MODERN MŰSZERES ANALITIKAI MÓDSZEREK

2010.10.07.

Galbács Gábor

MODERN MŰSZERES ANALITIKAI MÓDSZEREK

AZ ANALITIKAI KÉMIAI KUTATÁSOKRÓL Az analitikai kémiát sokszor úgy definiálják, értelmezik, hogy az a kémia azon területe, amely a kémiai rendszerek („minták”) mennyiségi és minőségi összetételével foglalkozik. foglalkozik Ehhez azonban fontos hozzátenni, hogy az analitikai kémiai kutatások nem a létező módszerek rutin alkalmazásával foglalkoznak, hanem új mérési módszerek kifejlesztésével, optimálásával. Az általuk kidolgozott módszerek rutin alkalmazását végzik más területek kémikusai. Analitikai kémiai módszereket sokan használnak, de analitikai kémiai kutatásokat kevesen folytatnak.

1

2010.10.07.

AZ ANALITIKAI KÉMIAI KUTATÁSOKRÓL Az analitikai kémiát sokszor úgy definiálják, értelmezik, hogy az a kémia azon területe, amely a kémiai rendszerek („minták”) mennyiségi és minőségi összetételével foglalkozik. foglalkozik Ehhez azonban fontos hozzátenni, hogy az analitikai kémiai kutatások nem a létező módszerek rutin alkalmazásával foglalkoznak, hanem új mérési módszerek kifejlesztésével, optimálásával. Az általuk kidolgozott módszerek rutin alkalmazását végzik más területek kémikusai. Analitikai kémiai módszereket sokan használnak, de analitikai kémiai kutatásokat kevesen folytatnak. Az analitikai kémiai kutatások általában a létező módszerek kimutatási képességeinek határán folynak, annak érdekében, hogy a többi empirikus tudományterület felhasználói számára lehetővé tegye az analitikai módszerek felhasználását egyre kisebb mennyiségű és egyre összetettebb mintán, egyre alacsonyabb koncentráció tartományban, minél rövidebb idő alatt és minél pontosabban.

ANALITIKAI KÉMIAI SZEMLÉLETMÓD Az analitikai kémia természetesen épít a kémia és fizikai elméleti területeinek eredményeire, ugyanakkor nagymértékben empirikus tudományterület. Ezt leginkább akkor értjük meg, ha arra gondolunk, hogy az analitikai kémikusok feladata általában fejlesztő problémamegoldás, mivel legtöbbször minimális, a mintára vonatkozó előzetes információ birtokában dolgoznak. Ennek következtében ne várjunk a területtől bonyolult elméleti levezetéseket és látványosan általánosító képleteket. Azon kevés kutatási területek egyike azonban, amely a gyakorlatban használható ismeretekkel és módszerekkel gyarapítja a tudományt. tudományt

2

2010.10.07.

ANALITIKAI KÉMIAI SZEMLÉLETMÓD Az analitikai kémia természetesen épít a kémia és fizikai elméleti területeinek eredményeire, ugyanakkor nagymértékben empirikus tudományterület. Ezt leginkább akkor értjük meg, ha arra gondolunk, hogy az analitikai kémikusok feladata általában fejlesztő problémamegoldás, mivel legtöbbször minimális, a mintára vonatkozó előzetes információ birtokában dolgoznak. Ennek következtében ne várjunk a területtől bonyolult elméleti levezetéseket és látványosan általánosító képleteket. Azon kevés kutatási területek egyike azonban, amely a gyakorlatban használható ismeretekkel és módszerekkel gyarapítja a tudományt. tudományt Éppen amiatt, kb. 90% a valószínűsége, hogy olyan munkahelyen fognak majd dolgozni, ahol a műszeres analitikai módszerek alkalmazására lesz szükség, és hogy az analitikai kémiai kurzusokon tanultak igen nagy részét közvetlenül hasznosítani tudják majd…

AZ ANALITIKAI KÉMIA FEJLŐDÉSE Az analitikai kémia a kémia egyik leggyorsabban fejlődő ága, g , köszönhetően az elmúlt évtizedek robbanásszerű technikai fejlődésének. Ma az analitikai kémia majdnem kizárólag műszeres (fizikai) vizsgálati módszereket alkalmaz, a klasszikus módszerek teljesen háttérbe szorultak. Erre a folyamatra egy szemléletes tartalmának elemzési módszere…

példa

az

ércek

nikkel

3

2010.10.07.

Fresenius által kidolgozott gravimetrikus eljárás az ércek Ni tartalmának meghatározására. Végrehajtásához több nap időre és számottevő minta illetve vegyszer mennyiségre volt szükség. (C.R.A. Fresenius: A System of Instruction in Quantitative Chemical Analysis, John Wiley and Sons, 1881.)

Hillebrand és Lundell által kidolgozott, továbbfejlesztett gravimetrikus eljárás az ércek Ni tartalmának meghatározására amely a meghatározására, Ni2+ és Pd2+ ionokra szelektív dimetilglioxim lecsapószer alkalmazásán alapul. A végrehajtás már csak kb. egy napot és pár gramm mintát vett igénybe. g y (W.F. Hillebrand, G.E.F. Lundell, Applied Inorganic Analysis, Wiley and Sons, 1953.)

4

2010.10.07.

eredeti ércminta roncsolás (oldatbavitel) savkeverékekkel elemzés láng atomabszorpciós (FAAS) spektrometriával

Az 1970-es évekre a műszeres, ű lá láng atomabszorpciós (FAAS) spektrometriai elemzési eljárás vált általánossá. Ennek kivitelezése a mintaelőkészítéssel együtt már néhány óra alatt és néhány tized gramm minta felhasználásával megoldható volt, és a kimutatási határ is jelentősen lecsökkent.

eredeti minta közvetlen elemzés LA-ICP-MS vagy LA-ICP-AES módszerrel

A ma használatos, egyik legkorszerűbb módszer szilárd minták elemtartalmának meghatározására a lézeres abláció alkalmazása plazma spektrometriás detektálással kombinálva. Ez mindössze pár g mintát és mikrogramm néhány perc időt igényel. Milliárdodrész (ppb) és az alatti koncentrációk is meghatározhatók.

5

2010.10.07.

A JELEN KURZUS CÉLJA, TÁRGYA A kurzus célja, hogy korábbi alapozó más tantárgyaik folytatásaként áttekintést adjon a műszeres analitikai kémia korszerű, fontosabb módszereiről, módszereiről eszközeiről (ott folytassa, folytassa ahol a „Műszeres Műszeres analitikai kémia” kurzus befejezte). A tárgyalás során igyekszünk a szokásos négyes tagolást követni és csak kommerciális forgalomban lévő, széles körben használt módszerekről, technikákról lesz szó. Ezen belül a következő központi területekre koncentrálunk majd: o o o o o

nyomanalitikai szemlélet kapcsolt technikák speciációs analízis kromatográfia spektrometria (ide értve a szerkezetvizsgáló módszereket is)

TEMATIKA o

A nyomanalitikai mintaelőkészítés módszerei és eszközei

o

Elválasztástechnikai módszerek

o

Tömegspektroszkópia

o

Kvalitatív és kvantitatív analitikai spektrometriai módszerek

o

Modern elektroanalitikai és termikus módszerek

o

Automatizált, miniatürizált és intelligens analitikai mérőrendszerek

o

Szerkezetvizsgáló módszerek

A számolási gyakorlat idejét az előadáshoz kapcsolódó gyakorlati disszkussziók, alkalmazási példák, számolási feladatok elvégzése fogja kitölteni.

6

2010.10.07.

FELHASZNÁLHATÓ IRODALOM

Somenath Mitra: Sample preparation techniques in analytical chemistry, chemistry Wiley-Interscience, 2003. Kellner, Mermet, Otto, Widmer (szerk): Analytical chemistry, Wiley-VCH, 1998. Záray Gy. (szerk): Az elemanalitika korszerű módszerei, Akadémiai kiadó kiadó, 2006. 2006 Burger K.: A mennyiségi analízis alapjai: kémiai és műszeres elemzés, Medicina kiadó, 1992

NYOMANALITIKA/ULTRANYOM ANALITIKA

Főkomponens analízis: 1% fölötti koncentrációk Mellékkomponens analízis: 0.01% fölötti koncentrációk Nyomanalitika: általában 1 ppm (1 mg/L vagy 1 cm3/m3) körüli koncentrációk meghatározása Ultranyom analitika: általában az 1 ppb (1 µg/L vagy 1 mm3/m3) alatti koncentrációk meghatározása

7

2010.10.07.

SPECIÁCIÓS ANALÍZIS A nehézfémek nyomanalízise ma már nagyon alacsony koncentrációban lehetséges, ez azonban önmagában az elemek biológiai elégtelen adat. Egyre több bi ló i i hatásának h á á k jellemzésére j ll é é lé l d E öbb kutatási k á i eredmény igazolja, hogy egy elem toxikus vagy jótékony hatása valójában az elem kémiai formájához köthető, ezért az ide vonatkozó vizsgálatoknak (környezetvédelem, humánbiológiai, stb.) ilyen analitikai információkra is szüksége van. Érdekesség, hogy míg az arzénnak a szervetlen formái, addig pl. a Hg, Pb és é Sn szerves (metilezett, alkilezett) kémiai é formái á a toxikusabbak. Különleges a Cr(III) és Cr(VI) esete is: míg az előbbi az élő szervezetek számára esszenciális, addig a Cr(VI) karcinogén hatású.

ARZÉNFORMÁK A TERMÉSZETBEN

8

2010.10.07.

SPECIÁCIÓS ANALÍZIS Ez az információ igény hívta életre a speciációs analitikát, ami a kémiai elemformák (izotópösszetétel, elektronszerkezeti vagy oxidációs állapot, molekuláris szerkezet, stb. szerinti specifikus forma) vizsgálatával foglalkozik. A speciáció (elemspeciáció) egy mintában egy elem megoszlása meghatározott kémiai formák között. Rokon, de nem azonos értelmű fogalom a frakcionálás, ami a minta vizsgálandó komponenseinek osztályozása valamilyen fizikai vagy kémiai tulajdonság alapján (ezt szokás volt korábban műveleti vagy funkcionális speciációnak is nevezni).

FRAKCIONÁLÁS A frakcionálásra vonatkozó példa a talajkémiában, környezeti kémiai vizsgálatokban elterjedten használt Tessier-féle szekvens extrakciós módszer és változatai.

A. Tessier, P.G.C. Campbell, M. Bisson, Anal. Chem. 51 (1979) 844.

9

2010.10.07.

NAGY GYAKORLATI JELENTŐSÉGŰ SPECIESZEK

SPECIÁCIÓS ANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉS A speciációs analízis támasztotta nagy kihívás, hogy biztosítanunk kell az elemformához kapcsolódó információtartalom megőrzését a teljes mintavételi és mintaelőkészítési folyamat alatt, mindezt nyom/ultranyom analitikai körülmények között. Minden nyomanalitikai mérés során nagy gondot kell fordítani a potenciális szennyező és veszteség forrásokra, itt azonban azokat a kémiai formák, illetve a kémiai formákra gyakorolt hatásuk szerint is vizsgálnunk kell (pl. tartósításhoz használt vegyszerek, tárolóedények, fizikai és kémiai műveletek, stb.)

10

2010.10.07.

SPECIÁCIÓS ANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉS A speciációs analízis támasztotta nagy kihívás, hogy biztosítanunk kell az elemformához kapcsolódó információtartalom megőrzését a teljes mintavételi és mintaelőkészítési folyamat alatt, mindezt nyom/ultranyom analitikai körülmények között. Minden nyomanalitikai mérés során nagy gondot kell fordítani a potenciális szennyező és veszteség forrásokra, itt azonban azokat a kémiai formák, illetve a kémiai formákra gyakorolt hatásuk szerint is vizsgálnunk kell (pl. tartósításhoz használt vegyszerek, tárolóedények, fizikai és kémiai műveletek, stb.) A cél elérésére két stratégia használatos: az egyik, hogy igyekszünk a kémiai formákat változatlanul megőrizni; a másik pedig, hogy már a kémiai előkészítés első lépésében kvantitatíve átalakítjuk a későbbi műveletek, detektálás számára legalkalmasabb, legstabilabb formává.

FÉMORGANIKUS VEGYÜLETEK SPECIÁCÓJA

11

2010.10.07.

KAPCSOLT TECHNIKÁK/MÓDSZEREK Hyphenated, hybride, stb. = kapcsolt technikák Tágabb g értelemben minden olyan y analitikai mérőberendezést kapcsolt technikának nevezünk, ami kettő (vagy több) különböző, önállóan létező műszer, technika összekapcsolásával jön létre. Ebbe tehát beletartozik a TG-FTIR ugyanúgy, mint a GC-MS, vagy a spektro-elektrokémiai összeállítások. A leggyakoribb, hogy az első egy kromatográfiás technika, amelyhez egy gy spektrometriai p technika van kapcsolva. p GC-MIP-AES,, HPLC-MS,, stb. Érdemes megjegyezni, hogy valójában minden analitikai kromatográf kapcsolt technikának tekinthető, hiszen az elválasztott komponensek detektálására minden esetben használunk valamilyen detektort. A legtöbb kromatográf tehát kapcsolt technika, de nem minden kapcsolt technika kromatográfiás módszer.

KAPCSOLT MÓDSZEREK A SPECIÁCIÓS ANALÍZISBEN

12

2010.10.07.

TANDEM TECHNIKÁK/MÓDSZEREK Az előzőekkel ellentétben a tandem technikák olyan módszerek, amelyeknél a kapcsolt részegységek nem önálló mérőberendezések, hanem inkább egymás működését nagymértékben elősegítő eszközök, műszerek. Ide vonatkozó példa lehet egy LA-ICP-MS vagy egy ETV-ICPAES berendezés, ahol a mintabevitelt és a minta atomizálásának/ionizálásának első lépéseit végzi az LA és az ETV egység. Az ICP plazma (spektrométer) így még hatékonyabb gerjesztő és ionizáló forrásként tud működni.

13

2010.10.07.

Mintavétel és mintaelőkezelés Galbács Gábor

NYOMANALÍZIS Az analízis általános lépései

Mintavétel és tartósítás

Mintaelőkezelés (fizikai műveletek)

Mintaelőkészítés (kémiai műveletek)

Műszeres mérés

1

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Kihívások a mintavétel és mintaelőkészítés során

A korszerű (ultra) nyomanalitikai méréstechnikák nagyon alacsony koncentrációkkal foglalkoznak, ráadásul nagyon kis mennyiségű mintát igényelnek (pl. µL vagy nanomól) és a mintára vonatkozóan igen sokrétű kémiai információt próbálnak szolgáltatni (pl. speciáció, szerkezeti információ vagy izotópösszetétel, stb.). Mindezek összességében igen nagy kihívást jelentenek a mintavétel és mintaelőkészítés folyamatai számára, hiszen az igen kis mennyiségű és alacsony koncentrációjú mintákat meg kell óvni a szennyeződéstől és a veszteségektől ugyanakkor a kémiai információ minél nagyobb hányadát veszteségektől, kell megőrizni.

NYOMANALÍZIS Statisztikai megfontolások Szinte minden analitikai módszer végrehajtása során szükség van mintavételre, hiszen nem kivitelezhető minden egyes mintadarab, illetve a minta teljes mennyiségének feldolgozása. Mennyiségi analízis során a mintavétel révén gyűjtött minták halmazára kapott eredmények alapján becsüljük a teljes mintamennyiségre jellemző koncentrációt (konfidenciasáv):

µ=x±

t⋅s n

A Student-féle t értékeket táblázatokból vehetjük, a megbízhatósági szint és az ismételt mérések száma függvényében. A konfidenciasáv szélessége tehát a szórással (tapasztalati szórással) arányos.

s=

∑ (x

2

i

− x)

n −1

A tapasztalati szórás értéke n> 20 esetén a valódi szórást közelíti.

2

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Statisztikai megfontolások

A minta kiválasztása/megvétele mindenképpen pp némi bizonytalanságot y g okoz a végeredményben (mintavételi hiba), hiszen az anyagi rendszer néhány részletének/tagjának jellemzőiből extrapolálunk a teljes rendszerre. Ez a hiba nem korrigálható akkor sem, ha az analízis későbbi műveleteit gondosan/hibamentesen h jtj k végre. hajtjuk é A analitikai Az litik i eredmény d é pontossága érdekében a mintavételi hibának minél kisebbnek, és a mintának reprezentatívnak kell lennie.

NYOMANALÍZIS Statisztikai megfontolások A teljes analitikai folyamatra vonatkozó szórás értékéhez minden egyes részlépés járulékot ad, a statisztika szabályai szerint. Az egyszerűség érdekében szokás szerint három részlépést (mintavétel, (mintavétel előkészítés, előkészítés analízis) feltéve:

s2 = s2m + s2e + s2a Az optimálás céljából tehát tudni érdemes, hogy mekkora az egyes részfolyamatok járuléka a teljes szóráshoz. A teljes analitikai folyamat szórása (s) párhuzamos minták analízisével (precizitás), míg az analitikai mérésre jellemző szórás (sa) homogén, standard minták közvetlen elemzésével becsülhető. A mintavételezéshez vagy az előkészítéshez tartozó szórás értéke (sm) különbségképzéssel kapható meg.

3

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Statisztikai megfontolások – a szórás „várható szintje”

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv Az analízis előtt mintavételi tervet kell kidolgozni, amelynek meg kell felelnie az analízis céljának (pl. felület/szerkezetvizsgálat esetén a minta tisztasága alapvető követelmény; minőségi analízis esetén a koncentrációviszonyok szempontjából a mintának nem kell reprezentatívnak lennie; megfelelőségi tesztek pontossága kisebb lehet, stb.) A mintavételi terv kidolgozásakor a következő alapvető kérdésekkel kell foglalkoznunk: 9 9 9 9

Honnan ? (… kell a mintákat gyűjteni) Milyen ? (… típusú minták kellenek) Mekkora ? (… mennyiségű mintarészleteket kell minimálisan gyűjteni) Hány ? (… mintát kell begyűjteni és mérni)

4

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Honnan vegyük a mintákat? Ha a mérendő/jellemzendő anyagi rendszer homogén (igen ritka eset), akkor bárhonnan vehetjük a mintákat. Sokkal gyakoribb eset, hogy térben és/vagy időben a rendszer heterogén (pl. rétegződés, ülepedés, lebomlás, stb. miatt); ilyenkor többféle megközelítés lehetséges. Véletlenszerű helyeken való mintavételezés (random sampling) Időigényes, de sok esetben a legjobb eredményt adja. Végrejhatásához általában célszerű a mintázandó területet/térfogatot rácsosan felosztani és a mintázási helyet véletlenszám-generálással koordináták szerint kiválasztani.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Honnan vegyük a mintákat? Előzetes információk alapján szervezett mintavételezés (judgmental sampling) A rendszerre vonatkozó előzetes ismereteink alapján szervezzük, választjuk ki a mintavétel helyét (pl. toxicitás vizsgálatoknál a beteg egyedek kiválasztása preferált lehet; hatóságilag előírt protokollok követése; várható szennyező források közelében mintázunk, stb.). Általában a legkevesebb minta vételét igényli, de pontossága nagymértékben függ az előzetes információk helyességétől.

5

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Honnan vegyük a mintákat? Rendszeres mintavételezés (systematic sampling) Tipikusan a térbeli és/vagy időbeli heterogenitás feltérképezése esetén alkalmazzuk. A vizsgálandó területet/térfogatot cellákra osztjuk, majd minden cellából llából veszünk ü k mintát, i tát szükség ük é esetén té a mintavételt i t ét lt rendszeres d időközönként ismételjük. A mintavételezés (teljes) idejének rövidebbnek kell lennie, mint a változás karakterisztikus ideje/periódusa (ide vonatkozó még a Nyquist teoréma).

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Honnan vegyük a mintákat? Szervezett és rendszeres mintavételezés (systematic-judgmental) Olyan mintavételi megközelítés, amely pl. mozgó/változó szennyezés kiterjedésének feltérképezését szolgálhatja (pl. immisszió mérése, talajvízbe szívárgó szennyezés felmérése, felmérése stb.). stb )

6

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Honnan vegyük a mintákat? Szervezett és véletlen mintavételezés (judgmental-random sampling) Sok esetben az anyagi rendszer jól körülhatárolható egységekre (strata) osztható. Ezeket külön-külön véletlen mintázásnak vetünk alá (pl. nehézfém szennyezés vizsgálata a városi porban; rétegzett közegek mintázása, stb.). Akkor is jól használható stratégia, ha pl. a véletlen mintavételnél fennállna az esélye, hogy észrevétlen maradnak fontos, lokalizált hibahelyek/szennyezők, stb. A sztratifikálás több lépésben tovább finomítható. Ennek a mintavételezési stratégiának az is előnye, hogy a legtöbbször egy stratum homogénebb, mint a teljes rendszer, így a mintavételi szórás (hiba) is kisebb lesz.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Milyen típusú mintákat gyűjtsünk? „Kimarkolt” minta (grab sample) Ez a legáltalánosabb eset; a vizsgálandó rendszer egy tagját, egy részletét kivesszük (pl. darabos termék levétele a gyártósorról minőségellenőrzéshez, t l j i t alapanyagból talajminta, l ból merítéssel íté l vett tt mintarészlet, i t é l t stb.). tb ) „Összegzett” minta (composite sample) Ez lényegében több kimarkolt minta tartalmának összekeverésével, egyesítésével keletezik. Alkalmazására inkább kényszerűségből kerül sor, pl. amikor a darabos minták egyedi mennyisége nem elegendő az analízishez (pl. halak PCB tartalmának mérése min. 50 g mintát igényel, ezt kisméretű halfajból nem lehet kinyerni, y , stb.)) „in-situ” minta Ilyen minta vételéről akkor beszélünk, amikor az analízis során nincs szükség a minta kiemelésére/eltávolítására az anyaghalmazból, tehát nem destruktív analízisek során, monitorozási szituációkban esetekben kerül sor, fluid fázisokban (pl. pH-mérés folyamatszabályzási célból áramló közegekben).

7

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni ?

Amikor a mintát az anyagi rendszerből kivesszük, elegendő g mennyiséget y g kell kivennünk ahhoz, hogy esélye legyen a reprezentativitásra (gondoljunk egy darabos/szemcsés anyagi rendszerre). Túl nagy mintamennyiség kezelése azonban nagy idő- és költségigényű, ezért racionális mintamennyiségekben érdemes gondolkozni. A probléma lényegében ugyanez akkor is, amikor a mintából almintákat különítünk el „párhuzamos” mérések számára a laborban.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni ? Vegyünk egy egyszerű esetet: a rendszer kétféle szemcséből áll (A és B), de csak az egyik (A) tartalmazza a meghatározandó komponenst (binomiális eloszlás). Ha véletlenszerűen választunk ki n részecskét, akkor abban az A típusú részecskék várható száma

na = n ⋅ p

ha p a valószínűsége (előfordulási gyakorisága az A típusú részecskéknek). Ekkor a mintavétel szórása és relatív szórása (a binomiális eloszlás miatt)

sm = n ⋅ p ⋅ (1 − p) RSDm =

n ⋅ p ⋅ (1 − p) n⋅p

Ha tehát megadjuk a relatív szórás célértékét, akkor n minimális értéke számítható.

n=

1−p 1 ⋅ p RSDm

8

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni ?

SZÁMPÉLDA Tegyük fel, hogy egy nyomanalitikai feladat során az anyaghalmaz részecskéinek csak 10-4%-a tartalmazza a mérendő komponenst (p= 10-6). Mennyi részecskét kell begyűjtenünk ahhoz, hogy a mintavételből származó relatív szórás csak 1% legyen (RSDm= 0.01) ?

n=

1−p 1 1 − 10 −6 1 ⋅ = ⋅ = 109 −6 p RSDm 10 (0.01)2

Tehát legalább 109 darab részecskét kell kivenni a mintavételkor.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni ? Az előbbi példában szereplő, nyomanalitikában nem is túl szigorú követelmény a 109 számú részecske kezelése. Azonban ha az egyes g tömegűek, g a feltétel máris 1 tonna minta részecskék csak akár 1 mg kivételét igényli! A megoldás nyilvánvalóan a részecskék méretének (tömegének) csökkentésében rejlik – ezáltal a mintamennyiség kezelhető méretűre csökkenthető. Ha pl. a részecskék átmérőjét aprítással felére csökkentjük, akkor ugyanannyi számú részecske tömege már csak nyolcada lesz az eredetinek, mivel gömbszerű alakot feltételezve

m ∝ r3 Az aprítást és a mintamennyiség apasztását mindig alapos homogenizálásnak is kell kísérnie, hiszen különben nőne a mintavételből származó mérési hiba.

9

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni ?

minta felező gép (riffle)

a negyedelési eljárás lépései

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Hány mintát kell begyűjteni és mérni? Már megállapítottuk, hogy a mintaszám a konfidenciasáv képlete szerint összefüggésben van a begyűjtött és az analizált minták számával.

µ=x±

t⋅s n

Ha a képletet a csak mintavétel szórásával írjuk fel, akkor a mintavételből származó hibát kapjuk meg. A képletet átrendezhetjük úgy is, hogy a elérendő minták számát adja meg egy elvárt mértékű hiba esetén.

e=µ−x n=

t2 ⋅ s2m e2

A képlet relatív szórás és hiba behelyettesítésével is használható. A számítást nehezíti, hogy t értéke függ n-től, ezért az csak szukcesszív approximációval oldható meg.

10

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Hány mintát kell begyűjteni és mérni? SZÁMPÉLDA Egy mintavételhez köthető relatív szórás értéke 2% (RSDm%= 2%). Szeretnénk, ha a mintavételből származó relatív mérési hiba nem lenne több, több mint 0.80% 0 80% (e%= 0.80%) a 95%-os megbízhatósági szinten. A lépésenkénti közelítéshez előbb vegyük az n= ∞ tartozó t értéket a Student-féle táblázatból, majd a kapott n érték alapján jobb becslést tehetünk t-re. Ezzel újból számolunk és ezt addig folytatjuk, amíg n már nem változik tovább.

n=

1.962 ⋅ 2.02 = 24 0.802

n=

n=

2.0752 ⋅ 2.02 = 27 0.802

2.0662 ⋅ 2.02 = 27 0.802

Jelen példában tehát a megoldás az, hogy 27 db mintát kell venni.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv – Hány mintát kell begyűjteni és mérni? Természetesen a teljes analízis hibáját nemcsak a mintavételezés, hanem a többi részlépés is meghatározza, így a mintavételi hibájának javítását csak racionális mértékben érdemes erőltetni. Ha pl. a mérési hiba túlnyomó része a minta feldolgo feldolgozása ása (előkés (előkészítése) ítése) során keletke keletkezik, ik, akkor nincs értelme a vett minták számát növelni, hanem több almintát kell kialakítani és feldolgozni. Általános esetben a részlépések szórása összemérhető, ezért mindkettőt figyelembe kell venni, amikor a teljes analitikai folyamat hibáját akarjuk csökkenteni. Ha csak két részlépés van, a mintavétel és előkészítés, akkor

 s2 s2e  e = t ⋅  m +  nm nm ⋅ ne  ahol nm a vett minták számát, na pedig a feldolgozott alminták számát jelenti. Nincs egyértelmű megoldása az egyenletnek, hiszen a két adat többféle kombinációja is ugyanakkora hibát eredményez. A döntést ezért egyéb megfontolások alapján kell meghoznunk, pl. mekkora anyaghalmazból tudunk mintát venni és mekkora az analízis költsége, időigénye, stb.

11

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása A nyomanalitikai mintavétel során nyilvánvalóan ügyelnünk kell arra, hogy a minta fizikai és kémiai tulajdonságai ne változzanak a folyamat során, során illetve a minta tárolása, tárolása laborba szállítása során. Emiatt nagy gondot kell fordítani a mintavevő/tároló eszközök és tartósító reagensek tisztaságára (szennyezésveszély) és a tárolóedények megfelelő tömörségére (veszteség veszélye). Mindemellett a végrehajtás módját és eszközeit az analízis céljának megfelelően kell megválasztani. A továbbiakban a minta halmazállapota szerint tárgyaljuk a mintavételi eseteket: ƒ folyadék ƒ gáz ƒ szilárd

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták begyűjtése Homogén oldatok, vagy kezelhető térfogatú, manuálisan homogenizálható oldatok esetében a mintavétel megvalósítható a tárolóedény bemerítésével/feltöltésével, vagy fecskendővel, fecskendővel pipettával, pipettával stb. stb Mindazonáltal a kivitelezés módja nem érdektelen. Tekintsük a környezeti/ipari eredetű vízminták vételezését példaként. Gyors folyású természetes víztömegek, sekély tavak (< 5 m) vagy gyorsan áramló közegek homogénnek tekinthetők, b l l k a levegővel belőlük l l érintkező i k f l felszín ki kivételével l l bárhonnan vehetünk mintát (a felszínen olajfilm vagy biofilm úszhat, ami egyes komponensek feldúsulásával jár, stb.) A többi természetes víztömeg általában jelentős mélységi heterogenitást mutat, ezért a mintázást a legtöbbször a vízfelszín alatt a szükséges mélységben kinyitható edényekkel gyűjtjük.

12

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták begyűjtése Talajvízminták figyelőkutakból történő, vagy vízminták csővezetékből való mintavétele előtt a csőrendszert át kell öblíteni jelentős mennyiségű víz kipumpálásával, kifolyatásával (a stagnáló és levegővel, mesterséges anyagokkal y g érintkező víz összetétele más lehet, mint a fő víztömegé). g ) Az öblítést addig végezzük, amíg pl. több kúttérfogatnyi víz kifolyt (több perc), vagy amikor az elfolyó víz pH-ja, vezetőképessége és hőmérséklete állandóvá nem válik. Nagy sebességű pumpálás során a víz a kútban felkavarodhat, ezért a legjobb kis áramlási sebességű, speciális tasakszerű táguló tartályt (bladder pump) tartalmazó mintavevő alkalmazása.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tárolóedényei A tiszta tárolóedényeket célszerű alaposan átöblíteni a mintával. Az edényt lezárás előtt közel színültig töltjük a folyadékkal, hogy csak minimális levegőmennyiség (headspace) maradjon a minta felett. A tárolóedény anyagával szemben fontos követelmény, hogy nyomanalitikai célra tiszta, kémiailag nagymértékben inert és legalább folyadéktömör legyen, nagyon kicsi legyen az adszorpciós képessége valamint a mintatartósítás érdekében elvégzendő műveletek (pl. sterilizálás, fagyasztás, kémiai reagensek) hatását is kibírja. Általában laboratóriumi üveg (Pyrex, Simax, stb.) vagy műanyag edényeket (Teflon vagy PP, esetleg LDPE) használunk. Üvegedényeket használunk szerves vegyületeket és oldott gázokat tartalmazó minták esetén, mivel a műanyag felületek reakcióba léphetnek ezekkel az anyagokkal, illetve abszorbeálják, átengedik a gázokat. Műanyag edényeket alkalmazunk nyomnyi fémek meghatározásakor, mivel az üveg felület jól adszorbeálja a fémionokat, ami nyomanalízisnél jelentős veszteséget okozhat.

13

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tárolóedényei

A. Mizuike, Enrichment techniques for inorganic trace analysis, Springer Verlag, 1983.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tárolóedényei

műanyagok permeabilitása

adszorpció műanyag felületeken

J. Cooper: Plastic containers for pharmaceuticals, WHO, 1974.

14

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tárolóedényei A tárolóedényekkel kapcsolatos másik fontos kérdés a tárolóedények tisztítása használat előtt. Erre új edények esetén is szükség van, hiszen a „gyári tisztaság” nyomanalitikai célra messze nem megfelelő. Példák: ƒ általános célra használatos, vagy szilárd minták tárolására szolgáló, formára öntött műanyag edényeknél gyakori a gyártószerszámok kenését szolgáló, szappanszerű vagy olajos jellegű szennyeződés, felületi apró fémrészecskék . ƒ az orvosi/mikrobiológiai célra készített „steril” eszközök, tárolóedények biológiai anyagot, mikroorganizmusokat, általában stb. ugyan nem tartalmaznak, de szervetlen nem toxikus szennyeződések előfordulhatnak rajtuk, illetve erélyes kémiai reagensekkel esetleg elreagálnak, hiszen erre nem specifikálják őket (egyszerű példa a steril rozsdamentes eszközök, vagy PE, PC, PS edények esete) ƒ üvegeszközök esetén az érdes felületű csiszolatok, a dugók műanyag bélései, jelentik a szennyeződések fő forrását.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tárolóedényei Ma a nyomanalitikában gyakori az egyszer használatos műanyag vagy üveg tárolóedények alkalmazása, amelyeket használat előtt megtisztítunk. Az egyéb eszközök esetében is egyszeri használatra törekszünk (pl. mikropipetta hegyek, transzfer pipetták, pipetták stb.). stb ) A kivételt a mérőlombikok, mérőlombikok tölcsérek, tölcsérek főzőpoharak jelentik, amelyeket általában kisszámú esetben alkalmazunk. A tisztítás során kerülendő ƒ a krómkénsav, permangánsav alkalmazása ƒ detergensek alkalmazása ƒ csapvíz alkalmazása ƒ koptató eszközök, híg HF alkalmazása (műanyagoknál) Alkalmazható megoldások ƒ vízgőzzel való kezelés ƒ felhevített, ultratiszta ásványi savak váltott, hosszú idejű alkalmazása ƒ tiszta laborvízzel való igen alapos öblítés ƒ ultrahangos rázatás (üvegedényeknél)

15

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tartósítása Mintatartósításra igen gyakran szükség van, ugyanis a legritkább esetben tudjuk azonnal az analízist elkezdeni (pl. terepen), és maga a mintaelőkészítés és mérés is gyakran hosszabb időt vesz igénybe. A minta összetétele megváltozhat, pl. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

f t ké i i átalakulások fotokémiai át l k lá k (pl. ( l talajvízben) t l j í b ) a levegő oxidáló hatása illékony komponensek távozása (gőztérbe/edény anyagába/szabadba csapadék kiválása mikroorganizmusok elszaporodása

A tartósítást ugyanakkor körültekintően kell elvégezni, hogy az megfeleljen az analízis céljának j (pl. speciációs (p p vagy gy izotóp p analízis)) és a reagensek g ne vigyenek gy be szennyezéseket. Ráadásul a konténer anyaga is befolyásolja a minta stabilitását. A tartósítással kapcsolatos alapelvek: ƒ ƒ ƒ ƒ

savanyítás nem oxidáló ásványi savval lehűtés vagy nehézfém adagolása a mikrobiológiai folyamatok lassítására oxidábilis komponensek esetén enyhe redukálószer adagolása nyomanalízis esetén napokon belül elvégezni a mérést

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tartósítása

folyt.

16

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – folyadékminták tartósítása

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – gázminták begyűjtése Gázok mintavételezésének legegyszerűbb módja egy szeleppel ellátott edény vagy tasak megtöltése, miután azt alaposan átöblítettük a gázzal. A tartály anyaga fém (pl. saválló acél ) vagy fluoropolimer (Teflon, Tedlar= PVF), igen ritkán üveg. g fémtartályok y Teflon béléssel és többrétegű g rugalmas g Használatosak még műanyag tasakok fémbevonattal (pl. Al) is. A tasakok leginkább egyszer használatosak. A mintavételt minden esetben úgy kell megoldani, hogy a pumpán ne haladjon keresztül a mintázandó gáz és minimális egyéb csövezéssel érintkezzen.

17

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – gázminták begyűjtése Gázok tartályba/tasakba történő mintavételezésének előnye, hogy a minta a leginkább reprezentatív, hátránya viszont, hogy a gázkomponensek egy része a tárolóedény falán/falában megkötődhet, a gázok reaktív komponenseket is tartalmazhatnak (pl. ózon, nitrogén-oxidok), illetve hogy a gázminta koncentrációja sok esetben túl alacsony a közvetlen méréshez. Ezen nehézségek egy része leküzdhető acél tartály esetében kriogenikus hűtéssel, vagyis a gázok kifagyasztásával. Egy másik lehetőség a gáz szorpciós (adszorpciós/abszopciós) begyűjtése alkalmas oldószerben vagy szilárd szorbensben való megkötéssel.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – gázminták begyűjtése A szorpciós mintavétel legtöbbször a gáz szilárd szorbenssel történő közegen való átszívatásával valósul meg. A gázminta visszanyerése termikus deszorpcióval vagy oldószeres ldó extrakcióval t k ió l lehetséges. l h t é A szorbens b anyaga lehet szervetlen anyagok (pl. szilikagél, alumina, szilikátok, aktív szén) vagy szerves polimer (pl. 2,4difenil –p-fenilén oxid, sztirol-divinilbenzol gyanta). A szervetlen szorbensek hatékonysága kiváló poláris gázkomponensek megkötésére, hátrányuk viszont, hogy erősen kötik a vizet is, ami csökkenti kapacitásukat. p A polimer alapú szorbenseknek kicsi az affinitása a vízhez és a legillékonyabb komponensek (pl. kis szénatomszámú alkoholok, ketonok) kivételével hatékonyan használhatók minden gázkomponenshez. A legillékonyabb komponensek megkötésére aktív szén használatos, mivel ennek nagyon erős a megkötőképessége, de ez a deszorpciót is nehezíti.

18

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – gázminták begyűjtése Itt érdemes megemlíteni azt is, hogy definíció szerint ƒ illékony (gőznyomás ≥ mikro atm) ƒ félillékony félillék ( i atm (pico t ≥ gőznyomás ő á ≥ mikro ik atm) t ) ƒ nem illékony (gőznyomás ≤ pico atm) A szorpciós mintavételnél a mintavevőn átszívatott gáz térfogatát mindig mérnünk kell, hiszen a koncentráció számításánál erre szükségünk lesz a dúsulás miatt. A térfogatmérés azért is fontos, mert a szorbensek kapacitása természetesen véges (tipikusan 2-100 L illékony, és 2-500 m3 félillékony komponensekre), p ezért a mintavétel során ügyelni gy kell, hogy gy be ne következzen az áttörés (breakthrough volume), hiszen ettől a ponttól kezdve a mintavétel nem reprezentatív. A biztonság érdekében szokás egy kisebb kapacitású másodlagos szorbenst is elhelyezni az elsődleges mögé a mintavevő rendszerben „indikátorként”.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – gázminták begyűjtése

Különleges esetet képeznek a fémgőzök és a nem illékony alkotók. Hi Higanygőz ő mintavételezésére i t ét l é é bevált b ál szorpciós ió módszer ód az amalgámképzés l á ké é alkalmazása, amelynél a felületükön amalgámképző fémmel (legtöbbször inert arannyal) bevont apró szilika golyókból álló szorbenst alkalmaznak. A higanyt az amalgámból termikus deszorpcióval űzik ki. A nemillékony alkotók általában vagy szilárd részecskék maguk, vagy azokhoz kötötten találhatók a gázmintákban (aeroszol). Ezekre a komponensekre p porleválasztón vagy p gy szűrőközegen g való átszívatással mintavételezünk. Sok esetben (pl. élettani hatásuk miatt) méret szerint is el szükséges különíteni a gyűjtött részecskéket; ehhez többszörös szűrőket (stacked filters) vagy kaszkád impaktort alkalmazunk.

19

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – aeroszol minták begyűjtése

Szokásosan négy méret szerinti kategóriát különböztetünk meg: ƒ összes részecske (TSP, total suspended particulate) ƒ PM10 frakció (10 µm-nél kisebb részecskék frakciója) ƒ PM2.5 frakció (2 5 µm-nél kisebb részecskék frakciója) (2.5 ƒ Ultrafinom részecskék frakciója (UFP, 0.1 µm-nél kisebb frakció)

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – aeroszol minták begyűjtése Az aeroszol mintavételhez (gázok szűrésére) használatos filterek a folyadékokhoz használatosakkal megegyeznek, mégsem csereszabatosak. Pl. az üvegszövet (quartz/glass fiber) filterek jól használhatók szénhidrogének távollétében az aeroszol mintavételezéshez (durva osztású frakciók), frakciók) de kémiailag agresszív folyadékközegnek nem tud ellenállni, így elszennyezné a mintát. A gamma sugárzással méretpontos pórusokkal ellátott PC vagy Teflon membránok jól használhatók folyadékok vákuumszűrésére, de elektrosztatikus töltésük és kis mechanikai szilárdságuk aeroszol alkalmazásnál gondot jelenthet. A térfogati szűrőközegeknek (pl. üvegszövet) mindig sokkal nagyobb a kapacitása és erősebben kötik a részecskéket, mint a membránok (screen) .

20

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták begyűjtése Szilárd mintákkal sokféle formában találkozhatunk, amelyek általában mind heterogén összetételűek (rétegződést mutatnak), ezért a mintavételre vonatkozóan testreszabott koncepciót és eszközöket kell kialakítani. Például: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

ül dék k üledékek talajminták szemcsés anyagok lemezek, tömbök biológiai minták (növényi, állati, emberi szövetminták)

A szilárd minták általában keményebbek, mintázásuk nagyobb mechanikai erőkifejtést j igényel, g y , mint a g gáz vagy gy folyadék y mintáké,, reaktivitásuk azonban általában kisebb, ezért a mintavevő eszközök mechanikai/fizikai jellemzői valamivel fontosabbak, mint a kémiai jellemzők. Általában rozsdamentes acél vagy titán mintavevőket alkalmaznak, egyes esetekben műanyag bevonattal. A fém eszközökből származó szennyezésveszélyre főként nyomelem analitika esetén kell odafigyelni. Egy további körülmény a szilárd minta esetleges felmelegedése a mintavétel során (pl. fúrás, vágás, darabolás), ami az illékony komponensek elvesztését okozza.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták begyűjtése Üledékminták mintavételezése Tavi, folyami vagy tengeri üledékekből általában markolóval vagy dugattyús fúróval vesznek mintát. mintát A markoló nagyobb mennyiségű mintát gyújt be, azonban nem nyújt mélységi információt és hajlamos a finomabb szemcsés frakciót elveszíteni a felkeveredés miatt. A dugattyús fúró általában megőrzi a frakciókat, de kisebb mennyiségű mintát gyűjt be.

21

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták begyűjtése Talajminták mintavételezése A talajmintákat kis mélységből (pl. ≤30 cm) kanállal vagy lapáttal közvetlenül vehetünk. Nagyobb (max. pár méteres) mélységből munkaárok ásásával, és a mintát laterálisan kivéve, kivéve vagy kézi fúróval vehetünk mintát. mintát Ennél nagyobb mélységből vagy közetekből csak gépi fúróval lehet mintát venni Ez utóbbi megoldás előnye, hogy a mélységi információ is megőrződik (magminta).

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták begyűjtése Szemcsés, porszerű anyagok mintavételezése Ezeket az anyagokat legkönnyebben főként szúró mintavevővel (sample thief) lehet mintavételezni. Ennek nagy előnye, hogy a vett minta mennyisége könnyen szabályozható és ráadásul a rétegződési információ is megörződik. Lemezek és tömbök mintavételezése Értelemszerűen ezek az anyagok vágással, darabolással, fúrással mintázhatók és a vágáskor, fú á k fúráskor k l tk ő szemcséket keletkező ék t lehet l h t begyűjteni. b űjt i A rétegződési információ a mintázás több helyen vagy több mélységben való elvégzésével megőrizhető. Lemezek vágással, vagy lyukasztással mintázhatók. Ennél a mintázási folyamatnál a legnagyobb a veszélye a szennyezéseknek és az illékony komponensek elvesztésének.

22

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták begyűjtése Biológiai minták mintavételezése A biológiai minták speciális esetet képeznek, és a mintázást a legtöbbször nem is kémikus végzi. A következő körülmények megfontolandók: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

humán minták esetén a laborszemélyzet is szennyezésforrást jelent célszerű az egész speciment/szövetet/szervet eltávolítani és homogenizálni homogenizálás sokszor csak oldatbavitellel vagy fagyasztva őrléssel érhető el sok esetben szükséges lehet a mintákat összegezni nagy a víztartalom, ezért a fagyasztva szárítás (liofilizálás) szükséges, hacsak illékony komponeneseket nem akarunk mérni

1 lépés: -50…-80 1. -50 -80°C-on C-on a víztartalom kifagyasztása (L Î S) 2. lépés: csökkentett (néhány mbar) nyomáson enyhe melegítés (<< 0°C); szublimáció (S Î G) 3. Lépés: nagy vákuumban (néhány µbar) egy kicsit erőteljesebb melegítés (közel 0°C), hogy biztosan minden vízmolekula eltávozzon

NYOMANALÍZIS A mintavételi terv végrehajtása – szilárd minták tárolása Szilárd minták tárolására általában átlátszatlan műanyag edényeket alkalmazunk, amelyeket lehetőség színültig töltünk a levegő kizárása érdekében. Szükség esetén inert gázzal védhetjük a mintákat, ha illékony komponenseket nem kell meghatározni. A biológiailag aktív (nem steril) minták hűtése itt is bevett gyakorlat.

23

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – levegőből származó szennyezések A fizikai (és kémiai) mintaelőkészítés során a minta intenzív kontaktusba kerül a levegővel is, ami a környezet (kutatólabor/ipari labor/terep/stb.) függvényében számos komponenssel elszennyezheti mintáinkat. Nyomanalitikai szinten ezzel a szennyezési forrással már komolyan számolni kell, ultranyomanalízis esetén pedig speciális légtechnikájú munkahely nélkül az analízist lehetetlen kivitelezni. Részecskék és finom cseppek (aeroszolok) Kopásból, rázkódásból, rozsdásodásból, párolgásból, kondenzációból származó cseppek és récsecskék származhatnak a padlóból, festékekből, szerelvényekből, berendezésekből, bútorokból, a szálló porból és a személyzettől él ttől (haj, (h j bőr, bő ruházat há t és é kozmetikumok), k tik k) stb. tb Az A aeroszolok l k hordozóként is szerepelhetnek más szennyezések számára. Gázok Vegyszergőzök minden kémiai laborban előfordulnak; pl. savgőzök, oldószergőzök, vízgőz, ammónia, higanygőz, sűrített gázokból palackokból, stb.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – levegőből származó szennyezések Egy felmérés szerint egy átlagos, új kémiai laboratórium levegőjében csak nehézfémekből köbméterenként mintegy 200 ng Fe, 20 ng Cu és 400 ng Pb szennyező fordul elő (kb. ppt szint), aminél gőzök és szerves szennyezők sokkal nagyobb koncentrációban fordulnak elő.

24

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – ultratiszta laborok Nyomanalízist vagy izotópanalízist optimálisan csak ultratiszta laborban (clean room) lehet végezni. Ennek követelményei a következők: ƒ a padlónak, falaknak, berendezések, szerelvényeknek, bútoroknak kémiailag é mechanikailag és h ik il ellenállónak ll álló k é és ki kis pormegkötő kötő képességűnek ké é ű k kell k ll llennie i ƒ egyszerű, lehetőleg egyterű elrendezés, lekerekített sarkok megakadályozzák a szennyeződések leülepedését ƒ a helyiségbeli levegőnek kis túlnyomással kell rendelkeznie ƒ a levegőnek HEPA filteren (min. 99.97% kiszűrése a 0.3 µm részecskékre) és aktívszenes filteren átszűrten kell a helyiségbe érkeznie, főként keringetéssel és csak a szükséges mértékű friss levegő beengedésével g g tartalomnak mindig g 50% körül kell lennie ƒ a relatív légnedvesség ƒ az analitikusnak köpenyből, kesztyűből, fejfedőből és cipőhuzatból álló öltözéket kell viselnie, és a belépéskor ragasztós lábtörlőt és légzuhanyt kell használni ƒ a labort tisztán kell tartani és a felesleges mozgástól tartózkodni kell Hagyományos laborokban is kialakíthatók nyomanalitikai célra megfelelő körülmények speciális vegyi fülkék alatt (laminar-airflow clean hoods).

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – ultratiszta laborok

25

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – egy ultratiszta labor (Durham University)

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – fizikai műveletek és eszközök Jelen tárgyalás során a fizikai műveleteket olymódon definiáljuk, mint amelyek célja nem a minta összetételének kémiai átalakítása, hanem a minta válogatása vagy olyan állandó állapotra hozása, amely alkalmas az analízisre. Laborbeli, kismennyiségű mintákon végrehajtott műveletekkel és azok nyomanalitikai aspektusaival foglalkozunk, amelyek főként szilárd mintákhoz kapcsolódnak. A következő műveleteket soroljuk ide: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

aprítás/őrlés szemcseméret szerinti válogatás (szitálás/szűrés) szárítás és bepárlás roncsolás lá mechanikai h ik i behatással b h tá l formára hozás

A tárgyalást kiegészíti a következő eszközök működési elvének ismertetése is: ƒ besugárzás mikrohullámmal ƒ ultrahangos agitátor (szonikálás)

26

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – aprítás/őrlés Az aprításra/őrlésre általában a homogenizálás miatt van szükség az alminták/laborminták (analízis számára kezelhető méretű minták) kivétele előtt, vagy a kémiai mintaelőkészítési lépések során való reaktivitás növelése miatt. Az aprítást nagyobb szemcsék esetében törőmozsárral szokás kezdeni (mm méretű végső részecskék), é kék) majd jd dörzs-mozsárral dö á l és golyósmalommal (akár µm méretű végső részecskék) folytatni. Rugalmas vagy biológiai minták esetében az őrlést általában fagyasztás mellett végezzük a törékeny állapot elérése érdekében.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – őrlés golyósmalomban

27

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – aprítás/őrlés Látni kell, hogy az aprítás/őrlés nyomanalitikai szempontból igen aggályos művelet. Veszteségi és szennyezési folyamatok bőven előfordulhatnak: ƒ a szemcseméret csökkenése a felület növekedésével jár, ami kedvez az illékony komponensek veszteségének és erősíti a levegő oxidatív hatását ƒ az aprítás/őrlés során jelentős hő fejlődik, ami növelheti a komponensek reakcióképességét és az illékony alkotók veszteségét növeli ƒ az őrlőberendezések koptató hatása miatt az őrlőanyagokból szennyezések jutnak a mintába, illetve a minták egymást keresztszennyezik ƒ az aprítás/őrlés során a puhább részecskék mérete gyorsabban fog csökkenni ezért ügyelnünk kell arra, csökkenni, arra hogy a minta teljes mennyisége a megkívánt méretűre aprítódjon (ellenőrzés szitálással) A fenti okok miatt csak szükség a szükséges ideig és mértékben szabad alkalmazni az aprító/őrlő eljárásokat.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szennyezések aprítás/őrlés során

http://www.retsch.com/dltmp/www/6580-1ce42392faf9/material_analyses_of_grinding_tools_en_de.pdf

28

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szitálás A szitálás az aprítással/őrléssel, illetve a szemcseméret szerinti szétválogatással összefüggő művelet. Fém (rozsdamentes acél) vagy műanyag szálakból szőtt hálót tartalmazó szitákat, szitasorozatokat alkalmazunk. Pórusméret: min. min 20 µm. µm A szita mérete a mintamennyiséghez igazodik. igazodik Nagyobb mennyiségű mintákat vagy frakcionáló szitálást szitagéppel végzünk.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szitálás A szitálás művelete a mintára nézve a következő veszélyeket rejti: ƒ a szita p pórusméretéhez közeli szemcsék elvesztése a szitába való „beragadás” miatt ƒ veszteség kiporzás miatt (csökkenthető nedves szitálással) ƒ keresztszennyezés nem megfelelően kitisztított szita miatt ƒ szennyezés a minta és a szita anyagának reakciója miatt (főként nedves szitálásnál) vagy a szita anyagának korróziója miatt A sziták tisztítása tehát nagyon fontos, amit gyakorlatilag csak ultrahangos kádban, detergenssel szabad végezni. kádban végezni Kivételes körülmények között max. max 5%-os ecetsavas vagy Na2CO3-os oldat is alkalmazható. Minden esetben alapos laborvizes öblítés és teljes szárítás (max. 80 °C-os, tiszta levegővel) szükséges.

29

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szűrés Folyadék vagy gáz közegű mintákban előforduló szilárd szemcsék eltávolítása a mintából két okból is fontos lehet a szilárd szemcsék vagy zavarják j az analízist, vagy gy éppen pp azokat akarjuk j vizsgálni. g A szűrést mindig az alkalmazásnak megfelelő pórusméretű, anyagú és tisztaságú szűrőközeggel végezzük. Például oldott/lebegő komponensek elválasztására folyadékból 0.2 vagy 0.45 µm-es szűrő szükséges, levegő aeroszoltartalmát 2.5 vagy 10 µm-es szűrőkkel vizsgálják (PM2.5 és PM10), stb. Nyomanalitikai célra kizárólag nagytisztaságú és megfelelő kémiai ellenállóságú műanyag membránszűrőket alkalmazunk. Legkisebb pórusméret: 0.025 0 025 µm. µm Kisméretű szemcséket (mikron tartomány) tartalmazó vagy gélszerű folyadékminták szűrését szinte mindig nyomás vagy vákuum alkalmazásával gyorsítjuk. Kis térfogatú (max. pár mL) minták szűrésére a fecskendőszűrők is beváltak, főként HPLC alkalmazásokban.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szűrőeszközök

30

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szűrés Nylon

Cellulóz‐acetát

Polikarbonát

PTFE

Papír (cellulóz)

Üveg/kvarc szövet

http://www.advantecmfs.com/filtration/membranes/default.shtml

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szűrés

http://www.millipore.com/lab_filtration/clf3/filterdiscs

31

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szűrés

http://www.millipore.com/lab_filtration/clf3/filterdiscs

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – szárítás Szárítás szárítószekrényben Zárt kialakítású légtermosztát (légkeveréses vagy gravitációs), ami szabályzott értéken képes tartani a minta hőmérsékletét. A felfűtés lehet akár teljesen időprogramozott, és lehet a szekrény gázzáró (gázöblítés vagy vákuum használatához). A maximális hőmérséklet általában max. 250°C, ezért a fűtött tér nemcsak rozsdamentes acélból, hanem Teflon bevonattal is ellátható (nyomanalitikai kivitel). Liofilizálás Li fili álá (f (fagyasztva-szárítás) t á ítá ) 1. lépés: -50…-80°C-on a víztartalom kifagyasztása (L Î S) 2. lépés: csökkentett (néhány mbar) nyomáson enyhe melegítés (<< 0°C); szublimáció (S Î G) 3. Lépés: nagy vákuumban (néhány µbar) egy kicsit erőteljesebb melegítés (közel 0°C), hogy biztosan minden vízmolekula eltávozzon

32

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mikrohullámú energiaközlés Mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú besugárzás (dielektromos) melegítő hatásának mechanizmusa: polarizálható vagy permanens dipólusmomentummal rendelkező molekulák a változó EM tér irányába törekszenek beállni, azonban annak változását a nagy frekvencia (108109 Hz) miatt nem tudják azonnal követni. Ennek eredményeképpen fáziskésés áll elő, lő amii dielektromos di l kt veszteséghez t é h vezet. Az EM tér energiája elekromos, majd kinetikus (termikus) energiává alakul. A folyamatot gyakran hasonlítják a belső surlódáshoz is.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mikrohullámú energiaközlés A melegítő hatás a közeg dielektromos állandójától, a hőmérséklettől, a frekvenciától és a konduktivitástól függ, ugyanis változó EM térben

ahol ε” a virtuális (dinamikus) dielektromos állandó, aminek értéke

Ebből a közeg disszipációs tényezője (D), (D) vagyis a felmelegedés mértékével arányos mennyiség:

a legtöbb anyagra D értéke csökken a hőmérséklettel.

33

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú melegítés tehát az anyag „egészét” egyszerre melegíti ionos konvekció és dipólrotáció révén, amiatt hatékonyabb, gyorsabb, mint a hagyományos melegítés. A melegítés összetett anyagok esetén természetesen nem teljesen j egyenletes, gy mivel a rétegek/zónák g határain a reflexió és elhajlás j helyi túlmelegedést okozhat (superheating). Az erős dielektromos jellemzőkkel rendelkező anyagok általában jól melegednek.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú energiaközlésnek analitikai szempontból számos előnye van: ƒ gyorsabb, hatékonyabb mintaelőkezelést/-készítést tesz lehetővé ƒ alaktalan mintákat is lehet így melegíteni ƒ kémiailag ké i il ellenálló ll álló é és magas hő hőmérsékleten é ékl t lágyuló/olvadó lá ló/ l dó anyagokból kból a sugárzás számára „átlátszó”, zárt, inert edényzet készíthető, amelyeken belül is lehet melegíteni a mintát Érdemes megjegyezni ugyanakkor, hogy a laborcélokra készülő mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerek egészen más képességekkel bírnak, mint a háztartási „mikrosütők”. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

extra biztonsági elemek Folytonos teljesítmény-szabályozás léghűtés az edényzetek számára oldószer/reagens gőzök elszívása programozott működés hőmérséklet kontroll nyomás kontroll

34

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mikrohullámú szárítás és bepárlás A mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerekben hatékonyan, kis szennyeződésveszély mellett, kíméletesen száríthatók majdnem tetszőleges minták. Ilyenkor egy üveg/porcelán edényzetben, szűrt levegő átáramoltatása mellett történik a száradás. Bepárlás is végezhető tiszta körülmények között (félig zárt PTFE edényzet), amikor a felszabaduló gőzöket az elszívó rendszer távolítja el. A mikrohullámú besugárzás más folyamatok segítésére is alkalmas (lásd később).

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – ultrahanggal való energiaközlés

35

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – ultrahanggal való energiaközlés Ultrahang által a folyadékokban létrehozott kavitásokban lokálisan magas nyomás és hőmérséklet áll elő. Ez az analitikai mintaelőkészítés kémiai és fizikai folyamatainak segítésére többféleképpen is hasznosítható, például: ƒ szilárd anyagok feloldása, kioldása ƒ szuszpenzió/emulzió keverése, lebegtetése ƒ sejtek és rugalmas anyagok roncsolása ƒ elválasztás segítése (G/L szeparáció, dialízis)

NYOMANALÍZIS Mintaelőkészítés – mechanikai formára hozás Vannak olyan műszeres analitikai eljárások (pl. IR, XRF, GD-AES, stb.) amelyek alkalmasak közvetlenül szilárd minták vizsgálatára, nem kell azokat előzetesen y módszerrel végezzük, g akkor kémiai oldatba vinnünk. Ha az elemzést ilyen mintaelőkészítésre nincs szükség, csak a minta megfelelő mechanikai formára hozására, hogy a minta mérhető, illetve a műszerbe behelyezhető legyen: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

tömbök vágása (kisebb munkadarab, metszet készítése) polírozás (a felületi egyenetlenségek csökkentése) porított minták korong alakúra préselése filmhúzás (pl. polimerek melegítésével vagy oldószeres kezelésével) öntvény készítése gyorshűtés mellett (megfelelő alak létrehozása és a szegregálódás csökkentése ötvözeteknél)

36

2010.10.07.

Kémiai mintaelőkészítés Galbács Gábor

NYOMANALÍZIS Az analízis általános lépései

Mintavétel és tartósítás

Mintaelőkezelés (fizikai műveletek)

Mintaelőkészítés (kémiai műveletek)

Műszeres mérés

1

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Kihívások a mintavétel és mintaelőkészítés során A korszerű (ultra) nyomanalitikai méréstechnikák nagyon alacsony koncentrációkkal foglalkoznak, ráadásul nagyon kis mennyiségű mintát igényelnek (pl. µL, nanomól, stb.) és a mintára vonatkozóan sokrétű kémiai információt p próbálnak szolgáltatni g (pl. speciáció, (p p , szerkezeti információ,, izotópösszetétel, stb.). Ez összességében nagy kihívást jelent a mintavétel és mintaelőkészítés folyamatai számára, hiszen az igen kis mennyiségű és alacsony koncentrációjú mintákat meg kell óvni a szennyeződéstől és a veszteségektől, ugyanakkor a kémiai információ minél nagyobb hányadát kell megőrizni. Főbb lehetőséges szennyező források nyomanalízis során • mintavételi eszközök • tárolóedények • mintaelőkészítő eszközök, berendezések • környezeti szennyezés • reagensek • műszeren belüli keresztszennyezések

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei Éppen a nyomanalitikai mérések elterjedtsége, jelentősége és az emiatt fennálló komoly vegyszerminőségi/tisztasági elvárások miatt van az, hogy ma leginkább katalógus cikként vásároljuk a laborvegyszereket (beleértve a gázokat, laborvizet, stb.). ) A megfelelő feladatra „egyszerűen” ki kell választani a megfelelő minőségű vegyszereket. Lényegében tehát a vegyszergyártó cégre bízzuk a vegyszerminőség fenntartását. Ez eltér a néhány évtizeddel ezelőtti gyakorlattól, amikor még a kémiai laborban saját magának tisztította a kémikus a vegyszereket egy általános „reagens” vagy „analitikai” minőségű alapanyagból. Mindazonáltal ma is fontos, hogy pontosan tudjuk, mit várhatunk el egy adott vegyszerminőségtől nyomanalitikai szempontból és hogy adott esetben hogyan tisztíthatjuk azt tovább. A megoldások, eljárások tekintetében az alapelveket ismertek (átkristályosítás, desztilláció, szűrés, zónaolvasztás, stb.), de azt látni kell, hogy a tisztasági követelmények eltérő jellege miatt pl. a szerves kémiában, ipari alapanyagoknál vagy a biokémiában eltérőek az elvárások a nyomanalitikaiaktól (pl. laborvíz).

2

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz

Az egyik leggyakrabban használt vegyszer a víz. A laboratóriumban reagensként higítószerként, reagensként, higítószerként oldószerként, oldószerként stb. stb használt „laborvíz laborvíz” minőségének jellemzésére nemzetközileg több szabvány is használatos. Ezek a minőségi kategóriák kismértékben eltérő követelményeket fogalmaznak meg, de irányadóak. Néhány példa: ƒ ISO 3696 (1987) ƒ National Committee for Clinical Standards, NCCLS (USA, 1988) ƒ EU gyógyszerkönyv (2006 óta azonos a Magyar Gyógyszerkönyvvel) ƒ USA gyógyszerkönyv ƒ American Society for Testing Materials, ASTM D1193-91 Legelterjedtebb a három minőségi osztályba sorolás (I.-III.)

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz

3

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz

4

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz Függetlenül a használt minőségi kritériumrendszertől, a felhasználás függvényében további tisztítási lépések lehetnek szükségesek az I. tisztasági g fokozatú (Type yp I, Grade I) víz esetében is. Így gy p például • molekuláris biológiai (biokémiai) felhasználáshoz a víznek ribonukleáz és dezoxiribonukleáz mentesnek is kell lennie • a mikrobiológiai vizsgálatokhoz a víznek sterilnek (autoklávozottnak) is kell lennie • az ultranyomelem vagy izotópösszetétel meghatározáshoz a víznek a fémektől még jobban megtisztított vizet igényelhetnek. A tisztítási eljárásokat és minőségi ellenőrzési módszereket az alábbiakban a laborvízre vonatkozóan áttekintjük, de azok más folyékony reagensekre (savak, lúgok, oldószerek, stb.) is alkalmazhatók.

NYOMANALÍZIS Vegyszerek, reagensek minőségi osztályai

5

2010.10.07.

NYOMANALÍZIS Vegyszerek, reagensek minőségi osztályai Certified reference materials (CRMs)

KÉMIAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK ÁTTEKINTÉSE

A kémiai mintaelőkészítésnek számos lehetséges lépése, módszere ismert. Ma, a műszeres analitikai technikák nagymértékű fejlődésével (érzékenység, szelektivitás) és a környezetvédelmi/balesetvédelmi normák szigorodásával a tendencia az, hogy egyre kevesebb mintaelőkészítő műveletet végzünk (pl. dúsítás és maszkolás/álcázás egyre ritkábbak) egyre kevesebb anyagfelhasználással, azok azonban egyre inkább optimáltak. Az alábbiakban a nyomanalitikai mintaelőkészítés kémiai műveletei közül (egyféle csoportosítás szerint) két nagy és nagyjelentőségű csoportjával fogunk kiemelten foglalkozni: ƒ extrakciós módszerek (főként szerves komponensek meghatározásához) ƒ oldatbaviteli/roncsolási módszerek (fémek/elemek/izotópok meghatározásához)

6

2010.10.07.

AZ EXTRAKCIÓS MÓDSZEREK ÁTTEKINTÉSE Alapfogalmak

megoszlási állandó:

kinyerési tényező:

megoszlási hányados:

elválasztási hatékonyság:

Az extrakció egyszerűbb esete, amikor a mérendő komponenseket nem visszük kémiai reakcióba egyik fázisban sem. Egyes esetekben a reakcióra szükség van a sikeres extrakcióhoz, pl. a fémionok extrakciójának esete vizes közegből szervesbe, illetve a mérendő komponens többféle speciesz formájában van jelen az egyik vagy másik fázisban.

AZ EXTRAKCIÓS MÓDSZEREK ÁTTEKINTÉSE

Félillékony komponensek kinyerése folyadék közegből

ƒ Folyadék‐folyadék extrakció (LLE) ƒ Szilárdfázisú extrakció (SPE) ƒ Szilárdfázisú lá dfá ú mikroextrakció k k ó ((SPME)) ƒ Keverőrudas szorpciós extrakció (SBSE)

Félillékony komponensek kinyerése szilárd közegből

ƒ Soxhlet extrakció ƒ Ultrahanggal segített extrakció ƒ Szuperkritikus fluid extrakció (SFE) ƒ Gyorsított oldószeres extrakció (ASE/PLE/PFE) ƒ Mikrohullámmal segített extrakció (MAE)

Illékony komponensek kinyerése gáz, folyadék és szilárd közegekből

ƒ Headspace extrakció (SHE/DHE) ƒ Szilárdfázisú mikroextrakció (SPME) ƒ Membrán extrakció (ME)

7

2010.10.07.

Félillékony komponensek folyadékból való kinyerésére szolgáló extrakciós módszerek összehasonlítása

SPME Egyensúlyi eljárások

LLE

Teljes kinyerést lehetővé tevő módszerek

SPE

SBSE

FOLYADÉK – FOLYADÉK EXTRAKCIÓ (LLE) Séma félillékony szerves és szervetlen komponensek elválasztására Vizes fázisban szerves és szervetlen komponensek (lúgok, erős savak, gyenge savak, semlegesek)

2A Vizes fázis (lúgos) pH 2

szervetlen komponensek

szerves oldószer

2B Szerves fázis pH 10

1A Vizes fázis (savas) szervetlen komponensek, szerves lúgok

szerves lúgok

szerves oldószer

5A Vizes fázis (savas) „üres”

1B Szerves fázis erős és gyenge szerves savak semleges szerves savak, komponensek

pH 2

pH 8.5

3A Vizes fázis (lúgos) NaHCO3

erős szerves savak

5B Szerves fázis

szerves oldószer

6A Vizes fázis (savas)

3B Szerves fázis gyenge szerves savak, semleges szerves komponensek

erős szerves savak

pH 10 NaOH oldat

4A Vizes fázis (lúgos) gyenge szerves savak

4B Szerves fázis

pH 2 szerves oldószer

„üres”

6B Szerves fázis gyenge szerves savak

semleges szerves komponensek

8

2010.10.07.

FOLYADÉK – FOLYADÉK EXTRAKCIÓ (LLE) Folyamatos extraktorok, fémionok extrakciója

Fémionok extrakciója kelátképzők segítségével (pl. 8-hidroxi-kinolin, ammónium-pirrolidin-ditiokarbamát) Folyamatos extraktorok nem kell rázni az oldatokat (ami hab/emulzió képződését okozhatja a határfelületen), a folyamatos működés (többszörös lépés) Eredményeképpen hatékonyabb, oldószertakarékos és zárt a rendszer

SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Bevezetés Az SPE (solid phase extraction) teljes kinyerésre törekvő, nem egyensúlyi extrakciós módszer, amely különböző kölcsönhatásokon alapuló szilárd szorbensek segítségével áramló folyadék közegekből visszatartja a minta egyes alkotóit, amelyeket később elúcióval nyerünk ki („digitális kromatográfia”). Fontos megjegyezni, hogy az SPE nem szűrés, noha kvalitatíve ahhoz hasonlóan viselkedik. A mintaoldat előzetes szűrése elengedhetetlen. Mivel a szilárd-folyadék kölcsönhatás igen sokféle lehet, ezért a szorbensek (és az SPE) igen sokféle változata ismert. A szorbensek optimálizálás céljából keverhetők is. Recovery = szorpciós hatékonyság x deszorpciós hatékonyság

9

2010.10.07.

SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Általános célú szorbensek Az általános célú szorbensek közül ki kell emelni : ƒ a poláris szorbensek (pl. szilika, alumina, MgSiO3) ƒ apoláris polimer szorbensek (pl. XAD, PS-DVB) ƒ szilika részecskék szilanol csoportjaihoz kötött ligandumok ƒ grafit szorbens

grafit szorbens

keresztkötésű sztirol-divinilbenzol kopolimer (PS-DVB)

poláris szilika szorbens szilanol csoportokkal

szilikához rögzített oktadecil csoportok

SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Specializált (funkcionalizált) szorbensek A specializált szorbensek közül ki kell emelni : ƒ ioncserélő gyanták ƒ méretkizárásos szorbensek ƒ molekuláris lenyomattal ellátott polimerek (MIP)

10

2010.10.07.

SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) A végrehajtás lépései

SZILÁRDFÁZISÚ MIKROEXTRAKCIÓ (SPME) Bevezetés Az SPME (solid phase microextraction) egy nem teljes kinyerésre törekvő, egyensúlyi extrakciós módszer, amely egy mintaoldatból az általában rostos vagy vékonyréteg kivitelű) szilárd szorbenseken gyűjti össze a mintakomponenseket. Mintavételre is alkalmas eljárás. Legnagyobb előnyei közé tartozik, hogy nem használ oldószert és hogy a szorbensről közvetlenül egy kromatográfba juttathatók a kinyert mintakomponensek. Az (e) variáns megfelel a stirring bar sorptive extraktor-nak (SBSE).

11

2010.10.07.

SZILÁRDFÁZISÚ MIKROEXTRAKCIÓ (SPME) Bevezetés Az SMPE módszernél a kinyert analit móljainak száma független az eltelt időtől:

ugyanakkor n függ a mintamátrixtól és a körülményektől (pl. pH, hőmérséklet, sótartalom, oldószer, stb.), tehát jelentős a mátrixhatás (az alkalmazás „koszos” mintáknál nehézkes). Előnyös viszont, hogy ha a mintatérfogat nagyon nagy (Kfs × Vf << Vs), akkor n független lesz Vs-től is, vagyis terepi alkalmazásra is kiváló az SPME.

Kinetikai megfontolások révén megmutatható, hogy nem szükséges az egyensúly teljes beállását sem megvárni, mivel egy adott idő alatt kinyert molekulák abszolút száma közel lineárisan nő a mintabeli koncentrációval.

SZILÁRDFÁZISÚ MIKROEXTRAKCIÓ (SPME) Alkalmazás A leggyakoribb SPME konstrukció 7 - 100 µm vastag szorbens filmet alkalmaz ömlesztett (fused) szilika kapillárisok belső falához vagy szálak külső felületéhez rögzítve (hosszúság: kb. 1 cm). A szorbens réteget az analit minőségének és koncentrációjának megfelelően választják meg.

PDMS = polidimetil-sziloxán

12

2010.10.07.

SZILÁRDFÁZISÚ MIKROEXTRAKCIÓ (SPME) Alkalmazás

KEVERŐRUDAS MIKROEXTRAKCIÓ (SBSE) Alkalmazás Az SBSE (stir bar sorption extraction) valójában SPME konstrukció egy változata, amely azonban jelentősen nagyobb kapacitása miatt elvben teljes analit kinyerést is lehetővé tehet (Vf ≅ 220 µL, rétegvastagság 0.3-1 mm). Az alkalmazott vékonyréteg y g jjelenleg g általában p polidimetil-sziloxán ((PDMS), ) de lehet szelektív szorbens is. Ennél a szorbensnél a tapasztalat szerint a megoszlási hányados az oktanol-víz közötti megoszlási hányadossal arányos.

13

2010.10.07.

Félillékony komponensek szilárd anyagokból való kinyerésére szolgáló extrakciós módszerek összehasonlítása A szilárd fázisból történő extrakció folyamata során az oldott anyagok deszorbeálódnak a mintamátrixról és beoldódnak az oldószerbe. A folyamat hatékonyságát három tényező befolyásolja: oldhatóság, tömegátviteli folyamatok ((oldószer bejutása j és oldott anyag y g kijutása j a p pórusszerkezetbe)) és a mátrix. A nyomás és a hőmérséklet valamint az agitáció jelentős hatással van a folyamatra. Az oldószer kiválasztásában szerep jut az analit minőségének (pl. poláros karakter), de a mátrixhatás miatt nem lehet a hatékonyságot pontosan megjósolni. Atmoszférikus nyomáson, nagy térfogatú oldószerrel kivitelezett, hosszú időt igénylő „klasszikus” módszerek: Soxhlet extrakció, Ultrahanggal segített extrakció Emelt nyomáson és/vagy hőmérsékleten, kis térfogatú oldószerrel végrehajtott, gyors „modern” d ” módszerek: ód k Szuperkritikus S k i ik fluid fl id extrakció k ió (SFE), (SFE) Gyorsított G í oldószeres extrakció (ASE/PLE/PFE), Mikrohullámmal segített extrakció (MAE) A legtöbb esetben pre-extrakciós (pl. kíméletes aprítás és szárítás) és postextrakciós műveletekre (pl. az oldószer elpárologtatása a dúsításhoz, tisztítás, stb.) is szükség van.

SOXHLET EXTRAKCIÓ Alkalmazás A Soxhlet extrakciós módszert felfedezőjéről, Franz Ritter von Soxhlet báróról, egy agrokémikusról nevezték el (1879). A folyamat lényegében y g egy gy reflux alatt végrehajtott g j „univerzális” folyadékextrakció. Szokásosan 10 g vagy nagyobb tömegű mintákra alkalmazzák, amikor az oldószer illékonyabb, mint a kioldandó komponensek. Az oldószer a kioldott komponensek termikus kímélése érdekében alacsony forráspontú, pl. diklór-metán vagy dietil-éter. Az extrakció időtartama jelentős (6-48 óra), hasonlóan a felhasznált oldószermennyiséghez (300 mL vagy több). Post-extrakciós lépésként a bepárlás általában szükséges. A módszer népszerűsége egyre csökken, de szabványosított, referencia eljárás.

14

2010.10.07.

ULTRAHANGGAL SEGÍTETT EXTRAKCIÓ Alkalmazás A szonikálásról elmondottak miatt ultrahangos besugárzás (agitálás) révén a folyadék extrakció jelentősen felgyorsítható. A legtöbbször Ti csúccsal ellátott szonikátort alkalmaznak. Nyomanalízis esetén a mintamennyiség általában több tíz gramm, amit előzetesen pl. vízmentes Na2SO4-tal elkeverve kiszárítanak. Az oldószer általában 1:1 aceton/hexán vagy aceton-metilénklorid. Az extrakció általában 3-5 perc alatt lezajlik, illetve 2-3 alkalommal friss oldószerrel megismételhető, majd az okldatok egyesíthetők. Az extrakció után szűrés vagy centrifugálás szükséges a szilárd mátrixtól való elkülönítéshez. Jellegzetes alkalmazások: PAH és analízis por- és üledékmintából, stb.

PCB

SZUPERKRITIKUS FLUID EXTRAKCIÓ (SFE) Bevezetés A szuperkritikus folyadékok „ideális” tulajdonságú oldószerek az extrakció számára: ƒ jó szolvatáló képesség (mint a folyadékoknak) ƒ nagy diffúzióképesség (mint a gázoknak) ƒ kis viszkozitás ƒ minimális felületi feszültség

A széndioxid a legelterjedtebb SFE ( (supercritical iti l fl id fluid extraction) oldószer, mivel nem gyúlékony, nem toxikus és viszonylag alacsony kritikus nyomású és hőmérsékletű.

15

2010.10.07.

SZUPERKRITIKUS FLUID EXTRAKCIÓ (SFE) Adalékok

A széndioxid hatékonysága azonban poláros anyagok extrakciójára nem elegendő, ezért módosító adalékokat szokás hozzáadni 1-10% koncentrációban koncentrációban. Az adalékot az extrahálandó komponens minőségének megfelelően választják meg.

SZUPERKRITIKUS FLUID EXTRAKCIÓ (SFE) A berendezés dugattyús pumpák hűtött fejegységgel, max. nyomás: 100-200 bar

gyűjtőedény megfelelő oldószerrel (pl. tetraklór-etén IR-hez, metilénklorid vagy izo-oktán GC-hez)

a szilárd mintát tartalmazó poliéteréter-keton (PEEK) vagy acél, szűrőzött cella, ami max. 200 °C-ra fűthető

nyomáscsökkentő szelep állítható furatmérettel a kifagyó víz, zsírok, stb. okozta dugulás megakadályozására

Sztatikus üzemmód: a szuperkritikus folyadék fix ideig a cellában van tartva Dinamikus üzemmód: állandó, kissebességű folyadékáramlás

16

2010.10.07.

SZUPERKRITIKUS FLUID EXTRAKCIÓ (SFE) Alkalmazások

Az SFE gyors (10-60 perc), kis mennyiségű mintát (10 gramm) és oldószert igényel. Jól adaptálható a mérendő komponenshez. Hátránya, hogy költséges berendezést igényel és az extrakció hatékonysága mátrixfüggő.

GYORSÍTOTT OLDÓSZERES EXTRAKCIÓ (ASE/PFE/PLE) Bevezetés Az ASE (accelerated solvent extraction) módszert az SFE mátrixfüggősége miatt alternatívaként fejlesztették ki (Dionex Corp.). Lényegében LLE-ről van szó, amit emelt nyomáson és hőmérsékleten hajtanak végre. Eredetileg azt gondolták, hogy majd lassabb/kisebb hatékonyságú lesz, mint az SFE (akisebb diffúziós együttható és nagyobb viszkozitás miatt), de éppen ellenkezőleg...

17

2010.10.07.

GYORSÍTOTT OLDÓSZERES EXTRAKCIÓ (ASE/PFE/PLE) Alkalmazások Az ASE nagy előnye, hogy a módszerfejlesztés egyszerű, hiszen legtöbbször ugyanazt az oldószert használhatja, mint más extrakciós módszerek (pl. Soxhlet). Egyes esetekben azonban az oldószereket meg kell változtatni (pl. polimereknél), mivel azok az emelt hőmérsékleten feloldhatják a szilárd mátrixot.

MIKROHULLÁMMAL SEGÍTETT EXTRAKCIÓ (MAE) Bevezetés A MAE (microwave assisted extraction) lényegében egy (többnyire) zárt edényben, emelt nyomáson és hőmérsékleten végrehajtott oldószer extrakció. Az edényzet PTFE/PFA/TFM béléssel és beépített keverővel van ellátva. A keverő Weflon burkolatú, hogy lehessen nempoláros oldószert is használni. Hőmérséklet-, nyomáskontroll á k t ll és é elszívás/hűtés l í á /hűté gondoskodik d k dik a biztonságos bi t á működtetésről. űködt té ől 7070 130 bar maximális nyomás, 280 °C hőmérséklet, párhuzamosan akár 16 edényzet.

Liner

Liner

Weflon stir bar

Weflon stir bar

18

2010.10.07.

MIKROHULLÁMMAL SEGÍTETT EXTRAKCIÓ (MAE) Alkalmazások A MAE módszerek általában gyorsak (kb. 20 perc extrakció + 20 perc hűtés), kevés oldószert igényelnek (pl. 30 mL) és igen hatékonyak. Hatékonyságuk általában olyan nagy, hogy szinte mindig szükség van a minta utólagos tisztítására.

ILLÉKONY ANYAGOK KINYERÉSE Bevezetés

Illékony szerves anyagok (VOC, volatile organic carbons) kinyerése és analízise általában nem nehéz. nehéz Gázkromatográfiával sok esetben közvetlenül lehet a kinyerést és analízist elvégezni. A szituáció akkor kezd bonyolódni, amikor a mérendő komponensek összetett mátrixban vannak oldva vagy abban szorpcióval kötve...

19

2010.10.07.

SZTATIKUS HEADSPACE EXTRAKCIÓ (SHE) Bevezetés SHE során (static headspace extraction) a mintát állandó (enyhén emelt) hőmérsékleten tartva a g gőztérben megvárjuk, g amíg a szeptummal lezárt mintatartó edény gőzterében beáll az egyensúly, majd onnan manuális vagy automatikus módon gázmintát veszünk.

DINAMIKUS HEADSPACE EXTRAKCIÓ (DHE) „Kihajtás és csapdázás” (purge and trap) DHE során (dynamic headspace extraction) a mintából állandó inert gázárammal (általában He) hajtjuk ki az illékony komponenseket, amelyeket egy szorpciós csapdában gyűjtjük össze. A szorbensről azután hirtelen deszorbeáltatjuk a mérendő komponseket és a GC-be vezetjük. Nem felhabzó mintáknál előnyös az üvegfrittes kihajtó edény vagy ”gázmosó” (sparger). A csapda általában összetett szorbenst tartalmaz, hogy az mindenféle jellegű illékony vegyületet megkössön. A gőzök szárítására hűtött kondenzációs csőszakaszt iktatnak be a transzport csőbe.

20

2010.10.07.

SPME HEADSPACE EXTRAKCIÓ (SPME) Koncepció A szilárd fázisú mikroextrakció (SPME) alkalmazható headspace extrakcióra is, mindössze a mikroszorbenst a gőzfázisba kell tartani…

MEMBRÁN EXTRAKCIÓ (ME) Koncepció A membrán extrakció során a gáz vagy folyadék fázisból egy féligáteresztő membránon keresztül diffundálnak át a komponensek a membrán túloldalára. A mértékadó folyamatok a permszelektív párolgás (folyadékból gáz közegbe jutás) és a permeáció (gázból gázba jutás). Fontos megjegyezni, hogy a mikroporózus anyagok (filterek) önmagukban nem optimálisak ME céljára, céljára mert túl sok vízgőzt engednek át. Jobban beváltak a hidrofób, nemporózus membránok, mint pl. a polidimetil-sziloxán, PDMS) pár µm vastagságban, pl. egy PP membránra felvive. A membrán extrakció legfőbb előnye, hogy közvetlen on-line analízis céljából MS vagy GC műszerekhez kapcsolható.

21

2010.10.07.

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK A nyomelemanalitika nagyjelentőségű és széles körben alkalmazott technika. Az atomspektroszkópia módszerei között gáz, folyadék és szilárd halmazállapotú mintákkal megbírkózóakat egyaránt lehet találni, noha hagyományosan a folyadék mintabeviteli rendszerrel rendelkező technikák az elterjedtek. A gázminták mátrixa általában egyszerű, miáltal is azok nagyobb nehézség nélkül általában közvetlenül elemezhetők. A gyakorlatban azonban igen gyakoriak az összetett/koncentrált folyadékminták, szuszpenziók és a darabos/tömbi szilárd minták. Ezen minták általában inhomogének és mátrixuk általában erőteljes zavaró hatást fejt ki az analitikai jelre, ezért a nyomelemanalitikában gyakoriak az olyan mintaelőkészítési műveletek, amelyek az ilyen „nehéz” mintatípusokat könnyebben kezelhető, homogén gáz vagy folyadékmintákká konvertálják. Most ezen módszerek közül tekintünk át néhány korszerűbb (az oldáson, feltáráson és klasszikus hamvasztáson túlmutató) eljárást. ƒ nagynyomású hamvasztás ƒ mikrohullámú feltárás ƒ hideg oxigénplazmás hamvasztás ƒ infravörös hamvasztás ƒ hidridek és higanygőz fejlesztése ƒ iszapolás/zagyolás (slurry)

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Nagynyomású hamvasztó berendezés (HPA)

22

2010.10.07.

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Mikrohullámmal segített feltárás Az összetett minták oldatbavitelének, roncsolásának zárt, inert edényzetben emelt nyomáson (max. 130 bar) és hőmérsékleten (max. 300°C) savelegyekkel való végrehajtására hatékony megoldás a mikrohullámú berendezések használata. Az edényzet vastagfalú kvarc, vagy kerámia köpennyel ellátott PTFE/TFM/PFA anyagú. A mikrohullámú feltáró berendezések valójában nagynyomású, többpozíciós, automatikus reaktorok, amelyeknek az alkalmazott agresszív körülmények miatt fejlett biztonsági megoldásokkal kell rendelkeznie. Tipikus mintamennyiség: 0.25 gramm vagy max. 100 mL (saveleggyel együtt).

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Mikrohullámmal segített feltárás Zárt edényzetben végzett feltárások minőség-ellenőrzése: Kvalitatíve: „vizuális inspekció” Veszteségek szempontjából: mérlegelés (előtte/utána) A hatékonyság szempontjából: TOC meghatározás

23

2010.10.07.

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Hideg oxigénplazmás hamvasztó berendezés A hagyományos oxigénben való elégetéses módszer korszerű változata a „hideg” rádiófrekvenciás oxigén plazmában (hőmérséklet: kb. 1000 K) való elégetéses roncsolása a szerves/biológiai anyagoknak. A pár bar nyomású oxigéngázban létrehozott RF plazma (27 MHz) igen reaktív. A könnyen illó elemek veszteségeinek csökkentésére egy kvarc hűtőszár szolgál, amelyen ezek az elemek illetve oxidjaik lecsapódnak. Az oxidokat néhány mL nagytisztaságú savval feloldják.

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Infravörös hamvasztó berendezés

24

2010.10.07.

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Hidridek és hideg higanygőz képzése & NaBH4 +3H2O + HCl → H3BO3 + NaCl + 8H & → MH + Mn + + mH n

m−n H2 2

A 0.5‐0.05%‐os borohidrid oldatot NaOH‐os közegben stabilizálják. A keletkező hidrideket gáz‐folyadék szeparátorban választják el; majd gázként kezelhető és az atomforrásba vezethető. A képződési sebesség függ az oxidációs számtól. Hasonló elven Hg gőzök is előállíthatók Sn(II) redukcióval. Előny: szelektivitás, zavaró/jelelnyomó hatások csökkentése fázisváltással Hátrány: kinetikai effektusok

NYOMELEMANALITIKAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK Finom szuszpenzió készítése („iszapolás/zagyolás”, „slurry”)

Szemcsés szilárd minták nedves őrléssel finom szuszpenzióvá alakíthatók l kíth tók (szemcseméret ( é t kisebb, ki bb mint i t 2 µm), ) amii nem felhabzó f lh b ó diszpergeálószer (pl. Triton X-100) hozzáadásával és ultrahangos rázatás mellett homogén folyadékként kezelhető és közvetlenül beporlasztható atomspektrométerbe (szilárdanyag-tartalom max. 1%). A megoldás előnye, hogy gyors, nem igényel agresszív reagenseket, azonban megfelelő mintabeviteli rendszerek és fejlett háttérkorrekciós rendszerek használatát igen.

25

Kémiai és molekuláris szenzorok Galbács Gábor

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Definíció és csoportosítás A kémiai szenzorok olyan kisméretű (miniatür) eszközök, amelyek képesek kémiai komponensek minőségét és/vagy mennyiségét folyadék vagy gázfázisban érzékelni és „valós” időben elektromos jellé konvertálni. A definíció két kulcsszava a kisméretű és a valós időben, hiszen a fenti feladatot egyébként a nagyméretű analitikai műszerek is ellátnák. A szenzor koncepció azonban azt jelenti, hogy az eszköznek „azonnal” (max. 1-2 percen belül) kell analitikai információt szolgáltatnia, ez viszont azt igényli, hogy hacsak nem egyetlen komponens érzékelését kell megoldani, a szelektivitás érdekében egy sor eszközt kell kell beépíteni (egyet minden kompnenshez), amelyeknek akkor miniatürnek kell lennie. A miniatürizálásnak emellett gyakorlati előnyei is vannak amelyekről már esett szó korábban. vannak, korábban Az elmondottak alapján világos, hogy kémiai szenzort alapvetően elektroanalitikai, optikai vagy esetleg termikus működési elv alapján lehet készíteni, más módszer (pl. kromatográfia) nem jöhet szóba, mert azok lassúak vagy nehezen kicsinyíthetők. A kémiai szenzorok klasszikus, már ismert esetei pl. az ionszelektív elektródok.

1

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Definíció és csoportosítás A kémiai szenzor fogalma tehát nyilvánvalóan viszonylag tág, és sokféle eszköz ide sorolható. A következőkben azonban csak olyan kémiai szenzorokról esik majd szó, amelyek vagy újszerű detektálási elvükkel vagy nagy szelektivitásukkal l kti itá kk l tűnnek tű k ki a többi közül. kö ül A különösen külö ö nagy (molekuláris) ( l k lá i ) szelektivitású szenzorokat molekuláris szenzoroknak, esetleg bioszenzoroknak hívjuk. A szenzorok területe lényegében a modern elektroanalitikát jelenti. Gyakoribb szenzortípusok működési elvük szerint csoportosítva: ƒ konduktivitás-változás (félvezető szenzorok) ƒp potenciál-változás (p (potenciometrikus szenzorok)) ƒ áramerősség-változás (amperometriás szenzorok) ƒ rezonancia frekvencia változása (tömegérzékeny szenzorok) ƒ optikai jellemzők megváltozása (optódák) ƒ hőmérséklet-változás (kalorimetriás szenzorok)

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A szagérzékelés Az egyik nem-konvencionális, jelentőségteljes gázdetektálási feladat a szagérzékelés (olfactometry), amely kémiai komponensek kimutatását igényli, azonban az összhatás megítélése szubjektív, a humán tényezőt nem nélkülözheti.

2

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A szagérzékelés

Kommerciális GC tartozék pl. a kozmetikai ipar számára

Nasal Ranger ©

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Objektív gázérzékelés elektronikus orral (vezetőképességi szenzor)

Az egyik lehetséges szenzormegoldás a félvezető polimerek vezetőképességének változásának érzékelésén alapul. Különböző polimerekből (pl. polipirrol származékok vagy grafit, ezüst részecskékkel adalékolt más polimerek) érzékelő mátrixot (pl. sort) hoznak létre elektród fésűk között elhelyezve azokat. Kontaktus esetén a gázok elnyelődnek a különböző polimer filmekben, amelyek megduzzadnak és a koncentráció és a gáz típusától függően megváltozik vezetőképességük (chemiresistor). Kellően nagy érzékelő mátrix (pl. 32 vagy több szenzor) alkalmazásával és a kapott jeleket neurális hálózatokkal (algoritmikus módszer) kiértékelve egyszerűbb gázelegyek összetétele megállapítható.

3

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Objektív gázérzékelés elektronikus orral (gázérzékelő szenzor)

Egy másik újszerű megoldás olyan nanoporózus pigmenteket használ mátrix-szerű elrendezésben, amelyek megváltoztatják színűket megfelelő gázokkal való kontaktus esetén. Az analitikai információ a foltok pozicionális és színinformációjának kiértékelésén (optikai úton) történik. Az érzékelő eszköz 19 toxikus gázt ismer fel, kisméretű (kb. 25 mm) és eldobható. Lim, Feng, Kemling, Musto, Suslick: An optoelectronic nose for the detection of toxic gases, Nature Chemistry 1, 562 - 567 (2009)

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A szagérzékelés – egy alkalmazás Egy gyakorlati példa a hasonló gázérzékelő szenzorok alkalmazására a To-Genkyo japán cég által kifejlesztett „romlott hús érzékelő címke”. A címkében ammónia érzékeny színezék található, ami elkékül, ha a hústermék megromlott (és az ammónia kiszívárog a fólián keresztül). Ilyenkor a színezék hatásosan elfedi a vonalkódot lkód is, i hogy h ne lehessen l h eladni l d i a terméket…látványos ék lá á a homokóra h kó design d i is.. i

Good Design Award, 2009, Tokyo

4

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Magas hőmérsékletű gázok érzékelése potenciometrikus szenzorral Magas hőmérsékletű gázok (pl. oxigén) mérését kell megoldani a metallurgiás folyamatok során olvadékban, vagy gépjárművek katalizátorainak optimális működésének szabályzásához gázokban (600-1000°C). Pl. a Pt vagy Rh katalizátor feladata ugyanis a szén-monoxidot oxidálni, de a nitrogén-oxidokat redukálni, ami csak pontosan szabályzott üzemanyag/levegő arány mellett lehetséges. lehetséges Ezek a szenzorok potenciometrikus elven működő fémoxid alapú szenzorok. Az alapanyag ZrO2, amelyben Y2O3 vagy CaO dópolással vakanciákat hoznak létre, amelybe az oxigénion bediffundálhat (töltésvándorlás, vezetés). A fémoxid rétegre Pt kontaktust helyeznek el és potenciálját egy referencia elektródhoz képest mérik (ez is lehet Pt, ami gázfázis esetén egy referencia oxigén (levegő) áramban helyeznek el) Szilárdfázisú gázszenzor

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Ionszelektív szenzor térvezérlésű tranzisztorral (ISFET) Félvezető mikroelektronikai elemekből is kialakítható ionszelektív elektród. Az egyik sikeres példa erre a térvezérlésű tranzisztor kapuelektródájának kémiai érzékenyítését alapul. A FET működését az alábbi ábra illusztrálja. A hordozóban (pl. p-Si) kialakított n-Si szigetek („Source” és „Drain”) között nincs átvezetés, mivel azokat szigetelő réteg (SiO2) köti össze. össze Ha viszont a kapuelektródára („Gate ( Gate”)) pozitív potenciált kapcsolunk, akkor az odavonzza magához a hordozóban lévő elektronokat, amelyek így egy csatornát hoznak létre, hiszen oldalirányban elmozdulhatnak.

5

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Ionszelektív szenzor térvezérlésű tranzisztorral (ISFET) Ebből úgy lesz ionszelektív FET, hogy a kapuelektródát egy csapadékkristály-réteg alkotja (pl. AgBr). Ez a vele kontaktusba kerülő oldatból Ag+ vagy Br- ionokat tud adszorbeálni, miáltal is + illetve – töltést nyer a félvezető félőli oldalon (kettősréteg). A mikroelektronika védelmét az ionok számára áthatolhatatlan Si3N4 réteg látja el.

Kb. 1 mm2

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK pH mérése térvezérlésű tranzisztorral (ISFET) A pH is mérhető egy ISFET segítségével. Ilyenkor a csapadékréteg nincs jelen, hanem az oldatbeli többségi, mozgékony töltéshordozók (pl. H+) fognak adszorbeálódni a Si3N4 (vagy Al2O3, Ta2O5) rétegen…szorosan mögöttük persze az ellenionok; ezáltal itt is egy kettősréteg alakul ki, a félvezető eszköz felől a mérendő pozitív ionnal.

Előnyök: • nem törékeny • igen kis méretű • nem kell elektrolittal feltölteni • könnyen tisztítható, hosszú élettartamú • nagyon gyors beállású Hátrányok (üvegelektródhoz képest): • szűkebb méréstartomány • linearitás korlátozott

6

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A Clark-féle amperometriás oxigén szenzor A Clark-féle amperometriás szenzorban -0.6 V potenciálon tartják a Pt elektródot a referencia Ag/AgCl elektródhoz képest. A félig áteresztő fluoropolimer membránon át percek alatt bediffundál az oxigén és a Pt katódon elreagál: O2 + 4 H+ + 4 e- ↔ 2 H2O az áramerősség tehát az [O2] függvénye. Az eszköz mérete kisebb lehet, mint 1 mm, ezért orvosi katéterekbe is beépíthető, pl. új ülött k újszülöttek lé é f k iói k légzésfunkcióinak ellenőrzése ll ő é céljából (köldökzsinóron keresztül), de készítettek már ilyen mikroszenzort is egyetlen sejtben való mérésre is.

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A glükóz bioszenzor

A munkaelektródot +0.6V potenciálon tartva az Ag/AgCl referencia elektróddal szemben a H2O2 Æ O2 + 2H+ + 2ereakció miatt áram mérhető, ami arányos a H2O2, végülis a glükóz koncentrációval.

7

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A glükóz bioszenzor Ezzel az első generációs konstrukcióval két probléma volt. Egyfelől a jel az oxigén koncentrációtól is függött, másfelől a működési potenciálon más anyagok, pl. aszkorbinsav, acetaminofén, stb. is oxidálódtak, vagyis mérési hibát okoztak. Emiatt ma már egy mediátor molekulát (dimetilferrocén) is tesznek az enzim mellé, ami szükségtelenné ük é l é teszii az oxigén i é jelenlétét j l lé é a reakcióhoz. k ióh A második á dik problémát blé á egy másik, enzimmel nem bevont munkaelektród alkalmazásával (háttérjel) oldják meg. A meghatározási határ 2 fM, 30 µL oldatban, vagyis kb. 36000 glükóz molekula. Az enzim+mediátor rétegben lejátszódó reakció:

Reakció a munkaelektródon (a mediátor regenerálódása):

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK További amperometriás bioszenzorok

8

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Mikroelektródák potenciometrikus és amperometrikus mérésekhez A mikroelektródák jellemző mérete (átmérő) kb. 10 µm és az alatti. Ilyen kis elektródák már sejtekbe is bejuttathatók. Másik előnyük, előnyük hogy rosszul vezető (nemvizes) oldatokban is felhasználhatók elektrokémiai mérésekre, mivel a kis felület miatt az átfolyó áram nagyon csekély (nA), vagyis a nagy elektromos ellenállású közegekben is a szokásos feszültségtartományokban lehet dolgozni (a közeg I×R ohmikus ellenállása kicsi). Ráadásul az elektród válaszideje j is nagyon rövid (µs), mivel a kettősréteg igen kis kapacitású. Mindez összességében mintegy 3 nagyságrendnyi kimutatási határ csökkenést is hoz a szokásos elektródokkal kivitelezett mérésekhez képest.

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Tömegérzékeny szenzorok (kvarckristály rezonátor) A tömegérzékeny szenzorok készíthetők piezoelektromos kristályokból. A piezoelektromos kristály elemek (pl. PZT, kvarc) tömegükből, méretükből és a metszési irányuknak megfelelő, meghatározott sajátfrekvenciával rezegnek, ha váltófeszültséget kapcsolnak véglapjaikra (ezen alapul a frekvencia stabilizáló k kvarcrezonátorok á k működése, űködé pl. l órákban). ó ákb ) Ha H kristály k i ál felületét f lül é (A) szelektív l kí gázabszorpciós réteggel vonják be, akkor a kristálynak az elnyelés révén bekövetkező tömegnövekedése (∆m) eltolja a sajátfrekvenciát (f0), ami elektronikus úton mérhető. Ezen az úton 10 pg tömegváltozás is mérhető. Példa: organofoszfor vegyületek mérése 20 ppb koncentrációban is lehetséges pl. polimer gyantával immobilizált Cu-diamin vegyületből készült bevonat segítségével.

 ∆m  ∆f = −2.3 × 106 × f02 ×   A 

9

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Optódák A korábban már tárgyalt elveknek megfelelően száloptikák segítségével is készíthetők optikai szenzorok/érzékelők (optódák). Ezeket elektromos zavarok nem befolyásolják és a szelektivitás fokozható a teljes spektrális információ feldolgozásával. Hátrányuk viszont, hogy korlátozott az immobilizált reagens rétegek é k élettartama él é a szórt és ó fény fé is i befolyásolhatja b f l á lh j a mérést. éé

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Immunelemzés (immunoassay) Az immunelemzés (immunoassay) az antitest-antigén reakción alapuló érzékeny és nagyon szelektív analitikai módszer (Rosalyn Yalow, orvosi Nobel-díj, 1977). Antitest, ellenanyag (antibody): a fehérjék egy igen fontos csoportja (immunoglobulins, ( Ig). Az antitestek egyik leggyakoribb változata az IgG, amely egy Y alakú fehérje, amely egy diszulfid hidakkal stabilizált kéttős láncú heterodimer. Az antigén kötőhelyek az Y „száraiban” találhatók és max. 17 aminosav méretűek. Antigén: a szervezetben az ellenanyag termelést kiváltó anyag, vagyis az antitestten megkötődő makromolekula. Epitóp: Az antigén azon molekularészlete, amellyel az antitesthez kötődik.

10

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Immunelemzés (immunoassay) Az antitest-antigén reakció, bármennyire is szelektív, azért ez sem specifikus reakció, hiszen többféle molekula is rendelkezhet ugyanazzal az epitóppal.

Az immunelemzés során akár az antitesteket, akár az antigének szerepelhetnek mérendő komponesként. A reakció analitikai felhasználása oly módon történik, hogy szilárd fázison immobilizáljuk az egyik partnert, amelyet a mérendő makromolekulát tartalmazó mintával hozzuk érintkezésbe. Ezek után az üresen maradt vagy az elfoglalt kötőhelyek számát (arányát) mérjük; mindkét mennyiség arányos a mérendő komponens koncentrációjával. A mérés során a detektálás könnyítésére jelölt (labeled) molekulákat alkalmazunk (pl. fluoreszcenciás, radioaktív, enzimatikus, stb.) és ennek megfelelően sokféle módszer ismeretes. Alapvetően az immunelemzési eljárások két csoportja ismeretes; a „kompetitív” és a „nem kompetitív (szendvics)” módszer.

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Kompetitív immunelemzés Az ún. kompetitív immunelemzésnél elvben a betöltetlenül maradt (pontosabban nem a mérendő által elfoglalt) kötőhelyek száma (aránya) adja a kalibrálható jelet. Ezt úgy kivitelezzük, hogy a mérendővel azonos, de jelölt makromolekulákat adunk a mintaoldathoz, amelyek a mérendő makromolekulával versengve, koncentráció arányuknak megfelelően fogják elfoglalni a kötőhelyeket. A kontaktidő után a felületről lemossuk a nem kötött molekulákat és mérjük a jelet (pl. radioaktív sugárzás intenzitása), ami annál kisebb lesz, minél több kötőhelyet foglalt el maga a mérendő (jelöletlen) komponens.

11

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Nem kompetitív (szendvics) immunelemzés Egy antigén molekula felületének különböző részén többféle epitóp is előfordulhat; ezek is felhasználhatók g Ezt használja j ki a az azonosításra és megkötésre. „szendvics” elemzési módszer, amely a nemkompetetív, vagyis a megkötött mérendő komponensek koncentrációjával arányos jelet szolgáltat. A módszer lényege, hogy a már megkötött makromolekulához (pl. antigén, Ag) olyan jelölt antitesteket (Ab2*) adunk feleslegben, amelyek meg tudnak kötődni rajtuk, j , de csak kizárólag g az antitestantigén (Ab1-Ag) komplexen, létrehozva az Ab1-Ag-Ab2* együttest. Ha ez sikerül, akkor a felesleges, nem kötődő Ab2* komponenseket lemosva, a mérhető jel nagysága a megkötött mérendő komponens számával, koncentrációjával (Ag) lesz arányos.

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Immobilizálás és a kötött és szabad alkotók elválasztása Tekintettel arra, hogy az antitestantigén kölcsönhatás egy reverzibilis, viszonylag gyenge kölcsönhatás (kb. 10 nm hatótávolságban g az ionos, míg g 0.1 nm körüli távolságban a H-hidak és Van der Waals dipólus kölcsönhatások dominálnak), az immunelemzés egy igen fontos technikai művelete a szilárd fázison a partnerhez kötött és a szabad alkotók elválasztása („lemosás”). Megfontolandó g az is, hogy gy az immobilizálás, ami kémiai vagy fizikai adszorpcióval egyaránt megoldható, óhatatlanul kisebb-nagyobb konformációs változást okoz a fehérjékben, így működésük, szelektivitásuk bizonyos mértékig megváltozik.

12

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK A koncentráció viszonyok jelentősége az immunelemzésben

Az Ab-Ag „komplex” képződési együtthatója (Keq) tipikusan a 106-1012 L/mol tartományba esik noha az immunelemzés számára hasznos esik, tartomány a 108 érték felett kezdődik. Az egyensúlyi képletet kifejtve (lásd ábrák) a megállapítható, hogy mely koncentrációk mellett a legszélesebb a dinamikus jeltartomány.

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK ELISA – Enzimkapcsolt immuno szorbens analízis Az ELISA az egyik praktikus jelsokszorozó eljárás az immunelemzésben. A koncepció a szendvics jellegű módszeren alapul és a mérendő makromolekulához (a képen p fehérje) egy enzimet kapcsol. Ez az enzim olymódon van kiválasztva, hogy egy kromofor vagy luminofor indikátor vegyület képződését katalizálja. Mivel az enzim nemcsak egyszer, hanem rövid (kontrollált) idő alatt sokszor képes az indikátor molekulát előállítani, ezért a mérhető jel is több nagyságrenddel gy g nő meg g ahhoz az esethez képest, amikor pl. közvetlenül egy jelölő molekulát akarnánk detektálni. Az ELISA módszer kimutatási képessége kimagasló, a ng tartományba esik. Ezen az elven működnek a terhességi vizelettesztek is, amelyek egy placentából származó fehérjét detektálnak.

13

KÉMIAI ÉS MOLEKULÁRIS SZENZOROK Időfelbontásos fluoreszcens detektálás az immunelemzésben A szerves fluoroforokkal való fluoreszcenciás detektálást sokszor nehezíti az oldószertől, reagensektől, részecskéktől származó háttér lumineszcencia. Ettől a háttérjeltől meg lehet azonban szabadulni impulzus (lézer) gerjesztéssel és időfüggő detektálással, ha a jelet az 615 nm-en, Eu3+ ionok közvetítésével mérjük. Az Ag-Ab együtteshez kapcsolt Eu3+ fluoreszcenciája csekély, azonban kelátképző illetve alacsonyabb pH alkalmazásával kiszabadítva, intenzív és lassan lecsengő fluoreszcenciát tapasztalunk, amit optimálisan a kb. 200-600 µs időablakban mérnek. A módszer segítségével az érzékenység 2-3 nagyságrenddel is fokozható. A kimutatási határ akár 0.1 pM is lehet.

14

Kvantitatív és kvalitatív spektroszkópiai módszerek Galbács Gábor

KORSZERŰ SPEKTROSZKÓPIAI TECHNIKÁK/MÓDSZEREK Az állatkert lakói A következőkben nehány korszerű spektroszkópiai méréstechnikáról illetve mérési módszerről lesz szó. A tárgyalás szükségképpen önkényes kiválasztáson alapul, hiszen a módszerek/technikák köre olyan széles, hogy a teljes gy önálló előadás-sorozatatot megtöltene. g A kiválasztás célja az ismertetés egy volt, hogy egyaránt illusztráljuk a molekula- és atomspektroszkópiai, laborbeli illetve terepi (távoli) mérési lehetőségeket, valamint a kvalitatív és kvantatitív alkalmazásokra (nem pedig szerkezetvizsgálatra) használt módszereket. A spektroszkópiai módszerek újszerű, egyedi detektálási módot valósítanak meg. A spektroszkópiai technikák csoportjába olyan eljárások tartoznak, amelyek megnövelik egyes, már ismert spektroszkópiai módszerek teljesítőképességét. teljesítőképességét WM‐DLAS SPRS

FTIR ATR

LIBS LA

CS‐HR‐AAS

ICP‐MS CRDS

PAS

LIDAR

TDLAS

1

DERIVÁLÁS A KVALITATÍV SPEKTROSZKÓPIÁBAN Alkalmazás Amint azt más analitikai módszereknél (pl. termikus módszerek) már láttuk, úgy a kvalitatív spektrumok esetében is előnyös a deriválás; a derivált spektrum finom részleteket is felfed.

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Matematikából ismert a Fourier tétel, ami leegyszerűsítve kimondja, hogy bármilyen periódikus függvény tetszőleges pontossággal közelíthető színusz és koszínusz függvények soraként:

ahol

2

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Az előbb látható görbe (spektrumrészlet) esetében, amint az alábbi ábra illusztrálja, nyolc tagig kell csak a sorfejtést elvégezni ahhoz, hogy tűrhető pontossággal visszakapjuk a jelalakot.

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Persze adódnak a kérdések, hogy 1.)) hogyan gy tudjuk j meghatározni g az együtthatók gy értékét matematikailag? 2.) hogyan lesz ebből spektroszkópia? Az elsőre válasz az, hogy létezik hatékony numerikus algoritmus, mégpedig több is. Az első ilyen algoritmus Cooley és Tukey Radix-2 FFT algoritmusa (1977) volt, ami 2n véges számú adatponttal reprezentált görbék leírására alkalmas. A kód igazán rövid és gyors. A második kérdésre pedig a választ az interferometrikus spektrométerek adják meg.

Valkó, Vajda: Műszaki-tudományos feladatok megoldása személyi számítógéppel, Műszaki Könyvkiadó, 1987.

3

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Az interferometrikus spektrométerek működésének megértéséhez előbb emlékezetünkbe kell idéznünk a hullámtanban megismert törvényszerűségeket a koherens harmonikus hullámok interferenciájára vonatkozóan: Úthossz‐különbség: n × λ/2 Úthossz‐különbség: n × λ

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Az interferométer Az interferometrikus elrendezésű spektrométerekben (alább a Michelson típus látható) egy folytonosan mozgó tükör idéz elő interferenciát a detektor helyén (a detektor az eredményhullám intenzitását méri):

A két hullám közötti úthossz-különbség a retardáció (δ); ha ez n×λ/2, akkor a detektor nulla fényintenzitást mér (destruktív interferencia). A fényintenzitást a retardáció függvényében mutató grafikon az interferogram.

4

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés A legegyszerűbb esetben, amikor monokromatikus fény érkezik a fényforrásból, megmutatható, hogy az interferogram intenzitásai felírhatók:

ahol ν a hullámszám (1/λ), B( ν ) pedig egy skálázó tényező, ami a műszerkonstansokat (pl. nyalábosztó transzmissziója, tükrök reflexiója, detektor érzékenysége, stb.) tartalmazza. Az interferogram Fourier transzformáltja lesz a spektrum, ami a komponens hullámok hullámszámát fogja megadni (itt ez = 2):

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Mivel a mintát a detektor elé helyezzük, ezért az FT spektrum a fényforrás folytonos spektrumát adja vissza, mínusz a minta spektruma (azok a hullámszámok maradnak meg, amelyeket a minta nem nyel el).

5

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Egy transzmissziós FT spektrum felvétele

a vakminta (küvetta és oldószer) interferogramját felvesszük és annak FT spektrumát meghatározzuk

a minta interferogramját felvesszük és annak FT spektrumát meghatározzuk

a mintaspektrum és a vakminta spektrumának hányadosa adja a transzmissziós spektrumot

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Egy polisztirol film FTIR spektruma

6

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Az FT-IR spektroszkópia gyakorlata ƒ a spektrumot 30-50 mérés átlagából határozzák meg. A jel/zaj viszony sokkal jobb, mint a hagyományos diszperziós berendezéseké! ƒ az adatgyűjtésnek a tükör mozgatásával való szinkronizálását egy lézer segítségével érik el (szubmikronos lépésekben történő mozgatásról, kb. 2 mm/s sebességről és kb. 4096/s adatgyűjtési sebességről van szó) ƒ az interferometrikus spektrométert a rövidebb hullámhosszúságú UV/Vis tartományban á b nem realisztikus li ik é í i ezért építeni, é csak az IR tartományban használatos ƒ a nyalábosztó a közepes IR tartományban (4000-400 cm-1) egy Ge bevonattal ellátott KBr kristálylap, és a spektrométer belsejét szárított nitrogénnel szokás kiöblíteni a H2O és CO2 nyomok eltüntetésére

Az interferometrikus (FT) spektrométerek annyival jobbak, hogy ma már hagyományos diszperziós IR spektrométert gyakorlatilag nem lehet vásárolni!

FOURIER TRANSZFORMÁCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Diszperziós és FT IR spektrumok felbontásának összehasonlítása

Diszperziós IR spektrométer (1962)

FTIR spektrométer (1966)

FTIR spektrométer kt ét (1969)

FTIR spektrométer (1975)

7

CSILLAPÍTOTT TELJES REFLEXIÓ SPEKTROSZKÓPIA (ATR) Bevezetés Az attenuated total reflectance spectrocopy (ATR) az evaneszcens (evanescent) hullámtér jelenlétét használja ki a teljes optikai visszaverődés konfigurációja esetén vékonyrétegek és filmek spektroszkópiás mérésére. Fi ik i törvények Fizikai ö é k ugyanis i megkövetelik, kö lik hogy h ké közeg két kö h á á az EM hullám határán h llá intenzitásában nem lehet szakadás, vagyis a sugárzás egy kis része teljes visszaverődés esetén is behatol a kisebb törésmutatójú közegbe, ahol az intenzitás exponenciálisan elhal. A behatolás mélysége tipikusan a néhányszáz nm tartományba esik, ami elegendő ahhoz, hogy a határrétegre felvitt vékonyréteg sok kémiai molekulájával interakcióba lépjen, vagyis azokon spekroszkópiai mérést lehessen végrehajtani.

CSILLAPÍTOTT TELJES REFLEXIÓ SPEKTROSZKÓPIA (ATR) Alkalmazás Az ATR mérési elv különösen alkalmas tehát vékonyrétegek/filmek (pl. polimer, makromolekulák, stb.) spektroszkópiás vizsgálatára, amelyek nemigen tölthetők küvettába (mint a gázok és folyadékok) vagy préselhetők pasztillába (mint a porított szilárd minták). p ) A koncepciót p alkalmazzák mind az UV/Vis, mind az IR tartományban. Az alábbi alkalmazás Cu2+ ionok ioncserélő membránban való megkötése utáni ATR elvű mérését illusztrálja.

8

FELÜLETI PLAZMON REZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés A surface plasmon resonance (SPR) spektroszkópia szintén a teljes visszaverődéssel összefüggő speciális spektroszkópiai módszer. A technika azon a jelenségen alapul, hogy ha a teljes visszaverődés egy optikai elem (szigetelő) és egy nagyon vékony (10 nm nagyságrend, a behatolási mélységnél lényegesen kisebb!) fémes vezető réteg határán következik be, akkor a fémben az evaneszcens hullámok az elektronok oszcillációját idézik elő. Egy speciális szög alatt a hullám fémben való „elnyelődésének” maximuma van, ilyenkor a visszavert fény intenzitása minimális. Ennek a „völgypontnak” a szögfüggése meghatározható, síkban poláros fény alkalmazásával akár 10-5 fok érzékenységgel is.

FELÜLETI PLAZMON REZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA Alkalmazás Ha most a fémréteg túloldalára vékony kémiai réteget viszünk fel kémiai kötésben, akkor az az evaneszcens hullámok által érzékelt törésmutató megváltozik, ami az SPR szög értékét kismértékben eltolja. A törésmutató a koncentráció függvénye, így mennyiségi meghatározás lehetséges, pl. bioszenzor hozható létre. A kémiai réteg lehet pl. antitest vagy antigén DNS és RNS, antigén, RNS stb. stb A mellékelt ábrák NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) szelektív meghatározásának példáját mutatják be molekuláris lenyomatot tartalmazó polimer segítségével (MIP, molecularly imprinted polymer)

9

TÖBBSZÖRÖZÖTT ÚTHOSSZÚ ABSZORPCIÓS SPEKTROSZKÓPIA Bevezetés Gázok abszorpciós spektroszkópiai mérésének többé-kevésbé evidens jelnövelő technikája a többszörös visszaverődésen alapuló spektroszkópiai elrendezés (multi-pass absorption spectroscopy), amikor a gerjesztő fényt a közegen való többszöri áthaladásra kényszerítjük a cella két végén elhelyezett tükrökkel. A módszer technikai kivitelezésére többféle megoldás is létezik, amelyek közül kettőt említünk meg. Az első, legegyszerűbb, de kevésbé hatékony megoldás a síktükrös elrendezés. A „menetek” száma a cellán belül a beesési szöggel (αin) és az MB tükör megdöntésével lehetséges. Az elérhető jelnövekedés kb. 10-50, ami elsősorban a tükrök nagyságától, a szögektől és a gerjesztő fénysugár átmérőjétől függ.

CAVITY RINGDOWN SPECTROSCOPY (CRDS) Bevezetés A másik, elegáns megoldás az ún. cavity ringdown spectroscopy (CRDS, „rezonátoros lecsengési spektroszkópia”, O’Keefe and Deacon, 1988) . Ennél a mintát egy rezonátorba (kavitás) helyezzük, amelyet igen nagy reflektivitású (pl. 99.99%) tükrök zárnak le. A kavitásba egy, a mintával rezonáns hullámhosszúságú fényimpulzust juttatunk be, amelynek időtartama rövidebb, mint a tükrök közötti távolság megtételéhez szükséges idő a fény számára (1 ns = kb. 30 cm). Ez a fényimpulzus a két tükör között ide-oda fog utazni nagyon sokszor, mialatt a minta mindig elnyeli egy kis részét a fénynek. A kavitásból a zárótükrön át kiszivárgó fény intenzitását egy érzékeny fotodióda monitorozza az idő függvényében, és a lecsengés sebességét figyelik. figyelik A visszaverődések száma akár sokezer is lehet.

10

CAVITY RINGDOWN SPECTROSCOPY (CRDS) Bevezetés A CRDS eleganciája és szépsége abban rejlik, hogy nagyon érzékeny (10-7 AU) , kvantitatív információt képes szolgáltatni, hangolható lézer alkalmazásával abszorpciós spektrum is felvehető, és még csak nem is szükséges a kis elnyelés méréséhez nagyon stabil fényforrást alkalmazni. Megmutatható ugyanis, hogy: „üres” kavitás esetén az intenzitás lecsengése:

míg elnyelő komponenst is tartalmazó kavitásban:

V Vagyis i a lecsengés l é sebessége b é , illetve ill t , amii valóban lób független fü tl a gerjesztő fény intenzitásától (megjegyzés: α lényegében ε×l). Ez azért fontos, mert az impulzusüzemű lézerek fényintenzitása általában erősen ingadozik. Sokféle lézert, köztük félvezető lézereket is lehet alkalmazni. Mindazonáltal nagysebességű mérésadatgyűjtésre (min. 100 MHz) van szükség, mivel a fényimpulzus „csapdázottsága” csak kb. µs ideig tart; ezen belül kell elegendő adatpontot gyűjteni az exponenciális görbe reprezentálásához.

CAVITY RINGDOWN SPECTROSCOPY (CRDS) Alkalmazás – a 13C-UBT teszt Helicobacter pylori baktériumra

A szabványos 13C-UBT teszt, ami a gyomorfekélyt okozó Helicobacter pylori b kté i baktérium ki t tá á használatos kimutatására h ál t nem invazív i í teszt, t t a kilélegzett kilél tt levegő l ő 13C/12C arányának vizsgálatának alapul. A pácienssel 13C-ban dúsított ureát itatnak (pl. almalébe keverve), majd 20 perc elteltével a kilélegzett levegő széndioxid tartalmát izotóp-szelektív CRDS spektroszkópiával (vagy MS) mérik. Egészséges páciensnél a 13C/12C arány 0.1% értéken belül állandó (1.1:98.9), míg fertőzött páciensnél ez 1-5%-kal magasabb. A teszt működésének alapja az, hogy a baktérium ureáz enzimmel rendelkezik.

11

CONTINUUM GERJESZTÉSES NAGYFELBONTÁSÚ AAS (CS-HR-AAS) Bevezetés A continuum-source high resolution atomic absorption spectroscopy (CS-HR-AAS) technika az atomabszorpciós módszer továbbfejlesztése. A koncepció lényege, hogy „fehér” (spektrálisan folytonos) fényforrást és lineáris CCD detektort alkalmaz az atomabszorpciós jel (kb. 200-500 pixelnyi nagyfelbontású spektrumrészlet) rögzítésére. A koncepció valójában nem teljesen új, azonban csak az utóbbi kb. 10 évben vált lehetővé a megvalósítása az UV-ban intenzíven sugárzó fényforrások és az érzékeny, nagyfelbontású CCD detektorok segítségével.

CONTINUUM GERJESZTÉSES NAGYFELBONTÁSÚ AAS (CS-HR-AAS) Előnyök A technika előnyei közé sorolható: ƒ háttérkorrekció válik lehetővé ƒ az abszorpciós vonal szélein való méréssel a linearitási tartomány 5-6 nagyságrendre növelhető ƒ időfüggő spektrumok felvételére is lehetőség van, ami a kinyert analitikai információ mennyiségét növeli ƒ egyetlen fényforrással tetszőleges elem (vagy molekula) tetszőleges vonalán mérhetünk ƒ szimultán multielemes mérésre nem, de gyors szekvenciális mérésre van lehetőség Bernard Welz: Anal. Bioanal. Chem. (2005) 381: 69–71

12

LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) Bevezetés A light detection and ranging (LIDAR) módszert elsősorban az atmoszférában előforduló nyomnyi gázszennyezők vizsgálatára használják. A módszer impulzusüzemű, hangolható, nagyintenzitású lézer fényforrást alkalmaz, amelyet felváltva a mérendő komponens által elnyelt (λon) és az ahhoz nagyon közeli, nem elnyelt (λoff) hullámhosszra hangolnak. A fényimpulzusokat az aeroszol részecskék vissza fogják (részben) szórni a detektorba, és a visszaérkezésig eltelt időből a távolság (R) meghatározható. A λoff intenzitása a háttérjelet adja, a λon intenzitása pedig a gyengült, transzmittált intenzitást a 2×R „cellahosszban”. R

λon λoff

LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) Bevezetés A jelképzés viszonylag bonyolult…

A teleszkóp hasznos felülete c×t/2 (távolság felbontás) Kibocsátott fotonok száma

Detektált fotonok száma Az abszorpciós együttható A szórási folyamat hatékonysága A detektálás hatékonysága

… de a módszer igen hasznos: több km tartományban akár 2D/3D koncentrációeloszlástérképet is lehet készíteni vele a ppm tartományban. Egy másik hasznos jellemző: sűrű porfelhőn keresztül is lehet vele térképet készíteni (pl. katasztrófák után). A térképezés történhet repülőről és a földről is.

13

LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) Eloszlástérkép-készítési alkalmazások

LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) Vizualizációs alkalmazások

14

TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY (TDLAS) Bevezetés A hangolható félvezető (dióda) lézer fényforrások segítségével számos komponens kényelmes és érzékeny (abszorpciós/fluoreszcenciás) spektroszkópiai meghatározása vált lehetővé. A berendezések kompakttá, hosszú élettartamúvá és többfunkciósokká váltak. Az ok, ami miatt még nem szorították ki teljesen a „hagyományos” spektroszkópiai módszereket a TDLAS módszerek az az, hogy egyelőre a felvezető gyártástechnológia nem teszi lehetővé tetszőleges hullámhosszúságon emittáló DL létrehozását. A kompakt/hordozható jelleg elsősorban gázok vizsgálatánál (pl. környezetvédelmi mérések) vált be.

TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY (TDLAS) Bevezetés A TDLAS mérőrendszerek zárt és nyitott mérőcellában is kivitelezhetők. Az utóbbi esetben a gerjesztő fényforrás fényét egy, a vizsgálandó gázközeg „mögött” elhelyezkedő tökörrel vagy részlegesen fényvisszaverő műtárggyal lehet a detektorba visszajuttatni.

15

TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY (TDLAS) Nyitott mérőcellás alkalmazások

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Bevezetés Az induktív csatolású plazma (ICP) igen hatékony és stabil gerjesztő/ionizáló forrás (54 elemre több, mint 90% ionizációs hatékonyság!), amely inert körülmények között működik. működik

ƒ közeg: argon, hélium, nitrogén, stb. ƒ frekvencia: 27 vagy 40 MHz ƒ RF teljesítmény: 1-10 kW ƒ gázáramok: 1-15 L/min ƒ maximális hőmérséklet: 7000-10000 K Előnyös jellemzőit már az ICP ICP-AES AES módszer is kihasználta, azonban igazán az ICP-MS kombinációban „brillírozik”…

16

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Bevezetés Az ICP-MS kombináció az egyik leghatékonyabb (elemi) ionforrást és az egyik legérzékenyebb detektort (MS) kapcsolja össze. Az eredmény: az elem- és izotópanalitika egyik legnagyobb teljesítőképességű műszere.

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Analitikai jellemzés ƒ igen hatékony és robusztus ionforrás ƒ tranziens jelek (100 ms/scan) mérésére is alkalmas gyors módszer ƒ multielemes módszer (igen gyors szekvens technika) ƒ izotóp információ szerezhető ƒ minden esetben izotóp standardeket igényel ƒ alacsony háttér → alacsony kimutatási határok (sub ng/L vagyis sub-ppt) ƒ dinamikus linearitási tartomány 8-9 nagyságrend ƒ nagy szelektivitás (kevés vonal) és szelektív érzékenység („omnirange”) ƒ kevés zavaró hatás ƒ mintabeviteli eredetű zavaró hatások (elkerülhetők belső vonatkoztató elemmel) a) a mintázó kónusz eltömődése tömény sóoldatoknál b) tértöltési hatás (space charge) ƒ izobár zavaró hatás (nagyfelbontású analizátor vagy ütközési cella kell!) a) molekulaionok a mintából és plazmából (O, H, S, N, P, Cl, C, Ar) b) hidridek, oxidok, hidroxidok és kettős ionizáció (pl. ritkaföldfémek) ƒ a vákuumrendszer és a detektor nagy igénybevételnek van kitéve (befektetési és üzemeltetési költségek magasak)

17

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Mátrixhatás/mintabeviteli effektus - Tértöltés hatása A mátrix nagyobb tehetetlenségű (nagy tömegű) ionjai túl lesznek reprezentálva a jelképzés során, mivel a kisebb ionokat a fókuszáló ionoptika optimális trajektóriától eltaszítják. A megoldást belső vonatkoztató elem alkalmazása jelentheti.

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Fontosabb izobár zavaró hatások

18

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Izobár zavaró hatások elkerülése kettős szektorú analizátorral

INDUKTÍV CSATOLÁSÚ PLAZMA TÖMEGSPEKTROMETRIA (ICP-MS) Izobár zavaró hatások elkerülése ütközési cellával Az ütközési/reakció cellákban az ionok gázreagensekkel (pl. He, NH3, H2) elreagálnak, miáltal is a zavaró többatomos ionok szétesnek vagy tömegük megváltozik. A reakció során keletkező melléktermékek kiszűrése érdekében kinetikai és tömeg szerinti diszkriminációt alkalmaznak, kvadrupól/hexapól/oktapól beiktatásával.

19

LÉZER ABLÁCIÓS MINTABEVITEL (LA-ICP-AES és LA-ICP-MS) Koncepció és jellemzők ƒ GW/cm2 intenzitású, UV vagy IR lézer használatával ablálja a mintát ƒ mikroszkópikus térbeli felbontást tesz lehetővé ƒ laterális és mélységi elem/izotópeloszlás vizsgálati lehetősége ƒ a minta igen kismértékű roncsolása ƒ transzport folyamatok zavaró hatása és a kalibráció nehézkessége ƒ jelentős méret és üzemeltetési költség

LÉZER ABLÁCIÓS MINTABEVITEL (LA-ICP-MS) Alkalmazás – fogak és étkezés 200 évvel ezelőtti és mai fogakat vizsgálva LA-ICP-MS módszerrel, a kutatók arra felfedezésre jutottak, hogy a régen élt emberek fogai sokkal több nyomelemet tartalmaztak. Ezek egy részének magyarázatául az edényekből és konyhai eszközökből kioldódó Pb, Sb, Sn, Bi szolgál, azonban nem világos, hogy ritkaföldfémből miért találtak számottevő mennyiséget? Hasonló műszerrel csontokból oldószeres extrakcióval kinyert koleszterin vizsgálatából az is kideríthető volt a 12C/13C arány alapján, hogy szárazföldi vagy tengeri étrendet fogyasztottak inkább.

20

LÉZER INDUKÁLT PLAZMA SPEKTROSZKÓPIA (LIPS vagy LIBS) Jellemzők ƒ gáz, folyadék és szilárd minták elemösszetételének gyors mérése ƒ laterális és mélységi elemeloszlás vizsgálati lehetősége ƒ virtuálisan nem destruktív ƒ távoli mérés lehetősége (akár több száz méter) ƒ hordozható műszer készíthető ƒ tipikusan ppm (µg/g) szintű kimutatási határok ƒ kis méret és csekély üzemeltetési költség

LÉZER INDUKÁLT PLAZMA SPEKTROSZKÓPIA (LIPS vagy LIBS) Alkalmazások Mars szonda

Anti‐terrorizmus

Reaktor‐elemek vizsgálata

21

2010.10.07.

Automatizált és miniatürizált analizátorok Galbács Gábor

AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA ÉS MINIATÜRIZÁLÁSA Bevezetés A kémiai mintaelőkészítés általában az a része az analízis folyamatának, amelyhez a legtöbb idő és anyag szükségeltetik. Természetes tehát az igény, hogy minél inkább automatizált és miniatürizált legyen a folyamat. Erre a y és kis anyagmennyiséggel y g y gg működő méréstechnikák korszerű, érzékeny lehetőséget is teremtenek. Itt jegyzendő meg, hogy természetesen a műszeres mérés folyamata maga könnyen automatizálható, de attól még a minta „nem készíti elő magát”, illetve „nem cseréli ki magát”. Egy másik szempont, hogy az automatizált analízisek általában jobb precizitású, jobb stabilitású és kisebb költségigényű méréseket is tesznek lehetővé. Az egyik említésre méltó automatizálási és miniatürizálási koncepció szerint a megoldás az áramlásos rendszerű analizátorok alkalmazása (SFA vagy FIA). Ezek az eszközök kö ök pumpák ák és é injektorok i j k k segítségével í é é l kimondottan ki d a mintaelőkészítés i lőké í é folyamatának korszerűsítését célozzák, de az eszközöket nem miniatürizálják. Szokás ezt a koncepciót „Lab-on-a-valve” (LOV) elnevezéssel is illetni. A másik, technológiailag még újszerűbb koncepció a mikrofabrikáció segítségével megkísérli nemcsak a mintaelőkészítést, hanem a detektorokat is miniatürizálni. Ez utóbbi megközelítés gyűjtőneve szokott lenni a „Lab-on-a-chip” (LOC).

1

2010.10.07.

AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Előzmények hagyományos, manuális analízis

„futószalag” elv szerint automatizált

AZ ANALÍZIS AUTOMATIZÁLÁSA Robotizált megoldások a „futószalag” rendszerre

A „futószalag” elv legkorszerűbb változata „robotkarokat” alkalmaz. Fontos tulajdonsága a megoldásnak, hogy az elvégezhető kémiai műveletsorok korlátozottak.

2

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Bevezetés Az áramlásos rendszerű analizátorokban (continuous flow analyzers) a minta egy folyamatos folyadékáramlásba kerül bele injektálás révén (pl. hatutas adagolószeleppel). A mintához hozzákeverik a szükséges reagenseket (egyszerű T vagy Y csőszakaszok segítségével) és elegendő reakcióidőt hagynak egy csőreaktorban ő k b (csomózott ( ó vagy tekercs k alakú l kú kivitel) ki i l) való ló áthaladás á h l dá révén, é é majd jd az oldat átfolyik a detektoron.

Ma az áramlásos rendszerű analizátoroknak három fontos vállfaja ismert: ƒ szegmentált áramlásos analizátor (SFA, segmented flow analyzer) ƒ folyadék injektálásos analizátor (FIA, flow injection analyzer) ƒ szekvenciális injektálásos analizátor (SIA, sequential flow analyzer)

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Szegmentált áramlásos analizátor (SFA) Az SFA analizátort a TechniCon cég vezette be az 1950-es években és azóta is elterjedten alkalmazzák, főként a klinikai analízis területén. Ez a rendszer beinjektált minták diszperziójának megakadályozására és részben a reagenssel való hatékonyabb elkeveredés érdekében levegő (vagy inert gáz) buborékokat alkalmaz a mellékelt séma szerint.

Főbb jellemzők: ƒ a folyadékszegmensben idővel egy stacioner állapot (koncentráció) áll be, a detektálás ekkor történik meg (minden szegmenst egyszer mér meg a detektor) ƒ a folyadékszegmensek „párhuzamos” vagy új mintákat tartalmazhatnak, vagyis a teljes csőhosszban egyszerre sok minta tartózkodhat ƒ a gázbuborékok összenyomhatósága miatt a rendszer „időzítése” kevésbé reprodukálható, mint a többi áramlásos rendszeré ƒ a teljes csőhossz nem befolyásolja a működést, nem indukál túlzott diszperziót, ami előnyös a többi áramlásos rendszerhez képest

3

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) A FIA koncepciót két dán kutató vezette be 1970-es években (Jaromir Ruzička és Elo Hansen). A koncepció újdonsága, hogy szegmentálatlan folyadékáramlással dolgozik és „kontrollált diszperziót” alkalmaz. A folyadékok összenyomhatatlansága miatt ugyanis az előrehaladás során nagymértékben é ékb reprodukálható d kálh ó tranziens i k koncentrációgradiens á ió di jö létre jön lé a csőben. A diszperziót a csőhosszal és az áramlási sebességgel szabályozza. Kvantitatív meghatározásnál a koncentráció mérése a tranziens koncentrációgörbe bármely pontján elvégezhető, noha a legérzékenyebb eset nyilván az, amikor a maximumon mérünk. A FIA kinetikai lehetőségeket is rejt magában, ezért részletesen tárgyaljuk.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Szekvenciális injektálásos analizátor (SIA) A SIA valójában egy második generációs FIA koncepció, amelyet J. Ruzicka és G.D. Marshall 1990-ben vezetett be. Az elképzelés elsődleges célja, hogy leegyszerűsítse a csőrendszert és tovább csökkentse az oldószerfogyasztást (főleg a vivőközegét). A koncepció lényege az, hogy egy dugattyús (f k dő) pumpa egy tároló (fecskendő) á ló csőszakaszba ő k b (tekercsbe) ( k b ) szívja í j fel f l egymás á után a mintát és a reagenseket, majd a folyadékáramlás iránya megfordul és a folyadék a tárolótekercsből a reakciótekercs felé pumpálódik. Az elképzelés az előnyök mellett hátrányokkal is bír: pl. csak egyszerűbb mintaelőkészítési feladatokat képes megoldani.

4

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) – alapvető alkatelemek A szelepek a HPLC-ben is ismert szelepek 4 vagy több porttal, szinte mindig motorizálva. A mintatatartó hurok térfogata 1-200 1 200 µL. µL A pumpák főként sokgörgős, több csatornás perisztaltikus pumpák a pulzálásmentes folyadékáramlás érdekében. Az alkalmazott áramlási sebesség 1 µL/min – 40 mL/min. A nyomás kicsi, pár bar. A csövek anyaga általában PTFE, Nafion, Tygon, PVC, stb. (az utóbbi kettő főként pumpacsőként használatosak). A detektor spektroszkópiás, esetleg elektrokémiai jellegű.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) – a tekercs és geometriája Háromféle reaktor tekercs van használatban: ƒ hagyományos csavarvonalú ƒ csomózott csőszakasz ƒ „kigyózó kigyózó” tekercs („serpentine ( serpentine” reactor)

5

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) – membrán műveletek Membránok többféle műveletben is használhatók, pl.: ƒ gáz/folyadék szeparáció ƒ hígítás ƒ extrakció t k ió ƒ szűrés, stb.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) – egyéb műveletek Az egyik gyakori további művelet a hígítás, ami „elektronikusan” (időzítéssel), zóna mintavételezéssel vagy membrán transzporttal valósítható meg:

A folyamatos áramlás (buborék nélkül!) kompatibilis a kisnyomású HPLC oszlopokkal is, ezért katalitikus, ioncserés, stb. oszlopok is előnyösen integrálhatók egy FIA rendszerbe dúsítás, mátrix-elválasztás, in-situ reagens generálási stb. célokra.

6

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK Folyadék injektálásos analizátor (FIA) – egyéb műveletek

Kalibráció eltérő csőszakaszok alkalmazásával

Csapadékképzésen alapuló elválasztás Folyadék extrakció

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Kloridionok UV/Vis meghatározása

7

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Kinetikai diszkrimináció kihasználása Elektrokémiai szenzorok, amelyek jele az analit diffúziójával közvetlenül összefügg, gyakran mutatnak kinetikai diszkriminációt. Ilyen y szenzorok (pl. p ionszelektív elektródok vagy amperometriás szenzorok) alkalmazásakor ezt a diszkriminációt a FIA rendszer tervezésekor ki is használhatjuk arra, hogy a lehető leginkább zavarmentes jelet mérhessük. Példa a glükóz amperometriás mérése:

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Rodanid ionok UV/Vis meghatározása

8

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Glükóz kemilumineszcenciás mérése

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Koprecipitációs dúsítás és hidridképzés

9

2010.10.07.

ÁRAMLÁSOS RENDSZERŰ ANALIZÁTOROK FIA alkalmazási példák – Diszkrét mintaoldat-beporlasztás AAS

Előny: kevesebb minta fogy, tömény/viszkózus oldatok is beporlaszthatók

MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Lab-on-a chip Ha a miniatürizáltat csak „hordozhatóként” definiáljuk, akkor is komoly kihívás az egyes kémiai feldolgozó vagy detektáló elemek (pl. pumpák, szelepek, spektroszkópiás detektorok) lekicsinyítése, miniatürizálása. Az elektrokémiai szenzorok miniatürizálása, elektromos kapcsolatok, mikrofluidikai csatornák kialakítása ugyanakkor nyilvánvalóan nem nagy probléma.

A miniatürizálás komoly gyakorlati igényeket hivatott kielégíteni olyan területeken, mint pl. az orvosdiagnosztika, űrkutatás, élelmiszeripar. Az olcsó sorozatgyártás és alkalmazás ugyanis olyan helyekre/terepre is eljuttathat fejlett biokémiai teszteket (pl vírusok, baktériumok kimutatása) vagy kémiai analitikai rendszereket, ahol nagy laborok fenntartása lehetetlen.

10

2010.10.07.

MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Szelepek és pumpák Szelepek és pumpák alakíthatók ki szilícium vagy üveg lapkákon rugalmas polimer csövek (pl. 20 µm parilén vagy PDMS) formájában. Két ilyen cső egymáson keresztül fektetve máris megvalósítja a funkciót: az egyikben nyomás alatt lévő gázt áramoltatva a másikban a folyadékáramlás g y megállítható/elindítható. g Perisztaltikus pumpa kialakításához három ilyen kereszteződés szükséges.

Mikroszkópikus gázszelep is kialakítható nagyon vékony membránok segítségével. Ezek a szelepek elektrosztatikus úton szabályozhatók: megfeszül/elernyed, így lezár vagy kinyit egy mikrofúvókát.

MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Biodisk - Diskman Egy érdekes mikrofluidikai/LOC koncepció a Biodisk, aminél a folyadékok hajtóerejét nem pumpálás, hanem a Coriolis/centrifugális erő szolgáltatja. A tesztelendő folyadékot a „lemez” tengelye közelében cseppentik fel, ami kifelé halad a forgás közben. A reagensekkel való elegyedés után a külső gyűjtőedényekben űj ő dé kb fotometriás f iá detektálásra d k álá k ül sor. kerül

http://www.imtek.de/anwendungen/index_en.php

11

2010.10.07.

MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Mikroplazmák A spektroszkópiai detektorok közül az egyik érdekes csoport a mikroplazma eszközök csoportja. Ezek a magas hőmérsékletű eszközök atom vagy ionforrásként tudnak működni LOC alkalmazásokban. lk l á kb Mik Mikroelektródok l k ód k között kö ö áramló á ló nemesgázban (főként He) hozzák létre ezeket az eszközöket, amelyek mérete pár milliméter, elektromos teljesítménye néhány Watt, működési frekvenciája 0.01-1 MHz, gázáramlási sebessége 5-100 mL/min, hőmérséklete 1500-8000 K. Leírtak már DBD (dielectric barrier discharge), MIP (microwave induced plasma), GD (glow discharge) és más plazmákat. plazmákat

DBD

ICP

MINIATÜRIZÁLT ANALITIKAI RENDSZEREK Chromatography on a chip Egy másik érdekes példát a kromatográfiás LOC rendszerek jelentik. A detektálás legegyszerűbb esete a konduktometriás cella, ezért az alábbi példa egy ionkromatográfiás LOC rendszert mutat be. Az oszlop anioncserélő szemcsékkel van megtöltve, a pumpálást álá t „kívülről”, kí ül ől” fecskendő f k dő pumpákkal ákk l végzik é ik (az ( ábrán áb á az áthúzott szelepek éppen le vannak zárva) .

12

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) - felépítés A hordozható optikai spektrométerek egyik multimódusú száloptikai kábel (fénykábel).

kulcsfontosságú

eleme

a

+ polimer „puffer” bevonat a cladding-en (védi a nedvességtől)

ömlesztett SiO2 (fused silica) polimer vagy ömlesztett SiO2 polimer vagy fém köpeny (védi a mechanikai hatásoktól http://www.polymicro.biz

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) - módusok A módus (mode) a száloptikáknál a stabil fényterjedési mintázatot jelenti. Többféle hullámhosszúságú fény, eltérő sebességgel tud haladni az ilyen fé káb lb fénykábelben, d de a fé i fényimpulzusok l k diszperziót szenvednek. 50-2000 µm tipikus méret jellemzi. Ez a leggyakrabban alkalmazott spektroszkópiai fénykábel. Kisebb átmérőjű (max. 100 µm) fénykábel, amelyben a cladding Ge, Al (n nő) vagy B, F (n csökken) adalékolt szilika, amivel elérik, hogy a törésmutató fokozatosan csökkenjen a core/cladding határon. Az eredmény: kisebb p diszperzió p ((nagyobb gy átviteli impulzus sebesség). A legkisebb átmérőjű (5-10 µm) fénykábel, lényegében step index konstrukcióban. Az eredmény: csak egyetlen módus tud tovaterjedni benne, de az nagyon gyorsan, diszperzió nélkül. Ezt a típust csak telekommunikációban használják. http://www.polymicro.biz

13

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) – UV/Vis/IR transzmisszió A szilika alapanyag OH csoport tartalma alapvetően befolyásolja a transzmissziót. A kis koncentráció (low OH fiber) az IR transzmissziónak kedvez, míg a nagy koncentráció (high OH fiber) pedig az UV transzmissziónak.

kis OH tartalmú száloptika csillapítási görbéje

nagy OH tartalmú száloptika csillapítási görbéje (intenzív OH abszorpciós sávok 700‐1400 nm között) http://www.polymicro.biz

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) – szolarizációs effektus A szilikát az mély UV expozíció fototermikus hatások révén károsítja. Az „üveg” besötétedik fénycentrumok képződése miatt, amelyeket szennyeződések (pl. halogének) jelenléte okoz. Ennek eredményeképpen a „hagyományos” száloptikák 260 nm alatt nem használhatók. A mély UV tartományban ezért speciális, iáli szolarizáció l i á ió ellenálló ll álló (solarization ( l i ti resistant) i t t) száloptikákat ál tikák t alkalmaznak. lk l k

http://www.polymicro.biz

14

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) – szolarizáció ellenálló optikai szálak Kétféle szolarizáció ellenálló száloptikát gyártanak: UVI és UVM. Az UVI jelű típust hidrogénezik a gyártás során, ami kihajtja a szennyező halogéneket és kiváló UV t transzmissziót i iót biztosít. bi t ít A hidrogén hid é szilikában ilikáb tartását alumínium puffer bevonattal érik el (bizonyos ideig). Az UVM típust egy másik gyártástechnológiával készítik, aminek ugyan kisebb a transzmissziója, de az értéke állandó.

http://www.polymicro.biz

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák (optikai szálak) – alkalmazások Az elmondottak alapján a száloptikák alapvetően három alkalmazási területen használhatók analitikai kémiai célokra: ƒ monokromatikus vagy széles spektrumú UV/Vis/IR fény továbbítása illumináció és/vagy spektrális adatgyűjtés céljára. Erre a célra általában közepes átmérőjű UVI/UVM multimódusú száloptikákat alkalmaznak, sok esetben kötegelve. ƒ nagy teljesítményű impulzusüzemű lézerfény (MW) továbbítása anyagmegmunkálás (letörési plazma, abláció, stb.) céljára. Ebben az esetben nagy átmérőjű, átmérőjű multimódusú száloptika szükséges. szükséges ƒ képalkotási célra (fiberscope) multimódusú száloptika kötegeket (max. kb. 10000 szálból) alkalmaznak.

15

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Monokromatikus miniatür fényforrás – a félvezető (dióda) lézer Mint ismeretes, a lézer fényforrások működése stimulált emisszió előidézésén alapul egy alkalmas aktív közegben létrehozott populáció inverzió révén. A legkisebb lézer fényforrás a félvezető (vagy dióda) lézer.

A lézerfény‐nyaláb főbb jellemzői: • nagy kollimáció • igen nagy intenzitás • nagymértékű monokromatikusság • impulzus vagy folytonos üzemmód • koherens

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Monokromatikus miniatür fényforrás – a félvezető (dióda) lézer ƒ aktív közeg: pl. GaAs, AlGaAs, InGaAsP, InGaN ƒ pumpálás: elektromos áram ƒ 400 – 30000 nm (nem folytonos) emissziós h llá h hullámhossz, tipikusan i ik ± 5 nm hangolhatósággal h lh ó á l ƒ hangolás árammal vagy hőmérséklettel ƒ cw vagy modulált üzemmód (max. GHz) ƒ optikai teljesítmény: 1‐1000 mW

16

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Félvezető fotodetektorok – a fotodióda Adalékolt (dópolt Si félvezetők)

Fény nélkül az elektromos vezetés igen csekély negatív előfeszítés mellett (nA-µA). Ha viszont elegendő energiájú fotonok esnek a pn átmenetre, akkor lyuk-elektron párokat hoznak létre, amelyek vezetést produkálnak. Az előálló áramerősség arányos a fényintenzitással.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Gyakori monokromátor elrendezések

Czerny‐Turner

Bunsen

17

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Kétdimenziós félvezető fotodetektorok Photodiódasor (Photodiode array)

Lináris PDA vagy CCD detektor

Töltéscsatolt detektor (CCD, charge coupled device)

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Az Echelle rácsos polikromátor Echelle rácsos polikromátor

18

2010.10.07.

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikás UV/Vis/NIR CCD mini spektrométerek

Moduláris száloptikás CCD spektrométer

Száloptikás CCD spektrométer felépítése

HORDOZHATÓ SPEKTROMÉTEREK Száloptikák és optikai szenzorok

Abszorpciós elrendezés

Transzmissziós bemerülő száloptikás szonda

Száloptikás pH-mérő szenzor

Reflexiós/fluoreszcenciás bemerülő száloptikás szonda

19

Felületvizsgáló és képalkotó módszerek Galbács Gábor

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Bevezetés A felületvizsgáló módszere köre az elmúlt évtizedekben az egyik leggyorsabban fejlődő területe volt az analitikai kémiának (és az anyagtudománynak). A felületek vizsgálatának jelentőségét az adja, hogy egy sor fontos f t ké i i folyamatról kémiai f l t ól (pl. ( l korrózió, k ó ió adszorpció, d ió reaktivitás, kti itá passziválódás, diffúzió, stb.) szolgáltat közvetlen információkat, így különösen a kerámiák, félvezetők, katalizátorok, vékony filmek, polimerek, stb. előállításában jut szerephez. A „felület” kifejezés ebben a vonatkozásban az anyagi rendszerek külső néhány mikrométeres rétegét jelenti. Ebbe a körbe tartoznak azok a képalkotó módszerek is, amelyek a felületek topológiáját, p g j morfológiáját, g j elemösszetételét, kémiai kötésviszonyait, y geometriai és elektromos struktúráját tanulmányozzák (mikroszkópiák). Ezeknél a módszereknél az információ nagyon kis területről illetve kisszámú atomtól/molekulától származik; pl. 1 µm2 területen egy 10 ppm (felületi) koncentrációban jelen lévő komponensből csak mintegy 100 db atom/molekula szolgál a vizsgálat tárgyául.

1

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Atomerő mikroszkópia (AFM) Az atomic force microscopy (AFM) kontakt képalkotó eljárás, amely lényegében egy nagyon „hegyes” tűt használva tapogatja le a minta felületét nagy térbeli felbontással. A többnyire 20-50 nm csúcsmérettel jellemezhető, Si3N4 anyagú, piramidális alakú tű egy p gy torziós lapkán p (cantilever) helyezkedik y el, amelyet y piezoelektromos transzlátorokkal tudnak nagyon finoman mozgatni. A tű és a felület között érinthezéskor taszító és vonzó kölcsönhatások lépnek fel, amelyek a felület topográfiájától függően megváltoznak. Ez a torziós lapkát elcsavarja, amely deformációt egy rajta reflektált lézersugár irányból kitérése jelez igen érzékenyen (0.01 nm). A tű felületen való végigpásztázása során kirajzolódik a felület képe közel atomi felbontással. Az érzékelt erők a nano Newton tartományba esnek. esnek

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Atomerő mikroszkópia (AFM) Az AFM módszer nagy népszerűségnek örvend, mégpedig elsősorban a következő okok miatt: ƒ a műszer felbontása könnyen y csökkenthető vagy növelhető, ami nagyobb területek (pl. 100 × 100 µm) tanulmányozását is lehetővé teszi ƒ közvetlen mélységi információt szolgáltat ƒ a felület keménysége is mérhető ƒ a minta lehet vezető vagy szigetelő is ƒ a mérések levegőn történnek, de folyadékfilm alatt is kivitelezhetők, kivitelezhetők ami pl. pl érzékeny minták védelme miatt lehet fontos Lehetséges problémák: ƒ puha minták sérülésének veszélye ƒ a tű hegyénél kisebb struktúrák helytelen leképezése

SrS réteg

Au réteg

2

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Pásztázó alagútmikroszkóp (STM) A scanning tunneling microscopy (STM) egy nem kontakt képalkotó eljárás, amely működése az alagút áram jelenségén alapul. A műszer egy hegyes fémtűt (Pt/Ir vagy W), piezoelektromos mozgatók segítségével, mozgat a mintafelület fölött, miközben a minta és a tű közé konstans kis feszültség g van kapcsolva. p Ha kellően közel (kb. 0.1 nm) közelségbe kerül a tű a felülethez, akkor annak ellenére, hogy nincs közvetlen kontaktus, a két vezető között áram fog folyni. Ennek az alagútáramnak a nagysága néhány nA és a távolságtól exponenciálisan függ, így nagyon érzékenyen detektálható. A képalkotás úgy történik, hogy a mozgatás során mindig állandó áramerősséget igyekszik a műszer fenntartani (constant current topography, CCT). Atomi felbontású kép nyerhető, bár valójában elektron-eloszlási elektron eloszlási térképet készül. készül

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Pásztázó alagútmikroszkóp (STM) Az STM is népszerű módszer, noha nem annyira széleskörben alkalmazott, mint az AFM. Ennek a következő fő okai vannak: ƒ csak vezető minták vizsgálhatók, g szigetelők g nem ƒ nagyobb feszültség alkalmazása az érzékeny mintákat tönkreteheti ƒ az STM képek nem feleltethetők meg közvetlenül az atomi elrendezésnek a felületen; csak közvetett információt ad erre vonatkozóan

Si felület

félvezető poli(3-dodecil-tiofén) (P3DDT) film

Si felület 1/3 Ag borítottsággal

3

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) A scanning electron microscopy (SEM) olyan berendezés, amelyben jól fókuszált elektronnyalábbal végigpásztázzuk a vákuum alatt ta tartott tott minta ta felületét elületét és a mintából tából kilépő elektronokkal leképezzük azt. Az elektron-anyag kölcsönhatás sokféle lehet az elektron energiájának függvényében. A képalkotás szempontjából az 50 eV alatti energiájú szekunder elektronoknak van jelentősége, amelyek a szóródásból és a vegyértékelektronok kiszakításából származnak. á k K V KeV t t á b tartományban karakterisztikus röntgensugárzás is keletkezik, ami minőségi és mennyiségi információ kinyerését is lehetővé teszi (EPXMA), ami előnyösen kombinálható a képelkotással. A SEM képek felbontása kb. 3 nm, mélységélessége több tíz µm.

FELÜLETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) Cementpor elemtérképe

Gipsz kristályok

4

Szerkezetvizsgáló módszerek Galbács Gábor

SZERKEZETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK A megközelítésmód (a filozófia) A szerkezetvizsgáló módszerek olyan kémiai vizsgáló módszerek, amelyek a minta kémiai szerkezetére (a kapcsolódó atomok egymáshoz képest elfoglalt térbeli elhelyezkedésére, a kémiai kötések szimmetria viszonyaira, stb.) vonatkozóan szolgáltatnak információkat. A szerkezetvizsgáló módszerek mind spektroszkópiai kt kó i i jellegűek. j ll ű k A műszerek ű k működése űködé és é adatkiértékelése d tkié ték lé általában ált láb bonyolult, a vizsgálatok viszonylag költségesek, és nagy szakértelmet kívánnak. A szerkezetvizsgáló módszereket bizonyos koncepció szerint két csoportba lehet sorolni aszerint, hogy a módszer közvetlenül pl. kötéstávolságokat, kötésszögeket szolgáltat-e, vagy valamilyen más, a kémiai szerkezetre csak közvetetten utaló információt (pl. funkciós csoportok, heteroatomok előfordulása, stb.) szolgáltat. Ez a csoportosítás p azonban nem kizáró természetű. A legtöbbször g több módszert is alkalmazni kell a szerkezetet megadásához. Például a röntgen módszerek (pl. EXAFS, XRD) primer módszernek tekinthetők, mert interatomos távolságokat és „kötésszögeket” adnak meg, azonban nem vesznek arról tudomást, hogy az egymás melletti atomok kémiai kötésben vannak-e. A kötéstípusokról pl. az IR vagy NMR spektroszkópia szolgáltat információt, de ezek a távolságokat és szögeket nem képesek megadni…

1

SZERKEZETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK A fontosabb módszerek Sokféle vizsgáló eljárás képes tehát részlegesen hozzájárulni a szerkezeti információk megállapításához. Vannak, amelyek felületen adszorbeálódott vegyületekre, vannak, amelyek szabadon mozgó vegyületekre és vannak, amelyek csak bizonyos szimmetria viszonyok fennállása esetén alkalmazhatók. A t lj é igénye teljesség i é nélkül élkül a következők kö tk ők a fontosabbak: f t bb k • • • • • • • •

infravörös spektroszkópia (IR és Raman) tömegspektroszkópia (MS) nukleáris magrezonancia spektroszkópia (NMR) röntgen abszorpciós spektroszkópia (XAFS) röntgen diffrakció (XRD) cirkuláris dikroizmus spektroszkópia p p ((CD)) röntgen fotoelektron spektroszkópia (ESCA) Mössbauer spektroszkópia

Ezen módszerek egy részéről már tanultak egyes kurzusok keretén belül röviden és a dőlt betűs módszerekről rövid ismertetést a Burger K.: Az analitikai kémia alapjai tankönyvben is megtalálják.

SZERKEZETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK A megközelítésmód (a filozófia) Vajon szigorúan véve az analitikai kémiához tartoznak-e szerkezetvizsgáló módszerek (beleférnek-e a szokásos mennyiségi és minőségi elemzés kategóriájába)? • sok esetben a kiinduló lépés az összegképlet ismerete • csak tiszta (igen nagymértékben egynemű) anyagon lehet szerkezetvizsgálatot eredményesen végezni • legtöbbször szintézisek minőségellenőrzését szolgálják, amikor „tiszta” a minta és rengeteg előzetes információ áll rendelkezésre • detektorként nagy bonyolultságú kapcsolt méréstechnikákban is szerepelhetnek, mégpedig egy kromatográfiás módszerhez kapcsoltan (pl. GCMS HPLC-NMR, MS, HPLC NMR stb.) stb ) • három megközelítésmód használatos (esetenként együttesen): • közvetlenül (ez a legritkább), főként a „primer” adatokból kiindulva • keresés adatbázisban (melyik ismert vegyület ad ilyen spektrumot) • modellezés (elméleti alapú modellek illesztése a spektrumra) • a felületvizsgáló/képalkotó módszerekkel összefüggnek (pl. röntgen sugárzás behatolási mélysége kb. 1 µm; SERS; atomi felbontású mikroszkópiák, stb.)

2

SZERKEZETVIZSGÁLÓ MÓDSZEREK A megközelítésmód (a filozófia) Illusztrációképpen nézzünk néhány esetet, hogyan is állhatunk neki a szerkezetvizsgálatnak: • tiszta, de ismeretlen, kisebb és közepes p méretű szerves molekulák esetén: • Összegképlet-meghatározás (C,H,N,O,P,S és halogének, égetéssel) • A molekulatömeg meghatározása és egyes részek valószínűsítése: MS • A kötéstípusok, funkciós csoportok azonosíthatók: IR és NMR • nagyméretű szerves molekulák (biopolimerek, pl. fehérjék): • Krisztallográfia + NMR + Elektron mikroszkópia + Fényszórás + Lézer spektroszkópiai módszerek + CD spektroszkópia + szekvenálás + modellezés • kristályos (bio)szervetlen anyagok esetén: • A „kötéstávolságok”, „kötésszögek” megállapítása: XRD, XAFS • A kötéstípusok, funkciós csoportok azonosíthatók: IR és NMR Mivel egyes esetekben nagy értékű, nehezen hozzáférhető műszerekről van szó, ezért természetesen sokszor azzal dolgozunk, ami elérhető… A következőkben példaképpen egy egyszerű NMR analízis esetét mutatjuk be.

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) A koncepció Mint ismeretes, az NMR spektroszkópia a kémiai szerkezetvizsgálat módszere, amelynek működése az állandó mágneses térbe helyezett, mágneses momentummal rendelkező (S<>0) atommagok rádiófrekvenciás EM p való szelektív g gerjesztésén alapul. p impulzussal

Folyamatos gerjesztésű NMR Impulzusüzemű (FT) NMR

3

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) A koncepció A leggyakrabban vizsgált izotópok az 1H és a 13C.

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) A kémiai eltolódás Az egyik legfontosabb paraméter az NMR spektrumok kiértékelésekor a kémiai eltolódás:

δ=

ν − ν0 × 106 ν0

ahol ν0 a referenciául szolgáló vegyületbeli magok rezonancia frekvenciája (pl. 1H NMR-nél TMS protonjai, 13C NMR-nél a TMS-beli 13C mag. stb.). A kémiai eltolódás értéke multiplett csúcsoknál az átlagos érték. Értéke kb. max. 10 proton NMR-nél és kb. max. 220 szén NMR-nél. 13C

1H

4

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) A csatolási állandók és integrálgörbe Az NMR spektrumokon a jelcsoportok általában multiplettként jelennek meg, amelyekben a csúcsok távolsága (csatolási állandó) egyenlő. A jelek multipletté való felhasadása a vizsgált molekulában az 1-2 kémiai kötésnyi távolságban g elhelyezkedő y mágneses g dipólusok p egymásra gy hatása (csatolása) eredménye. Egy adott csúcshoz tartozó integrálgörbe-lépcsőmagasság a csúcshoz hozzájáruló ekvivalens magok számát adja meg. 1H

Az etil‐acetát proton NMR‐je

13C

Az etil‐acetát szén NMR‐je

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) A proton NMR spektrumok kiértékelésének alapelvei Proton NMR kiértékelésének egy célravezető, általános menete: 1. Az integrálgörbe lépcsőinek magasságarányából és az összegképletből határozzuk meg az egyes jelekhez tartozó protonok számát. Ha nem ismert az összegképlet, ö ké l t akkor kk az integrálértékek i t álé ték k arányát á át fejezzük f j ük ki a legjobban l j bb illeszkedő egészszám-sorozattal. 2. Válasszuk ki a spektrum jellegzetes jelei közül a (következő) legkönnyebben értékelhetőnek ítélt jelcsoportot és a kémiai eltolódás értéke alapján határozzuk meg, hogy milyen protontípus vagy típusok tartoznak. 3. Ha a jel multiplett, akkor keressük meg a hozzá csatolt jelpárt (jelcsoportot). Emlékezzünk arra, hogy a két multiplettben a csatolási állandók megegyeznek. 4 Ezután határozzuk meg a kémiai eltolódás és csatolás alapján az adatokkal 4. összhangban lévő atomcsoportok szerkezetét. 5. Alkalmazzuk a 2..4 pontokban leírtakat a többi jelre is, amíg mindet nem asszignáltuk. 6. Egyesítsük az egyes jelcsoportokhoz rendelt atomcsoportokat úgy, hogy a teljes molekulaszerkezet összhangban legyen, figyelembe véve az összegképletet is.

5

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése Határozzuk meg egy színtelen, szilárd, C10H13NO összegképletű vegyület szerkezetét alább látható 1H-NMR spektruma alapján!

Integrál görbe

Referencia komponens jele (pl. TMS)

δ

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A spektrumban öt csúcscsoportot találunk, amely öt, kémiailag különböző környzetben lévő protoncsoportnak felel meg. Az integrállépcsők aránya 5:1:2:2:3 és minthogy a molekulában összesen 13 proton van, ez megadja a p található p protonok számát is. jelcsoportokban

C10H13NO

δ

6

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A 7.3 ppm-es szingulett jel az aromás vegyületek spektrumjára jellemző, aminek jelen esetben (az integrálgörbe miatt) egy monoszubsztituált benzolgyűrű öt protonjához kell tartoznia. Az 1.9 ppm-es három egyenértékű protontól ered (metilcsoport), p p amelyek y a kémiai eltolódás alapján p karbonilcsoporthoz vagy kettős kötéshez kapcsolódnak. Mivel a jel szingulett, ez a karbonil csoportot valószínűsíti.

C10H13NO

δ

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A 2.8 és 3.5 ppm-nél található multiplettek az integrál görbe szerint 2-2 protonnak felelnek meg, tehát valószínűleg metilén (-CH2) protonokról van szó. Mivel a 2.8 ppm-es jel triplett, ez azt jelenti, hogy két másik protonhoz kell g a másik metilén csoport p (pl. p mivel a csatolási csatolva lennie, ami valószínűleg állandók azonosak és más multiplett nincs a spektrumban).

δ

C10H13NO

7

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A 3.5 ppm-es jel kvartett, ami azt jelenti, hogy három másik protonhoz kell csatolva lennie ezen metilén csoport protonjainak, amiből kettő a már tárgyalt 2.8 ppm-es metilén csoportban van. A harmadik protonnak csak véletlenül egyezik gy ezekével a csatolási állandója. A nagy gy (3.5 pp ppm) kémiai eltolódás elektronegatív elemhez való kapcsolódásra utal, ami a jelen esetben minden bizonnyal a nitrogén (az oxigént már hozzárendeltük egy karbonil csoporthoz).

C10H13NO

δ

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A 6.4 ppm-es jel egy széles sáv. Az ilyen jelek az oxigénhez és nitrogénhez kötött protonokra jellemző. A korábbi megállapítások kizárják, hogy az oxigénhez kapcsolódna proton, ezért ennek a jelnek NH kötésben lévő protontól kell erednie. p

C10H13NO

δ

8

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Példa proton NMR spektrum kiértékelése A valószínűsíthető szerkezet a korábbi megállapítások szerint tehát:

δ

C10H13NO

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Speciális módszerek – nem szelektív spin lecsatolás Pl. 13C NMR esetében szokás alkalmazni a szélessávú (broadband, BB) spin lecsatolást, amelynek lényege, hogy a minta besugárzására alkalmazott RF jel minden proton rezonancia frekvenciáján egyszerre történik, míg a jelet a 13C rezonancia frekvencián rögzítjük. g Ez azt eredményezi, y hogy gy a p protonok spinje p az RF besugárzás hatására igen gyorsan változó lesz, ami kiátlagolja csatolási hatásukat a 13C jelekre. A spektrum jelentősen leegyszerűsődik, mivel a csúcsok mind sziguletté válnak. Hátránya a módszernek, hogy elveszítjük a csatolási információt. 13C

Az etil‐acetát spin‐lecsatolt szén NMR‐je

9

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Speciális módszerek – szelektív spin lecsatolás

A spin lecsatolás módszere szelektíven is alkalmazható; ilyenkor a leválasztandó l ál t dó jelnek j l k megfelelő f l lő frekvenciával végezzük a besugárzást. Ennek hatására ez a csúcs eltűnik a spektrumból, de vele együtt mennek a vele csatolt további magok csúcsai is (pl. multiplettek egyszerűsödnek). Az összefüggések ((szomszédos atomcsoportok p helyzete) tehát könnyebben állapíthatók meg ílymódon. Nemcsak homonukleáris, hanem heteronukleáris spin lecsatolás is végezhető. Az acetil‐szalicilsav H‐6 lecsatolt 1H‐NMR‐je (b)

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Speciális módszerek – homonukleáris 2D NMR spektrumok (COSY)

10

MÁGNESES MAGREZONANCIA SPEKTROSZKÓPIA (NMR) Speciális módszerek – heteronukleáris 2D NMR spektrumok (COSY)

11