Dr. Abrankó László
Elválasztástechnika az analitikai kémiában
Mérési módszer szelektivitása, specifikus jellege Egy mérési módszernek, reagensnek (vagy általában kölcsönhatásnak) azt a jellemzőjét, hogy különböző anyagfajtákat képes megkülönböztetni, szelektivitásnak nevezzük. Ha a szelektivitás annyira erős, hogy csak egyetlen anyagfajtát jelez a módszer vagy a reagens (egyetlen anyaggal lép fel a vizsgált kölcsönhatás), akkor a módszer, stb. specifikus.
Analitikai interferencia Ha egy komponens meghatározása során egy másik komponens jelenléte problémát okoz, analitikai interferenciáról beszélünk. Feltételezhető, hogy • a nem-szelektív módszernél van interferencia, • míg egy szelektív módszernél nincs
1
Az analitikai kémiai mérés megvalósításának központi problematikája • A meghatározandó komponens mindig számos egyéb alkotó közé rejtve található. Ez a hordozóközeg az ún. mátrix. • A rendelkezésre álló módszerek nem tökéletesen szelektívek, ezért a meghatározandó komponenseket el kell – a mátrixtól választani – több mérendő komponens esetén ezeket egymástól is el kell választani.
„Minden márványtömbben ott rejtőzik a szobor, csak ki kell szabadítani a kő fogságából” Michelangelo
Elválasztástechnikák (példák)
• Fizikai elven (pl.: szűrés, ülepítés, centrifugálás stb.) • Fiziko-kémiai elven (pl.: desztillálás, extrakció) • Kémiai elven (pl.: csapadékképzés, komplexképzés)
Ezeket az elválasztástechnikákat általában a mintaelőkészítési műveletekhez sorolják.
2
Analitikai elválasztástechnikák • Ha a mérendő komponensek fiziko-kémiai tulajdonságaikban túlságosan hasonlóak ahhoz, hogy a mintaelőkészítés során alkalmazott elválasztástechnikák segítségével elválasszuk őket egymástól, akkor „finomabb” módszerekhez kell folyamodnunk.
Kromatográfia
Kromatográfia • A kromatográfiás elválasztás során a különböző anyagok szétválasztása két eltérő fiziko-kémiai tulajdonságú fázis határfelületén következik be. • A szétválasztás elvi alapja az, hogy az elegy egyes összetevői különböző mértékben kötődnek a fázisokhoz. • Az egyik fázis mindig egy áramló, vagy mozgó fázis (mobilfázis) • A másik mindig álló fázis (stacioner fázis).
Kromatográfia alapja
1906 Tswet (Cvet): chroma (szín) – graph (írás) -Növényi pigmentek és klorofill elválasztása
1. Minta (diszkrét mennyiség)
2. Mosófolyadék (eluens) = mozgófázis Cső (oszlop, vagy kolonna) Mely valamilyen szorbenst tartalmaz (töltet) = állófázis
3
Kromatográfia alapjai Az egyes komponensek fajlagos kötődése a szorbensréteghez (állófázishoz) nem azonos, ezért az ún. futtatás során az állófázishoz jobban kötődő komponensek „lemaradnak”.
Kromatográfia alapjai Az eluálódó komponens detektálása nyomán keletkezik az ún. kromatogram
Kromatográfiás jel
4
Kromatogram
A kromatogram: a kolonnáról eluálódó komponensek detektorjelének idő-függvénye. A kromatográfiás futtatás kezdetétől a komponens eluálódásáig eltelt időt retenciós (visszatartási) időnek nevezzük. A retenciós idő, a komponens anyagi minőségét jellemzi azaz kvalitatív mutató, míg a csúcs alatti terület a mennyiséggel van összefüggésben. Tret
Kromatográfiák csoportosítása A csoportosítás elvégezhető: •
Állófázis geometriája szerint: -planáris- (pl.: vékonyréteg) és -oszlopkromatográfia
1.
Mozgófázis halmazállapota szerint: -folyadékkromatográfia (liquid chromatography, LC) -gázkromatográfia (gas chromatography, GC)
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos kromatográfia) Megoszlás jelensége (ismétlés) Apoláros (szerves) fázis
Poláros komponens (cukrok)
Apoláros komponens pl.: benzol
Poláros (vizes) fázis
Kevésbé apoláros komponens (pl.: fenolok, észterek)
5
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia) Apoláros mozgó fázis
k1 k2
Poláros álló fázis
T0 időpillanat
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia) Apoláros mozgó fázis
k1 k2
Poláros álló fázis
T1 időpillanat
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Megoszlásos folyadékromatográfia altípusai:
mozgó fázis apolárosabb, mint az állófázis = normálfázisú (normal phase, NP)
Mozgó fázis polárosabb, mint az állófázis = fordított fázisú (reversed phase, RP)
6
Folyadékkromatográfiás töltet
mobilfázis Töltetrészecske
Póruscsatorna
Oldalláncok
Póruscsatorna
Töltet-részecske
Töltetrészecske
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek A retenciót a két fázis egymáshoz viszonyított polaritása is befolyásolja Példa fordított fázis esetén
Holtidő, illetve holttérfogat (nincs visszatartás)
Kromatogram jellemzői
detektorjel
(retenciós idő)
(holtidő)
idő Holtidő: a visszatartással nem rendelkező komponens elúciós ideje (az az idő amely alatt a mozgófázis eljut az injektortól a detektorig)
7
Kapacitás faktor vagy visszatartási tényező: Megadja, hogy egy vizsgált komponens az elválasztás során mennyi időt tartózkodott az állófázison viszonyítva a mozgófázisban töltött időhöz.
k=
tR − tM tM
Szelektivitási tényező
α=
t R2 − t M t R1 − t M
Felbontás Rs = 2
tR,2
t R , 2 − t R ,1 w2 + w1
≥ 1,5
tR,1
w1
w2
8
Felbontás Rs = 2
t R , 2 − t R ,1 w2 + w1
≥ 1,5
Zónaszélesedés jelensége
zónaszélesség kezdetben
zónaszélesség egy t idô után
•
Nem szabályos töltetrészecskék
•
Keresztirányú diffúzió
•
Anyagátadás sebessége (hatékonysága)
Hatékonyság •Ha egységnyi oszlophosszon több komponens választható el, akkor a kromatográfia hatékony. Ez elérhető:
•Szabályos alakú töltetrészecskék alkalmazásával •Minél kisebb szemcseméret-eloszlású töltet alkalmazásával •Minél kisebb részecske-átmérőjű töltet alkalmazásával •Olyan töltet alkalmazásával amely lehetővé teszi a minél többször lejátszódó, gyorsan lezajló megoszlást (anyagátadást)
9
a
rossz elválasztás:nem szelektív nem hatékony
mV
idô b
szelektív nem hatékony
mV
idô
c
nem szlektív hatékony
mV idô d
szelektív hatékony
mV idô
Egyéb kromatográfiás visszatartást létrehozó kölcsönhatások • Ionos kölcsönhatás (ioncserés kromatográfia) kationcsere, anioncsere (általában szervetlen, töltéssel rendelkező ionok, vagy erősen polarizálható komponensek elválasztására) • Specifikus szubsztrátot kötő komponensek rögzítése az állófázison (affinitás kromatográfia) • Méretkizárásos kromatográfia
Folyadékkromatográfiás visszatartást, elválasztást befolyásoló tényezők • Állófázis anyagi minősége • Állófázis (töltet) szemcsemérete: hatásos reakciófelület • Kolonna geometriája: hossza, keresztmetszete • Mozgó (mobil) fázis összetétele (anyagi minőség, polaritás, ionerősség, pH) • Mozgófázis áramlási sebessége • Mozgófázis fizikai jellemzői: viszkozitás, hőmérséklet
10
Folyadékkromatográfia technikai megvalósítása
• A diszkrét mintamennyiséget (1-100 ul) folyadékáramba juttatjuk (injektáljuk). • Az eluenst pumpa áramoltatja (áramlási sebessége és/vagy összetétele időben változik = gradiens elúció. Ha álladó, akkor izokratikus elúciórol beszélünk)
Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Jellemzők: • A mobilfázis és az állófázis (különböző kromatográfiás elméletek alapján optimalizálható) nagy felületen találkozik, így egységnyi oszlophosszon több komponens választható el, azaz a kromatográfia hatékony. • Ez apró, szabályos szemcsékkel tömören töltött oszlopokkal valósítható meg. • Ilyen oszlopok esetén, az eluenst nagy nyomással (100-200 bar) lehet az oszlopon (a töltet szemcséi között) átpréselni.
Folyadékkromatográfiás detektorok Fotometriás, fluoreszcens detektorok. Az eluens, egy ún. átfolyó küvettán keresztül halad. kolonna
eluens
11
HPLC élelmiszeripari alkalmazása Gyakorlatilag a legkülönfélébb, az adott kolonnán csupán reverzibilisen kötődő és az eluensben oldódó, stabil és valamilyen módon detektálható komponens vizsgálatára alkalmas technika. • • • • • • • • • •
Vitaminok Cukrok Szerves savak Szinezékek Szervetlen ionok (NO3-, SO42-) Permetezőszer-maradványok, gyógyszermolekulák PAH-ok, PCB-k Toxinok Aminosavak, peptidek, fehérjék …
Gázkromatográfia
(gas chromatography, GC) Jellemzői: • A mozgófázis valamilyen gáz (He, N2, H2, Ar-CH4) • Az állófázis lehet
– apoláros, poláros (megoszlásos kromatográfia) – adszorpciós
• A mozgófázis összetétele a kromatográfia során nem változtatható, azonban hőmérséklete igen (hőmérsékletprogram).
Gázkromatográfia technikai megvalósítása
Mintabevitel az áramló gázba történik, pillanatszerű elpárologtatással.
Temperált kolonnatér
12
Hőmérséklet hatása az elválasztásra Állandó hőmérséklet
Hőmérsékletprogram
T
idő
Töltetes oszlop
Gázkromatográfiás oszlopok
1-10m hosszú; 5 mm átmérő
Kaplilláris oszlopok (nagy hatékonyságú és felbontású) 20-50m hosszú; 0,5 mm átmérő
Gázkromatográfiás detektorok • Lángionizációs detektor (Flame Ionization Detector, FID) – Univerzális (CH érzékeny), nem specifikus • Elektronbefogásos detektor (Electron capture detector, ECD) – Halogéneket érzékenyen detektál (Cl, F) • Atom emissziós detektor (AED) – Elemszelektív (S, P) • Tömeg szelektív detektor (Mass Selective Detector, MSD) – Univerzális és specifikus is egyben (GC-MS)
13
Gázkromatográfia élelmiszeripari alkalmazása Általában minden 250 fokig bomlás nélkül elpárologtatható (mintabevitel) az oszlopon csupán reverzibilisen kötődő komponens mérésére alkalmas. • Illékony komponensek (aromaanyagok, illóolajok) • Szénhidrogének • Szerves oldószerek • Permetezőszer-maradványok, gyomírtószer-maradványok • PAH-ok, PCB-k • Olajok, zsírok, koleszterol, hormonok • Származékképzéssel egyéb vegyületek is
14
