KÖRNYEZETMÉRNÖKI MÉRÉSTECHNIKA, MONITORING II./ KÖRNYEZETI ANALÍZIS II. előadás anyag
Környezetmérnöki BSc képzés 2014.
Készítette: Dr. Bodnár Ildikó főiskolai tanár
A tantárgy kódja:
MFKMM32K03 vagy MFKOA32K03 Vizsgakövetelmény Évközi jegy A gyakorlati jegy az aláírás feltétele és a félévközi jegy része (1/3).
Kreditpont: 3 A tárgy előfeltétele: MFKMM31K03 vagy MFKOA31K03 2
Felhasznált és ajánlott szakirodalom Dr. Kőmíves József: Környezeti analitika, Műegyetemi kiadó,
Budapest, 2000. Pokol György – Sztatisz Janisz: Analitikai kémia I., Műegyetem
Kiadó, Budapest, 1999.
Pungor Ernő: Analitikai kémia, Tankönyvkiadó, Bp.1998. Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai, Semmelweis kiadó,
Bp. 1999. Erdey László – Mázor László: Analitikai kézikönyv, Műszaki
Könyvkiadó, Budapest, 1974.
3
Tematika-Nappali tagozat hét
előadás:
0.
Regisztrációs hét
1.
Általános tudnivalók, tematika, laborgyakorlat megbeszélése.
gyakorlat: Tömbösítve 3 x 5 órában, Szerda 10-15 h, 9-11. hét, E218. Vízminőségvédelmi labor
Az elválasztástechnika alapjai.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
12. 13. 14.
A gázkromatográfia ismétlése és részletesebb ismertetése. Gázkromatográfiás-tömegspektrometriás kombináció (GC-MS). Gázkromatográfia alkalmazása a környezetvédelmi analízisben. A folyadékkromatográfia ismétlése. A HPLC módszer alapjai. Eluenst szállító rendszerek. HPLC-s detektorok alapvető jellemzői és használatuk. A HPLC-s elválasztás tervezése. Normálfázisú-, illetve fordított fázisú-folyadékkromatográfia. Fordított fázisú ionpár-kromatográfia. Ioncserés kromatográfia alapjai. Ionkizárásos-, méretkiszorításos- és hidrofób kölcsönhatási kromatográfia. I. félévközi számonkérés az elméleti anyag 1. részéből Kapilláris elektroforézis (CE) alapjai és a módszerek Klorid-ion meghatározása szennyvízben konduktometriás osztályozása. módszerrel (KDM) Az elválasztásra jellemző paraméterek a CE-ben. Műszeres Környezeti minta vas-tartalmának meghatározása háttér. A CE rendszer felépítése. A CE alkalmazási területei. fotometriásan (VFM) Szalicilsav tartalom meghatározása fotometriásan (SFM) Vízminták vizsgálata ionkromatográfiásan (IC) Monitoring alapjai. Levegőszennyezés monitoring. Környezeti minta összes szerves széntartalmának mérése (TOC) Vízszennyezés monitoring. II. félévközi számonkérés az elméleti anyagból 2. részéből Félévközi számonkérés pótlási lehetősége az elméleti anyagból
4
Környezeti méréstechnika, analitika alapjai
5
A környezeti analitika feladata
A környezetanalitikai vizsgálatok elsődleges célja az, hogy az ökológiai rendszerek különböző résztartományainak kvalitiatív és kvantitatív összetételét, az összetétel időbeli változását képes legyen teljességében feltárni.
A környezetet szennyező anyagok minőségének, mennyiségének, összetételének, szerkezetének vizsgálata, a bioszféra legértékesebb részeinek: a levegőnek, víznek, talajnak, növényzetnek stb. ellenőrzése csak megfelelő analitikai módszerek segítségével történhet.
A megfelelő analitikai módszerek megválasztása függ: a vizsgálandó anyag összetételétől a műszerektől gazdaságossági tényezőktől a kívánt pontosságtól néhány vizsgálat vagy folyamatos ellenőrzés szükséges
Módszerek fenti négy pont szerinti csoportosítása: minőségi analitikai mennyiségi analitikai szerkezetvizsgáló szerkezetet és morfológiát vizsgáló
6
A környezeti analitika vizsgálati módszerei Módszerek alapelv szerinti csoportosítása: Klasszikus kémiai analitikai módszerek
Súly szerinti elemzés (gravimetria) Térfogatos elemzés (titrimetria)
Műszeres vizsgálati módszerek
Egyszerű fizikai sajátság mérésén alapuló módszerek (sűrűség, viszkozitás, hővezető-képesség mérése) Elektrokémiai módszerek (potenciometria, polarográfia, vezetőképesség-mérés) Spektrometriás módszerek (emissziós spektrográfia, lángspektrometria, atomabszorpció, ultraibolya-, látható és infravörös-spektrofotometria, nefelometria és turbidimetria, mágneses rezonancia, röntgen spektrometria) Termikus módszerek Radiokémiai módszerek (aktivációs analízis) 7 Kromatográfiás módszerek
Elválasztástechnika
8
Elválasztástechnika Az analitikai mérési módszerek sohasem abszolút
szelektívek egy-egy mérendő komponensre.
Ezért a legtöbb összetett minta esetén a mérés előtt
szükség van a mérést komponensek eltávolítására.
potenciálisan
zavaró
Extrém esetben a meghatározandó anyagot a minta
összes többi összetevőjétől el kell választanunk, miközben esetleg hozzáteszünk olyan anyagokat amelyek eredetileg nem voltak a mintában, mint pl. a lecsapószert a gravimetriában.
Az elválasztáson térbeli elkülönítést értünk.
9
Elválasztástechnika Elválasztásra
sokféle lehetőség van, pl. desztilláció, kilúgozás, folyadék-folyadék extrakció, adszorpció, hűtéses kicsapás gőzelegyből, stb. a műveletek – legalábbis az egylépéses változataik – két frakcióra választják a minta komponenseit. A cél az, hogy a mérendő anyag teljes mennyisége az egyik frakcióba kerüljön, a zavaró anyagok pedig a másikba.
Ezek
Az említett módszerek erre általában csak
akkor alkalmasak, ha a mérendő anyagnak az a tulajdonsága, amely alapján az elválasztás történik (pl. illékonyság, megoszlási hányados) nagyságrendekkel különbözik a zavaró anyagokétól. helyzeten javítani lehet többszöri 10 frakcionálással, ami azonban nagyon munkaigényes.
A
Elválasztástechnika az egymástól elválasztandó anyagok nagyon hasonlóak, akkor a fenti módszerek nem használhatók. Ezekben az esetekben alkalmazzuk az elválasztástechnika különösen hatékony módszereinek valamelyikét, általában a kromatográfiát, vagy az elektroforézist.
Ha
Mindkét technika lényege, hogy a minta összetevői a
berendezésben egy adott irányban mozognak, de különböző sebességgel, és ezért egy idő után elválnak egymástól.
térben elválasztott komponensek mennyiségét (koncentrációját) valamilyen detektorral mérjük. A detektorok általában rendelkeznek valamilyen szelektivitással; ezért az elválasztásnak nem mindig kell tökéletesnek lenni, bizonyos anyagok a mérendő anyag mellett maradhatnak.
A
11
Kromatográfia A kromatográfiás elválasztási módszerek az egymáshoz nagyon hasonló viselkedésű anyagok elválasztására alkalmazhatók. A kromatográfia szorpciós-deszorpciós (adszorpció, abszorpció, kemiszorpció) folyamatokon alapuló nagy hatékonyságú elválasztási módszer.
A módszer elve: Az elválasztandó alkotórész két, egymással érintkező fázis között oszlanak meg, és szorpciós képességüktől függően hosszabb-rövidebb időt töltenek az álló fázisban. A kromatográfiás elválasztás folyamán az egyik fázis áll, míg
a másik mozog. (Álló és mozgó fázis).
Az elválasztandó alkotórészek a mozgófázis irányában 12
vándorolnak.
Kromatográfiás fázisok
13
Kromatográfia Ha a vándorlás eltérő sebességgel történik,
akkor elegendő hosszú út után az egyes alkotók egymástól mennyiségi módon szétválnak, mivel az álló fázison különbözőképpen kötődnek meg, így és külön-külön megkaphatók.
Az elkülönített alkotókat valamilyen fizikai
vagy kémiai tulajdonságúk mérése alapján tudjuk detektálni, azaz azonosítani, illetve a mennyiségüket meghatározni. 14
Kromatográfia A kromatográfiás módszerek csoportosítása
a mozgó fázis halmazállapota szerint történik. A mozgó fázis lehet gáz, folyadék vagy
szuperkritikus folyadék. Így ismert:
Gázkromatográfia (GC) Folyadékkromatográfia (LC) Szuperkritikus fluid kromatográfia (SFC) 15
Kromatográfia Az állófázis lehet szilárd vagy folyadék
halmazállapotú, de mindenképpen fő jellegzetessége a helyhez kötöttség és a kölcsönhatások létrejöttének lehetősége. Az állófázison lehetőleg közömbös, nem vagy
gyengén szorbeálódó fluid fázist, ún. eluenst áramoltatunk át folyamatosan, lehetőleg állandó áramlási sebességgel. 16
A mozgó fázis elnevezései
Mozgófázis = fluid fázis= eluens
17
Kromatográfia Az eluenssel követelmények:
szemben
támasztott
fajlagos szorpciója elhanyagolható legyen a vizsgált alkotóéhoz képest,
nagy mennyiségben és kellő tisztaságban álljon rendelkezésre,
olcsó legyen. 18
Részletesebb csoportosítás
GÁZKROMATOGRÁFIA (GC)
GÁZ-SZILÁRD (GSC) GÁZ-FOLYADÉK (GLC)
FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA (LC)
FOLYADÉK-SZILÁRD (LSC)
FOLYADÉK-FOLYADÉK (LLC)
19
KROMATOGRÁFIÁS ELVÁLASZTÁSI MÓDSZEREK Az állófázis alakja, minősége szerint ismert:
oszlop (2), papír (1), és rétegkromatográfia (1).
20
1
2
KROMATOGRÁFIÁS ELVÁLASZTÁSI MÓDSZEREK kromatográfiás elválasztás valósítható meg: frontális kiszorításos elúciós elválasztás.
A
három
különböző
módon
Gyakorlati jelentősége a kiszorításos és az elúciós elválasztásnak
van. A kiszorításos módszer esetében a minta egy diszkrét részletét juttatjuk a kolonnára (oszlop). Megvárjuk, amíg beáll az egyensúlyi állapot, s a komponensek fajlagos szorpciójuk sorrendjében szorbeálódnak.
Ezt követően egy mindegyik alkotóénál nagyobb fajlagos szorpciójú ún. kiszorító anyaggal a komponenseket fajlagos szorpciójuk növekvő sorrendjében szorítjuk le.
21
KROMATOGRÁFIÁS ELVÁLASZTÁSI MÓDSZEREK
A módszer hátránya, hogy a kiszorító anyag telíti az elválasztó rendszert, s egy újabb elválasztás előtt azt el kell távolítani, regenerálni kell a kolonnát.
Az elúciós technika a gázkromatográfia egyedüli és a többi kromatográfiás módszer leggyakrabban alkalmazott megoldása.
Az állófázison lehetőleg közömbös, nem vagy gyengén szorbeálódó fluid fázist, ún. eluenst áramoltatunk át folyamatosan, lehetőleg állandó áramlási sebességgel.
22
KROMATOGRÁFIÁS ELVÁLASZTÁSI MÓDSZEREK A meghatározás végeredményeként ún. kromatogramhoz
(detektorjel-idő függvény) jutunk, mely a minőségi és a mennyiségi információ hordozója.
Az elúciós haranggörbék, csúcsok időbeli integrálja, azaz a
csúcs alatti terület arányos az alkotó mennyiségével.
A minőségi információ hordozója a retenció. Ez kifejezhető
időadattal, az állófázison átáramlott eluens térfogattal, távolsággal vagy relatív időtartammal.
23
A kromatogram
24
A GÁZKROMATOGRÁFIA RÉSZLETESEBB MEGISMERÉSE ÉS A MÓDSZER KÖRNYEZETVÉDELMI ALKALMAZÁSAI
25
Gázkromatográfia A GC a szerves vegyületek minőségi azonosításának és mennyiségi meghatározásának nélkülözhetetlen módszere. 0,1-0,5 l mintában 10-6-10-12 g vegyület meghatározására alkalmas. A gázkromatográfiás elválasztás esetén: Az állófázis:
szilárd adszorbens = GSC (szilikagél, molekulaszita: aluminoszilikátok azaz zeolitok) vagy hordozón (diatomaföld) adszorbeált nem illékony folyadék = GLC (nagy molekulatömegű alkohol, glikol, szénhidrogén).
A mozgófázis: gáz
hővezetőképességi detektornál: hidrogén, hélium; lángionizációs detektornál: nitrogén, argon). 26
A gázkromatográfiás készülék:
Az elúciós elválasztáshoz a kolonnán állandó eluensáramot (gáz) kell fenntartani.
A vizsgálandó mintát impulzusszerűen ebbe az eluens áramba juttatjuk be, amely komponenseire válik szét, az állandó hőmérsékleten tartott vagy programozott hőmérsékletű térben elhelyezett kolonnán.
Az elvált alkotók a detektorba jutva a mért elektromos jel nagyságát megváltoztatják. 27
A gázkromatográfiás készülék: 1. A készülék:
Eluensforrás gáztisztító és szárító egységgel valamint gázáramlást biztosító és szabályozó rendszerrel (vivőgáz nyomása: 0,01-0,4 MPa, áramlási sebessége: 10-100 cm3/perc) Mintabeviteli rendszer (gázbemérő csap, mikrofecskendő, vagy automata egység) Kolonna termosztáttal Detektor (hővezetőképességi vagy lángionizációs) A detektorjel erősítésére és mérésére szolgáló erősítő Jelátviteli rendszer a számítógéppel (jelrögzítés, adattárolás, adatfeldolgozás) 28
A gázkromatográfiás készülék általános felépítése
29
Shimadzu GC-2014 készülék
30
2. Mintabeviteli lehetőségek: Általában folyadék halmazállapotú mintát kell egy olyan fűtött
térbe bejuttatni, ahol arra törekszünk, pillanatszerűen és kvantitatíve elpárologjon.
hogy
a
minta
További
gond, hogy igen kis mennyiségű mintát kell felhasználnunk. Így az alábbi mintabeviteli megoldásokat különítjük el:
Gázminták bevitele:
Gázbemérő csappal Mikrofecskendővel
A mintabemérő csapok működési vázlatát a következő ábra
szemlélteti.
31
Hatágú gázbemérő csap működési vázlata 20 l térfogat
32
Gáz vagy folyadék minták bevitele fecskendővel
33
Mintabeviteli lehetőségek: Szobahőmérsékleten
folyékony mintákat mikrofecskendő segítségével lehet bejuttatni, így a minta egy szilikon-szeptum átszúrásával jut az eluens áramba.
Folyadékminták bemérési lehetőségei:
Flash-elpárologtatás Mintaáramelosztás Splitless technika On-column injektálás Programozott hőmérsékletű injektor alkalmazása
Ezek közül a Flash-elpárolgtató vázlatát mutatja be a következő
ábra.
34
Flash-elpárologtató vázlata
A többnyire szilikongumi szeptummal lezárt elpárologtatóba a fecskendővel impulzusszerűen jutattuk be a mintát. Ez akkor kvantitatív, ha az injektor hőmérséklete 50-70 °C-kal magasabb, mint a bevitt minta legmagasabb forráspontú komponensének a forráshőmérséklete. Fontos, hogy a minta ne érintkezzen fémmel, ugyanis az ne kívánt reakciókat katalizálhat. Az expanziós tér térfogata: 1-2 cm3.
35
3. Kolonnák: Az elválasztás szempontjából döntő szerepe van a kolonnáknak.
kis átmérőjű tartalmazzák.
Ezek
csövek,
oszlopok,
melyek
az
állófázist
A kolonnáknak két típusát különböztetjük meg:
Adszorpciós és Megoszlásos kolonnák.
És ezek lehetnek:
Szemcsés töltetűek vagy Kapilláris kolonnák. 36
Kolonnák:
Kapilláris kolonna
Töltetes kolonnák
37
Kolonnák: kapilláris kolonnákat a kolonna belső átmérője szerint (dC) tovább lehet csoportosítani:
A
Mikrokapillárisok (dC 150 m) Standard kapillárisok (150 m dC 500 m) Makrokapillárisok (dC 0,5 mm)
gázkromatográfiás kolonnák alaptípusait a következő ábra mutatja be.
A
38
A gázkromatográfiás kolonnák alaptípusai
39
Kolonnák: A PLOT (porous layer open tubular) kolonnákban a cső
belső felületén adszorbens réteg helyezkedik el. Ez lehet grafit, molekulaszita, alumínium-oxid, stb. A megoszlásos kolonnáknak két alaptípusa van: A nedvesített falú WCOT (wall coated open tubular) és A hordozó réteggel bevont falú SCOT (support coated open tubular) kolonnák.
40
Kolonnák: gáz-folyadék kromatográfiában kulcsszerepe van a megosztófolyadékoknak. A megoszlási hányados megváltoztatásához az álló vagy a mozgó fázis anyagi minőségét kell megváltoztatni.
A
A mozgófázis (eluens = gáz) megváltoztatásának lehetősége nagyon
szegényes, így inkább az állófázist kell/lehet változtatni.
Az állófázissal (megosztófolyadék) szembeni követelmények:
Hőstabilitás (Ne bomoljon el az adott hőmérsékleten). Az alkalmazási hőmérséklettartományban folyékony halmazállapot. Jól definiált kémiai szerkezet. Kémiai inertség (Ne lépjen reakcióba). Kellő nedvesítő képesség (Ha: hordozó > megosztófolyadék, jól nedvesíthető a hordozó felülete. : felületi feszültség) Oldhatóság. Mérsékelt ár. 41
Kolonnák: a követelményeknek többnyire csak a makromolekuláris anyagok felelnek meg (polisziloxánok különböző funkciós csoportokkal, poliéterek).
Ezeknek
Ezen kívül használatosak még: Szénhidrogén típusú megosztófolyadékok, Ftalátok, Glikol-észterek, Nitrilek. CH3 Si
O
HO n
CH3
CH2
CH2
O
n 42
Poli-dimetil-sziloxán CARBOWAX: polietilén-glikol
4. Detektorok:
Valamennyi gázkromatográfiás detektor a kolonnán elkülönült komponenseket úgy jelzi, hogy az adott alkotó az eluenssel együtt a detektorba áramlik, ahol a koncentrációjával vagy az időegység alatt a detektorba jutó mennyiségével arányos elektromos jel keletkezik.
Főbb típusaik:
Hővezetőképességi Lángionizációs (FID) Fotometriás Molekulaszelektív vagy tömegspektrometriás detektorok.
43
Hővezetőképességi detektor Érzékelője egy elektromosan fűtött wolfram-szál, amely körül vivőgáz áramlik. A működés elve, hogy fűtött drótról a hőelvezetés sebessége az azt körülvevő gáz molekulatömegével arányos. A gázok közül a hidrogén és a hélium hővezetőképesége a legnagyobb. A fűtött szál hőmérséklete és így ellenállása mindaddig nagyobb, mint a vivőgázban mérté, amíg a cellában a mintakomponens tartózkodik.
44
Lángionizációs detektor Egy H2-lev. eleggyel táplált mikroégő, amely fölé elektródpárt helyeznek. Erre feszültséget kapcsolnak. A kolonnát elhagyó szerves komponensek a lángba jutva ionizálódnak. Az elekródok között a bejutó ionok hatására áram folyik, ami erősítés után mérhető.
45
5. Minőségi azonosítás: gázkromatográfiás minőségi azonosítás legkézenfekvőbb módszere a retenciós adatok közvetlen mérése.
A
retenciós adatok összehasonlítására épülő szemlélteti a következő ábra.
A
közvetlen azonosítást
46
Minőségi azonosítás a retenciós idők közvetlen összehasonlításával
A MINŐSÉGI AZONOSÍTÁS ALAPJA:
A RETENCIÓS IDŐ Az ismeretlen minta kromatogramját standard komponensek kromatogramjaival hasonlítjuk össze, mely alapján az azonosítás - a retenciós idők megegyezősége esetén egyértelműen elvégezhető. 47
Minőségi azonosítás: További módszerek az azonosításra:
Addíciós módszer „Finger print” azonosítás Relatív retenció alkalmazása
addíciós módszerre és „Finger print” módszerre egy-egy példát a következő ábrák mutatnak be.
Az
48
Minőségi azonosítás addícióval
Az addíciós módszer lényege az, hogy: 1. először megmérjük az ismeretlen minta válaszjelét, 2. majd a mintához a meghatározandó komponenst ismert mennyiségben hozzáadjuk 3. és ismét megmérjük a válaszjelet.
Jx= S cx Ja = S (cx +c)
49
„Finger print” azonosítás
Összetett minták gyors azonosítására alkalmas. Két kőolaj frakció GC-kromatogramja látható az ábrán.
1.
A csúcsok retenciója azonos, azonban az egyes alkotók csúcsterületei eltérőek. A két frakció alkotóinak minősége azonos, de az eltérő mennyiségi arányok miatt nem lehet azonos minőségű olaj a két minta.
2.
50
GÁZKROMATOGRÁFIÁSTÖMEGSPEKTROMETRIÁS KOMBINÁCIÓ (GCMS) ÉS KÖRNYEZETANALITIKAI SZEREPE
51
Tömegspekrometria (MS) Szerves és szervetlen anyagok minőségi és mennyiségi elemzésére
szolgál.
a legáltalánosabban használható és legjobb kimutatási képességgel bíró analitikai eljárásoknak, ugyanakkor specifikus is.
Egyike
Alkalmazásának korlátja, hogy csak a gázhalmazállapotú vagy a
mérőberendezésben azzá alakítható vegyületek mérésére alkalmas.
A tömegspektrométer tömegük alapján választja szét a gázállapotú,
ionizált molekulákat és töredékeiket.
A tömegspektrum vonalas, optikai spektrumhoz hasonló kinézése
miatt nevezik módszerekhez.
spektrometriának,
de
nincs
köze
az
optikai 52
A tömegspektrometriás mérés részfolyamatai 1. A minta gázállapotba hozása (Kombinált módszer esetén GC-vel). 2. A mintakomponensek ionizációja és fragmentációja. 3. A keletkezett ionok felgyorsítása elektromos tér segítségével. 4. Az elektromos és mágneses térben a töltésegységre jutó tömegük szerint (m/z) elválasztott ionnyalábok regisztrálása, azaz az így szétválasztott különböző tömegű fragmensionok mennyiségének a meghatározása. fenti folyamatokat vákuumban kell végbemenniük, mivel az ionsugaraknak kellő hosszúságú, ütközés nélküli szabad utat kell megtenniük.
A
53
Ionintenzitás
Tömegspektrum
54
GC-MS szerves elegyek alkotóinak minőségi azonosítása, minőségi elemzése megbízhatóan csak összetett gázkromatográfiástömegspektrometriás (GC-MS) műszerkombináció segítségével oldható meg.
A
GC-MS rendszerek korszerű változatai elképzelhetetlenek számítógépes szabályozás és adatfeldolgozás nélkül.
A
Egy ilyen műszerrendszer főbb egységei a következők:
Kapilláris gázkromatográf Tömegspektrométer vákuumrendszerrel Számítógép
A készülék vázlatos felépítését a következő ábra szemlélteti.
55
Kvadrupól analizátorú GC-MS-DS (DS: data system, adatfeldolgozó rendszer) vázlata
*
* csatolóegység 56
Agilent 5975 inert GC/MS készülék
57
GC-MS A kombináció elvi alapjai: A tömegspektrométer a GC detektora, illetve a GC az MS előnyös mintaelőkészítő egysége. A GC elvégzi mindegyik komponens mennyiségi meghatározását, míg
az MS egyértelműen azonosítja azokat.
A GC-MS készülék esetén a következő két feladat alapvető fontosságú: a.) A GC vivőgázának eltávolítása. b.) Az összetett műszer két részében a sebesség összehangolása. Így ún. csatoló egység beiktatása (p, T kiegyenlítés) szükséges a fenti problémák megoldására. 58
GC-MS A gázkromatográfiás elválasztást követően, az időben
elkülönített alkotók külön-külön kerülnek a tömegspektrométer ionforrásába, ahol ionizációt szenvednek.
egyes molekulákból keletkező ionokat a tömegspektométer választja el, s méri az ionok intenzitását, hozza létre a tömegspektrumot.
Az
Ez a tömegspektrum lényegében olyan ionintenzitás-
iontöltés egységre eső tömeg függvénykapcsolat, amely egy-egy molekulára egyedileg jellemző. 59
GC-MS A 0,5-1 másodpercenként felvett tömegspektrumok ionáram-
intenzitásainak az integrálásával, tömegspektrumok elkészültével egyidejűleg elkészül egy rekonstruált kromatogram is (TIC: total ion chromatogram).
Így az egyes tömegspektrumok a gázkromatográfiás csúcsokhoz
egyértelműen hozzárendelhetők. Ennek megfelelően a szokásos gázkromatográfiás mennyiségi információ mellett egyértelmű minőségi információt is szolgáltat e műszerkombináció.
Nagymértékben
segíti a minőségi elemzést az eddig felhalmozódott olyan spektrumgyűjtemények felhasználása, amelyek számítógépes könyvtárak, adatbankok formájában állnak rendelkezésre. 60
GC-MS Különleges, többlet mennyiségi információt szolgáltat az
ún. szelektív ionkövetéses (SIM: monitoring) méréstechnikai megoldás.
selected
ion
Elve: Ennek az a lényege, hogy a mérés során egy
alkotónak nem a teljes tömegspektrumát készítjük el, hanem csak az illető alkotóra egyedileg jellemző, valamelyik ionjának az intenzitását mérjük.
Így az abszolút ionintenzitás mérésével, kalibrációt
követően, mód van mennyiségmérésére.
az
adott
vegyület
érzékeny
61
GC-MS A GC-MS gyakorlati alkalmazása során ki is
használjuk ezeket a lehetőségeket, leggyakoribb alkalmazási területek:
így
a
minőségi elemzés tömegspektrum alapján,
mennyiségi elemzés a rekonstruált kromatogram és a SIM segítségével.
a
karakterisztikus
62
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: A mennyiségi elemzés gyakran a gázkromatográfiás
elemzés alapvető feladata. Cél:
a sokkomponensű minta alkotóinak a lehető legjobb elválasztása, a legérzékenyebb detektort alkalmazva, a lehető legrövidebb idő alatt megbízható mennyiségi információ az adott minta összetételéről, még akkor is, ha az egyes alkotók az eredeti mintában igen kis mennyiségben vannak jelen. 63
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: Ha a méréshez nem a megfelelő mennyiségi elemzési
módszert választjuk meg, alapvető hibákat követhetünk el, még akkor is, ha elválasztási szempontból nem találunk kivetnivalót a követett eljárásban.
gázkromatográfiás (és más műszeres) elemzés mennyiségi módszerei aszerint csoportosíthatók, foglalhatók logikailag is egységes rendszerbe, hogy a mérés érzékenységét hogyan használjuk fel.
A
64
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: gázkromatográfiás mennyiségi elemzés érzékenysége (Si) adott detektálási módszer és adott alkotó esetében az egységnyi mennyiségű anyag által szolgáltatott csúcsterület, azaz:
A
Si = Ai/mi
és Si = Ai/ci hányadosokkal,
ha a tömeg-, területváltozást hangsúlyozzuk.
vagy
a
koncentrációváltozásra
eső
Ahol:
Ai az i-edik alkotó csúcsterülete, mi, illetve ci, a tömege, illetve koncentrációja. Si: az érzékenység
65
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: Három alapmódszert különböztettünk meg: 1. A kalibrációs módszer: az érzékenység kísérleti meghatározására
épül.
2. Az addíciós módszer: elkerüli az érzékenység meghatározását, de
feltételezi annak állandóságát egy kísérletsorozaton belül.
3. A belső standard módszer: a relatív érzékenység használatán
alapszik. Mindegyik alapmódszernek több változata is létezik, így egyik-másik jól
illeszthető a gázkromatográfiás mérés speciális feladataihoz és problémáihoz. 66
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: A továbbiakban az első két alapmódszert (kalibráció, addíció) és
változataikat tekintjük át, vizsgálva azt is, hogy a gázkromatográfiás analitikai gyakorlatban hogyan használhatók, vagy éppen milyen akadályai lehetnek az alkalmazásuknak.
1. Kalibrációs módszer: Az érzékenységet határozzuk meg úgy, hogy a mérendő alkotó ismert összetételű mintáit gázkromatografáljuk és a kapott csúcsterületekből a tömeg (koncentráció) ismeretében az Si-t számoljuk. Így
a mérendő alkotó csúcsterületét (koncentrációja) kiszámítható.
megmérve
annak
tömege
A kalibráció lehet:
Egypontos kalibráció Többpontos kalibráció 67
Kalibrációs módszer: Az egypontos kalibrációs módszer használata két lépésből áll:
Standard oldat készítése Mérés a GC-vel
Az első lépésben elkészítjük az elegyet (standard oldat) - az ismert
minőségű vegyületek felhasználásával - melyet gázkromatográfiás mérés után az érzékenység maghatározására használunk fel.
A standard oldatot pontos összeméréssel állítjuk elő, úgy, hogy az i,
k, l, .. n alkotókból mért tömegű mi, mk, ml,…mn mennyiségeket st térfogatra hígítjuk, így az oldat ci, ck, cl,…cn koncentrációjú lesz.
Ennek az oldatnak csak egy p részét injektájuk a gázkromatográfba és
így a következő ábra „a” részéhez jutunk.
68
Kromatogramok az egypontos kalibrációs módszer alkalmazásához a: a standard elegy kromatogramja b: az ismeretlen minta kromatogramja Az érzékenység az „a” kromatogram alapján:
Si = (Ai/stci) p Ezután a meghatározandó ismeretlen minta Vx térfogatának vagy Gx tömegének a pq q-ed részével készült kromatogram („b”) adatait dolgozzuk fel:
mi,x = (Ai,x/Ai)mi q/p, mg-ban kifejezve. 69
Kalibrációs módszer: A módszer alkalmazási területei:
Gázelemzés Tájékozódó elemzés: folyékony minták közelítő összetételének a megállapításához, az egypontos változat segítségével. A mérés linearitási tartományának, kimutatási határának meghatározása.
valamint
70
Mennyiségi elemzés GC-ben és GC-MS-ben: 2. Addíciós módszer: A módszer elsősorban dúsításos mintavételre épülő
gázkromatográfiás elemzéseknél használható, amikor az alkotó és a mátrix kölcsönhatása is befolyásolja a dúsítás eredményességét.
Az addíciós módszer esetén a mérés érzékenységének
állandóságát tételezzük fel és elkerüljük a konkrét kísérleti meghatározását.
71
Kromatogramok az addíciós módszer értelmezéséhez
Az ábra „a” részén kapott kromatogram alapján: Ai’ = Si(mi,x/p) A „b” részét úgy készítjük, hogy a minta Vx részletéhez hozzáadjuk a meghatározandó alkotó i térfogatú, ismert ci koncentrációjú részletét és ebből a (Vx + i)/q térfogatot injektáljuk. A „b” kromatogram alapján: Ai” = Si(mi,x + mi/q) Az Ai’ és az Ai” hányadosát véve, ebből az ismeretlen mennyisége kifejezhető: 72
mi,x = mi/( Ai”/ Ai’)(q/p)- 1
mg-ban kifejezve.
A GÁZKROMATOGRÁFIA ÉS A GC-MS KOMBINÁCIÓ ALKALMAZÁSA A KÖRNYEZETVÉDELMI ANALÍZISBEN
73
A GC és a GC-MS környezetvédelmi alkalmazásai A környezetvédelmi analízis a gázkromatográfia számára
számos feladatot jelöl ki, ezek a következők:
Légszennyezők szerves alkotóinak elemzése. A víz illó alkotóinak elemzése. Porok (szálló és ülepedő) elemzése. Szermaradványok (mezőgazdasági termékekben, élelmiszeripari- növényi-, állati termékekben, stb.) elemzése. Talajok szermaradványainak elemzése. Hulladékok illó alkotóinak analízise.
74
A GC és a GC-MS környezetvédelmi alkalmazásai is csoportosíthatók a gázkromatográfia környezetanalitikai feladatai, hogy mi a célja az információ-szerzésnek.
Aszerint
Lehet a cél: 1. A szennyező források felderítése, a szennyezés mértékének a megismerése, ellenőrzése (az emisszió mérése), 2. A szennyező anyagok, a szennyezés terjedésének a nyomon követése (a transzmisszió mérése), 3. A környezet állapotának a feltérképezése, a környezet állapotának folyamatos ellenőrzése (az imisszió mérése), 4. A munkahelyi szennyezések, egészségkárosító hatások felmérése.
75
A GC és a GC-MS környezetvédelmi alkalmazásai A szennyezések kibocsátása (emisszió) is többféle
lehet:
A helyhez kötött pontforrások (kémények, kürtők, kimenő vízi csatornák) vizsgálata viszonylag könnyebb, mivel a forrás “kimenete” viszonylag jól definiált.
Az épületforrások, vagy a felületi források (pl. egy földgázfogadó, vagy elosztó telep) vizsgálata nehezebb, mivel több ponton van szükség az elemzésre.
Még nehezebb a diffúz emisszió források (pl. talajba, talajvízbe beengedett szennyezések) ellenőrzése. 76
A szennyezések kibocsátása (emisszió) is többféle lehet:
Különleges feladat a transzmissziómérés, mivel a szennyezés terjedését modellezni vagyunk kénytelenek a környezetre ártalmatlan alkotók kibocsátásával és koncentrációjuk alakulásának követésével.
Az imisszió mérés is több célú lehet (globális, kontinentális, regionális, területi, lokális felmérés), bár legtöbbször a lokális környezetminőség az, amire a leginkább kíváncsiak vagyunk. Ugyanez érvényes a munkahelyi környezetre is.
77
A GC és a GC-MS környezetvédelmi alkalmazásai már földünk minden civilizált országában határértékekkel szabályozzák szennyező alkotók kibocsátását, a környezetben és a munkahelyeken (munkahelyi légtérben) megengedhető maximális szennyezés-koncentrációkat.
Ma
Ilyen határértékeket - technológiai szempontból érdekes - minden
szerves vegyületre megszabnak, talajszennyezésről legyen szó.
akár
levegő-,
víz-,
vagy
Külön határértékeket állapítanak meg az állati termékekre, növényi
eredetű élelmiszerekre, takarmányokra, stb., sőt a textíliák megengedhető növényvédő szer, rovarirtó szer és rákkeltő aril-amin koncentrációjára vonatkozóan is. 78
A gázkromatográfia konkrét környezetvédelmi alkalmazásai I. Légszennyezők analízise: környezeti levegő szerves szennyezettségi állapotának a mérése, a szennyezések összkoncentrációjának ismeretén túl a szennyezők anyagi minőségének a megismerését is célozza.
A
Különösen a városi levegő aromás szennyezettsége
jelent egyre nagyobb veszélyt. Az aromás szénhidrogének egy része illó alkotóként a vegyigyárak és a robbanómotorok emissziója révén kerül a levegőbe (másodlagosan a vízbe, talajba). 79
Légszennyezők analízise: 1. A kondenzált gyűrűs aromás szénhidrogének: (PAH: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) Három vagy több kondenzált aromás gyűrűt tartalmazó hidrofób, rezisztens anyagok (antarcén, fenantrén, pirén, benzpirén).
A vegyületcsoport több tagjának rákkeltő hatása van. Igen nagyszámú (több száz) PAH vegyület létezik, melyek karcinogén hatása több nagyságrenddel különbözik.
A nagyhőmérsékletű technológiák (erőművek, fémkohók, dízelüzemű motorok, hulladékégetők, stb.) szilárd égéstermékeivel kerülnek a levegőbe, majd a légköri üledékek kísérőanyagaként a talajba és a felszíni vizekbe. 80
A PAH vegyületek fontosabb képviselői
Legveszélyesebb
81
Légszennyezők analízise: Általában
a nagyszámú poliaromás vegyület mérésére sem lehetőség, sem szükség nincs.
mindegyikének
Elegendő bizonyos kiemelt vegyületek meghatározása, ezeket a
különböző szervezetek úgy választják ki, hogy figyelembe veszik egyrészt a rákkeltő hatás erősségét, másrészt azt, hogy a különböző vegyülettípusok képviselve legyenek.
16 elsődleges szennyezőt ismerünk. A levegő vizsgálatoknál a
gyakorlatban a szálló por PAH tartalmát kell meghatároznunk.
A levegőben a szálló por szemcséin adszorbeálva fordulnak elő.
Ennek megfelelően a mintavétel porszűrést jelent.
82
Légszennyezők analízise: A szokásos mintavételi eljárás az, hogy 0,22 m pórusméretű
membránszűrőn a levegőt megfelelő térfogatárammal átszíva, a várható szennyeződésektől függően 1-24 óráig gyűjtjük a port.
A leválasztott por tömegét a szűrő mintavétel előtti és utáni
mérlegelésével állapítjuk meg.
Mivel a PAH vegyületek fotokémiai degradációra hajlamosak, a
mintát tárolás, kezelése hűtőszekrényben kell tárolni.
közben
fénytől
védeni
kell,
Ezt követően GC-MS készülékkel végezzük el az elemzést.
83
PAH-ok elemzése városi pormintából
84
Légszennyezők analízise: Egyéb légszennyezők: A legtöbb ipari tevékenység kapcsán a levegőbe antropogén úton szennyező anyagok kerülnek, melyek mennyiségét gázkromatográfia segítségével mérni lehet.
2.
Az analízis fontos lépése a megfelelő mintavétel. Ipari
kémények, kürtők esetén - különösen ha a technológia szakaszos - ún. dúsításos mintavételt kell alkalmazni.
85
Légszennyezők analízise: Ehhez két darab, sorba kapcsolt, aktívszenet tartalmazó
adszorpciós csövet kell használni. A mintavétel ideje legalább 2 óra, sebessége kb. 5 l/h sebességgel.
eredmény megbízhatóságának párhuzamos mintavételt kell végezni.
Az
növelésére
több
mintavételt követően a laboratóriumi feldolgozás deszorpciót jelent, valamilyen oldószerrel, majd a mintákat a gázkromatográfiás készülékbe szúrjuk fecskendő segítségével.
A
86
Légszennyezők analízise: Egy ilyen mérés eredményeképpen a következő
ábrán látható kromatogramhoz jutunk. A szilárd anyagok egy része kiülepszik a levegőből,
s belekerül a talajba, rákerül a növényekre, állatokra, stb.). Ezért fontos, hogy a szerves szennyeződést ne csak
a levegőben, de a talajban és a vízben is nyomon kövessük. 87
Gyári kürtőből vett adszorpciós minta kromatogramja
88
A gázkromatográfia konkrét környezetvédelmi alkalmazásai II. Víz szerves szennyeződéseinek a meghatározása: felszíni vizek, különösen a folyók vizének a permanens szennyeződései az üzemanyag és kenőanyag eredetű szennyeződések, az aromás, klóraromás, fenol típusú komponensek, műanyaglágyítók és a különböző mosószerekből származó felületaktív anyagok.
A
Az illó alkotók méréséhez az analitikai megoldást az on-line GC
vagy a GC-MS kombináció szolgáltatja.
legnagyobb mennyiségben jelenlévő koncentrációja 1 g/l körüli érték (ppb)!
A
szénhidrogének
89
Víz szerves szennyeződéseinek a meghatározása: kis koncentrációjú komponensek mennyiségi meghatározásához – a nagy hibalehetőségek miatt – főként kalibrációs módszert szokás használni.
Ilyen
Néhány kritikus alkotó egyedi mérését azonban belső standard
módszerrel célszerű elvégezni. fenol meghatározása analitikai feladat.
A
élővizekben,
szennyvízben
fontos
Ipari szennyvízben a fenolon kívül több más alkotó is előfordul.
Ennek megfelelően célszerű olyan kolonnát választani, amelyen az aromás gyűrű jellege szerinti elválasztás érhető el. 90
Fenol meghatározása ipari szennyvízben (GC-MS)
91
Víz szerves szennyeződéseinek a meghatározása: Ebben
fenil-szubsztituált
polisziloxán
fázisok
segítenek. Ezért ilyen típusú állófázist célszerű választani. A víz, mint mátrix, kellemetlen az elválasztás és a
detektálás szempontjából is. Ezért célszerű a víztől dúsítással megszabadulni. A
legjobb megoldás erre a szilárd-folyadék extrakció. 92
A gázkromatográfia konkrét környezetvédelmi alkalmazásai III. Szilárd minták kevéssé illó szerves szennyezőinek a meghatározása: A nagyhőmérsékletű technológiák kevéssé illó, toxikus szennyezőinek,
a belső égésű motorok szilárd emisszió-termékeinek, stb. fő gyűjtőhelye a talaj, a városi por.
Ugyanezen alkotók a város légterében lévő szállóporból és még
inkább a leülepedett porból (por, korom együtt értendő) kinyerhetők és analizálhatók. az esetben is megfelelő mintavétel után, a elemezhetők GC vagy GC-MS kombináció segítségével.
Ebben
minták
93
Szilárd minták kevéssé illó szerves szennyezőinek a meghatározása: A por vagy talaj minta PAH tartalmának a kinyerésére több
lehetőség is kínálkozik:
Hexán-diklór-metán extrakció.
Ugyanilyen oldószereleggyel Soxhlet extrakció (extrakciós hüvely).
Szuperkritikus fluid extrakció (SFE), CO2-vel (45 °C-on és 80 bar nyomáson).
1:1
arányú
elegyével
ultrahangfürdős
Ezt követően az extraktumot gázkromatografáljuk.
94
Szilárd minták kevéssé illó szerves szennyezőinek a meghatározása: ismétlődő feladat talaj üzemanyagok okozta szennyezőinek a vizsgálata, illetve meghibásodott tartályok, transzformátorok, vagy szándékos szennyezés következményeinek felméréséhez van sokszor szükség analitikai segítségre.
Gyakorta
A mintavétel a felszínen történő egyszerű lapátolással vagy ha a
szennyezés mélyebb rétegben történt, akkor szúró mintavevővel történhet.
Ezekből a mintákból a benzin, gázolaj, stb. kinyerése extrakciós
megoldással (n-hexán, n-hexán-aceton elegye) valósítható meg. Megfelelő koncentrálás után az elkészített mintát vagy extraktumot gázkromatografáljuk. 95
Gázolajjal szennyezett talajminta extraktumának kromatogramja
96
Folyadékkromatográfia (LC)
97
A folyadékkromatográfiás módszerek közül a nagy hatékonyságú folyadékkromatográfiának (HPLC) van kiemelkedő jelentősége. High Performance Liquid Chromatography
High Pressured Liquid Chromatography
98
Folyadékkromatográfia
A folyadékkromatográfián belül az állófázis
minősége, illetve a megoszlást előidéző folyamat minősége szerint:
adszorpciós (szilárd álló fázis), megoszlásos (folyékony álló fázis), és ioncserés (ioncserélő állófázis) kromatográfiát különböztetünk meg. 99
Folyadékkromatográfia A különböző vándorlási
sebességen alapuló elválasztási módszerek közül a HPLC-nél az egyes komponensek elkülönülése azért jön létre, mert minden egyes komponens eltérő időt tölt az álló fázison.
Másképpen
kifejezve a komponensek megoszlása az álló és a mozgó fázis között eltérő és nagyobb, mint nulla. 100
Folyadékkromatográfia Az elválasztást tehát mind az álló, mind a
mozgó fázis minősége megszabja. Kis mértékű változtatás, akár az álló fázis
felületi tulajdonságaiban, akár a mozgó fázis összetételében, megváltoztatja a molekuláris kölcsönhatásokat, s ezzel a komponensek visszatartását. 101
Folyadékkromatográfia Adott álló fázis tulajdonsághoz adott mozgó fázis
összetétel szükséges ahhoz, hogy a komponens megkötődjön az álló fázis felületén.
nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás módszerek osztályba sorolásának egyik lehetséges módja az álló és mozgó fázis minőségén alapul.
A
A HPLC-s módszereket az álló és a mozgó fázis
minősége sorolhatjuk:
szerint
különböző
osztályokba 102
Folyadékkromatográfia Állófázis minősége
Mozgófázis összetétele
Kromatográfiás módszer
Poláris
Apoláris
Normál fázisú HPLC
Apoláris
Poláris
Fordított fázisú HPLC
Apoláris
Poláris oldószerhez hidrofób iont adunk
Fordított fázisú ionpárkromatográfia
A felületen töltés van
Puffer
Ioncserés kromatográfia
A felületen erős kationcserélő van
Ásványi sav tartalmú víz vagy víztartalmú elegy
Ionkizárásos kromatográfia
Kis ioncserélő kapacitású töltet
Közepes vezetésű puffer
Nagy pórusátmérőjű töltet
Víz vagy szerves oldószer
Méretkizárásos kromatográfia
Kissé hidrofób felületű töltet
Nagy sótartalmú oldat
Hidrofób kölcsönhatású kromatográfia 103
Ionkromatográfia
A HPLC-s módszerek osztályozása
A HPLC műszerezettsége
104
A HPLC műszerezettsége
A HPLC rendszer felépítése
105
A HPLC műszerezettsége
106
A HPLC készülék
A legismertebb HPLC-készüléket gyártó cégek:
Waters Merck
Hawlett Packard 107
A HPLC készülék
108
A HPLC műszerezettsége eluenst (mozgó szivattyúval áramoltatják.
Az
fázis)
nagynyomású
nagynyomású szivattyúnak 0,1-10 cm3/min áramlási sebességet kell biztosítania, 10-500 bar nyomásig 1-3 % térfogat áramlási fluktuáció mellett.
A
Az elválasztás lehet:
Izokratikus: ha a nagynyomású szivattyú az elválasztás ideje alatt állandó mozgófázis összetételt szállít.
Gradiens elúció: Ha időben növeljük az eluens erősségét. Ha két oldószerrel dolgozunk biner, ha hárommal tercier gradiens elúcióról beszélünk. 109
A HPLC műszerezettsége 1. Mintakészítés: a) A minta oldása (megfelelő oldószer (eluens) segítségével). b) A minta szűrése (megfelelő pórusméretű szűrővel). c)
Mintatartó edénybe történő elhelyezés (automata adagoláshoz) vagy felszívás fecskendőbe.
110
A HPLC műszerezettsége
111
A HPLC műszerezettsége 2. Minta bejuttatás: A mintát vagy manuálisan, vagy automata mintaadagolóval juttatjuk a rendszerbe. Az automata megoldással
általában 25-100 minta adagolása lehetséges előre programozott időrend szerint. 112
Automata mintaadagoló
113
Automata mintaadagoló
114
A HPLC műszerezettsége 3. Elválasztás: A kolonna a rendszer lelke. Általában a folyadékkromatográfiában a töltetes kolonnákat alkalmazzák. Átmérője 2-8 mm. Ha az átmérőt 2 mm alá csökkentjük, akkor szűk
furatú, ha 1 mm körüli értékre, akkor mikrofuratú kolonnáról beszélünk.
Lehetséges, hogy az álló fázist egy kapilláris belső
felületére visszük fel, ekkor kapilláris kromatográfiáról beszélünk.
folyadék
115
A HPLC műszerezettsége
Töltetes kolonnák
Kapilláris kolonna
116
Egy töltetes kolonna részletes felépítése 117
Oszlop töltet
Gömb
Szabálytalan Átmérő
118
4. Detektálás A rendszer következő egysége a detektor. Detektorként
az alábbi típusokat alkalmazzák, átfolyós küvettával:
UV, UV-VIS abszorpciós detektorok Fluoreszcenciás detektorok Elektrokémiai detektorok (amperometriás, coulombmetriás) Vezetőképességi detektorok Törésmutató-különbség mérésén alapuló detektorok (RI) Egyéb detektorok: radiokémiai, fényszórás mérésen alapulók, polarimetriás detektorok.
A detektorok mérési térfogata 1-10 l között változik. A kimutatási határokat az egyes típusoknál a következő 119 táblázat foglalja össze.
A HPLC műszerezettsége Kimutatási határok HPLC-s detektorok esetében
Detektor típus
Kimutatási határ
UV, UV-VIS
0,1 ng
Fluoreszcens
0,01-0,001 ng
Elektrokémiai
0,01-0,001 ng
Vezetőképességi
1-10 ng
RI
10-100 ng
A detektor típusának megválasztását mindig a vizsgálandó vegyület 120 tulajdonsága szabja meg.
Kromatogramok és azok kiértékelése A kromatográfiás vizsgálat eredményeképpen kapjuk
meg a kromatogramot, amely nem más, mint a retenciós idő vagy térfogat függvényében felvett jel.
121
Kromatogramok és azok kiértékelése
122
Kromatogramok és azok kiértékelése A kromatogram a minőségi és mennyiségi
kiértékelés alapja: Minőségi kiértékelés: a retenciós adatok
alapján történő azonosítás. Mennyiségi kiértékelés: a kromatogramon
levő elúciós csúcsok területe (a jel idő szerinti integrálja) arányos az alkotó mennyiségével. 123
A HPLC alkalmazási területei
124
A HPLC környezeti analitikai alkalmazásai Környezeti minták szerves anyag tartalmának meghatározása:
Környezeti minták (víz, talaj, növényi- és állati eredetű és élelmiszer minták) növényvédőszer vagy műtrágya maradvány tartalmának meghatározása.
Környezeti minták (víz, talaj,) olaj szennyeződéseinek meghatározása.
Víz-, talaj- és porminták PAH (naftalin, antracén, fenantrén, stb.) tartalmának meghatározása
Környezeti minták szervetlen komponenseinek meghatározása:
Környezeti mintákból (víz, talaj,) meghatározása ionkromatográfiával.
anionok
egymás
melletti 125
Az elválasztást meghatározó tényezők
126
Az elválasztást meghatározó tényezők Az egyes folyadékkromatográfiás módszerek csak
akkor használhatók, ha az eluensben a meghatározandó anyag átalakulás nélkül, a detektálási mód megszabta koncentrációban oldódik. folyadékkromatográfiában a nagy kinetikai hatékonyság feltétele a kis szemcseátmérőjű töltetek alkalmazása.
A
Minél kisebb az álló fázis szemcsemérete, annál
nagyobb az ún. elméleti tányérszám.
127
Az elválasztást meghatározó tényezők A hatékonyság jellemzője az elméleti tányérszám
(N): N = tr2/2 = 16 (tr/w)2 = 5,54(tr/)2 Ahol: , w, a csúcsszélességeket jelentik és w = 4 , = wln2/2, : félértékszélesség A szemcseátmérő csökkentésének határ szab a növekvő nyomásesés a kolonnán és az ebből eredő sugárirányú hőmérséklet gradiens. 128
Az elválasztást meghatározó tényezők
129
Az elválasztást meghatározó tényezők Továbbá a szemcseátmérő csökkentésével a szemcsék
külső felülete nő, amely azt eredményezi, hogy a kohéziós erő következtében a kis átmérőjű szemcsék összetapadnak és ezek az összetapadt szemcsék már úgy viselkednek, mint egy nagy átmérőjű szemcse. Ezeket figyelembevéve:
a pórusos tölteteknél a szemcseátmérő alsó határa 2-3 m, nem pórusos tölteteknél pedig: 1-2 m. 130
A kromatográfiás rendszerek felépítése
131
A kromatográfiás rendszerek felépítése A kromatográfiás elválasztás alapkövetelménye a
megfelelő stacioner fázis és a jól kiválasztott mozgó fázis.
kromatográfiás rendszerek kifejlesztésében bekövetkező fejlődést a következő ábra foglalja össze.
A
Egy rendszer csak akkor működik korrektül, ha
minden részegységük megbízható.
Megbízhatóság alatt itt a hosszú ideig tartó,
állandó értjük.
paraméterek
melletti
hibátlan
üzemet
132
A HPLC rendszerek típusai 133
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK
134
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás módszer
széles körű használatának egyik kulcsa, hogy az elválasztás az eluens összetételének változtatásával, egyegy módszeren belül is széles határok között befolyásolható.
A nagynyomású szivattyúval szemben támasztott
általános követelmény, hogy kb. 10-500 bar (max. 50 MPa) nyomásesés ellenében 0,01-10,0 ml/min pulzálásmentes térfogat áramlási sebességgel szállítsa a mozgó fázist. pulzálásmentesség azt jelenti, hogy a térfogatáram/nyomás fluktuációjának értéke legyen minimális, a mai követelmények szerint maximum 1%.
A
135
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK hangsúlyozni, hogy a nagynyomású szivattyúnak alkalmasnak kell lennie korrozív, vagy agresszív folyadékok hosszabb ideig történő áramoltatására (ilyenek pl. salétromsav, haloid-ionok, kénsav tartalmú eluensek), korróziós problémák nélkül.
Fontos
nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiában használt eluens szállító rendszerekkel szemben támasztott követelmények a fent megadott általános kritériumon kívül sokrétűek.
A
136
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Ezek közül néhány fontosat kiemelünk: nyomáson szállítson, akár kis, akár nagy térfogatáramlási sebességgel, és így alkalmas legyen mikrofuratú (microbore) és (fél) preparatív folyadékkromatográfiás elválasztásra.
Nagy
A pulzáláscsökkentés akár mechanikus, akar elektronikus
úton megoldható legyen (alapvető követelmény pulzálásra érzékeny detektorok alkalmazásakor).
a
Cserélhető nagynyomású szivattyúfej, pl. analitikai, kis
térfogatú szivattyúfej rozsdamentes acélból teflonfejre.
cseréje preparatívra, készült cseréje titán-
vagy vagy 137
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Automatikus kompresszibilitás-kompenzáció, amely
lehetővé teszi, hogy az eluens anyagi minőségétől függetlenül a beállított érték megegyezzen a tényleges szállítóteljesítménnyel.
Kompatibilis a kis forráspontú oldószerekkel, pufferelt
eluensekkel, ionpárképző anyagokkal.
Gyors eluenscsere-lehetőség, azaz ún. priming és kis
holttérfogat (hold-up).
Működtetés és vezérlés számítógépen keresztül, az
eluens összetétel, az áramlási sebesség, a gradiens profil programozása közvetlenül, vagy gradiens vezérlőn keresztül. 138
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Az itt kiemelt jellemzők vizsgálata elkerülhetetlen új
nagynyomású szivattyú vásárlásakor.
megoldandó feladatok jellegétől automatizálás fokától függően követelményeket is meg kell vizsgálni.
A
és
az más
Ilyenek például: több ágon történő eluens szállítás, beépített nyomásmérő és túlnyomásvédelem, tömítések minősége és a rájuk vonatkozó garancia. 139
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK A folyadékkromatográfiás gyakorlatban alkalmazott szivattyúk működési elve A nagynyomású szivattyúk működésük alapján több csoportba oszthatók:
injekciós tű típusok (syringe-type), pneumatikus erősítésű (Haskel-type), alternáló mozgást végző, kiszorításos, kis dugattyú-térfogatú szivattyúk. 140
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK első két típus alkalmazása az analitikai folyadékkromatográfiában (analitikai folyadékkromatográfián a 2 - 8 mm-es belső átmérőjű, 10 - 300 mm hosszú kolonnával végzett folyadékkromatográfiás mérést értjük) kis jelentőségű.
Az
harmadik típus minden elkerülhetetlen a pulzálás.
A
megoldási
módjánál
141
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Szállítóteljesítmény
Idő
a: egyetlen szállítófejjel p=0 nyomásesés ellenében a szállítóteljesítmény-idő függvény 142 b: két, 180° fáziseltolással üzemeltetett szivattyú szállítóteljesítmény diagramja c: p0 nyomásesés ellenében látható az áramlási sebesség ingadozása
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Térfogatáram
Átlapolás
Eredő térfogatáram Idő A ma használt megoldásban két szivattyúfej sorba kötésével és a szállítási ciklusok átlapolásával kapott térfogatáram-idő összefüggése és pulzáláseffektusa látható.
A speciálisan kialakított dugattyúvezérlés alkalmazásakor a két dugattyú szállítóteljesítmény görbéje átlapol, az eredő térfogatáram csaknem fluktuációmentes.
143
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK A nagynyomású szivattyúk működését befolyásoló tényezők Ezek elsősorban az eluens előkészítésével függenek össze. Fontosak az alábbi megállapítások: Az eluens nem tartalmazhat szilárd részeket. Működés közben nem keletkezhetnek szilárd részecskék. Az eluens nem tartalmazhat oldott gázokat. Az eluens kompatibilis kell, hogy legyen a szivattyú
szerkezeti anyagaival.
144
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK 1. Szilárd részecskék hatása A szilárd részecskék a következő problémákat okozzák: Eltömik a szivattyú eluens-szűrőjét.
szelepülésre megakadályozzák.
A
rakódva
a
szelepek
működését
Ha a nyomószelepet szűrő védi a szilárd szennyezőktől, az
eltömődhet.
A nyomásmérő egységbe jutva lehetetlenné teszi annak konkrét
működését.
A mintaadagolóba jutva károsítják a műanyag alkatrészeket. Eltömik a kapillárisokat vagy a kolonna bemenő szűrőjét. 145
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Az eluensből a szilárd részecskéket szűréssel lehet
eltávolítani.
eluenst általában 0,4-0,5 m átlagos pórusméretű szűrőn átvezetve a szilárd anyagoktól mentesíteni lehet.
Az
Különösen
fontos azoknak az eluenseknek a szűrése, amelyek puffert, ionpárképző anyagot, inert sókat tartalmaznak.
A szivattyú működése közben keletkező szilárd
anyagok eredete kétféle lehet:
Az eluensből kiváló anyag. A szivattyúból származó szilárd részek.
146
Szűrő típusok
147
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK 2. Gázbuborékok okozta működési zavarok és elhárításuk Mind a szivattyú, mind pedig az UV detektor
érzékenységet befolyásolja az eluensben jelenlévő oldott oxigén.
Ha nem gázmentesítünk, működés közben az oldott
gáz felszabadul, és az nagyobbakká állnak össze.
apró
gázbuborékok
Így a beállított áramlási sebesség megváltozik és
jelentős pulzálás keletkezik.
148
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK Az oxigénmentesítésre alkalmazott módszerek a következők:
vákummal, héliumgázzal történő oxigén-kihajtás, ultrhangfürdővel.
Hatékonyság szempontjából legjobb a héliumos módszer, kevésbé jó a vákuumos, és végül kisebb hatékonyságú az ultrahangos megoldás. 149
ELUENST SZÁLLÍTÓ RENDSZEREK 3. Korróziós problémák Gyakran előfordul, hogy korrozív eluenst kell a
HPLC-s rendszerben áramoltatni.
A leggyakrabban használt szerkezeti anyag rozsdamentes acél. Ezek viszont haloidok, különösen a klorid-ionok jelenlétében korrodeálódnak.
A titán a korróziónak ellenáll, ezért alkalmazása ilyen esetben előnyösebb.
Manapság a műanyagok fejlődésével egyre inkább készítenek pl. teflonból alkatrészeket, mely szintén korróziónak ellenálló anyag. 150
HPLC-S DETEKTOROK ALAPVETŐ JELLEMZŐI ÉS HASZNÁLATUK
151
HPLC-S DETEKTOROK A HPLC-ben használt detektorok működési elvben
különböznek, azaz más és más fizikai vagy kémiai paraméter változására adnak jelet.
A detektor lehet:
Eluens érzékeny: ahol az eluens valamilyen fizikai vagy kémiai tulajdonságának változását mérjük (pl. RIdetektor);
Komponens érzékeny: ahol a komponens képezi a ténylegesen mért jelet (pl. UV-VIS-, fluoreszcenciás-, elektrokémiai detektorok). 152
HPLC-S DETEKTOROK detektorok összehasonlításakor paramétereket használjuk:
A
a
következő
Dinamikus tartomány Lineáris tartomány A detektálás alsó határa Detektor zaj Cella térfogat és geometriai kialakítás Időállandó A nyomásváltozás hatása a jel/zaj viszonyra Az áramlási sebesség hatása a jel/zaj viszonyra A hőmérséklet hatása a jel/zaj viszonyra
153
HPLC-S DETEKTOROK Dinamikus tartomány: az a koncentráció
tartomány, ahol a koncentráció változása a detektorjel változását okozza. tartomány alsó határa a legkisebb kimutatható anyagmennyiségnél kezdődik, felső határa pedig ott van, ahol már a növekvő anyagmennyiség nem változtatja meg a jelet.
A
A dinamikus tartomány magában foglalja a
detektor lineáris tartományát.
154
HPLC-S DETEKTOROK Lineáris
tartomány: a detektorjel és a mintamennyiség között a következő összefüggés áll fent: J=Sc illetve J=Scr Ahol:
J: a detektorjel S: a detektor érzékenysége c: a minta koncentrációja r: válasz index, melynek értéke: 0,98-1,02. 155
A dinamikus és a lineáris tartomány
A lineáris tartomány addig terjed, amíg az egységnyi koncentráció változásra jutó 156 jelváltozás állandó, illetve az ettől való eltérés nem haladja meg az 5 %-ot.
HPLC-S DETEKTOROK A detektálási alsó határ: megadásánál el kell határolni az
érzékelőre (detektor) és a rendszerre vonatkozó értékeket. Gyakorlatilag az utóbbira vonatkozó adat a fontos.
A legkisebb kimutatható anyagmennyiség (m), előre rögzített
jel/zaj viszony (J/n=2) mellett a következő összefüggéssel adható meg: m=2r2L(1+k2)/N1/2S
Ahol:
m: a minta tömege : a kolonna porozitása L: a kolonna hossza k: a kapacitási tényező (a minta visszatartására jellemző) N: az adott komponensre jellemző elméleti tányérszám (kinetikai hatékonyság) S: detektor-érzékenység 157 r: a töltet szemcsemérete
HPLC-S DETEKTOROK detektor jellemző kimutatási határ (érzékenységnek is nevezik): az adott anyagra jellemző koncentráció, amely a detektor cellán áthaladva a zaj kétszeresének megfelelő jelet adja, feltételezve azt, hogy az adagolás és a detektor cella között a minta hígulása elhanyagolható.
A
Ha a kolonna geometriai méretei, a töltet és a
visszatartásra jellemző adatok állandóak, akkor a legkisebb kimutatható anyagmennyiséget leíró összefüggés az alábbiak szerint egyszerűsödik:
m=KS
158
HPLC-S DETEKTOROK Zaj: a zaj megítélése az egész kromatográfiás rendszer
szempontjából alapvető. nagyobbnak kell lennie.
A
jel/zaj
viszonynak
minél
A detektorzajt alapvetően 3 komponensre tudjuk bontani: Rövidtávú zaj (short term) Hosszú távú zaj (long term) Alapvonalcsúszás (drift) Ha a zaj frekvenciája sokkal nagyobb, mint a jelé, akkor ez rövid távú zaj, Ha áramlásmentes állapotban mérjük, akkor ez a statikus, Ha folyadék áramlik keresztül a cellán, akkor ez a dinamikus rövid távú zaj. 159
Leggyakoribb HPLC-s detektorok
160
Detektorok összehasonlítása
161
1. UV-VIS detektorok felépítése és jellemzése
162
HPLC-S DETEKTOROK UV-VIS detektorok felépítése és jellemzése Ez a detektor egy speciálisan kialakított, rögzített
vagy változtatható hullámhoszon mérő spektrofotométerben elhelyezett, kb. 10 l térfogatú és 10-40 mm hosszúságú átfolyásos küvetta.
A kimutatás alsó határa 10-2 ng.
gondot jelent, hogy az elválasztott komponensnek a készülék hullámhossztartományában nincs mérhető elnyelése, illetve abszorbanciája kicsi. Ilyenkor származékképzéssel (aromás-csoportok bevitelével) válik analizálhatóvá a minta. 163
Gyakran
UV-VIS DETEKTOROK Működési tartományuk: 190-800 nm közé esik. Az ultraibolya-látható (UV-VIS) hullámhossz-tartományban működő folyadék-kromatográfiás detektor felépítését az alábbi ábra szemlélteti:
164
UV-VIS folyadékkromatográfiás detektor felépítése
UV-VIS DETEKTOROK Sugárforrásként két fajta gáztöltetű katódlámpa terjedt el:
Deutérium lámpa Xenon-lámpa
A deutérium lámpa általánosabban használt, emissziója a
hullámhossz és az üzemeltetési idő (max. 1000 üzemóra) függvénye. xenon lámpa nagyobb intenzitású, használatakor jól stabilizált tápegységet kell alkalmazni.
A
A detektor optikai felépítésének jellemzésére szolgáló
paraméterek a következők: A hullámhossz beállítás torzítatlansága A hullámhossz beállítás reprodukálhatósága Sávszélesség
165
UV-VIS DETEKTOROK A sávszélesség egyaránt hatással van az
érzékenységre és a detektor linearitásra, hiszen meghatározza a fotodiódára jutó energiát. Minél nagyobb a sávszélesség, annál inkább
csökken a kimutatási határ. Az UV-VIS detektorok sávszélessége általában 4-10 nm között változik. 166
UV-VIS DETEKTOROK A kapott jelet az alábbi tényezők befolyásolják A detektorcella térfogatának és geometriájának
kialakítása: a detektorcella kialakítása befolyásolja a fotodiódára jutó energia mennyiségét, ezért a hengeres furatú kialakítás helyett az ún. kónikus kialakításra kell törekedni.
A detektor időállandója: az időállandó a detektor
elektronikájára jellemző, mely növelésével a rövid távú zajok csökkenthetők, és ezzel a jel/zaj viszony növelhető. Bár az időállandó növelése torzítja a csúcsot és a maximum helyét is megváltoztatja. 167
UV-VIS DETEKTOROK Detektor-érzékenység a nyomás és az áramlási
sebesség változására: Az alternáló mozgást végző szivattyúknál minden esetben van maradandó pulzálás. Ez a nyomásingadozás együtt jár az áramlási sebesség változásával. A hatás növeli a zajt és felfelé tolja (rontja) a kimutatási határt.
A hőmérséklet változás hatása a detektor jel/zaj
viszonyára: a hőmérsékletváltozással megváltozik a közeg sűrűsége, így a törésmutatója is, s ezáltal a jel/zaj viszony. Azaz a detektornak termikus egyensúlyban kell lennie az eluenssel, különben a kimutatási határ nő (romlik) a hőmérsékletváltozás okozta zaj miatt. 168
UV-VIS DETEKTOROK Többcsatornás UV, UV-VIS és diódasoros detektorok a készülékek különböző hullámhosszakon egyidőben: több kromatogramot képesek felvenni, lehetőség van spektrumfelvételre illetve bizonyos spektrumfeldolgozásra.
Ezek
Diódasoros
detektoroknak nevezzük azokat a többcsatornás detektorokat, amelyek adott beállítási paraméterek mellett idő, intenzitás, hullámhossz adategyüttest gyűjtenek.
Az összegyűjtött adatokat számítógépen tárolják és mérés
után – a beállított mérési paramétereknek megfelelően 169 – korlátozás nélküli adatfeldolgozást tesznek lehetővé.
UV-VIS DETEKTOROK analízis szelektivitása növelhető, ha jól kiválasztott mérési hosszon mérjük az adott komponenst.
Az
Egycsatornás
UV detektornál kiválasztása időigényes.
a
hullámhossz
A diódasoros megoldással ez könnyen elvégezhető.
A diódasoros detektor egyik lehetséges elrendezését
a következő ábra mutatja.
170
Többcsatornás és diódasoros detektorok egyik optikai elrendezésének vázlata
A mintát fehér fénnyel világítjuk meg, a fényfelbontás pedig a küvetta után történik. A diódasoros detektor nem tartalmaz mozgó alkatrészt. 171 Az ábrán jól látható a diódasoros fényérzékelő használata.
UV-VIS DETEKTOROK Fényforrásként általában deutérium lámpát használnak. A
lámpa által emittált fény közvetlenül az átfolyó küvettán halad keresztül.
A küvettán áthaladó fény egy polikromátorra kerül, majd innen a
polikromátor fókusz síkjában elhelyezett fotodiódákra jut.
A diódasor egyszerre szolgál egy többcsatornás érzékelőként,
az információ tárolójaként és egy jeltovábbítóként.
fotodióda meghatározott szegmensét képviseli a spektrumnak. A diódák száma: 1024, 512, 256, de lehet 211 is.
Egy-egy
A diódák jele kombinálható. A diódasoros detektor maximális spektrális felbontása 1-5 nm
tartományba esik.
172
UV-VIS DETEKTOROK
Fotodiódasor blokkdiagramja
173
UV-VIS DETEKTOROK mérés kezdetekor a kondenzátorok feltöltött állapotban vannak.
A
diódát ért fény intenzitásának arányában a kondenzátor kisül, azaz töltéscsökkenés következik be. Ezt elektronikus úton mérik.
A
újrafeltöltéshez szükséges töltésmennyiség arányos lesz a diódára eső fény integráljának értékével.
Az
Ezek az intenzitás adatok tárolásra kerülnek a
további adatfeldolgozáshoz.
174
2. FLUORESZCENCIÁS DETEKTOROK
175
FLUORESZCENCIÁS DETEKTOROK Fluoreszkáló vagy fluorofor-csoportok beépítésével
fluoreszkálóvá tehető komponensek elválasztása során használhatók ezek a detektorok.
A természetesen fluoreszkáló vegyületek többnyire
többgyűrűs aromás vegyületek, melyek konjugált elektronrendszert tartalmaznak.
jelensége akkor lép fel, ha fényenergia hatására a molekula gerjesztett állapotba kerül, majd az alapállapotba, hogy közben fényt emittál (lásd előző félév anyaga).
Fluoreszcencia
176
FLUORESZCENCIÁS DETEKTOROK Foszforeszcenciáról
beszélünk akkor, ha az emisszió késleltetett, de ez közvetlenül nem alkalmas HPLC-s detektálás céljára.
A fluoreszcenciás detektorok speciálisan kialakított
fluoriméterben tartalmaznak.
elhelyezett
átfolyásos
küvettát
A fluorimetriás mérés jellemzője a nagy érzékenység,
a kis kimutatási határ és a nagy szelektivitás, bár csak kb. minden ezredik molekulára használható. 177
Spektrofluorométer
178
3. ELEKROKÉMIAI DETEKTOROK
179
ELEKTROKÉMIAI DETEKTOROK Az elektrokémiai detektálás során elektronátmenet
zajlik le az elektródokon.
Mivel az elektronátmenet energiafüggő folyamat,
függ a hőmérséklettől. Így az elektrokémiai detektorok hőmérséklet érzékeny detektorok, megfelelő termosztálásuk tehát alapvető fontosságú.
Az elektród felületére jutó anyagmennyiség függ a
térfogat áramlási sebességtől, tehát a nagynyomású szivattyú pulzálására is érzékenyek ezek a detektorok (kiegészítő pulzálás csillapítóra van szükség). 180
ELEKTROKÉMIAI DETEKTOROK Elektrokémiai
detektálással mérhető vegyületek: kén- és nitrogén-tartalmú vegyületek, többszörös konjugált kettős kötést tartalmazó vegyületek, cukrok.
elektrokémiai HPLC-s detektorok átfolyásos cellában elhelyezett, állandó potenciálon tartott elektródok, amelyek víz vagy vizet tartalmazó eluensekkel elválasztott, voltammetriásan aktív komponensek detektálására használhatók.
Az
181
4. TÖRÉSMUTATÓ-KÜLÖNBSÉG (Refractive Index = RI) MÉRÉSÉN ALAPULÓ DETEKTOROK
182
RI-DETEKTOROK Az RI detektor akkor alkalmazható, ha a vizsgálandó
komponens és a mozgófázis törésmutatója különbözik (minél nagyobb legyen a különbség).
A detektáláskor a kolonnát elhagyó eluens, az ún. effluens
törésmutatóját hasonlítjuk össze a tiszta eluensével.
Bár kimutatási képessége nem túl jó (1 ng), és a
kísérleti körülmények (hőmérséklet és áramlási sebesség) stabilitását jobban igényli, előnye, hogy majdnem minden szerves anyag kimutatására alkalmazható.
RI-vel detektálható anyagok: szénhidrátok, polimerek,
kőolajszármazékok, zsíralkoholok, felületaktív anyagok.
183
A HPLC-s elválasztás tervezése
184
A HPLC-s elválasztás tervezése HPLC módszerek az eltérő tulajdonságú vegyületek meghatározására kerültek kifejlesztésre.
A
gyakorlati feladat megoldása során mindig szembekerülünk azzal a problémával, hogy milyen kromatográfiás módszert válasszunk.
A
Erre egy példa: Mi az analitikai cél? A meghatározandó anyag tulajdonságát jól kell ismernünk ahhoz, hogy az analízis során ne műterméket hozzunk létre. 185
A HPLC-s elválasztás tervezése
Ismernünk kell, hogy az anyag milyen közegben stabil, és milyen körülmények között bomlik.
Különösen a vegyszermaradványok meghatározásánál fontos tudnunk, hogy kis koncentrációban az anyag fény hatására oxidálódik-e, vagy bomlik-e?
Ismernünk kell az oldószerek közötti megoszlást (logP).
A pKa-t: a savak és a bázisok disszociációs állandóját, ugyanis ennek ismeretében dönthető el, hogy milyen pH értéken kell dolgoznunk. 186
A HPLC-s elválasztás tervezése
A fenti két adat ismeretében kell meghatározni az eluens összetételét, amelynél a visszatartás értéke (k) 1 és 10 közé esik.
Ezt követően adott mozgófázis összetétellel elvégezzük az első mérést.
Ha a csúcsok szimmetrikusak, akkor az optimalizálási rész következik, ahol egy vagy két mérés alapján meghatározhatjuk a logk-szerves oldószer összetétel függvényt.
Ha a csúcsok asszimetrikusak (oka: rossz pH, a komponens erős kölcsönhatása az állófázissal) akkor az első szakaszban több mérést kell végeznünk. 187
A HPLC-s elválasztás tervezése
Ún. maszkírozószer akkor szükséges, ha a bázikus tulajdonságú vegyületünk erős kölcsönhatásba lép a módosított szilikagél felületen lévő szilanol csoportokkal.
A fenti módszer segítségével 2-3 lépés alatt megkapjuk a komponensek elválasztására alkalmas körülményeket.
188
189
A HPLC-s módszerek részletesebb megismerése
NORMÁLFÁZISÚ- ÉS FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA
190
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA 1. Normál fázisú folyadékkromatográfia (NP-HPLC) Az állófázis mindig polárisabb, mint a mozgó fázis.
Álló fázisként poláris felületű, mechanikailag stabil adszorbenseket használnak. mechanikai stabilitás fontos kritérium, mert ellenkező esetben az adszorbens 10-500 bar nyomáson töredezik, porlódik, ami a kolonna kinetikai hatékonyságát lecsökkenti. Ilyen töltet lehet a szilikagél.
A
191
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A szilikagél jellemzése: A szilikagél porózus anyag. Fajlagos felületét a pórusátmérő szabja meg, minél kisebb
a pórusátmérő, annál nagyobb a fajlagos felület.
folyadékkromatográfiában használt szilikagél pórusátmérője 6-20 nm közé esik, fajlagos felülete pedig 50-500 m2/g között változik.
A
A szilikagél poláros karakterét a szilanol-csoportok adják.
Ezek a csoportok savas karakterűek.
192
Eltérő aktivitású szilanol-csoportok a szilikagél felületén
193
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA vegyületeket, amelyek sav katalízis hatására átalakulnak a szilikagélen, nem lehet meghatározni.
Azokat
a
Ilyenkor a szilikagél helyett semleges vagy enyhén
bázikus alumínium-oxidot (Al2O3) használnak. A szilikagél felületi heterogenitását csökkenthetjük,
ha (poláris csoportokat tartalmazó) klórszilánnal reagáltatjuk. 194
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA
A szilikagél felületi módosítása
195
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A reakcióra jellemző, hogy a legaktívabb szilanol-
csoportok reagálnak először, és a szilanol-csoportok kb. fele reagálatlan marad, az X-csoport jellegétől függően pedig az adszorbens szelektivitása növelhető.
NP-HPLC-ben három eltérő tulajdonságú állófázist használnak (a zárójelbe tett számok a használati gyakoriságot jelentik):
A
Szilikagél (80-90 %) Alumínium-oxid (5-10 %) Módosított szilikagél (5-10 %) 196
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA Mozgó fázis a NP-HPLC-ben: A poláris állófázishoz apoláris mozgófázist kell alkalmazni azért, hogy a vizsgálandó komponenseknek véges visszatartása legyen. Az oldószer kiválasztásának szempontjai: Apoláris legyen. Kis nyomásesés biztosításához kis viszkozitású oldószert vagy oldószer elegyet kell használni. Ez a két fázis közötti gyors anyagátmenetet is biztosítja. Minél kisebb hullámhosszon nyeljen el fényt (UV-detektor alkalmazása). Jó UV-fény áteresztőképességű legyen. Az oldószer forráspontja ne legyen nagyon alacsony (ne legyen illékony), mert könnyen buborékok keletkeznek, melyek zavarják a mérést. Kevésbé legyen toxikus. Olcsó legyen. 197
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A mozgó fázis jellegére egy új fogalmat kell bevezetni, az
eluenserősséget.
Ez megadja, hogy a vizsgált komponens visszatartása milyen
mértékű.
Ha az eluenserősség kicsi, akkor a visszatartás (retenciós idő) nagy, fordított esetben viszont a visszatartás kicsi.
A NP-HPLC-ben minél apolárisabb egy oldószer, annál kisebb az eluenserőssége.
Mivel az eluens általában több komponensű oldószerelegy, ennek legkisebb eluenserősségű komponensét a szénhidrogének alkotják (hexán, heptán, izooktán).
Minél nagyobb a polaritása az oldószernek, annál nagyobb 198 az eluenserőssége.
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A NP-HPLC-ben leggyakrabban alkalmazott oldószerek, növekvő eluenserősség szerint
Oldószer típus
Konkrét példa
Szénhidrogének
Hexán, heptán, izooktán
Klórozott szénhidrogének
Diklór-metán, triklór-metán, diklóretán
Éterek
Diizopropil-, diizobutil-, metiltercier-butil-, dioxán, tetrahidrofurán
Észterek
Metil-acetát, etil-acetát
Alkoholok
Etil-alkohol, 2-propanol
Savak
Ecetsav
Aminok
Trietil-amin, butil-amin
199
NORMÁLFÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A NP-HPLC alkalmazási területei:
Talajmintákból olajos komponensek, huminanyagok és egyéb poláris vegyületek meghatározása apoláris szénhidrogénekkel.
200
FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA 2. Fordított fázisú folyadékkromatográfia (RP-HPLC) Ha a NP-HPLC-ben alkalmazott polaritás-viszonyokat
megcseréljük, akkor a mozgó fázis polárisabb lesz, mint az álló fázis, ekkor az elnevezés is változik, és ezt a módszert nevezzük fordított fázisú folyadékkromatográfiának. álló fázis apoláris jellege mellett mechanikailag stabilnak kell lennie.
Az
a
töltetnek
A normál fázisú technikánál alkalmazott szilikagél nagy
mechanikai stabilitású, felülete viszont poláris.
Ahhoz, hogy a felülete apoláris legyen, alkil-csoportokat
tartalmazó klórszilánnal kell reagáltatnunk.
201
FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA Attól függően, hogy az X1, X2, X3 csoport –Cl, -OCH3 vagy –CH3, eltérő felületi struktúrákat kapunk, azaz más tulajdonságú állófázist.
A szilikagél felületének módosítása klórszilánnal
202
FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA A mozgó fázis összetétele A mozgó fázis az RP-HPLC-ben:
poláris, kis viszkozitású, kis hullámhosszon fényelnyelő oldószerelegy. Az elegy legpolárisabb összetevője a víz. A víznél kapjuk a legnagyobb visszatartást.
A retenció csökkentésére a vízhez vele elegyedő oldószert kell adnunk.
203
FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA Ezek a következők: Metanol Acetonitril Etanol Propanol Tetrahidrofurán Dioxán A fentiekben felsorolt oldószerek a vízzel elegyítve
mindaddig megfelelő elválasztást adnak, amíg a vegyület nem tartalmaz savas vagy bázikus csoportokat. 204
FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA Ha tartalmaz: Ekkor az eluens pH-ját pufferekkel kell beállítani a
disszociáció és a protonálódás visszaszorítására.
A pufferkoncetráció az eluensben: 10-100 mmol/dm3. A leggyakrabban foszfát, borát, acetát puffereket
használnak.
Ezt a módszert, ahol a vegyületek ionos formáját
visszaszorítjuk, módszernek is.
nevezik
ion-visszaszorításos 205
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA (Reverz Phase Ion-Pair Chromatography: RP-IP-HPLC)
206
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA Elve: Az ionos vagy könnyen ionizálható vegyületek visszatartása a RP-HPLC-ben kicsi. A visszatartás növelésére és egyúttal a fordított
fázisú kromatográfiás rendszer szelektivitásának növelésére az eluensbe 1-100 mmol/dm3 koncentráció tartományban ionpár képző hidrofób iont adunk.
A hidrofób ion töltése ellentétes a meghatározandó
ionéval.
Több
egymás mellett lejátszódó folyamat 207 eredményeképpen megváltozik az elválasztás.
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA A következő folyamatok valószínűsíthetők: Ionpár képződés az eluensben, Ionpár képző adszorpciója az állófázis felületén,
Ionpár
képző és szerves vegyület adszorpciója az álló fázis felületén.
együttes
A folyamat összetett, ennek eredményeképpen több elméleti megközelítés is található az irodalomban.
208
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA A következő paramétereket kell kontrollálnunk a RP-IP-HPLC-ben: Az ionpár képző koncetrációja. Az ionpár képző jellege (lánchosszúság, egyenes vagy elágazó
szénláncú, só vagy pH hatására ionos állapotba kerülő).
A szerves oldószer minősége és koncentrációja az eluensben.
A puffer típusa, koncentrációja. Az idegen só koncentrációja. A hőmérséklet.
209
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA Az ionpár képző koncentrációjának növelésével az ellentétes töltésű vegyület visszatartása nő, majd egy állandó értéket ér el vagy csökkenhet is.
A vegyületek visszatartásának változásai az ionpár képző koncentrációjának függvényében 210 (1: Langmuir típusú görbe, 2: a hidrofób ion micellákat képez a mozgó fázisban, CMC: kritikus micellaképződési koncentráció)
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA Az elválasztást befolyásoló tényezők Az ionpár képző minél jobban adszorbeálódik az álló
fázis felületén, annál nagyobb a retenció.
A hidrofób-ion szénlánc hosszúságának növelésével
nő az adszorpciója apoláris álló fázis felületén.
nyílt láncú alkil-csoportot tartalamzók jobban adszorbeálódnak, mint az elágazók, tehát azonos szénatomszám mellett nagyobb lesz a vegyület retenciója.
A
211
FORDÍTOTT FÁZISÚ IONPÁR KROMATOGRÁFIA A pH szerepe az ionos vegyületek elválasztásánál
nem meghatározó. A mozgó fázis pH-jának olyannak kell lennie, hogy a meghatározandó vegyület ionos formában legyen jelen.
Az idegen só koncentrációja, mind az ionpár képző
adszorpcióját, mind a mozgó fázisban az ionpár képzést befolyásolja, így állandó értéken kell tartani.
hőmérséklet az egyensúlyi folyamatokat befolyásolja, ezért az állandó visszatartás végett állandó értéken kell tartani.
A
212
IONCSERÉS KROMATOGRÁFIA
213
Ioncserés kromatográfia ionkromatográfia az elválasztási módszerek azon ága, amelyben az egyes komponenseket ionos állapotban határozzák meg.
Az
Ezzel a módszerrel szervetlen anionokat,
kationokat, hidrofil savakat és bázisokat választunk el.
Korábban
ionelnyomásos kromatográfia néven ismerték, mely rendszer felépítését a következő ábra mutatja be.
214
A mozgó fázis ionkoncentrációjának = vezetésének csökkentése
Ioncserés kromatográfia Az ionelnyomásos folyadékkromatográfiás rendszer
Ha ebből a rendszerből az ionelnyomó reaktort elhagyjuk, az általánosan alkalmazott folyadékkromatográiás rendszert kapjuk:
215
Készülék-felépítés az egy kolonnás ion meghatározásánál
Ioncserés kromatográfia Ez a módszer az ionelnyomásos kromatográfia után
fejlődött ki. Az ionkromatográfiát a hagyományos folyadékkromatográfiától a következők különböztetik meg:
Kis ioncserélő kapacitású töltetek alkalmazása, Vezetőképességi detektor használata az összes anion egy időben történő mérésére.
Mozgó fázis: puffer oldat Tehát elsősorban a gyakorlati felhasználásban
van különbség!
216
Ioncserés kromatográfia I. Az ionkromatográfiában használt álló fázisok: Álló fázisként döntően ioncserélőket használnak.
Ezeket az ioncserélőket töltésük alapján két csoportba sorolhatjuk:
1. Anioncserélők: az álló fázis felületén rögzített pozitív töltésű csoportok vannak az elválasztás körülményei között. Az ellenion anion.
2. Kationcserélők: az álló fázis felületén rögzített negatív töltésű csoportok vannak az elválasztás körülményei között. Az ellenion kation. 217
Ioncserés kromatográfia Töltésük pH-függése alapján szintén két csoportba sorolhatók:
1. Erős anioncserélők: ezek ioncserélő kapacitása független a mozgó fázis (eluens) pH értékétől. Ilyenek pl. a kvaterner-ammónium vegyületek. Az ioncserélők többsége szerves polimer alapú (gyanta), innen ered a gyantafázis elnevezés.
2. Gyenge anioncserélők: ezeknél a fázisoknál az ioncserélő kapacitás a mozgó fázis pH értékének függvénye. Ilyen csoportok a primer, a szekunder és a tercier aminok. A kationcserélők érvényes
esetében
is
ilyen
csoportosítás 218
Ioncserés kromatográfia
Erős anioncserélő gyanta (álló fázis) szerkezete
219
Ioncserés kromatográfia
Gyenge ioncserélő csoport protonálódási folyamata 220
Ioncserés kromatográfia
Gyenge kationcserélő álló fázis szerkezete
221
Ioncserés kromatográfia Az ioncserélőket az alap állófázis minősége alapján csoportosíthatjuk:
Ioncserélő álló fázisok
Szilikagél alapúak
Szerves alapúak
Egyéb szervetlen alapúak
Szerves polimerrel fedettek*
Szerves polimer* (SZT-DVB)
Alumínium-oxid*
Cellulóz alapúak
Alumínium-szilikátok
Módosított szilikagélek*
Dextrán alapúak
Heteropolisavak Agyag alapúak
Ioncserélő álló fázisok (*: nyomás alatt alkalmazhatók)
222
Ioncserés kromatográfia II. Mozgófázisok az ionkromatográfiában Általában
szerves oldószert tartalmazó pufferek. Kiválasztásukkor az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: mozgó fázisoknak detektálási móddal:
A
kompatibilisnek
kell
lennie
a
Az ionkromatográfiában elsősorban vezetőképességi detektort használnak. Ahhoz, hogy ez jól üzemeljen kis ionkoncentrációval kell dolgozni.
Amennyiben UV-fény elnyelő anyagokat vizsgálunk, akkor a mozgó fázis fény abszorpciójának kicsinek kell lennie.
Ha az ionokat oxidáljuk (amperometriás detektálás), akkor a mozgó fázisba nem tehetünk könnyen oxidálható anyagokat. 223
Ioncserés kromatográfia A mozgó fázis pH-értéke:
Anionok meghatározásakor többértékű gyenge savakat, kationok elválasztásakor többértékű gyenge bázisokat teszünk a mozgó fázisba.
A pufferkapacitás:
Az ionkromatográfiában használt álló fázisok ioncserélő kapacitása kicsi. Ennek megfelelően kis koncentrációban kell a puffert alkalmazni. A puffer komponenseit úgy válasszuk meg, hogy a mérés körülményei között legnagyobb legyen a pufferkapacitása.
Pufferkapacitás: a tompító hatás jellemzésére szolgál, azt mutatja meg, hogy a pH egységnyi megváltoztatásához 1 l pufferoldathoz hány ml 1 mólos erős savat 224 vagy lúgot kell adni.
Ioncserés kromatográfia Eluenserősség:
Az eluenserősség egyrészt a mozgó fázisba tett puffer komponens pH megszabta ionizáltságától függ. Másrészt az ioncsere folyamatban a meghatározandó komponens és puffer-ion verseng az ioncserélő helyen való kötődésért. Ha növeljük a puffer-ion koncentrációját, ez csökkenti a minta komponens megkötődési lehetőségét, azaz a visszatartását.
Komplexképzésre való affinitás:
A mozgó fázis kompexképző sajátossága különösen fontos, ha többértékű fémionok elválasztását akarjuk megoldani. Ezek a fémionok erősen kötődnek a kationcserélő felületén és ez nagy visszatartást eredményezne. Ezt csökkentjük az eluenshez adott komplexképzővel. 225
Ioncserés kromatográfia A mozgó fázis szerves komponensének minősége és
koncentrációja: A visszatartás és a szelektivitás befolyásolására metanolt, etanolt, butanolt, glicerint és acetonitrilt kell adni a pufferhez. Ezek a szerves oldószerek adszorbeálódnak az álló fázis felületén. Mindazon ionok visszatartása és szelektivitása változni fog, amelyeknél a retenciót az álló fázis hidrofób részével történő kölcsönhatás befolyásolja. Például vízben oldódó szerves anionokét, ilyen a formiát, acetát, propionát, stb.
Az ellenion minősége és koncentrációja:
Az ioncsere egyensúlyi folyamat, amelyben a meghatározandó komponens verseng a mozgó fázisban található ellenionnal, ennek a folyamatnak az eredménye 226 megszabja a visszatartást és a szelektivitást.
Ioncserés kromatográfia Az ionkromatográfiában használt konkrét mozgófázisok: Az egykolonnás ionkromatográfiában (elsősorban
szervetlen ionok meghatározására) a meghatározandó komponessel az ioncserélő helyen vetélkedő mozgó fázis komponensek lehetnek gyenge szerves savak és sóik:
benzoesav, ftálsav, citromsav, borkősav. stb. 227
Ioncserés kromatográfia A kémiai ionelnyomásos kromatográfiában az
analitikai kolonna után ionelnyomó reaktor található. működése megszabja mozgófázis összetételt.
Ennek
az
alkalmazható
reaktor funkciója az, hogy a mozgó fázis vezetését jelentős mértékben csökkentse.
A
Mozgó fázisok: Alkáli lúgok, alkáli-karbonátok vagy bikarbonátok, bórax-anion, aminosavak. 228
Ioncserés kromatográfia Detektálási módok az ionkromatográfiában: A fő detektálási mód a mozgó fázis vezetésének követése:
Az egykolonnás módszernél ez egy átfolyó mérőteres vezetőképességi cellát jelent. A kémiai ionelnyomásos módszernél ehhez a cellához egy ionelnyomó reaktor is tartozik.
A jel nagysága annál nagyobb, minél nagyobb a meghatározandó ion és az eluens anionja között a moláris vezetés különbsége. 229
Ioncserés kromatográfia Egyéb detektálási lehetőségek: UV-VIS detektálás:
Az ionkromatográfiában csak néhány ionnak van az UV-VIS tartományban elnyelése, ezek a következők: jodid-, nitrit-, nitrát-, jodát-, kromát, stb.
Kationok meghatározásánál használhatunk kolonna utáni vagy kolonna előtti származékképzést, s így színes komplexeket kapunk.
Amennyiben UV-fényt nem abszorbeáló komponensek detektálását UV-VIS detektorral akarjuk meghatározni, akkor közvetett UV 230 detektálási módot kell használni.
Ioncserés kromatográfia
A mozgó fázisba ekkor UV elnyelő komponenst teszünk és a mérési hullámhosszat úgy állítjuk be, hogy a mozgó fázisnak még legyen fényáteresztése.
A nagyobb fényáteresztésű komponens megjelenésekor a fényabszorbancia csökken és egy negatív jelet kapunk. Közvetett detektálási módszernél káliumhidrogénftalátot vagy benzoátot tartalmaz a mozgó fázis. 231
Ioncserés kromatográfia Elektrokémiai detektálás:
Néhány anion elektrokémiailag oxidálható. Ezeket az ionokat amperometriás és coulombmetriás detektorral közvetlenül lehet mérni: arzenid, azid, bromát, bromid, klorid, klorát, cianid, jodát, jodid, nitrát, nitrit, szulfid, szulfit, tetrationát, tiocianát, tioszulfát.
Elektrokémiai detektálásnál is megvalósítható a közvetett mérés, a mozgó fázisba ekkor könnyen oxidálható anyagot (szalicilsav) teszünk.
Azok az ionok, amelyek a mérési potenciálon nem oxidálódnak, áramcsökkenést okoznak. A jelképzés tehát analóg a közvetett UV-detektálással. 232
Ionkizárásos-, méretkiszorításos- és hidrofób kölcsönhatási kromatográfia
233
I. Ionkizárásos folyadékkromatográfia
234
Ionkizárásos folyadékkromatográfia Az ionkizárásos folyadékkromatográfiában nagy ioncserélő kapacitású, erős kationcserélőket használunk. Az elválasztás alapját az alábbi ábra szemlélteti.
235
Ionkizárásos folyadékkromatográfia
Állófázis: erős kationcserélő Mozgófázis: ásványi sav tartalmú víz
236
Ionkizárásos folyadékkromatográfia Az erős elektrolitok (Cl-) a szulfonsav csoportok
taszítása miatt nem tudnak a pórusokba behatolni. Erről kapta a módszer az ionkizárásos kromatográfia nevet.
savak nem disszociált alakban be tudnak diffundálni a pórusokba és az apoláris felületen meg tudnak kötődni. A propionsav jobban, mint az ecetsav, mert több szénatomot tartalmaz.
A
Az alifás szerves savak pKa értéke függ a karboxil-
csoporthoz tartozó alkillánc hosszától, így az alifás szerves savak visszatartása a növekvő pKa érték függvényében nő. 237
Ionkizárásos folyadékkromatográfia Az alkoholok, szénhidrátok akadály nélkül
behatolnak az ioncserélő pórusaiba és ott vagy a hidrofób felületen kötődnek, vagy Hhidas kölcsönhatásba lépnek a H-formában levő ioncserés csoportokkal.
Az ionkizárásos kromatográfiában a mozgó
fázis nem tartalmazhat fémionokat, ugyanakkor biztosítani kell, hogy az ioncserélő csoportok H-formában legyenek. 238
Ionkizárásos folyadékkromatográfia Ezt úgy tudjuk elérni, hogy a vízhez 0,01 vagy 0,001
mol/dm3 H2SO4-t, HNO3-t adunk. Egyes elválasztásoknál 10-20 térfogatrész acetonitrilt
adunk az ásványi savat tartalmazó eluenshez. a módszer minden olyan esetben, pl. fermentlevek elemzésekor, jól alkalmazható, amikor vizes oldatokban, vagy ezek szennyvizeiben savakat, alkoholokat és cukrokat kell egymás mellett meghatározni (cukortartalmú italok savtartalmának 239 mérése).
Ez
II. Méretkizárásos kromatográfia (Size Exclusion Chromatography)
240
Méretkizárásos folyadékkromatográfia hagyományos kromatográfiában alkalmazott porózus töltetek pórusátmérője 5-15 nm között van.
A
Ezekbe a pórusokba kb. 103-104 molekulatömegű
molekulák, méretüknél fogva, akadálytalanul be tudnak diffundálni.
A nagyobb molekulák azonban nem férnek be, s így
kizáródnak a pórusokból.
103-104 molekulatömegű anyagok (polimerek, biopolimerek) elválasztása tehát csak akkor valósítható meg, ha növeljük a töltet pórus átmérőjét.
A
241
Méretkizárásos folyadékkromatográfia
Állófázis: nagy pórusátmérőjű töltet Mozgófázis: víz vagy szerves oldószer
242
Méretkizárásos folyadékkromatográfia nagy pórusátmérőjű töltetekkel tehát nagy molekulatömegű anyagok méret szerinti elválasztása valósítható meg.
A
A méret viszont a molekula szerkezetétől függően,
összefügg a molekulatömeggel. Így a molekulatömeg ezzel a módszerrel meghatározható. A méretkizárásos kromatográfia elvét a következő
ábra mutatja 243
Méretkizárásos folyadékkromatográfia
A méretkizárásos kromatográfia elve
244
Méretkizárásos folyadékkromatográfia Tegyük fel, hogy a töltet dp1 dp2 dp3
pórusokat tartalmaz a molekulák átmérője dm1, dm2, és dm3.
dm2 dp1, akkor a makromolekula egyetlen pórusba nem tud bediffundálni, más szóval kizáródik (exclusion).
Ha
A dm3 átmérőjű molekula a pórusok jelentős
részébe be tud diffundálni.
245
Méretkizárásos folyadékkromatográfia Amíg a molekula a pórusban tartózkodik, addig
gyakorlatilag áll. Csak az a molekula mozog, amelyik a mozgófázisban tartózkodik.
A dm2 átmérőjű molekula tehát minden pórusból
kizáródik, a dm1 átmérőjű molekula viszont minden pórusba akadálytalanul behatol.
Ha a molekula átmérője ez alá az érték alá csökken,
a retenciós térfogatban nincs változás.
A leírtakat a molekulatömeg és a retenciós térfogat
függvényében ábrázolva kapjuk a következő ábrát.
246
Méretkizárásos folyadékkromatográfia
247
Méretkizárásos folyadékkromatográfia A méretkizárásos kromatográfiában használt
tölteteknél meg kell adni a teljes áteresztési és a teljes kizárási molekulatömeget.
A mérettartomány, amelyben dolgozhatunk a
töltet pórustérfogatától függ.
nagy molekulatömegű anyagoknak a fentiekben vázolt elválasztására használt terminológia ma sem egyértelműen használt az irodalomban.
A
248
Méretkizárásos folyadékkromatográfia A biopolimerek elválasztásánál ma már egyértelmű az
“aquoes size exclusion chromatography”, amelyet régebbi terminológia alapján gélszűrésnek is neveztek.
Ekkor ún. lágy géleket használtak, amelyeknél nem lehetett
0,1-0,2 bar-nál nagyobb nyomást alkalmazni.
A szerves polimerek elválasztásánál viszont a gélt és a teljes
áteresztést hangsúlyozták és ennek megfelelően beszéltek „Gel Permeation Chromatography”-áról (GPC).
Környezetvédelmi analitikában ezt a módszert pl. huminanyagok
meghatározására, vagy minta előkészítésre használják.
Például, ha tejbe növényvédő szer jut, akkor a fehérjék
elkülönítése a meghatározandó kromatográfiával történik.
anyagtól
249 méretkizárásos
III. Hidrofób kölcsönhatási kromatográfia
250
Hidrofób kölcsönhatási kromatográfia
Állófázis: kissé hidrofób felületű töltet Mozgófázis: nagy sótartalmú oldat
251
Hidrofób kölcsönhatási kromatográfia biopolimerek (fehérjék, polipeptidek) elválasztásának egyik lehetséges módja a hidrofób kölcsönhatási kromatográfia.
A
Ennél a módszernél azt használják ki, hogy a
fehérjék az aminosavak összetételétől függően eltérő mértékben tartalmaznak hidrofób (apoláris) részeket.
Nagy sókoncentrációt alkalmazva a fehérjék hidrofób
(apoláris) álló fázis felületén adszorbeálódhatnak.
Az apoláris felületen adszorbeálódott fehérjék 252 a
sókoncentráció csökkentésével deszorbeálódnak.
Hidrofób kölcsönhatási kromatográfia Minél több apoláris részt tartalmazott a fehérje, annál
kisebb sókoncentrációnál deszorbeálódik.
fehérjéket ily módon az apolaritásuk (hány aminosavat tartalmazott, amely apolárisnak tekinthető) alapján el lehet választani.
A
A módszer lényeges vonása, hogy ún. negatív
sógradienst alkalmaz, amely annyit jelent, hogy a nagy sókoncentrációt (1 mol/dm3) fokozatosan csökkentjük.
253
Kapilláris elektroforézis (CE) alapjai és módszereinek osztályozása
254
CE-Alapelv
Az elektroforetikus elválasztási módszerek azon alapulnak, hogy elektromos erőtérben az oldott anyagok különböző sebességgel vándorolnak. Capillary electrophoresis, CE
255
Kapilláris elektroforézis Definíció: Kapilláris elektroforézis (CE) az elválasztástechnikáknak az a módszere, amikor az elválasztandó komponensek (ionok, neutrális molekulák, makromolekulák) eltérő sebességgel vándorolnak egy pufferrel töltött 50-100 m átmérőjű kvarckapillárisban 10-30 kV feszültség különbség hatására. kapilláris elektroforézises módszerek osztályozása: A kapilláris elektroforézises módszereket osztályba sorolhatjuk az alapján, hogy tartalmaz-e pl. töltetet a kapilláris (belülről filmréteggel bevont, géllel, micellákkal vagy különböző pH-jú pufferrel töltött-e), vagy hogy a puffer milyen komponenseket tartalmaz 256 stb.
A
Kapilláris elektroforézis Alapvetően a következő módszereket különböztetjük meg: kapilláris zónaelektroforézis (CZE), kapilláris gélelektroforézis (CGE), kapilláris elektrokromatográfia (CEC), micelláris elekrokinetikus kapilláris
kromatográfia (MECC vagy MEKC), kapilláris izoelektromos fókuszálás (CIEF), kapilláris izotahoforézis (CITP). 257
A CE módszereinek összehasonlítása
258
A kapilláris elektroforézis általános jellemzése Az elválasztás gyors (gyakran rövidebb, ritkán hosszabb, mint
20 perc), felbontóképesség nagy (a kapillárisfal belső részénél kialakuló, ún. elektroozmotikus áramlás mindkettőt segíti),
A
A mintaigény kicsi (általában 10–40 μl) és a CE-készülék
tömeg-spektrométerhez is csatlakoztatható. Oldószerigénye is minimális.
Az elválasztott és a kapillárist elhagyó komponensek detektorral
(pl. UV-fotometriás, vezetőképességi, stb.) jeleníthetők meg és az elektroferogramot mind minőségi, mind mennyiségi analitikai szempontból értékelhetjük.
A CE rendszer működési paraméterei programozhatók, 259 a
folyamat vezérlése és az adatgyűjtés számítógéppel végezhető.
Kapilláris elektroforézis 1. Kapilláris zónaelektroforézis (CZE) A kapilláris zónaelektroforézisben egy pufferrel töltött
50-100 m-es kapillárist helyezünk két puffertartály közé.
A két puffertartályba elektródokat helyezünk, amelyek
között 10-30 kV feszültségkülönbséget alkalmazunk.
A feszültségkülönbség hatására az ionok töltésüktől
függően vagy az anód (+) vagy a katód (-) felé vándorolnak. 260
Kapilláris elektroforézis
A feszültségkülönbség okozta elektroforetikus vándorlási sebességet a puffer összetételétől függően a kapillárisban létrejövő oldószer áramlás befolyásolja.
Ezt az oldószeráramlást nevezzük elektroendozmózisos áramlásnak.
Az elválasztást jellemezhetjük a vándorlási sebességgel és idővel. A vizsgálandó anyag vándorlási sebességét (v) a feszültségkülönbség hatására létrejövő elektroforetikus hatás és elektroozmotikus áramlás szabja meg.
Ha elektroozmotikus áramlás következőképpen adható meg:
nincs,
akkor
elektroozmózisos
a
vándorlási
vagy
sebesség
a
v = epE = (epV)/L Ahol:
ep: az elektroforetikus mozgékonyság, E: elektromos térerő L: a kapilláris hossza V: az alkalmazott feszültség 261
Kapilláris elektroforézis A vándorlási sebesség és a vándorlási idő (t) között fordított
arányosság van:
t = L/v = L2/(epV) vándorlási időt megszabó másik folyamat az elektroozmózisos áramlás. Az elektroozmózisos áramlás oka a kapilláris fala közelében kialakult kettősréteg.
A
A kettősréteg egyik pólusa a kapilláris fala (helyhez kötött
töltés), másik pólusa az oldatban van.
A folyadékban lévő töltéseloszlás nem egyenletes (diffúz
réteg), az ionos részek között oldószer molekulák vannak.
262
Kapilláris elektroforézis A kapillárisra adott feszültségkülönbség hatására a
diffúz réteg elmozdul. A töltéssel rendelkező részecskékkel együtt az
oldószer molekulák is vándorolnak, s így annak ellenére, hogy az anód és a katód rész között nincs nyomáskülönbség, áramlás jön létre. A kapillárisban létrejövő elmozdulások lehetőségeit a
következő ábra mutatja. 263
Töltéssel rendelkező komponens vándorlása elektromos erőtérben kis átmérőjű kvarc csőben A: pH3, nincs EOF, B: EOF létrejötte, C: negatív töltéssel rendelkező anyag átlagos vándorlási sebességének bemutatása
264
A kapilláris falán kialakuló kettős réteg
265
Kapilláris elektroforézis A töltéssel rendelkező molekula a kis átmérőjű kvarc csőben
vándorol, mert elektromos erőtérbe helyeztük, ezt a vándorlási sebességet megváltoztatja az elektroozmózis.
A vándorlási idő kifejezésére tehát be kell vezetni a
ennek megfelelően:
EOF-t,
t = L2/(ep + EOF)V A ep és a EOF iránya: megegyezik akkor, ha a komponens töltése pozitív, ellentétes, ha a komponens töltése negatív. Az összefüggés értelmében a semleges molekulák is vándorolnak az elektromos erőtérben. Vándorlási idejük között azonban nincs különbség. 266
Az elektroozmotikus áramlás szabályozásának lehetőségei
267
Kapilláris elektroforézis 2. Kapilláris gélelektroforézis (CGE) kapilláris elektroforézis szelektivitását nagy molekulatömegű anyagok elválasztásakor növelhetjük, ha a kapillárist eltérő pórusátmérőjű géllel töltjük meg.
A
Az elektromos erőtér hatására a töltéssel rendelkező
molekulák a töltés/ionsugár alapján eltérő sebességgel vándorolnak, amelyet az ún. molekula szűrőhatás megváltoztat.
A kapillárisba poliakrilamidot
(akril-amid: CH2=CHCONH2), agarózt vagy egyéb géleket tölthetünk. Ha a poliakrilamiddal (PAGE) együtt a dodecilszulfát Na-sóját (SDS: C12H25-SO3Na) is a kapillárisba töltjük, akkor ezt az elválasztás technikát a szakirodalomban SDS-PAGE névvel jelölik. Elsősorban fehérjék és nukleinsavak elválasztására használják. 268
Kapilláris elektroforézis A gél polimerizációját a kvarckapillárisban
végzik kémiai módszerrel vagy gammasugárzással. A gél lehet térhálós vagy lineáris. Sok esetben megfelelő szelektivitás érhető el,
ha a kapillárist oldattal.
megtöltjük
egy
polimer
269
A kapilláris gélelektroforézis elve Az S- molekula vagy a gél pórusaiban van (v=0), vagy a gél szemcsék között, ekkor az elektromos erőtér hatására vándorol (v0)
A töltött cső azt eredményezi, hogy az elektroozmózis okozta anyagvándorlás megszűnik. Következésképpen a kapilláris gélelektroforézissel csak töltéssel 270 rendelkező molekulák elválasztását tudjuk megoldani.
Kapilláris elektroforézis 3. Kapilláris elektrokromatográfia (CEC) A kis átmérőjű kapillárist a fordított fázisú álló fázissal
(3,5 m szemcseátmérőjű, apoláris) töltjük meg.
A feszültség hatására az elektroforetikus áramlás
mellett kialakul az elektroozmotikus vándorlás is (pH>3).
Ez az áramlás szállítja a minta komponenseit a cső
egyik végétől a másikra.
Az egyes komponensek eltérő időben jelennek meg a
cső végén, mert kölcsönhatásuk az álló fázissal 271 különböző nagyságú.
Kapilláris elektroforézis különbség a kapilláris elektrokromatográfia és a HPLC között az, hogy a HPLC-ben a komponensek szállítása a nyomáskülönbség hatására létrejövő mozgó fázis áramlással történik, a CEC-ben pedig a potenciálülönbség hatására létrejövő elektroozmotikus áramlással.
A
A CEC előnyösebb a HPLC-hez képest, mert
a kinetikai hatékonyság sokkal nagyobb.
272
Kapilláris elektroforézis 4. Micelláris elektrokinetikus kromatográfia Ha a kapilláris zónaelektroforézisnél alkalmazott pufferbe a kritikus
micellakoncentrációnál (CMC) nagyobb koncentrációban felületaktív anyagot teszünk, akkor beszélünk micelláris elektrokinetikus kromatográfiáról (MEKC vagy MECC).
Az esetek többségében a hozzáadott felületaktív anyag a Na-dodecil-
szulfát (SDS).
Ez 8 mmol/dm3 koncentráció felett, szobahőmérsékleten 58 egységből álló aggregátumot képez.
Az aggregátumban az apoláris szénhidrogén láncok asszociálódnak úgy, hogy a puffer felé az aggregátum negatív töltésű.
A negatív töltésű aggregátumok külön fázisként kezelhetők (pszeudo álló fázis) és így a töltéssel rendelkező és a semleges molekulák megoszlanak a puffer és a pszeudo álló fázis között. 273
A kvarc kapillárisban az elektromos térerő hatására kialakuló megoszlási és vándorlási viszonyok
274
Kapilláris elektroforézis SDS aggregátum negatív töltésű, tehát elektroforetikusan vándorol az anód irányába (vEP,SDS).
Az
Ha a puffer pH-ja 3-nál nagyobb, akkor a katód
irányába elektroozmotikus áramlás indul.
Amennyiben vEOF vEP,SDS, akkor a negatív töltésű
aggregátum a negatív pólus irányába mozog.
Ha az SDS a vizsgált komponenst oldja (egyensúly
alakul ki a két fázis, a puffer és a pszeudo stacioner fázis közölt), akkor a molekula az SDS vándorlási sebességével mozog a kvarccsőben. 275
Kapilláris elektroforézis Ha az egyensúlyi állandó értéke nagy (a molekula az
SDS aggregátumban tartózkodik), akkor a molekula maximális vándorlási ideje megegyezik az SDS vándorlási idejével (tmax). a vizsgált komponens kölcsönhatása elhanyagolható az SDS aggregátum mellett (K0), akkor a vándorlási idejét a vEOF szabja meg.
Ha
A vEOF mozgó komponens vándorlási ideje adja a
minimális időt (tmin). A tmin és a tmax közötti idő az ún. migrációs időablak. 276
A vándorlási időablak, ahol tmin az SDS-tól kölcsönhatásba nem lépő, míg tmax az SDS által teljes mértékben oldott molekula vándorlási ideje K→0
K→
JEL
K
Vándorlási idő
ELEKTROFEROGRAM
277
Kapilláris elektroforézis A vándorlási időt a körülmények változtatásával csak a
két határérték között változtathatjuk.
MEKC alkalmazásával lehetőség van semleges molekulák elválasztására, akkor, ha K értéke 0 és közé esik.
A
vándorlási időablak két végén (tmin és tmax) a komponensek elválasztására kicsi az esély.
A
MEKC alkalmazásával lehetőségünk van olyan anyagok elválasztására is, amelyek oldhatósága az alkalmazott puffer-rendszerben kicsi (például növényvédő szerek, többgyűrűs aromás szénhidrogének).
A
278
Kapilláris elektroforézis 5. Kapilláris izoelektromos fókuszálás Azok a vegyületek, amelyek mind savas, mind bázikus csoportot
tartalmaznak (zwitter ionos vegyületek), nagy hatékonysággal elválaszthatók, ha a kvarc kapillárisban pH gradienst hozunk létre (pl. aminosavak, fehérjék). zwitter ionos vegyületek kapillárisban, amíg töltésük van.
A
mindaddig
vándorolnak
a
Vándorlás során elérik a kapillárisnak azt a pontját, ahol a nettó
töltés nulla lesz (izoelektromos pont, pI.), ezen a helyen koncentrálódnak.
pI: létezik egy olyan pH, amelyen az aminosav sem az anód,
sem a katód felé nem vándorol, vagyis látszólagos töltése: 0.
279
Aminosavak Az aminosavak ikerionos szerkezetűek, azaz nem
egyszerű aminocsoportot és karboxilcsoportot tartalmaznak, hanem pozitív töltésű ammónium- és negatív töltésű karboxilátcsoportot, a savas karboxilcsoport és a bázikus aminocsoport kölcsönhatása következtében.
Tehát ikerionok szilárd halmazállapotban, és vizes
oldatban egyaránt jelen vannak. Ezzel magyarázható az, hogy szilárd anyagok és nagyon magas az olvadáspontjuk. Sőt, meg sem olvadnak, hanem az olvadási hőmérsékleten bomlanak.
Ugyanakkor jól oldódnak vízben (poláros oldószer), de
nem oldódnak apoláros szerves oldószerekben.
280
L-cisztein 3D molekulamodellje
Aminosavak ikerionos szerkezete
Akárcsak az aminosavak, a peptidek és fehérjeláncok is ikerionos szerkezetűek (3. kép)
L-cisztein ikerion 3D molekulamodellje
281
Kapilláris elektroforézis A pH gradiens elérésére az anódot savas, míg a
katódot bázikus oldatba merítik.
Elektromos erőtér alkalmazásakor a zwitter ionos
vegyületek, elsődlegesen a fehérjék, a pI értéküknek megfelelő pH értéknél koncentrálódnak.
A koncentrált zónákat ezután mobilizálni kell, ami
annyit jelent, hogy a puffert a komponensekkel együtt a kvarccsőből ki kell tolni.
Ez történhet hidrodinamikusan (nyomáskülönbség
hatására) vagy elektroforetikusan.
282
A kapilláris izoelektrofókuszálás elve A zwitter ion jellegű komponensek a kapillárisban addig a pontig mozognak, ahol a pH=pI értékükkel
Elektroforetikus mobilizálásnál az anód oldali savas oldatot bázikusra cserélik, a fehérjék negatív töltésűvé válnak, és a kvarccsőben az anód félé elmozdulnak. A kapillárisban az elektroozmózisos áramlást úgy küszöbölik ki, hogy a kapilláris belső felületén semleges polimer bevonatot készítenek. 283 A minta kapillárisba juttatása azzal az amfolittal történik, amellyel a pH gradienst létrehozzuk.
Kapilláris elektroforézis 6. Kapilláris izotahoforézis (CITP) A kapilláris izotahoforézisnél a mintát két eltérő
ionmozgékonyságú elektrolit közé helyezzük.
Például
anionok elválasztásakor, a nagy elektroforetikus mozgékonyságú ionokat tartalmazó oldatot az anód oldalra, a kis elektroforetikus mozgékonyságú ionokat tartalmazó oldatot a katód oldalra tesszük. nagy elektroforetikus mozgékonyságú ionokat tartalmazó oldatokat „leading”, míg a kis elektroforetikus mozgékonyságú ionokat tartalmazó oldatot „terminating” elektrolitnak ill. puffernek 284 nevezzük.
A
Kapilláris elektroforézis A minta komponensei a nagy ionerősségű helyről
zónában vándorolnak a kis ionerősségű hely irányába. Közben az eltérő ionerősségű zónák határán koncentrálódnak.
Azért, hogy az elektroozmotikus hatást kizárjuk
polimerrel borított kvarc kapillárisokat használunk.
Az elektromos térerő a kapilláris mentén változik. Ez
eredményezi az egyes zónák kialakulását és ezzel az eltérő elektroforetikus mozgékonyságú ionok elválasztását. CITP-nél eltérően az eddig ismertetett CE módszerektől, nem differenciális jellegű görbéket, 285 hanem egymással érintkező zónákat kapunk.
A
Izotahoforézisnél (A) és kapilláris zónaelektroforézisnél (B) kapott elektroferogramok
A CITP-vel egyszerre kationok és anionok elválasztása nem lehetséges. 286
Az elválasztásra jellemző paraméterek a kapilláris elektroforézisben
287
Az elválasztásra jellemző paraméterek Az elválasztás-technikai módszerek alkalmazásának célja: két
közeli tulajdonságú komponens elkülönítése.
hogy az analitikai célt elérjük, paramétereket kell megfelelően megválasztani.
Ahhoz,
különböző
Az adott körülmények között maximálisan elérhető elválasztást
az eltérő vándorlási sebességen alapuló technikáknál, a kinetikai hatékonyság (zónaszélesedés) és a szelektivitás (termodinamikai hatékonyság) határozza meg.
A CE technikáknál a nagy kinetikai hatékonyság adja az egyik
lehetőséget a hasonló tulajdonságú vegyületek elválasztására.
288
Az elválasztásra jellemző paraméterek A HPLC-ben tapasztalt zónaszélesítő hatások közül a szabadoldatos
zónaelektroforézisben a komponens hosszirányú diffúziója szabja meg a kinetikai hatékonyságot:
2 = 2Dt = 2DL2/(epV) N = L2/2 = epV/2D Ahol:
: kinetikai hatékonyság D: a komponens diffúziós állandója, t: a vándorlási idő, L: a kapilláris hossza, V: az alkalmazott feszültség ep: az elektroforetikus mozgékonyság N: elméleti tányérszám
A második egyenletből következik, hogy a nagy feszültség alkalmazása elengedhetetlen a nagy kinetikai hatékonyság 289 eléréséhez.
Áramlási profilok HPLC-ben és CE-ben
Zónaszélesítő hatású a folyadékkromatográfiában a lamináris áramlás parabolikus profilja is, ezzel szemben a CE-ben az elektroozmózisos áramlás profilja egyenletes.290
Az elválasztásra jellemző paraméterek komponens vándorlása mind elektroforetikus hatásra, mind elektroozmózis hatására történik, akkor az előbb felírt második egyenletbe az átlagos vándorlásra jellemző adatokat kell behelyettesítenünk:
Amennyiben
a
N = (EOF + ep)V/2D Az elválasztásra jellemző felbontási tényezőt (RS)
az alkalmazott feszültség és az egyes komponensek közötti mozgékonyság-különbség szabja meg.
291
Az elválasztásra jellemző paraméterek
Az elválasztás növelhető tehát, ha az elektroforetikus mozgékonyságot a pufferhez adott komponensekkel, kis mennyiségű additívekkel megváltoztatjuk. Az additívek alatt itt olyan anyagot értünk, amelyeket kis koncentrációban a pufferhez adva megváltoztatják a vizsgált komponensek vándorlási sebességét. 292
Az elválasztásra jellemző paraméterek Az elválasztás növelésének lehetőségei: Additívek:
Szerves oldószer hozzáadása a pufferhez Felületaktív anyagok hozzáadása a pufferhez Ciklodextrin származékok hozzáadása a pufferhez Koronaéterek hozzáadása a pufferhez
Az elválasztás és ezzel a szelektivitás növelhető, ha
a kvarc kapilláris felületét módosítjuk. Például optikailag aktív komponenssel reagáltatjuk a
kvarc kapillárist, stb.
293
Műszeres háttér
294
Műszeres háttér Az elméleti bevezetőből következik, hogy a CE-ben alapvető
a nagyfeszültség alkalmazása. A feszültség növelésének határt szab a kapillárisban képződő hő.
Ha a hő nem tud a kapilláris falán keresztül eltávozni, akkor
ez a kapillárisban sugárirányú hőmérséklet gradienst okoz. hőmérséklet gradiens hatására komponensek visszakeverednek.
A
az
elválasztott
A gyakorlatban tehát 10-30 kV feszültség alkalmazása
általános. A 10-30 kV feszültség hatására 5-50 A áram mérhető.
A mérésre használt rendszer felépítése egyszerű és a
következő ábra szemlélteti.
295
Műszeres háttér
A CE rendszer felépítése
296
297
298
Műszeres háttér CE készülék működéséhez tápegység szolgáltatja.
A
a
feszültséget
stabilizált
A mintaadagolás úgy történik, hogy a Pt elektródot és a kvarc
kapilláris végét egy mechanika a mintatartóba helyezi.
A minta a kapillárisba vagy nyomáskülönbség hatására vagy
nagyfeszültségű impulzus hatására kerül.
Az adagolt mintatérfogat 1-40 nl közé esik. A reprodukálható
mintaadagoláshoz automata mintaadagolókat kell alkalmazni. komponensek vándorlása kapillárisban történik.
A
az
50-100
m
átmérőjű 299
A minta injektálásának módszerei a CE-ben
300
CE kapillárisok kapilláris elektroforézis során a mintakomponensek elválasztása és detektálása kapillárisban történik.
A
Anyagával szemben támasztott legfontosabb követelmény az,
hogy az elektromos áramot ne vezesse, ill. legyen kémiailag inert, UV- és látható fényt áteresztő, hajlékony, de ugyanakkor kellően szilárd és olcsó.
További elvárás, hogy az on-column detektálást (a detektálás a
kapillárisban, elválasztás közben, illetve az elválasztás befejeztével történik meg) lehetővé tegye, jó hővezető képességű legyen és az elválasztandó mintakomponensekkel ne lépjen kölcsönhatásba.
Jó fényáteresztő és hővezető tulajdonsága miatt leggyakrabban
kvarckapillárist használnak, de politetraflour-etilén (Teflon), polipropilén, berilliumoxid vagy üvegkapillárisokat is alkalmaztak. 301
CE kapillárisok A kapillárisok hossza 20–120 cm, átmérője pedig 5–500 µm
között változhat.
A mintakomponensek kapilláris falára történő adszorpciójának
csökkentésére, illetve megakadályozására az egyik legegyszerűbb megoldás olyan pH-jú elektrolitoldat használata, melyben valamennyi komponens negatív töltésű (pl. a fehérjék izoelektromos pontjuk felett vannak), és ennek következtében a negatív töltésű faltól elektrosztatikusan taszítódik. Másik megoldás savas pH-jú (pH ~ 2,5) elektrolitok alkalmazása, amelyek a szilanolcsoportok disszociációját visszaszorítják. Nagy ionerősségű elektrolitok alkalmazása csökkenti az elektroozmotikus áramot. A fehérjék adszorpciója szintén csökken az ionerősség növekedésével, de a sókoncentráció növelése a hidrofóbikus kölcsöhatások megerősödése következtében elősegítheti a kapilláris falához való kötődést. Az adszorpciót adalékanyagok (polimerek, ikerionok, detergensek) 302 alkalmazása is csökkentheti.
Detektálás a CE-ben CE technikánál a detektálás egyfajta kihívásnak számít a kapilláris kis átmérője és a felhasznált csupán nl-nyi térfogatú minta miatt.
A
A detektálási technikák közül az alábbiak
elterjedtek:
UV-VIS fotometriás (univerzális, elterjedt) Fluoreszcenciás Elektrokémiai Tömegspektrometriás 303
304
UV detektálás a CE-ben
Detektáláshoz a kvarc kapillárisról a védő poliimid réteget eltávolítják 305 és jól fókuszált UV fénnyel átvilágítjuk.
Műszeres háttér A megoldás egyszerű ugyan, de a kimutatási határt
megszabja az optikai úthossz, amely a kapilláris átmérőjével egyezik meg.
Ennek növelésére vagy a detektálásnál buborékot
képzünk, vagy meghajlítjuk tengelyirányból világítjuk meg.
a
kapillárist
és
Egyéb
detektálási módszerek bevezetésére is történtek kísérletek: pl. lézer indukált fluoreszcens vagy elektrokémiai detektálási módszerek adaptálása, de az UV detektálási mód adja 80-95 %ban a ma kereskedelmi forgalomban kapható készülékeknél a komponens monitorizálási lehetőséget. 306
Kiértékelés a CE-ben 1. Minőségi analízis: Az elektroferogramon található csúcsok azonosítását jelenti. Ez egy adott csúcs migrációs idejének vagy mozgékonyságának
egy ismert vegyület kísérletileg kapott megfelelő eredményeivel való összehasonlításával történhet. Ha ugyanazokat a migrációs időket, illetve mozgékonysági adatokat kapjuk, akkor a két vegyület azonos.
307
Kiértékelés a CE-ben 2. Mennyiségi analízis:
308
Elektroferogram
Mesterséges édesítő- és tartósítószerek elemzése CZE-vel
309
A CE alkalmazási területei A CE egyik fő területét a nagy molekulatömegű ionos
anyagok meghatározása jelenti. Így fehérjék, polipeptidek, nukleinsavak meghatározásánál fő meghatározási módszer.
A másik fő alkalmazási területe az optikailag aktív
komponensek meghatározása.
A nagy kinetikai hatékonyság következtében, már kis
szelektivitás esetén is elválaszthatók az enantiomerek.
Újabb
kutatások eredményeképpen gyors anion meghatározásra alkalmas módszereket fejlesztettek ki a gyártó cégek, így környezetvédelemben, gyógyszeriparban alkalmazása elkerülhetetlen. 310
A CE alkalmazási területei Általánosságban elmondható, hogy a CE megfelelő
additívok alkalmazásával minden olyan területen használható, mint a HPLC.
előnye a HPLC-vel szemben, hogy az oldószer felhasználása minimális, vagy környezetvédelmi szempontból alkalmazása előnyös, mert nem kell nagy mennyiségű oldószert ártalmatlanítani. 311
Nagy
Példa: A CE alkalmazása szervetlen ionok meghatározására A következő ábrán látható készülék elrendezésnél a
detektor a katód oldalra kerül. A megadott elrendezésnél az anionok a minta adagolása
után az anódtérben maradnak (elektroforetikus hatás). A Az elektroforetikus vándorlás irányát a polaritás - anód-
katód – felcserélésével oldják meg. B pH3 savasságú mozgó fázisban az elektroozmotikus
vándorlás létrejön, amelynek értéke nagyobb, mint az elektroforetikus vándorlásé. C 312
Anód
Katód
Katód
Anód
Katód
Anód
Katód
Anód 313
A CE alkalmazási területei Ahhoz, hogy az anionok a detektor felé vándoroljanak, az
elektroozmotikus áramlás irányát is meg kell változtatni.
Ezt úgy lehet megoldani, hogy a pufferbe pozitív töltésű hidrofób
iont tesznek. D A hidrofób ion adszorbeálódik a kapilláris belső felületén és a
puffer felé pozitív töltésű lesz.
A pozitív töltésű felület kialakulását és ennek következtében
kialakuló elektroozmotikus vándorlást az előző ábra szemlélteti.
A mérésnél előnyös, hogy a szervetlen anionok elektroforetikus
vándorlási sebessége nagy, így minden komponensnél gyorsabban mozognak. Ennek következtében a mátrix hatás 314 nem jelentkezik.
MONITORING
315
A MONITORINGRÓL ÁLTALÁBAN Fogalma: Monitoringon tágabb értelmezésben valamilyen jellemző rendszeres megfigyelését értjük a bekövetkező változások nyomonkövetése, értékelése, esetenként beavatkozás, technológiai paraméter változás kezdeményezése érdekében. Így pl. a monitoring fogalmába egyaránt beletartozik: egy telepített mérőállomáson a fő légszennyező komponensek éveken át történő folyamatos regisztrálása vagy egy üzemi szennyvízből műszakonként vett minta laboratóriumi elemzése. 316
A MONITORINGRÓL ÁLTALÁBAN Itt elsősorban a helyszínen elvégezhető elemzésekkel és a speciálisan
környezetvédelmi feladatokra kifejlesztett, legtöbbször regisztráló mérőkészülékek áttekintésével foglalkozunk.
folyamatosan
A monitoring főbb területei: Levegő Emisszió (levegő szennyező anyagok kibocsátása) Immisszió (kültéri levegőminőség) Munkahelyi légtér Víz
Felszíni víz (benne üledékek) Talajvíz Szennyvíz (benne szennyvíziszap)
Talaj (benne talajlevegő) Biológiai minták vizsgálata
Növényi eredetű Állati eredetű
317
A MONITORINGRÓL ÁLTALÁBAN A monitoring program kidolgozásának lépesei:
A mérés helyének és időtartamának kijelölése. Mérendő komponensek meghatározása. Mérési és minőségbiztosításai módszerek kiválasztás. Mintavétel gyakoriságának meghatározása. Mintavételi háló meghatározása talajvizsgálatoknál. Kontrol mintavételi helyek kérdésének tisztázása. Szakaszos mintavétel esetén:
Mintavételi mód kidolgozása. Mintavételi idő meghatározása. Mintamennyiség, mintatartó edényzet megválasztása. Minták tárolásának eldöntése. 318
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING
319
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 1. Alapfogalmak I. Emisszió: A légszennyező anyagok kibocsátása a keletkezés helyén. Különbséget kell tenni a helyhez kötött és a mozgó
légszennyező források között.
A helyhez kötött légszennyező forrásokat az alábbiak
szerint lehet csoportosítani:
Pontforrások (kémények, kürtők). Épületforrások (kibocsátás természetes huzatú szellőzőkön és nyílászárókon). Felületi források (szabadban végzett műveletek, üzemi 320 utak).
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING emisszió mértékének (kg/óra) meghatározásához pont- és épületforrások esetében ismerni kell:
Az
az adott légszennyező anyag koncentrációját a kibocsátott füstgázban, véggázban vagy levegőben,
valamint ezen hordozógázok térfogatáramát
és hőmérsékletét. 321
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING II. Transzmisszió: A légszennyező anyagok eltávolodása a kibocsátás helyéről, amit jelentős hígulás kísér. A transzmissziót befolyásolják: a forrás jellemzői, a meteorológiai és domborzati viszonyok. A meteorológiai jellemzők közül a széliránynak és sebességnek, a turbulenciának, és az inverziós rétegnek van döntő szerepe. Az inverziós rétegben a levegő hőmérséklete a földfelszíntől
távolodva nem csökken és megakadályozza a légrétegek vertikális keveredését, aminek következtében a légszennyező anyagok feldúsulnak a földfelszín közelében. 322
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING III. Imisszió: A kültéri levegő minősége a vizsgált helyen (pl. lakott területen vagy természetvédelmi terülten). Az immissziós koncentrációkat az emisszió és a
transzmisszió mellett az egyes légszennyező anyagok bonyolult reakciói (fotokémiai) és átalakulásai (kimosódás) határozzák meg.
Méréstechnikai
oldalról immisszió mérésénél az emisszióhoz képest 3-6 nagyságrenddel kisebb koncentrációkra kell felkészülni. 323
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING Az immisszió területi és időbeni alakulásának ismerete
minden levegőtisztaság-védelmi intézkedés alapja. Ezért az immisszió vizsgálata időrendben megelőz minden más ilyen irányú tevékenységet. immisszió ugyanakkor a levegőtisztaság-védelmi intézkedések eredménye is: a határértékek betartása minden levegőtisztaság-védelmi intézkedés végző célja.
Az
Az immisszió kialakulására számos tényező hat, amelyek
állandóan változnak. Ezért egy terület levegőszennyeződéséről nem kaphatunk néhány méréssel megfelelő képet. Általában több éven át végzett rendszeres mérést tartunk mértékadónak. 324
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING szennyeződés időbeni megoszlásának követésére legalkalmasabbak a folyamatosan működő regisztráló műszerek. A 24 órás időtartamú, naponkénti átlagmintavétel kézi, vagy automatikus váltással a legtöbb szempontból kielégítő.
A
A gyakorlatban egy éven át legalább hetente egyszer végeznek
méréseket. Ügyelni kell arra, hogy adott mérőpontról a minták a nap különböző óráiból származzanak.
Az immisszió ellenőrző hálózatok két fő típusát különböztetjük
meg. Az első az ún. air monitorok (regisztrálókészülékek) alkalmazásán alapul. A mérőállomás folyamatosan működik, adataikat telefonvonalon egy központba továbbítják, ahol a terület levegőszennyeződési állapota a mérésekkel egyidejűleg ellenőrizhető. Ez a rendszer azonnali beavatkozást tesz lehetővé veszélyhelyzet esetén: pl. elrendelik a szennyező üzemekben a tisztább 325 energiahordozóra való átkapcsolást.
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING
A másik típus a rendszeres szakaszos (24 órás, vagy 30 perces) mintavételt alkalmazza. A mérőhelyek lehetnek telepítettek, ezen belül automatikusak, vagy kézi kezelésűek, és lehetnek olyanok, amelyeket időnként műszerrel, mérőgépkocsival felkeresnek. Az ilyen hálózat létesítése kevésbé költséges, így több mérőhely jelölhető ki, a szolgáltatott információk (különösen a 24 órás mérések esetében) a legfontosabb igényeket kielégítik. Az adatok értékelése és beavatkozás általában egy hónap, egy év után válik lehetővé.
A mérőpontok kijelölésének szempontjai a vizsgálat céljától függnek. A mérőpontot azonban mindig reprezentatív helyen kell kijelölni. 326
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING IV. Munkahelyi légtér: Legtöbbször
az emissziós és az imissziós koncentrációk között helyezkednek el a szennyező anyagok, a munkahelyi légtér koncentrációi, amit az eltérő mérési módszerek, szabványok és határértékek miatt külön területként célszerű tárgyalni.
A légszennyező komponensek azonossága és az
emisszióval való kapcsolata miatt érintjük a kérdéskört, annak ellenére, hogy az inkább munkavédelemmunkaegészségügy és kisebb mértékben a környezetvédelem területére tartozik. 327
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING
Légszennyező anyagok főbb csoportjai:
Porok és aeroszolok
Gázok és gőzök
328
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 2. Mérési módszerek gázok és gőzök meghatározására a mérési elvek bemutatásakor nem teszünk különbséget az emisszió és az immisszió mérése között, bár ezekre a területekre gyakran különböző jellegű készülékcsaládot alkalmaznak.
Itt
A légszennyezés ellenőrzésének kezdetén elsősorban
klasszikus analitikai módszereket használtak, viszont manapság már a mikroprocesszor vezérelt folyamatosan regisztráló készülékek használatosak.
A következő táblázat a hazai gyakorlatban leginkább
alkalmazott klasszikus analitikai és folyamatos műszeres módszereket foglalja össze. 329
330
A leggyakoribb mérési módszerek összefoglalása
Néhány mérési módszer bemutatása I. IR abszorpció:
A korszerű légszennyezést mérő monitorok jelentős része fotometriás elven működik.
Ismétlés: IR-fotométerek: Felépítésük az ismertetett egy- és kétsugaras fotométerekéhez hasonló.
Optikai elemeik kősóból, lítium-fluoridból, kálium-bromidból készülnek. Üveg vagy kvarc nem használható.
Sugárforrásként színterelt, 1300-1700 °C-ra hevített szilicium-karbid rúd (Globar izzó) használható széles hullámhossz-tartományban.
Érzékelőként az infravörös tartományban jól használható műszer a termoelem vagy a Goley-detektor.
Napjainkban az infravörös spektroszkópiában transzformációs (FT-IR) készülékeket használják.
A spektrumot ebben az esetben két lépésben kapjuk: az első lépés egy ún. interferogram felvétele, míg második lépésben ezt az interferogramot energiaspektrummá Fourier-transzformációval.
az
ún.
Fourier-
alakítjuk 331 át
Néhány mérési módszer bemutatása A legtöbb légszennyezést mérő IR-fotométer nem-diszperzív
(NDIR) berendezés, ami azt jelenti, hogy szűrés nélkül használja az IR sugárforrás által kibocsátott teljes spektrumot.
A szelektivitást azáltal érik el, hogy a mérendő komponenssel
töltött detektorcellát alkalmaznak, mely detektálás csak az IR tartományban használható.
Egy légszennyezést mérő IR-fotométert a következő ábra mutat. A mérendő gázzal töltött két érzékelő kamrát egy membrán-
kondenzátor válassza el egymástól.
A mintagázon áthaladó elemző fénysugár egy része elnyelődik,
így a detektorkamrában referenciaághoz képest.
kisebb
felmelegedést
okoz
a 332
Néhány mérési módszer bemutatása
Légszennyezést mérő IR-fotométer
333
Néhány mérési módszer bemutatása II. UV abszorpció: UV-abszorpciós spektrumban néhány légszennyező anyagnak, mint pl. a nitrogénmonoxidnak és az ammóniának viszonylag szűk, másoknak viszont szinte az egész tartományt felölelő elnyelése van.
Az
Egy ilyen UV-fotometriás elven működő készüléket
mutat be a következő ábra. 334
Néhány mérési módszer bemutatása
NO analizátor működésének vázlata
335
Néhány mérési módszer bemutatása A fényforrás egy nitrogénnel és oxigénnel
töltött vájtkatód lámpa, amelyben gerjesztett NO molekulák keletkeznek és a minta elnyelésének megfelelő hullámhosszúságú vonalakat bocsátanak ki. A detektor fotoelektronsokszorozó, a mért
abszorbancia pedig arányos lesz a mintagáz NO-koncentrációjával. 336
Néhány mérési módszer bemutatása III. Fotometriás távvezérlés: A távérzékelés során az információt néhány száz méter, esetenként
több km hosszúságú levegőszakasz átvilágításával létrehozott abszorpciós spektrumból nyerik.
Alkalmazása: Vegyi üzemek szennyezőanyag kibocsátásának mérése. Tartálypark meghibásodásának észlelése. Városrészek levegő minőségi ellenőrzése. távérzékeléshez olyan erősen diszperzív sugárforrások (hangolható lézerek) alkalmazhatók, amelyek csak a mérendő komponens elnyelési sávjának megfelelő hullámhossz-tartományban sugároznak. A kapott spektrumot modern számítógépes technika hasonlítja össze egy adatbank spektrumaival.
A
337
Néhány mérési módszer bemutatása IV. UV fluoreszcencia: Az UV-fluoreszcencia alkalmazását immissziós SO2 analizátor példáján át szemléltetjük.
UV fluoreszcenciás immissziós SO2 analizátor
338
Néhány mérési módszer bemutatása mintában lévő SO2 molekulák 190-230 nm hullámhosszúságú fény hatására gerjesztődnek, majd 320-380 nm hullámhosszúságú fluoreszcens fényt sugároznak ki.
A
Az
alkalmazott interferencia fluoreszcens sugárzást engedi át.
szűrő
csak
a
Az elnyelést zavaró kísérő komponenseket (vízgőz,
szénhidrogének) gázpermeációs cső segítségével tudjuk a mérés előtt eltávolítani. 339
Néhány mérési módszer bemutatása V. Kemilumineszcencia:
Ez a módszer abban különbözik az előbbi UV
fluoreszcens módszertől, meghatározandó molekula kémiai reakcióban történik.
hogy a gerjesztése
A módszer NOx és ózon meghatározására
alkalmazható.
340
Néhány mérési módszer bemutatása VI. Elektroanalitikai módszerek: A
leggyakrabban alkalmazott elektroanalitikai módszereket a korábbi táblázat tartalmazza.
Ezek közül a SO2 konduktometriás mérése a legrégebb
óta alkalmazott folyamatos méréstechnika emissziós, mind immissziós területen.
mind
A mérés alapja: H2O2 + SO2 +2 H2O = H2SO4 + 2 H2O = 2 H3O+ + SO42 Gyakorlatilag a teljesen disszociált kénsav okozza a
vezetőképesség változást, amit átáramlásos cellában 341 mérnek.
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 3. A részecske-meghatározás (porok és aeroszolok) lehetőségei gáz ill. a gőz halmazállapotú anyagok detektálásához képest eltérő méréstechnikát igényel a részecskék meghatározása.
A
a részecskéket vizsgáljuk az alábbi jellemzőket kell számításba venni:
Amikor
Az összes részecske tömegkoncentrációját. A finom részecskék koncentrációját. A részecskék méreteloszlását. A kémiai összetételt. 342
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING Immissziós pormérésnél különbséget teszünk: a lebegő portartalom és az ülepedő portartalom meghatározása között.
emissziós pormérést nehezíti a alkalmazandó izokinetikus mintavétel.
Az
kötelezően
Ez azt jelenti, hogy olyan sebességgel kell a mintát a
mintavételi ponton beszívni, mint amilyen abban a pontban a mintázandó közeg áramlási sebessége. 343
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING I. Gravimetriás módszer: részecske-meghatározás egyik legrégibb és legmegbízhatóbb módszere a gravimetriás (tömeg szerinti elemzés) pormérés.
A
Meghatározott idő alatt meghatározott térfogatot szívatunk át
a vizsgált közegből valamilyen szűrőanyagon amelynek tömegét a porleválasztás előtt és után is lemérjük.
A mintavételi idő néhány perc vagy akár több óra is lehet.
követően megfelelő reagens használatával mérhető terméket képzünk a vizsgálandó komponensekből, majd azok 344 tömegéből következtetünk a minta eredeti koncentrációjára.
Ezt
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING II. -sugár gyengülés: emissziós részecske koncentráció meghatározására elfogadott módszer a -sugár gyengülés mérésén alapuló eljárás.
Az
A mintagáz portartalmát egy szűrőszalagra választjuk le. Majd a szűrőszalagot a mérőszakaszba továbbítják, ahol a
leválasztott részecskék foltját gyenge elektron-sugárral átvilágítják és az aktivitás gyengülését megfelelő detektor (Geiger-Müller számláló) segítségével meghatározzák.
A sugárforrás acélkapszulába zárt Kr85 vagy C14 izotóp.
345
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING III. Optikai módszerek:
fénysugarat bocsátunk át egy részecskéket tartalmazó gáztérfogaton, a fénysugár:
Ha
egy része a részecskéken elnyelődik, illetve különböző szögben szóródik.
346
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING
Szórt fény
347
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING kémény, kürtő vagy füstcsatorna átvilágításakor az ún. opaciméterek a fénysugár gyengülésének mértékét használják fel az elemzéshez.
A
Levegőminőség mérésekor leggyakrabban az elemző fénysugárral
kis szögben szórt fény mennyiségét mérik.
Az opaciméterek feloszthatók: egyszerű füstsűrűség mérőkre és kalibrálható részecske koncentráció mérők csoportjára. A füstsűrűség mérőket a tüzelés hatásfokának ellenőrzésére
használják, a látható fény tartományban dolgoznak és a transzmissziót mérik. Ezek a készülékek az abszorbanciát mérik. 348
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 4. Emisszió mérés: Az emisszió mérés két alapesete: az extrakciós mintavételen alapuló módszer és magában a füstgázáramban történő in-situ mérés. In-situ mérések: IR vagy UV fotometriát alkalmaznak, a kémény egyik oldalára szerelik a fotométert, a szemközti oldalra pedig vagy a fényforrást vagy a reflektor egységet. 349
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING Az így mérhető vegyületek:
UV-fotométerrel: ammónia, benzol, klór, kéndioxid, nitrogén-monoxid és - dioxid, toluol, stb.
IR-fotométerrel: aceton, acetilén, kén-dioxid, nitrogén-monoxid, szén-monoxid és -dioxid.
Az emisszió mérést gyakran nehezítik a nagy
koncentrációban jelenlévő zavaró komponensek, amelyek speciális mintaelőkészítést és gyakoribb karbantartást tesznek szükségessé. 350
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING Extrakciós módszernél: A levegőmintát szűrik, majd a nedvességtartalom lecsapódásának megakadályozása érdekében vagy fűtött teflon vezetéken, vagy levegővel hígítva vezetik a gázelőkészítő egységbe. gázelőkészítő egység a gázelemzés nélkülözhetetlen része, melynek meghatározó elemei a porleválasztó és a nedvességeltávolító egység.
A
Az emisszió számításához meg kell állapítani a
pontforrás által kibocsátott valamint a hőmérsékletét.
véggáz
sebességét,
351
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 5. Immisszió mérés:
Az immisszió méréseknél az egy esztendőn át tartó, mindennapos vagy folyamatos mérések megvalósítására törekszenek.
Az értékelést a fűtési és a nem fűtési időszakra külön kell elvégezni.
A minősítendő területről megfelelő állomássűrűség esetén szennyezettség-eloszlási térképet készíthetünk.
A meteorológiai paraméterek folyamatos elválaszthatatlan része a folyamatnak.
rögzítése 352
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING 6. Légszennyezést mérő monitorok kalibrálása: emissziós és immissziós üzemeltetéséhez szükséges tartozékok:
Az
monitorok
Kalibrálógáz palackok vagy generátorok Zérólevegő (viszonyítási alap) palack vagy generátor Kalibráló berendezés Légszivattyú Adatkiíró, -rögzítő, -tároló és -továbbító egységek (számítógép) 353
LEVEGŐSZENNYEZÉS MONITORING
A korszerű légszennyezésmérő monitorok kalibrálása a nulla és egy kiválasztott koncentráció ellenőrzésével történik.
A zérólevegőt ehhez vagy gázpalackokból vagy generátorral nyerik.
A kalibráló gázok biztosíthatók gázpalackokból vagy szintén generátorok segítségével. 354
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
355
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN A vízben lévő szennyeződések:
a berendezések korrózióját eredményezhetik, vagy a bennük lévő baktériumok betegségeket is okozhatnak.
Ezért a folyamatos vízminőség ellenőrzés igen
fontos, hogy meggyőződjünk arról, hogy a vízkezelési eljárások eltávolították, ill. csökkentették ezek mennyiségét.
Az egyedi, időszakos mintavétel és a szakaszos
laboratóriumi ellenőrzés idő és munkaigényes.
356
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN A mintavétel és az elemzési módszer időbeli változása az
eredmények jelentős hibáit okozhatják. A szakaszos elemzés nem alkalmas arra, hogy egy hibát időben
jelezzünk, ami vagy a termékben vagy a berendezésekben károsodást okozhat. Az automatikus elemzés ezeket a problémákat megoldja,
csökkenti a vízkezelési költségeket és segít a nem megfelelő paramétereket azonnal korrigálni. következő táblázat azokat a paramétereket szemlélteti, amelyeket a monitorokkal ellenőriznek, illetve megadja azokat a folyamatokat is, amelyek ellenőrzésénél fontos a paraméterek állandó ismerete. 357
A
Monitorokkal mért vízminőségi paraméterek ismertetése
358
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Folyamatos vízelemzéseknél alkalmazott legfontosabb műszerek folyamatosan működő, elemző berendezésekkel szemben felmerülő igények az alábbiak:
A
Megbízható, hosszú idejű, stabil működés.
Teleppel is működtethető legyen helyszíni, folyamatos elemzések céljára.
A megengedett értéktől eltérő adatok mérésénél jelezzen a készülék.
Automatikus nullpont beállítás, ami az eltérő, zavaros vagy színes minták elemzésénél szükséges. 359
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN A kémiai egység zárt rendszerben legyen,
hogy elkerüljük a minták vagy a reagensek elszíneződését.
Lehetőleg kis reagens-igénnyel dolgozzon. Könnyű
legyen a használata, legyen a reagens-csere.
egyszerű
Számítógéphez csatlakoztatható legyen. 360
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Néhány fontosabb műszer pH-mérő: Üvegelektródot alkalmazó potenciometriás berendezés, mely ellenálló kivitelben készül.
A hosszú idejű stabilitást az biztosítja, hogy a vonatkozási elektróddal nem sóhídon keresztül érintkezik, hanem egy állandó elektrolit utánpótlást biztosító kapilláris adja a kapcsolatot.
A műszer alsó és felső határral rendelkező pHtartomány beállítóval és jelzőberendezéssel van ellátva, így a megengedett pH-tartományon kívül eső értéknél a készülék automatikusan jelez. 361
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
Spektrofotometriás elven működő elemzők:
Lúgosság, alumínium, hidrazin, foszfát, szilícium, klór, króm(VI), réz, Ca-Mg, szulfit, nitrát meghatározására alkalmas berendezéseket használunk.
A folyamatosan működő elemzők perisztaltikus vagy dugattyús pumpával rendelkeznek. Az utóbbi esetben a dugattyú küvettaként is funkcionál.
Perisztaltikus dolgoznak.
A különböző minták háttér elnyeléséből adódó hibákat két hullámhosszon történő méréssel lehet kiküszöbölni. 362
pumpával
átfolyó
rendszerű
küvettával
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN megfelelő reagensek adagolásával, perisztaltikus pumpa segítségével a vízmintához folyamatosan keverve jellemző színreakciókat hoznak létre.
A
perisztaltikus pumpával működő foszfátelemző rendszert mutat be a következő ábra.
Egy
363
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
Itr
I0
Folyamatos foszfátelemző berendezés
364
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Vezetőképesség-mérő monitor:
A vezetőképesség-mérő monitor a különböző eredetű vizek nem specifikus, ionos szennyeződéseinek mérésére szolgál.
Párhuzamosan a hőmérsékletet is méri.
Vezetést, ellenállást továbbá teljes oldott só koncentrációt is ki tud jelezni különböző folyamatok ellenőrzése során. 365
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
Zavarosság-mérő monitor:
Használnak merülő turbidimétert és nefelometriás (fényszórás fotometria) elven működő monitort is.
A merülő változat kivitelezésénél a szűrőréteg folyamatos tisztítása is megoldott, így hosszú idejű folyamatos használatra van lehetőség.
A folyamatos monitorálás szükséges ahhoz, hogy hatásos vízkezelés történjen a városi, ipari vizeknél, forró víz tároló berendezéseknél és hűtővíz rendszereknél (pl. csapadékképzéssel járó kezeléseknél a szűrési hatásfok ellenőrzése). 366
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
Különböző eredetű vizek elemzése monitorral
367
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN 1. Nyers víz feldolgozás:
A nyers víz szennyeződései a származási helytől függően változnak.
A felszíni vizek esetében általában sok az oldott oxigén és üledék, de alacsony az oldott só és keménység.
A talajvizekben, felszín alatti vizekben sok a széndioxid, az összes oldott só és a keménység, de alacsony a lebegő szilárd anyag, tekintet nélkül a további szennyezést eltávolító kezelési folyamatra, koaguláció és derítés az első lépés.
A csapadékképző anyag (Al2O3), ill. a koagulálást elősegítő adalék könnyen kiülepedő terméket képez. 368
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Alkalmazott módszerek:
Legtöbb esetben a mikrobiológiai szennyeződések bontására klórt, vagy klórdioxidot alkalmaznak, ezek oxidálnak olyan szerves vegyületeket is, amelyek íz vagy szagrontó hatásúak. Keménység, pH és zavarosságmérés fontos a nyers vízben és a kezelt vízben is, hogy a kezelés hatásosságát ellenőrizni lehessen. A pH-mérő monitorok a sav vagy szóda adagolást (a pH-beállítás hatékonyságát) ellenőrzik.
A zavarosságmérő a koaguláló vegyszerek adagolást méri, ill. szabályozza. A keménységmérők jelzik, hogy a víz a vízlágyítási követelményeknek megfelel-e. 369
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN 2. Szűrt víz és szennyvíz: a) Szűrt víz: A szűrés ellenőrzésére a zavarosságmérés alkalmas. A turbidiméter beépített szűrőjének folyamatos üzemelése érdekében a szűrőt az eltömődéstől védeni kell.
Ezért az ún. visszamosó rendszert alkalmazzák, amelynél az eltömődött szűrő mosását a szűrendő vízzel ellenkező irányba áramló tiszta víz (mosóvíz) végzi. 370
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN szűrés után a folyamatosan mérendő paraméterek:
A
Átlátszóság, Íz, Szag, Keménység, Baktériumszám.
A vizet vezetékes vízként lehet használni. A vas, fluorid és mangán meghatározását az
esztétikai minőség megvédése érdekében végzik. 371
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN b) Szennyvíz (elfolyó víz): A kezelendő használt víz esetén az alábbi paraméterek
mérése a legfontosabb a biológiai szennyvízkezelés szempontjából:
pH, vezetés, lúgosságmérés.
Egyéb műveletek:
A pH-t folyamatosan monitoráják. A vezetés a beérkező víz jellegétől függ. Fertőzöttnek minősített vizek esetén klórozásra is szükség van. 372 A zavarosság igen fontos paraméter.
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN A kezelt elfolyó szennyvizet folyamatosan
ellenőrző mérések:
zavarosságmérés, klór, oldott oxigén, foszfát.
373
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN 3. Forró víz tárolók vizei (kazánvizek): a) Tápvíz: Ellenőrzésének célja: A szennyező ne jusson a kazánba, továbbá a kondicionáló adalékvegyszerek koncentrációjának beállítása optimális legyen.
A nyomás növekedésével a tápvíz minőségi követelményei is szigorodnak:
Kis és közepes nyomású kazánoknál zeolit lágyítókat alkalmaznak, hogy a Ca és Mg keménységet 0-2 mg/l alá (CaCO3-ban kifejezve) csökkentsék.
A lágyítók kimerülését állandó ellenőrzéssel lehet követni, pl. ha a keménység megnő a lágyító kimerült. Jelentős 374 megtakarítás érhető el folyamatos keménységméréssel.
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Nagyobb nyomás esetén eltávolítani a szennyezőket.
ioncserélővel
tudjuk
Ha az ionmentesítők kezdenek kimerülni, a szilícium fog először megjelenni az ioncserélő oszlop után. Kis koncentráció és kis ionmozgékonyság miatt vezetésméréssel nem lehet követni a szilícium koncentrációt. Automatikus szilícium-elemzőt kell beiktatni, hogy az 375 ioncserélő kimerülését detektáljuk.
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN b) Belső kazánvíz: Még
a legjobb vízkezelési technológia bejuthatnak szilárd részecskék a kazánba.
mellett
is
A kazánba adagolt reagensek: Foszfát, melynek szerepe a Ca és Mg ionok lecsapása (gondosan adagolt koncentráció szükséges).
Korróziót okozhatnak a karbonátok és a bikarbonátok a széndioxid képződés miatt.
A lúgosságnak viszonylag magasnak kell lenni, hogy ne
történjen savas korrózió, de túl magas értéknél szilárd anyag szállítódhat a gőzzel. 376
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN A korrózió elleni védekezés eszköze a pH és az oldott
oxigén mérése.
Az oxid korróziótermékek megtapadnak a kazán falán és
hőátadás-csökkenést okoznak.
Az oxigénszint csökkentése két módon történik: Kémiai kezelés reagensekkel (hidrazin, hidrokinon, karbohidrazid, metil-etil-ketoxim).
Kilevegőztetés
A kazánvíz Si tartalmának igen alacsonynak kell lennie,
hogy ne okozzon lerakódást a turbinákban.
377
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN c) Kondenzvíz: Igen nagy tisztaságú víz, melyet visszavezetnek
a kazánba a drága előkezelt víz helyett.
A kondenzátum visszavezető rendszerében a
vízminőségi paramétereket újból mérik: vezetés, szilícium, keménység, zavarosság.
378
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Itt a szennyezések forrása lehet: a hűtővízvezeték tömítetlensége, oldott gázok, ill. kenőolaj kerülhet a pumpából, ill. lebegő fémrészecskék juthatnak a vízbe.
A vas, réz, oldott oxigén problémákat jelezhet.
mérése
korróziós
Na vagy Si a kondenzátumban áthordási problémákat vagy tömítetlenséget jelez. 379
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN d) Lecsapolás: A lecsapolás része minden kazánvíz kezelési programnak. Ennek során eltávolítják a lerakódó iszapot, szilárd anyagot, mielőtt károsan hatnának. Gondos ellenőrzést igényel a gazdaságos üzemelés
érdekében.
A lecsapolás lehet szakaszos vagy folyamatos: esetben a sebességét a kazánban felhalmozódó szilárd anyag képződése határozza meg. Ha ez változik, a lecsapolási sebességnek is változni 380 kell.
Folyamatos
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Szakaszos esetben a kazánban egy adott szintig nő a
szilárd anyag mennyisége, majd számított mennyiségű vizet lecsapolnak.
Mindkét esetben egyensúlynak kell lenni a szilárd anyag
eltávolítás, a hőveszteség és a kezeléshez szükséges vegyszerek mennyisége között.
Mérendő paraméterek: szilícium, hidrazin, és más oxigént csökkentő reagensek, foszfát, pH, vezetés. 381
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN 4. Hűtővíz, ipari víz: a) Hűtővíz: Ipari létesítményeknél ebből sokat használnak.
Használatának célja: a gőz-kondenzálás, víz és levegő hűtés.
Hűtőberendezések: egyutas és cirkulációs rendszerűek lehetnek. Egyszer használt (egyutas) rendszer: klórozást végeznek a biológiai folyamatok megakadályozására.
Recirkulációs rendszer: a vízben lévő komponensek feldúsulhatnak, ezért több paramétert is kell mérni, ill. 382 szabályozni:
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN
pH-szabályozás: szerves vagy ásványi savak adagolásával megakadályozzuk a csapadékképződést.
Kelátképzők, adagolásával a elkerülni.
foszfát, fémionok
foszfonátok dúsulását lehet
Folyamatosan ellenőrzött paraméterek:
pH, keménység.
383
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Korróziót gátló adalékanyagok:
kromát, polifoszfát, molibdát, és cink vegyületek.
Általában a kémiai tulajdonságok ellenőrizhetők a pH, lúgosság és
maradék klór adott szinten tartásával.
biológiai bomlási folyamatokat klór adagolásával lehet megakadályozni, de már 1 mg/l klór-felesleg a lúgossággal együtt ártalmas a fák lignintartalmára, tehát a természetbe jutás során.
A
A zavarosságmérés a bejövő víz ellenőrzésére és recirkulálációkor a
szűrés ellenőrzésére szolgál.
384
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN b) Ipari vizek: Az ipari vízfelhasználás a teljes vízhasználat 1/4-ét teszi ki. Az
alkalmazott ipari víz minősége a konkrét ipari tevékenységtől függ.
Általános kezelés: lágyítás, kémiai kezelés a pH-beállítás érdekében és a korrózió, ill. a bakteriális fertőzés ellen. Általános követelmények az ipari kapcsolatban: ne legyenek korrozívak, zavarosak, színesek, ne tartalmazzanak vasat és mangánt.
víz
minőségével
385
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Ezenkívül: A mosó- Ill. öblítővizek ne legyenek kemények.
Az italkészítésre használt víz steril, átlátszó, színtelen és szagtalan legyen.
Az erjesztésnél használt víz esetén alacsony legyen a Ca és Mg-tartalom, illetve a lúgosság.
A papíripari víz színtelen, ill. Fe- és Mn-mentes legyen.
A klóralkáli gyártáshoz használt víz esetén Ca-mérés 386 szükséges a membránok romlásának ellenőrzésére.
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN c) Ultratiszta víz:
Klórozás, szűrés, lágyítás mellett még további kezelések lehetségesek: fordított ozmózis, ultraszűrés, ioncsere, UV-sterilizálás.
Kontrollmérések:
pH, zavarosság, klór, vezetés, szilícium.
387
MONITOROK ALKALMAZÁSA A VÍZELEMZÉSBEN Mérőműszerek és mérőhelyek:
pH-mérés: az ioncsere ellenőrzésére.
Zavarosságmérés: a szűrők hatékonyságának ellenőrzésére.
Klórozás ellenőrzésére, ill. a fordított ozmózis membrán romlásának követésére klór-analizátort alkalmaznak. Si-elemző: az ionmentesítés ellenőrzésére, rendszerben több helyen is alkalmaznak.
melyet
a
Vezetésmérés: a nem specifikus szennyezők mérésére a rendszerben. Oldott sók összes koncentrációjának 388 meghatározására alkalmazzák.
