 mikroliter Mozgófázis: Argon Injektor hőmérséklet: 275 oC Hőmérséklet gradiens program: 0 – 3 perc: 35 oC 3 - 20 perc: 36-300 oC (15 oC/perc) Tömegszelektív detektálás


Gázkromatográfia Retenciós idő (perc)

Vegyület neve

Kőris

Terület


Vegyület neve

Lucfenyő

A kondenzvizekben azonosított vegyületek és a csúcsterületeik

Terület

Optikai spektroszkópiai módszerek

Sugárzás

elnyelődés során gerjesztett energiaszinek

Mikrohullám

Molekula és az elsődleges kötések forgási átmenetei

Infravörös

Elsődleges kötések forgási és rezgési átmenetei

Látható

Vegyérték (külső) elektronok gerjesztése. Kötö- és nemkötő elektronok gerjesztése

UV Röntgen

Atomtörzs elektronjainak (belső elektronok) gerjesztése

Gamma

Atommag, legbelső elektronok gerjesztése


Spektroszkópiai módszerek csoportosítása. A: atomspektroszkópiai módszerek, M: molekulaspektroszkópiai módszerek


Anyag és elektromágneses sugárzás kölcsönhatásán alapuló fontosabb spektroszkópiai módszerek.


Az elektromágneses sugárzás (EMS) jellemzői: 1. Hullám tulajdonság - Oszcilláló elektromos tér, mely a térben transzverzális hullámként terjed. - Létezik hullámhossza (λ), frekvenciája (µ) és sebessége (v). v = λ· υ - Képes elhajlásra, szóródásra, törésre, diszperzióra, visszaverődésre. 2. Részecske tulajdonság - Az EMS bizonyos megnyilvánulásai nem magyarázhatók a hullámmodell segítségével…(pl. abszorpció, emisszió, fényelektromos hatás) - A sugárzás diszkrét energia”csomagok”-ból, fotonokból áll. - Egy foton energiája: E = h · υ A két tulajdonság közül egy adott pillanatban mindig csak az egyik nyilvánul meg..


Monokromatikus, síkban polarizált EMS.

Monokromatikus sugárzás terjedése Különböző közegekben A törésmutató:

Fénytörés Elhajlás, diffrakció

n1: 1-es közeg törésmutatója c: fénysebesség vákuumban v1: fény sebessége az 1-es közegben


Az elektromágneses sugárzás abszorpciója (elnyelődése) - A minta a rajta áthaladó sugárzás bizonyos frekvenciájú komponenseinek intenzitását csökkenti… - Adott hullámhosszú fotonok elnyelése. Gerjesztés (Energiaközlés). - A gerjesztés feltétele: az elnyelt foton energiája = alapállapot energiája – gerjesztett állapot energiája - Közegtől és a hullámhossztól függően atomok vagy molekulák gerjesztődhetnek. M + h · υ → M* - Relaxáció: a gerjesztett állapot élettartama igen rövid (10-6 - 10-9 sec). Ezután a gerjesztett részecske visszatér az alapállapotba (relaxál), a felvett energiát pedig hő, ütközések vagy EMS sugárzás formájában leadja. M* → M + hő - Abszorpciós színkép (spektrum): a sugárzás elnyelődésének mértéke a hullámhossz függvényében


Az elektromágneses sugárzás abszorpciója (elnyelődése) A = lg (Io/I) = ε · l · c

Lambert-Beer törvény A – abszorbancia (elnyelés mértéke) Io – a mintába belépő sugárzás intenzitása I – a mintából kilépő sugárzás intenzitása l – a minta rétegvastagsága c – a minta koncentrációja ε – moláris elnyelési együttható

- Atomok abszorpciója - Molekulák abszorpciója - Relaxációs folyamatok


Atomok abszorpciója

- Gáz halmazállapotban - UV és VIS gerjesztésre: elektronátmenetek. - „vonalas” színkép (spektrum)

Molekulák abszorpciója

Molekuláris abszorpció

Sugárzásmen- Fluoreszcencia tes relaxáció

- Eo, E1, E2: elektrongerjesztési szintek - 1,2,3,4: rezgési energiaszintek - UV, VIS és IR gerjesztésre: Elektron-, rezgési- és forgási átmenetek. - „sávos”, színkép, lényegesen több átmenet mint az atomok abszorpciója esetén


Molekulák energiaváltozása: ∆Emolekula = ∆Eelektron + ∆Erezgési + ∆Eforgási ∆Eelektron ≅ 10 · ∆Erezgési ≅ 100 · ∆Eforgási

Relaxációs folyamatok: - Kisugárzott energia = a felvett energia (pl. emissziós színképelemzés) - Sugárzásmentes úton (hőleadás ütközések révén. Gyakori, mivel a rezgési átmenetek élettartama 10-15 sec-ig tart csak) - Fluoreszcencia (EMS hatására gerjesztett atomok, molekulák, fotonok kisugárzása mellett kerülnek vissza az alapállapotba). A kisugárzott foton energiája kisebb, mint a gerjesztő sugárzás energiája.

Fluoreszcencia…


Fontosabb módszerek:

• • • • • •

módszer UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia IR (infravörös) spektroszkópia Energiaszóródásos röntgen spektroszkópia (EDX) Raman spektroszkópia Elektronspin rezonancia (ESR) spektroszkópia Magmágneses rezonancia (NMR) spektroszkópia (MRI)

elv (abszorpció, reflexió) (abszorpció, reflexió) (emisszió) (szóródás) (abszorpció) (abszorpció)


Fényabszorpción alapuló módszerek: UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia - Molekulában lévő atomok vegyérték elektronjainak (kötő (σ és π) és nem kötő (n) gerjesztése. Kötéstípusok vizsgálata. Az elektron-spektrum összetett, mert az elektron átmenetekre rezgési átmenetek is szuperponálódnak és az oldószer minősége is befolyásolja ezeket az átmeneteket: széles elnyelési sávok - Mennyiségi meghatározás


Fényabszorpción alapuló módszerek: UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia Alkalmazások: - Szerves funkciós csoportok jelenlétének felismerése. - Tipikus mennyiségi analitikai módszer (szervetlen és szerves anyagok). - Reakciósebesség és egyensúlyok vizsgálata (pl. enzimkinetika). - Disszociációs állandók meghatározása. - Titrálási feladatokban végpontjelzési módszer. - Színmérés.


UV-látható (UV-VIS) spektroszkópia – mennyiségi analízis Mennyiségi analízis oldatból. Az adott hullámhosszon elnyelt fény mennyisége a meghatározás tartományában egyenesen arányos a koncentrációval. Folyadékminta UV-látható spektrofotmetriás vizsgálata

A = -log (I/Io) = α·c·l

A: Abszorbancia (fénylenyelés mértéke) l: optikai úthossz a folyadékmintában c: koncentráció α: moláris fényelnyelési együttható Io: belépő fény intenzitása I: kilépő fény intenzitása LOD: kimutatás alsó határa LOQ: mennyiségi meghatározás alsó határa LOL: linearitási határ noise: zaj

Koncentráció

Lambert-Beer törvény

Nagyobb meredekség, nagyobb érzékenység

Dinamikus tartomány

Abszorbancia Kalibrációs egyenes


3. UV-VIS spektrofotométer felépítése (Shimadzu UV-3101PC)

Vakoldat

Minta

Fényforrások

Küvettatartók

Fényforrás Tükör Optikai rács

Fényszaggató Detektor Ablak


Emittált sugárzás hullámhossz szerinti felbontása - Monokromátorok

Kollimátor: párhuzamos fénynyaláb előállítása. d Elv: fényelhajlás és interferencia Rácsegyenlet: n·λ = (sin α - sin β) n: a reflexió rendje, d: rácsállandó


Optikai rácsot alkalmazó fényfelbontó berendezések


- UV és látható abszorpciós és reflexiós spektroszkópia Cél: kötésszerkezet tanulmányozása (UV). Színmérés (látható) szilárd felületről, vagy oldatból. Mennyiségi analízis oldatból (Lambert-Beer törvény alapján).

UV

VIS Színmérés ….

275 nm fenolos-OH (lignin, polifenolok)

Reflexiós UV spektrum (felületről)

Reflexiós látható spektrum (felületről)


- UV és látható abszorpciós és reflexiós spektroszkópia A kioldható szénhidrát tartalom és a kioldható összes fenol tartalom meghatározása spektrofotometriásan különböző famintákból. Extrakció: 0.25 g fa extrakciója 3 órán át ultrahangos fürdőn 8 x 6 ml 80%-os metanollal. Kioldható szénhidrát (mono- és oligoszacharid) tartalom meghatározása: Dubois módszerével. Extraktum reagáltatása fenollal és kénsavval. Fotometriás mennyiségi meghatározás 490 nm-en. Kioldható összes fenol tartalom meghatározása: Folin-Ciocâltău reagenssel. Fotometriás kiértékelés. Mérési hullámhossz: 760 nm-en. színhatár

Termofa minták totálfenol és kioldható szénhidrát tartalma a kezelés (0,2,3) függvényében. Bu: bükk, AH: juhar, BuP: bükk, Es: kőris. A totálfenol tartalom sugár irányú változása álgesztes bükk korongban a faanyag száradása során.


Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia - Abszorpció feltétele: 1. sugárzás frekvenciája = a molekula rezgési frekvenciája (rezgés amplitúdója megnő) 2. az adott rezgés során dipólusmomentum változás következzen be. (dipólusmomentum: két töltés különbségétől és a két töltés központjának távolságától függ).


- Infravörös abszorpciós és reflexiós spektroszkópia Forgási spektroszkópia (távol IR, h.szám: 400-10 cm-1) Forgási és rezgési spektroszkópia (közép IR, h.szám: 4000-400 cm-1) Rezgési felharmonikusok és kombinációs rezgések (közeli IR, h.szám: 140004000 cm-1) Cél: kötéstípusok azonosítása szerves vegyületekben a rájuk jellemző forgási és rezgési átmenetek kimutatásával. Minőségi és mennyiségi analízis feltárás (extrakció) nélkül. Degradáció, szerkezeti átalakulás kimutatása akár szilárd mintából (akár felületről). Vegyületek azonosítás. antiszimmetriszimmetrikus kus vegyértékvegyértékrezgés rezgés

ollózó mozgás

kaszáló mozgás

síkra síkra merőleges merőleges szimmetrikus aszimmetrikus

A szerves vegyületekben előforduló CH2 csoport jellemző rezgési átmenetei


Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia Az IR sugárzás tartományai (30-15000 cm-1): 1. A távoli infravörös tartomány (FIR = Far Infrared, 10 – 300 cm-1): nehézatomok vegyérték- és deformációs rezgései, torziós rezgések, kristályrács rezgései, némely forgási átmenet. 2. Analitikai infravörös tartomány (300 – 4000 cm-1): vegyérték és deformációs rezgések tartománya. 2.1 Ujjlenyomat tartomány (deformációs rezgések) (300 – 1500 cm-1): adott vegyületre jellemző és egyedi. 2.2 Vegyértékrezgések tartománya (1500 – 4000 cm-1): Jellegzetes csoportok rezgései találhatók meg itt. Ez a tartomány így nem a vegyületre, hanem a bennük található csoportokra karakterisztikus. 3. A közeli infravörös tartomány (NIR = Near Infrared, 4000 – 12 500 cm-1): ebben a tartományban főképp a felhangok és a kombinációs sávok jelennek meg.


- Infravörös abszorpciós és reflexiós spektroszkópia

Az infravörös spektrum jellegzetes csoport-rezgései 1. A távoli infravörös tartomány (10 – 300 cm-1): nehézatomok vegyérték- és deformációs rezgései, torziós rezgések, kristályrács rezgései, némely forgási átmenet. 2. Analitikai infravörös tartomány (300 – 4000 cm-1): vegyérték és deformációs rezgések tartománya. 2.1 Ujjlenyomat tartomány (deformációs rezgések) (300 – 1500 cm-1): adott vegyületre jellemző és egyedi. 2.2 Vegyértékrezgések tartománya (1500 – 4000 cm-1): Jellegzetes csoportok rezgései találhatók meg itt. Ez a tartomány így nem a vegyületre, hanem a bennük található csoportokra karakterisztikus. 3. A közeli infravörös tartomány (NIR = Near Infrared, 4000 – 12 500 cm-1): ebben a tartományban főképp a felhangok és a kombinációs sávok jelennek meg.


Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia

Ujjlenyomat tartomány: A molekula teljes vázszerkezetére jellemző elnyelési sávok. Segítségével a molekulák azonosíthatók. Spektrumkönyvtárak kialakítása.


- Infravörös reflexiós spektroszkópia

Fa összetételének, szerkezetének jellemzése

Faanyag infravörös refelxiós spektruma


- Infravörös reflexiós spektroszkópia

Bükkből izolált lignin (dioxán-lignin) refelxiós IR spektruma. DLM-1: egészséges faanyagból, DLM-2: élesztőgombával kezelt faanyagból.

Bükk extraktum IR spektruma. a: egészséges fa acetonos extraktuma, b: élesztőgombával kezelt fa acetonos extraktuma

3400 cm-1: δ OH alifás karbonsav. 2927 és 2854 cm-1: aszimmetrikus és szimmetrikus C-H vegyértékrezgés. 1743: C=O vegyértékrezgés (észterek), 1700 cm-1: C=O vegyértékrezgés (karbonsavak), 1460 és 1382 cm-1: -CH2 és -CH3 deformációs rezgések, 1163 cm-1: C-O vegyértékrezgés (észterek), 840 és 700 cm-1: alkén cisz-izomerek, 824 cm-1: C-H ollózó és kaszáló rezgései.


Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) fotométer felépítése és jellegzetességei - probléma: UV és VIS tartományban használt detektorok és fényfelbontó egységek nehezen vagy egyáltalán nem alkalmazhatók. - Speciális detektorok alkalmazása és rács/prizma helyett interferométer és Fourier-transzformációs kiértékelés.


Fényabszorpción alapuló módszerek: Infravörös (IR) spektroszkópia alkalmazásai - Vegyület azonosítása spektrumkönyvtárak alapján (ujjlenyomat spektrum segítségével). - Minőségi azonosítás, szerkezet meghatározás. - Mennyiségi meghatározás szilárd és gázfázisú mintából. - Légszennyezés mérés (szerves gőzők, akár 1 ppm nagyságrendben). - Teljes funkciós csoport analízis. - IR spektrométer + mikroszkóp (pl. szövetek vizsgálata, törvényszéki analitika). - Biomolekulák (pl. fehérjék) másodlagos szerkezetének vizsgálata. - Ipari alkalmazások: műanyagok azonosítása, faanyagok fizikai/kémiai paramétereinek vizsgálata, élelmiszerek nedvesség és fehérjetartalmának vizsgálata, stb., stb.


- Energiaszóródásos röntgen spektroszkópia (EDX) + SEM -Az EDX mérés elve: az SEM (pásztázó elektronmikroszkópos) mérés során az előkészített (fa)mintát, illetve annak felületét nagy energiájú elektronokkal bombázzuk. (A mikroszkópiás képalkotás a visszavert vagy a másodlagos elektronok által történik.) A nagyenergiájú elektronok egy része a mintafelületbe való becsapódás során a minta atomjainak belső elektronjait „kiütheti” a helyükről. Ez a „lyuk” a külsőbb – nagyobb energiájú– pályákról pótlódik. Az elektronok helycseréje folytán ún. „karakterisztikus röntgensugárzás” kibocsátása történik, mely jellemző az adott atomra. A karakterisztikus sugárzás mérésével a minta elemi összetétele meghatározható. Cél: Minta elemi összetételének vizsgálata. Pl. lerakódások vizsgálata a sejtfalon.


- Energiaszóródásos röntgen spektroszkópia (EDX) + SEM

atommag kilökött elektron

Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) Külső gerjesztés (pl. elektron)

Kar. röntgen sugárzás

Az EDX mérés elve. Kα, Kβ, Lα - adott atom karakterisztikus átmenetei.


- Energiaszóródásos röntgen spektroszkópia (EDX) + SEM Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM)

Álgesztes bükk színhatára (f: színhatár előtt, g: mögött)

Egy jégkristály különböző nagyítások mellett Pollenszemcsék

Termikus módszerek

- Termikus módszerek Mérés elve: hőközlés hatására végbemenő, fizikai kémia változások megfigyelése, mérése. Nyerhető információk: - Bomlási tulajdonságok inert vagy oxidatív atmoszférában (TGA, DTG) - Égési tulajdonságok (égési hőmérséklet, égési tulajdonságok) - Hőstabliltás vizsgálata - Tömegcsökkenéssel nem járó folyamatok vizsgálata (DTA, DSC) - Módosulatváltozás - Plasztifikálódás (pl. lignin) - Fázisátalakulás

Termikus módszerek

- Termikus módszerek TGA: termogravimetriás analízis DTG: differenciál termogravimetria

Termikus módszerek

- Termikus módszerek TGA: termogravimetriás analízis DTG: differenciál termogravimetria

A bükkábrányi mocsári ciprus fosszíliák TG analízise összevetve az élő mocsári ciprus (control szöveteivel)

Termikus módszerek - Termikus módszerek DSC: differenciál termoanalizis: minta és inert minta egyidejű szabályozott felfűtése egyidejű azonos hőmérsékleten való tartással. Cél: Tömegváltozással nem járó folyamatok detektálása és tanulmányozása.

100oC 260oC

o 390oC 410 C

A bükkábrányi mocsári ciprus fosszíliák DSC analízise összevetve az élő mocsári ciprus (control szöveteivel)

DCS és DTA mintatartó és inert minta.

Termikus módszerek - Termikus módszerek DSC: differenciál termoanalizis: minta és inert minta egyidejű szabályozott felfűtése egyidejű azonos hőmérsékleten való tartással. Cél: Tömegváltozással nem járó folyamatok detektálása és tanulmányozása.

A fosszíliák és a mocsári ciprus geszt DSC görbéjén megfigyelhető átalakulások: 100oC – víz (en.) 260oC – hemicellulóz (en.) 390oC – cellulóz (en.) 410oC – a degradációs termékek polimerizációja (ex.)

Analitikai kémiai módszerek és alkalmazásuk a faanyagkémiában

Recommend Documents