Mintavétel, mintaelıkészítés 2010. Ajánlott irodalom Somenath Mitra: Sample preparation techniques in analytical chemistry (J. Wiley and Sons, 2003. Chapter 2, 3, 4) Toshimasa Toyo’oka: Modern derivatization methods for separation sciences (J. Wiley and Sons, 1999.) Sample preparation in chromatography (Journal of Chromatography Library –volume 65) Nigel J.K. Simpson Solid-Phase Extraction: Principles, Techniques, and Applications (Marcel Dekker, 2000) James S. Fritz: Analytical Solid-Phase Extraction (1999) Janusz Pawliszyn: Solid phase microextraction. Theory and practice (J. Wiley and Sons, 1997.)
Mintavétel, mintaelıkészítés 2010. Mintaelıkészítés: SZERVES KOMPONENSEK TEMATIKA Származékképzés kromatográfiás analízisekhez Extrakció folyadék-folyadék extrakció (LLE) félillékony komponensek extrakciója folyadékokból szilárdfázisú extrakció (SPE, MEPS) szilárdfázisú mikroextrakció (SPME) keverıbabás extrakció (SBSE) illékony komponensek kinyerése folyadékokból és szilárd anyagokból statikus gıztér analízis (SHE) dinamikus gıztér analízis (DHE, purge and trap) membrán-alapú extrakció (ME)
Mintavétel, mintaelıkészítés 2010. Mintaelıkészítés: SZERVES KOMPONENSEK félillékony komponensek extrakciója szilárd anyagokból Soxhlet extrakció mikrohulámmal segített extrakció (MAE) ultrahanggal segített extrakció nagynyomású folyadék extrakció (ASE, PFE) szuperkritikus fluid extrakció (SFE) egyéb technikák a mintaelıkészítésben: elektroforézis kromatográfia, mint mintaelıkészítési lépés
Görög Sándor: Quo vadis analitika, quo vadis analitikus „Az analitikai kémia az a tudományág, amely módszereket, mőszereket és stratégiákat dolgoz ki és alkalmaz, hogy információkhoz jussunk az anyag összetételérıl és természetérıl térben és idıben, valamint az ezeket célzó mérések értékérıl, vagyis a mérések bizonytalanságáról, nyomonkövethetıségérıl, validálásáról.” „A jelenkori analitikai kémia interdiszciplináris tudomány, amely kölcsönhatásban van valamennyi természettudománnyal, az orvostudománnyal, a törvényszéki orvostannal, az egészségtudománnyal, valamennyi technikai és mérnöki tudománnyal, támogatást nyújt mindezeknek…”
Analitikai kémia a kémiai elemzés tudománya
Alkalmazási területek élelmiszeripar gyógyszeripar környezetvédelem egészségügy (klinikai kémia) könnyőipar nehézipar kozmetikumok őrkutatás régészet stb.
Feladatok minıségellenırzés kiindulási anyagok és termékek jellemzése biológiai rendszerek jellemzése szennyezı anyagok monitorozása kutatás stb.
NOBEL-díj: tömegspektrográfia: (1922, 1989, 2002) szerves elemanalízis (1923) elektroforézis (1948) kromatográfia (1952) polarográfia (1959) C-14-es kormeghatározás (1960) röntgenkrisztallográfia (1914, 1915, 1985) Raman-spektroszkópia (1930) NMR-spektroszkópia (1944, 1952, 1991, 2002) Mössbauer-spektroszkópia (1961) egyre növekvı fontosság adatok tömegtermelése megbízhatósággal szemben támasztott növekvı követelmények
•növekvı kihívások: •egyre összetettebb rendszereket kell vizsgálni •szelektivitás •érzékenység •LOD (LOQ) •növekvı mintaszám („high throughput” technikák) •csökkenı mintamennyiség •„zöld analitika” •„lab on a chip” analitikai kémia legfontosabb pillérei: •spektroszkópia •elektroanalitika •ELVÁLASZTÁSTUDOMÁNY
Mintaelıkészítés: SZERVES KOMPONENSEK ELVÁLASZTÁSI TECHNIKA DESZTILLÁCIÓ MEMBRÁN-ALAPÚ IONCSERE SZŐRÉS STB.
12 millió szerves vegyület !!!
leggyakrabban alkalmazott elválasztástechnikai módszerek:
•GC •HPLC •CE
kémiai analízisek ~70 %: ELVÁLASZTÁSI TECHNIKA
KROMATOGRÁFIA
DETEKTOROK Az eluenst alkotó komponensek jelenlétében képesnek kell lennie, a minta alkotóinak mérésére. •csak a mintát alkotó komponensekre ad válaszjelet •csak az eluenst alkotó komponensekre ad válaszjelet (indirekt detektálás) Eluens megválasztása: minél kisebb detektorjel
Detektorok Kolonna: idıben (térben) elválasztja az egyes alkotókat Az adott komponens az eluenssel (vivıgázzal) együtt beáramlik a detektorba. mennyiségi analízis: a detektor által elıállított jel arányos az anyag koncentrációjával vagy idıegység alatt bejutott mennyiségével univerzális: minden molekulára ad jelet szelektív: bizonyos vegyülettípusokra ad jelet specifikus: csak bizonyos molekulákra ad jelet destruktív nem destruktív dinamikus tartomány: az a koncentráció tartomány amelyben a koncentráció változása detektorjel változást eredményez lineáris tartomány: T= mc (eltérés < 5 %) érzékenység: m (egységnyi koncentrációváltozás hatására bekövetkezı jelváltozás) kimutatási határ: az a koncentráció, melynek mérésénél a detektor válaszjele egyértelmően megkülönböztethetı a háttértıl (LOD) meghatározási határ: az a legkisebb koncentráció, amely megfelelı precizitással és pontossággal meghatározható (LOQ)
GC Detektorok hıvezetıképesség-mérı detektor (Thermal Conductivity D) (katarométer) ellenállás megváltozása
hídkapcsolás W-szálak: 100-200 mA főtıáram
nem destruktív univerzális
dinamikus tartomány: 105 LOD: 5-50 ng
Vivıgáz: H2, He N2
lángionizációs detektor (FID)
hidrogén/levegı eleggyel táplált mikroégı, amely fölé elektródpárt helyeznek el nem ionizálható eluens: N2, Ar, He, H2 A kolonnát elhagyó szerves komponensek a lángba jutva többlépéses reakcióban, oxigén közremőködésével ionizálódnak. a képzıdött ionok hatására áram folyik, ami erısítés után mérhetı C-detektor: minden éghetı anyagra ad jelet
destruktív dinamikus tartomány: 105-106 LOD: 0,05-0,5 ng
elektronbefogási detektor (ECD)
F, O, Cl, Br
β-sugárzó radioaktív forrás (pl. 63Ni) Az elektron áramlás kicsiny (10-12 A) állandó elektromos áramot hoz létre a megfelelı feszültségre kapcsolt elektródok között nagy elektronegativitású elemet tartalmazó komponensek az elektromos térben az elektronokat befogják és így jelentısen csökkentik az áramot vegyületcsoport
relatív válaszjel
szénhidrogének
0
éterek, észterek
10
alkoholok, ketonok, aminok
100
monobromidok, dikloridok
1000
trikloridok poliklórozott vegyületek (peszticidek)
10000
öblítıgáz bevezetés öblítıgáz kivezetés anód (+) 63Ni
fólia (-): 1-10 V polarizációs feszültség
Vivıgáz: He (nagytisztaságú)
100000
dinamikus tartomány: <103 LOD: 0,1-10 pg
„make up” gáz
kolonna
Törésmutató mérésen alapuló detektor univerzális detektor a minta és az eluens törésmutatója közti különbséget méri
HPLC
Diffrakciós detektor: fényelhajlás mérésen alapul rés
fényforrás mérı ág
referencia ág detektor
tükör
Univerzális Kicsiny linearitás LOD ≈ 10 ng
lencse
UV-Vis spektrofotométer Alkalmazható: UV-Vis tartományban elnyel az adott komponens mérı ág „fényosztó” (splitter) cella (küvetta) rés
fényforrás monokromátor Fényforrás: UV: deutérium lámpa Vis: volfrám lámpa
Lambeert-Beer: Aλ = ελ c l c = A / (ελ l)
l = 1 cm A = 0,01
I0
I
I0
I0
Cella: referencia ág kvarc küvetta l=5-10 mm
D E T E K T O R
Detektor: fotodióda
ελ
c
[dm3 mol-1cm-1] 1000 10000 100000
[mol dm-3] 10-5 10-6 10-7
A = 0,001 --- 10-8 mol dm-3
Fluoreszcencia mérésen alapuló detektor fluoreszkáló anyagok detektálása
rés
monokromátor cella (küvetta)
fényforrás monokromátor
Detektor: a kibocsátott fényt méri Szelektív (specifikus): nincsenek zavaró komponensek (koelúció nem annyira zavaró)
nagy érzékenység kis kimutatási határ LOD: ~nM
Analitikai információ: minıségi: retenciós (migrációs) idı retenciós (migrációs) idı függ: alkalmazott körülmények: •mozgófázis •anyagi minıség •áramlási sebesség ' •állófázis t Rx rx ,r = ' •minıség t Rr •hossz •hımérséklet •pH, ionerısség •stb. minıségi információ: UV-Vis: spektrum Növekvı igények: új detektorok alkalmazása, fejlesztése
TÖMEGSPEKTROMÉTER
Kapcsolt technikák MS, mint kromatográfiás detektor valós minták: komplex, sokkomponenső rendszerek A pontos és megbízható minıségi és mennyiségi analízis elképzelhetetlen a mintát alkotó komponensek elválasztása nélkül. elválasztástechnikai eljárás alkalmazása szükséges A hagyományos kromatográfiás technikák azonban még tökéletes szeparáció esetén sem kínálnak abszolút biztonságos minıségi azonosítást. minıségi információ: csak az adott komponens retenciós viselkedése a manapság megkövetelt megbízható és reprodukálható meghatározások indokolják a tömegspektrometria és az elválasztástechnikai módszerek kombinálását
Tömegspektrometria (MS)
Nobel-díj: 1922, 1989, 2002
Alapelve: a gázállapotú ionizált molekulákat, ezek töredékeit (un. fragmenseit) vagy bizonyos esetekben az atomokból képzıdött ionokat tömegük alapján szétválasztja, majd mennyiségileg meghatározza 1. mintabevitel és a minta gázállapotba hozása 2. ionizáció és bizonyos esetekben fragmentáció 3. a keletkezett ionok töltésegységre jutó tömegük szerinti elválasztása 4. a szétválasztott, különbözı tömegő ionok mennyiségének meghatározása
A készülék felépítése: vezérlı- és adatfeldolgozó rendszer mintabevitel
ionforrás
analizátor
vákuumrendszer
detektor
(foto)elektronsokszorozó
HPLC-MS Atmoszférikus nyomású ionizációs technikák ESI (ElectroSpray Ionization)
APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) nem szükséges ionok jelenléte az oldatban elektromos kisülés: szekunder ionizáció
Származékképzés (derivatizálás) a kromatográfiában MS: csak az utóbbi évtizedben vált megfizethetıvé korlátai: •ionizáció •drága Kedvezıbb tulajdonságok kialakítása: Detektálhatóság Kromatográfiás viselkedés kémiai reakció segítségével megváltoztatjuk a kiindulási anyag valamely tulajdonságát derivatizálószer megválasztása: molekula szerkezete (funkciós csoportok) detektálás El kell-e (el lehet-e) választani a mátrixtól? Specifikus reakciók: egyszerősíthetik a mintaelıkészítést, ill. az elválasztást
A gázkromatográfia bomlás nélkül gızzé, ill. gázzá alakítható vegyületek elválasztására és analízisére szolgáló módszer. Elválasztás alapja: 1. illékonyság (forráspont) 2. szerkezet ~12 millió szerves vegyület: jelentıs részük hıérzékeny nagyobb jelentıséggel ~ 50 ezer bír: jelentıs része gázkromatografálható Illékonyság hıstabilitás
Származékképzés (derivatizálás) a kromatográfiában Gázkromatogáfiában: A mintakomponensek illékonyságának növelése Az anyagok termikus stabilitásának növelése Csúcsátfedések csökkentése (retenciós idı) Detektálhatóság növelése
Származékképzés (derivatizálás) a kromatográfiában Folyadékkromatográfiában: korlát: OLDHATÓSÁG
A detektálás (detektálhatóság) javítása •kromofórok beépítése (UV-elnyelés növelése) •fluoreszcens csoportok beépítése •kromatográfiás viselkedés befolyásolása
A származékképzés lehet: kromatografálás elıtti (prekolumn)
•nem kell gyorsnak lenni •nehezen automatizálható •a reagens könnyen elválasztható legyen •teljesen végbemenjen
elválasztás utáni (posztkolumn)
•reprodukálható •gyors legyen •reagens ne zavarjon •teljesen végbemenjen
Gázkromatográfis derivatizálás Szililezés: Illékonyság növekedés R3Si-R’ + X-H R3Si-X + R’-H GCMS: Oldószerek: fragmentációs profil Piridin, DMF, DMSO, THF, ACN karakterisztikus ionok (nyomanalízis)
1. Alkilszilil származékok: A legáltalánosabban alkalmazott derivatizáló reagensek (“trimetilszililezı” szerek):
(CH 3 )3 Si
N
N
C H 3C H 3 C F3
C
N
O N-trimetilszililimidazol
O Si(CH3)3
CH3 C N Si(CH3)3
N,O-bisz-trimetilszililacetamid
Si C H 3 C H3
N-metil-N-trimetilszilil-trifluoroacetamid
(CH3)3 Si
N(C 2H5)2
N-trimetilszilildietilamin
CH3
C H3 C H3
Si
Cl
C H3 Trimetilklórszilán
CH3
CH3 Si NH Si CH3 CH3
CH3
Hexametildiszilazán
A trimetilszililezı reagensek reaktivitási sora: Trimetilszilil-imidazol > N,O-bisz(trimetilszilil)trifluoracetamid > N,O-bisz(trimetilszilil)acetamid > N—metil-N-(trimetilszilil)trifluoroacetamid > N-trimetilszilildietilamin > N-metil-N-trimetilszililacetamid > trimetilklórszilán > hexametil-diszilazán. Vizsgálandó vegyületek reaktivitási sora:
R-OH > Ph-OH > RCOOH > R-NH2 > R-CONH-R
Trimetilszilil származékot adó funkciós csoportok Funkciós csoport
Funkciós cs. neve
Származék
Származék neve
OH
Hidroxil
OTMS
Trimetilszilil-éter
SH
Tiol
STMS
Trimetilszilil-tioéter
COOH
Karboxil
COOTMS
POH
Foszfát
POTMS
Trimetilszililkarboxilát Trimetilszilil-foszfát
SOH
Szulfát
SOTMS
Trimetilszilil-szulfát
NOH
Nitrát
NOTMS
Trimetilszilil-nitrát
BOH
Borát
BOTMS
Trimetilszilil-borát
NH2
Amin
Trimetilszilil-amin,
NH
Imin
NHTMS; N(TMS)2 NTMS
CONH2
Karbonsavamid
CONHTMS
N-Trimetilszililkarbonsavamid
CH2-C=O
Karbonil
CH=COTMS
Trimetilszililenoléter
Trimetilszilil-imin
Alkilezés Aktív hidrogénatom cserélıdik ki alkil- (aril-) csoportra.
Vegyület képlete RCOOH RSO2OH ROH RSH RNH2 R2NH RCONH2 RSO2NH2 RCOCH2COR
Vegyület neve Karbonsav Szulfonsav Alkohol Tioalkohol Alkil-amin Dialkilamin Karbonsavamid Szulfonsavamid β-diketon
Származékképlete RCOOR1 RSO2OR1 ROR1 RSR1 RN(R1)2 R2NR1 RCONHR1 RSO2N(R1)2 RCOCH=C(OR1)R
Származékneve Észter Szulfonsavészter Éter Tioéter Trialkilamin Trialkilamin N-alkil-karbonsavamid N,N’-dialkil-szulfonamid β-acil-O-enoléter
Ag2O + alkil-halid
Alkilezés 1. R(Ar)
X +
-
R1COO
O
Ag2O
R(Ar)
O C R1
NaH, BaO
X-
+
X = I, Br (Cl: kisebb aktivitás) R = Me, Et, Pr, Bz Diazo-alkánokkal
2. C H 3N 2
+
RC O O
-
RC O O C H3
+
N2
R C O O C 2H 5
C 2H 5N 2 N2
Dialkil-acetálok
3. (C H 3 ) 2 N C H(O R 1 ) 2 +
RC O O H
R1 = C H 3, C 2H 5, C 3H 7, C 4H 9 (fenolok, am idok, tiolok) N ,N -dim etil-dialkilacetál
RC O O R 1 + (C H 3 ) 2 N C HO + R 1 O H
Extraktív alkilezés Savak, fenolok, alkoholok vagy amidok alkilezése vizes közegben. -
RCOO- + R4N+ RCOO-R4N+
-
RCOO R4N
RCOO R4N -
ORG
AQ
RCOO R4N
AQ
+
+
+ R1I
+
ORG
RCOOR1 + R4N+I-
Pirolitikus alkilezés
RCOOH + C6H5(CH3)3N+OHRCOO-C6H5N+(CH3)3
RCOO-C6H5N+(CH3)3 + H2O
RCOOCH3 + C6H5N(CH3)2
Arilezés NO2 NO2
F
NO2 + RNH2
NO2
NH R
+ HF
RSH C6H5OH
Oximképzés F
F
F
R1
F R1
H2O C
O
+
F
CH2O
NH2
F
CH2O
R2
N
C R2
F
F
F
F
Származékképzés folyadékkromatográfiához Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Alkoholok (R-OH) esetében NO2 Cl C
NO2 OR C
O
NO2
O
NO2
3,5-dinitrobenzoil-klorid I
SO 2Cl
I
SO 2 O R
p-jódbenzolszulfonil-klorid (NO 2)
COCl
(p-nitro)benzoil-klorid
(NO 2)
COOR
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aminok (R-NH2) esetében NO2
NO2 Cl C
NH C
O
NO2
NO2
3,5-dinitrobenzoil-klorid O
CH3
C
C
C H3
O
O
O C
C NH
Cl
R
O R
piruvoil-klorid
O CH3O
C Cl
p-metoxi-benzoilklorid
O CH3O
C NH R
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aldehidek (R-CHO), ketonok R-(CO)-R esetében NO2
NO2 R
NO2
N NH
NO2
NH N C
(H)R
2,4-dinitrofenil-hidrazin
R
NO2
CH2 O NH2
NO2
CH2 O N C (H)R
p-nitrobenzilhidroxilamin
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Karbonsavak (R-COOH) esetében O
C H2 Br
C H2 O
C
R
benzil-bromid
N2
O O C
naftildiazometán
R
Derivatizálószerek fluoreszcenciás detektáláshoz szulfonilkloridok R
Termék: fluoreszkál
R N
O O
O
CH3O
N
CON 3
CH3O
N
O
O
SO2X
CH3 3,4-dihidro-6,7-dimetoxi-4-metil-3-oxoquinoxali -2-karbonilazid
R=CH3, X=Cl Danzil klorid R=C4H9, X=Cl Dabzil klorid R=CH3, X=NHNH2 Danzil hidrazin
Fluorescamine
csak a primer aminokkal képez aktív terméket CH2Br
CHO CHO
CH2OCOCl
o-Ftáldialdehid
Fluorenilmetiloxikarbonil-klorid
OPA: biológiailag fontos vegyületekkel (aminosavak)
CH3O
O
O
4-brommetil-7-metoxi-kumarin
Karbonilkloridok: prekolumn származékképzésre is alkalmasok (tercier aminokkal is reagálnak)
Derivatizálószerrel szembeni elvárások
gyors, kvantitatív reakció egy meghatározott termék képzıdjön enyhe körülmények között végbemenjen a reakció (p, T) specifikusság (csak bizonyos funkcióscsoporttal reagáljon) reagens felesleg elválasztható legyen a képzıdött terméktıl képzıdött termék kedvezı kromatográfiás tulajdonságokkal rendelkezzen érzékenység növekedés legyen elérhetı (UV/fluoreszcens/FID/MS/stb) mátrixhatás kivédhetı legyen
csökkenı jelentıség: detektálás: MS elválasztástechnika fejlıdése: egyre hatékonyabb oszlopok (N>10000(0)) új módszerek: CE mintaelıkészítési (mikro)technikák fejlıdése SFE SPE SPME SBSE MAE HEADSPACE PURGE & TRAP
LEHETİ LEGKEVESEBB MANIPULÁCIÓ
EXTRAKCIÓ Az alkalmazott módszerek illékonyság ill. halmazállapot alapján csoportosíthatók: félillékony komponensek extrakciója folyadékokból SPE MEPS SPME SBSE félillékony komponensek extrakciója szilárd anyagokból SOXHLET ULTRAHANG ASE (PFE) SFE MAE illékony komponensek extrakciója folyadékokból és szilárd anyagokból SHE DHE (PURGE and TRAP) ME
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ meghatározó fontosságú: •extrahálandó komponens •közeg •extrahálószer tulajdonságai lényeges tulajdonságok: •illékonyság, gıznyomás •oldhatóság •molekulatömeg •hidrofóbicitás •sav-bázis tulajdonságok
meghatározóak az anyagtranszport folyamatokban
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ 2 fázis közötti megoszlás XA
megoszlási hányados
[ X ]B KD = [ X ]A
XB
KD: minél nagyobb annál hatékonyabb az extrakció Illékonyság: „hajlam a gázfázisba történı kilépésre”
[ X ]G Henry állandó: H = K D = [ X ]L oldat '
közelítı összefüggés az illékonyság és a gıznyomás között:
H=
pvp S
Gıznyomás: adott hımérsékleten a tiszta folyadék (vagy szilárd) fázissal egyensúlyban levı gız nyomása A molekulák között kialakuló kölcsönhatások erısségétıl függ.
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Oldhatóság: telített oldat koncentrációja
H=
pvp S
H ismeretében eldönthetı, hogy melyik extrakciós módszer alkalmazható HX < Holdószer: az oldószer elpárologtatásával növekedni fog az analát oldatbeli koncentrációja HX > Holdószer: az analit oldatbeli koncentrációja csökkeni fog (de gıztérben feldúsul)
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ nem illékony (nonvolatile): H < 3*10-7 atm m3 mol-1 közepes illékonyság (semivolatile) : 3*10-7 < H < 10-5 illékony (volatile): 10-5 < H < 10-3 nagyon illékony (highly volatile): H > 10-3 atm m3 mol-1 Molekulatömeg: növekvı molekulatömeggel (mérettel) általában csökken mind az oldhatóság, mind a gıznyomás
Hidrofobicitás: hidrofób kölcsönhatás: vizes oldatokban apoláris csoportok között → vízmolekulákkal kialakuló kölcsönhatás csökkenése (az oldott anyag „megzavarja” a víz szabályos szerkezetét) Jellemzése: [ X ]o K ow = K D = n-oktanol/víz rendszer közötti megoszlás: [ X ]w Kow (Pow, Poct, P) nı a növekvı molekulatömeggel
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ nagyobb hidrofobicitás: vizes fázis hatékonyabb extrakciója (extrahálószerbıl nehezebb lesz eltávolítani) hidrofobicitás – vízoldhatóság: fordított viszony hidrofil: log Kow < 1 hidrofób: log Kow > 3
nem homológok: jelentısebb eltérés
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Sav-bázis egyensúlyi folyamatok HA
H+ + A-
[ H + ][ A− ] Ks = [ HA]
Ionos, ill. nem ionizált forma: eltérı megoszlás pH=pKs: 50/50 ökölszabály: pKb+2 < pH < pKs-2
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Elegyedés Sőrőség
Oldhatóság: egymással telítıdnek a fázisok (analízis, megsemmisítés)
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ vizes fázis: 1 l
Kisebb térfogattal, többször: hatékonyabb extrakció extrahált anyag mennyisége függ: •KD •2 fázis térfogatának aránya
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ
FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ
LLE Oldószer felhasználás Idıigény Automatizálhatóság Szelektivitás Fellépı problémák
NAGY (30-300 ml) NAGY NEHÉZKES KICSI SOK emulzióképzıdés, habzás, fázisok elválasztása
eszközigény
NAGY
Gazdaságosság
KICSI
LLE: mikrofluidika fejlıdése: automatizálhatóság: gazdaságosság (solid-supported LLE: robotizált folyadékkezelés) Liquid Phase MicroExtraction (LPME) Single Drop MicroExtraction (SDME)
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ félillékony komponensek extrakciója folyadékokból LSE: folyadék fázisból szilárd fázisba történı anyagtranszport lépései: 2 fázis érintkeztetése megoszlás (egyensúly beállta) szeparáció (dekantálás, szőrés)
[ X ]B KD = [ X ]A
utóbbi kb. 25 év fejlesztései: SPE MEPS SPME SBSE
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ ADSZORPCIÓ ABSZORPCIÓ
3D mátrix behatol a fázis belsejébe
2D mátrix szilárd fázis felületén történı megkötıdés
mindkettı bekövetkezhet egyidejőleg nem mindig tudjuk eldönteni, hogy melyik dominál
SZORPCIÓ
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ szorbens: szilárd (extraháló) fázis analát és szorbens kölcsönhatása: abszorpció: fázis belsejébe történı behatolás (3D) •szorbens: szilárd hordozón rögzített folyadék fázis •nincs verseny •nagy kapacitás adszorpció: felületi (2D) jelenség •pórusos szorbens •a felületen kötött víz (oldószer) kicserélıdik az analát molekuláira •van der Waals, dipól-dipól kölcsönhatások •verseny az adszorpciós helyekért •limitált kapacitás elektrosztatikus kölcsönhatás: ionos (ionizálható) komponens és a szorbens töltött felületi csoportjai között szorbens: ioncserélı kémiai reakción (kovalens kötés kialakulásán) alapuló kölcsönhatás: szennyezık eltávolítása
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ Pórusos szorbens: nagy felület: pórusok: belsı felület mikropórus: < 2 nm mezopórus: 2-50 nm makropórus: > 50 nm jellemzés: •szemcseméret •szemcseméret-eloszlás •pórusméret •pórusméret-eloszlás •pórustérfogat •felület
FOLYADÉK-SZILÁRD EXTRAKCIÓ szorbens: szilárd hordozón rögzített folyadék fázis: adszorpcióval: „valódi” 3D folyadékként viselkedik nemkívánatos jelenségek: „bleeding” kovalens kötéssel rögzített film: stabil 2D szerkezet korlátozott transzlációs és rotációs mozgások visszatartás: nem írható le csak abszorpcióval
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Szorbens technológia fejlıdése: 1977: Waters Co.: szilikagél alapú eldobható töltetek SPE: 1982: J.T. Baker LLE
SPE
NAGY (30-300 ml)
KICSI (1-20 ml)
NAGY
KICSI
Automatizálhatóság
NEM
IGEN
Szelektivitás
KICSI
NAGY
SOK emulzióképzıdés, habzás, fázisok elválasztása
KEVÉS
Gazdaságosság
-
+++
Dúsítás
+
+++
Oldószer felhasználás Idıigény
Fellépı problémák
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) „extrém” HPLC technika: KD: ∞: akkumuláció KD: 0: elúció Probléma: töltet eldugulása: szőrés szükséges: (fecskendı, centrifuga)
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Mintaelıkészítés: extrakción alapul, a folyékony halmazállapotú mintát egy szorbens részecskéket tartalmazó ágyon átjuttatva az analitikum elválasztható a mintát alkotó egyéb összetevıktıl Szeparáció & Dúsítás
1. kondícionálás
2. mintafelvitel
3. mosás
4. elúció
kondícionálás
MeOH
aktiválás: szerves oldószer adagolása használat közben nedves maradjon az oszlop
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) hatékony extrakció: helyes szorbens választás elvárások I: Szorpció: gyors reprodukálható Elúció: könnyen teljes mértékben végbe menjen elvárások II: •reverzibilis szorpció •a szorbens ne tartalmazzon kioldható szennyezıket •kémiailag inert (stabil) legyen •jól nedvesíthetı legyen a minta mátrixa által
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) minták és mátrixok sokfélesége: → nincs univerzális szorbens Csoportosítás: 1. általános felhasználás 2. vegyületcsoport–specifikus 3. komponens-specifikus
HPLC töltet analógiák •Fordított fázisú SPE •Normál fázisú SPE •Ioncsserés SPE •MIPs
NPLC: állófázis polaritása > mozgó fázis polaritása (poláris állófázis & apoláris mozgófázis) RPLC: állófázis polaritása < mozgó fázis polaritása (apoláris állófázis & poláris mozgófázis)
Poláris töltet: poláris anyagok extrakciója poláris töltetetek: Apoláris töltet: apoláris anyagok extrakciója •SiO2 •Al2O3 •MgSiO3
a töltet anyaga: szilikagél OH
szilikagél:
OH SiO2
OH OH OH
•Si & O atomok háromdimenziós rácsa •legszélesebb körben alkalmazott állófázis •kémiai inertség •jó mechanikai ellenállóképesség •pH stabilitás: 2 < pH < 7 (9)
(NPLC: szilikagél & hexán) (poláris komponensek elválasztása)
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) szilikagél
SPE: irreguláris töltet (kisebb nyomás, olcsóbb)
HPLC: szférikus töltet
jól szabályozott méret szők szemcseméret-eloszlás szabályozott pórusméret
módosított szilikagél fontosabb módosító (R) csoportok: C18: oktadecil: -C18H37 (APOLÁRIS TÖLTET!) C8: oktil: -C8H17 C4: butil: -C4H9 aminopropil: -CH2CH2CH2NH2 cianopropil: -CH2CH2CH2CN fenil: -C6H5
SPE elterjedése
felület módosítása: CH3 Si-OH + Cl
Si
CH3 R
CH3 „endcapping”: trimetil-klórszilán
Si-O Si CH3
R + HCl
•C18, C18 Light Load, C18 Polar Plus •C8, C8 Polar Plus •Phenyl •C4 •C2 •Cyano (CN) •Amino (NH2) •Diol (COHCOH) •CBx WP, PEI WP, Butyl WP, HI Propyl WP (biotechnology) •Silica (SiOH) •Quaternary Amine (N+) •Aromatic Sulfonic Acid (C6H5-SO3H) •Carboxylic Acid (COOH) •narc-1, narc-2 (for drugs of abuse analysis)
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) poláris töltetek: szerves extraktumok (pl. biológiai mátrixok) tisztítása: hidrofil alkotók visszatartása fellépı fontosabb kölcsönhatások: •hidrogénhíd •dipól-dipól •indukált dipól-dipól apoláris töltetek: módosított szilikagél (fordított fázisú HPLC) szerves polimer-alapú töltetek: sztirol-divinilbenzol kopolimer kevésbé nyomástőrı (keresztkötések számával javítható) duzzadnak: (HPLC: szerves oldószer csak kisebb koncentrációban alkalmazható) pH stabilitás: 1< pH < 14
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Polimer-alapú oszlopok
Highly Cross-linked Divinylbenzene Polymer Average Pore Diameter: 60 Å (BET, N2) Average Particle Size: 25 µm (rigid particles, non-swelling) Specific Surface Area: 500 – 800 m2/g (BET, N2)
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) apoláris töltetek: hidrofób kölcsönhatások π-π kölcsönhatás módosított polimer-alapú töltetek: poláris módosítók: nedvesedés javítása ioncserélı szorbensek: polimer alapúak módosított szilikagél
kationcserélık anioncserélık
Gyenge kationcserélı: karbonsav (pH-tól függı ionizáltság) Erıs kationcserélı: szulfonsav (pH-tól függetlenül töltött) Gyenge anioncserélı: primer, ill. szekunder aminok (pH-tól függı ionizáltság) Erıs anioncserélı: kvaterner N (pH-tól függetlenül töltött)
Hidrofil polimer (
CH-)nN-CH3 C=O R
(-CH-CH2)n N-CH3 C=O R
N-metil amid funkciós csoport
(-CH-CH2)n N-CH3 C=O R
Divinylbenzene & N-methyl-N-vinylamide Polymer Average Pore Diameter: 60 Å (BET, N2) Average Particle Size: 25 µm Specific Surface Area: 500 – 800 m2/g (BET, N2)
Kationcserélı
HO3S
HO3S
HO3S
Divinylbenzene with sulphonic acid functionality Average Pore Diameter: 60 Å (BET, N2) Average Particle Size: 25 µm Specific Surface Area: 500 – 800 m2/g (BET, N2)
SO3H
Anioncserélı
CH2N+ R3
CH2N+ R3
R3+NCH2
Divinylbenzene with quaternary amine functionality Average Pore Diameter: 60 Å (BET, N2) Average Particle Size: 25 µm Specific Surface Area: 500 – 800 m2/g (BET, N2)
CH2N+ R3
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) szabályozott hozzáféréső (Controlled-Acces) töltet: ≈ méretkizárásos kromatográfia immunoaffinitás alapú töltet az elválasztandó vegyület és a ligandum közötti specifikus biológiai kölcsönhatás képezi az elválasztás alapját
szelektív specifikus antigén – antitest enzim – inhibitor
biológiai minták tisztítása
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Molecularly Imprinted Polimeric (MIP) szorbens: A megkötendı molekula (templát) jelenlétében elvégzett polimerizáció
A templát kioldását követıen visszamaradó üregek (imprints) a templát molekulára specifikusak lesznek: összetett (pl. biológiai) mátrixok esetén is jól használható.
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) „kevert mód”: •többféle aktív hely kialakítása ugyanazon a tölteten •különféle töltetek keverése
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) szorbens kiválasztása: •használati útmutató •adatbázisok (internet)
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE)
Visszanyerés pH függése:
sztirol-divinilbenzol polimer szorbens Ftálsav monoészterek: gyenge savak: pK=3-5 MMP: metil MEP: etil savi erısségben nincs nagyon jelentıs eltérés hidrofób MPRP: n-propil eltérı visszanyerés kölcsönhatások MBP: n-butil fontossága MPEP: n-pentil MOP: n-oktil
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Áttörési térfogat: cki=0,01cbe
Szorbens: sztirol-divinilbenzol
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Tömegfüggés
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE) Eluenserısség-függés
két fázis közti megoszlás: komponens kölcsönhatása a két fázissal
Molekula (adott) Kölcsönhatás erıssége függ: mozgófázis és állófázis polaritása hexán kloroform tetrahidrofurán acetonitril 2-propanol etanol metanol víz
P O L A R I T Á S
eluens polaritásának változtatása: •anyagi minıség változtatása •(HPLC: különbözı oldószerek elegyítése) oldószer erısség: szilikagélen meghatározott erısségi sorrend (eluotróp sorozat) NEDVESÍTİ KÉPESSÉG!
Pufferek: pH beállítása: ionizálható komponensek analízise esetén
SZILÁRDFÁZISÚ EXTRAKCIÓ (SPE)
Eluenstérfogat-függés Dúsítás: Vminta/Veluens A lehetı legkevesebb eluenst érdemes használni! (elunserısség)
DMP: dimetil-ftalát DEP: dietil-ftalát DNBP: di-n-butil-ftalát BBP:butil-benzil-ftalát BEHP:bis(2-etilhexil)-ftalát DNOP:di-n-oktil-ftalát
nem-egyensúlyi módszer kromatográfia: elúciós analízis SPE: minta felvitele: frontális analízis
40 µm hagyományos
nagy áramlási sebesség nagy terhelhetıség kicsi dugulási veszély
10 µm
Térfogat: 1,3, 6 ml Töltet: 10, 20, 35, 50, 100, 200 mg
Nagyobb minta térfogatokhoz: (környezeti analitika)
Kisebb minta térfogatokhoz: (gyógyszeranalitika)
•
Uses gas to deliver solvents
•
Uses vacuum to remove liquids
•
All solvents are contained in separate bottles
•
Separates waste solvent and waste water
•
All sample and solvent pathways are PTFE, PEEK, and Kalrez
•
Automatically rinses sample bottle
•
Utilizes liquid sensors; keeps disk wet
MiocroExtraction by Packed Sorbent (MEPS)
MiocroExtraction by Packed Sorbent (MEPS) lényegesen kisebb mintamennyiség: 10-100 µl koncentrálás többszöri felszívással lehetséges (mintamennyiség növelhetı a ml-es nagyságrendig) minimális oldószerigény teljesen automatizálható: on-line mintaelıkészítést tesz lehetıvé GC és HPLC kompatíbilis Többször használható: ~100 injektálás kicsiny szorbens mennyiség: visszanyerés nagyon jó Megvásárolható fázisok: GC: C18, C8, C2, szilikagél, C8+SCX HPLC: C18, C8, C2, szilikagél, C8+SCX, CX, SAX
MEPS lépései
1. mintavétel (1-n db)
2. mosás (20-50 µl)
5. lépés: mosás (regenerálás)
3. elúció
4. injektálás
Szilárdfázisú Mikroextrakció Solid Phase MicroExtraction (SPME)
ÜVEGRÚD POLIMER BEVONAT
Extrakció
SPME
injektálás
SPME
SPME Egyensúlyi („majdnem egyensúlyi”) módszer
cf [ X ]B KD = = K fs = [ X ]A cs Egyensúly esetén:
n =
K fs V f V s c 0 K fs V f + V s
Cf: koncentráció a fiberben Cs: koncentráció a mintában n: extrahált anyagmennyiség Vf: bevonat térfogata Vs: minta térfogata C0: minta kiindulási koncentrációja
ha Vs>> KfsVf n = KfsVfc0
Független a minta térfogatától: terepi mintavételezés: Víz és levegı vizsgálat
Nem kell feltétlenül megvárni az egyensúly beállását: Megfelelıen kontrollált körülmények + extrakciós idı mérése: reprodukálható analízis
SPME elınyök: •oldószermentes technika •csak szorpciós és deszorpciós lépés •könnyen automatizálható •kompatibilis a kromatográfiás rendszerekkel •nagy dúsítás •specifikusság •nagyon kicsiny mintaigény •élı rendszerek vizsgálata •többszörös újrahasználhatóság SPE: extrahált mennyiség > 90 % SPE: analizált minta mennyisége: 1-2 % SPME: extrahált mennyiség: 1-20 % SPME: analizált minta mennyisége : 100 % hátrányok: egyensúlyi technika: minden olyan körülmény, ami beleszól az egyensúlyba hatással lesz az extrahált mennyiségre mátrixhatás
Szilárdfázisú mikroextrakció ADSZORPCIÓ
ABSZORPCIÓ
fizikai kölcsönhatások
megoszlás a két oldószer között
porózus, nagy felülető adszorbensek származékképzés - felület módosítása
különbözı oldószerek
verseny az adszorpciós helyekért
nincs verseny
meghatározott adszorpciós kapacitás
oldhatóság
alkalmazási korlát
szorbens
jelleg
PDMS polidimetil-sziloxán
abszorpció
APOLÁRIS
4 < pH < 10
PA poliakrilát
abszorpció
POLÁRIS
szerves oldószerek
PDMS-DVB
adszorpció
BIPOLÁRIS
Carbowax-DVB
adszorpció
POLÁRIS
Carboxen -PDMS szintetikus szén
adszorpció
BIPOLÁRIS
Carboxen – PDMSDVB
adszorpció
BIPOLÁRIS
Filmvastagság: 7-100 µm vékonyabb film: •gyorsabb extrakció •kisebb extrahált mennyiség Szorbens kiválasztása: •polaritás (hasonló a hasonlóval) •„mátrix-tőrés” Fontosabb befolyásoló tényezık: •pH •Hımérséklet •Sókoncentráció •Mintatérfogat •Extrakciós idı
PDMS:
R
R
Si O Si O R
R
n
Alkalmazás: L = 1 cm GC HPLC
HPLC d = 0,25 mm
közvetlen extrakció Deszorpció: GC: termikus HPLC: oldószeres
gıztér analízis
„membrán-védett”
Extrakciós idı változtatása
MEPS vs SPME vs SPE
Keverıbabás Extrakció Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) Szerves szennyezık meghatározása vizes mintákból (élelmiszer, biológiai, környezeti minta) Bevonatos keverıbot: •folyadék halmazállapotú mintába helyezik be Bevonat: PDMS •gıztér analízis (HeadSpace Sorptive Extraction, HSSE)
[ X ]B KD = = K PDMS / W ≈ K OW [ X ]A
K PDMS
[ X ]PDMS mPDMS VW = = x [ X ]W mW VPDMS
[X]PDM,: analát koncentrációja a szorbensben mPDMS: analát tömege a szorbensben [X]W: analát koncentrációja a vizes oldatban mW : analát tömege a vizes oldatban VW: víz térfogata VPDMS: PDMS térfogata
SBSE Meghatározó tényezık: •megoszlási hányados (KOW) •fázisarány (Vw/VPDMS) SBSE vs SPME: SBSE: nagyobb PDMS térfogat: kisebb KOW is elegendı a hatékony extrakcióhoz hosszabb extrakciós idı szükséges
Elméleti kinyerés összehasonlítása SBSE vs SPME
Minta: 10 ml vizes oldat SPME: VPDMS = 0,5 µL SBSE: VPDMS = 100 µL
MEPS vs SPME vs SBSE
SBSE keverıbot: hossza: 10-40 mm PDMS vastagsága: 0,3-1 mm PDMS térfogata: 55-220 µl deszorpció GC: •hıközlés •kriofókuszálás •pillanatszerő felfőtés deszorpció HPLC: oldószeres, ultrahangos leoldás Elıny: nagy mennyiségő analát extrahálható ki Hátrány: nem szelektív: zavaró komponensek is extrahálódnak Szorbensek fejlesztése: szélesebb körő alkalmazások
MÓDSZER
JELLEMZİ
EXTRAKCIÓ
SPE
nemegyensúlyi
teljes
LLE
egyensúlyi
teljes
SBSE
egyensúlyi
részleges
SPME
egyensúlyi
részleges
illékony komponensek extrakciója folyadékokból és szilárd anyagokból VOCs: Volatile Organic Compounds: p ≥ 0,1 mmHg (20 0C) Analitika: GC Statikus gıztér analízis (Static Headspace Extraction, SHE) Dinamikus gıztér analízis (Dynamic Headspace Extration, DHE, purge and trap) SPME
Statikus gıztér analízis (Static Headspace Extraction, SHE) HEADSPACE analízis egyensúlyi módszer részleges extrakció szeptumos mintatartó edény mintatérfogat: 1-10 ml (100 ml) halmazállapot: folyadék, szilárd szabályozott hımérséklet extrakció: gıztérbıl injektálás: GC
Gıztér analízis
Mintaelıkészítés folyadék halmazállapotú minta esetén: Magában a mintatartó edényben történik: könnyen automatizálható Mintaelıkészítés szilárd halmazállapotú minta esetén: aprítás, ırlés oldás: gyorsabb egyensúly beállás a gıztér és a minta között
c0 A ∝ cg = K +β A: GC területjel c0: kiindulási koncentráció cg: gıztér koncentrációja K: megoszlási hányados ß: fázisok térfogatának aránya K: hımérséklet függés: termosztált rendszer nagy K: T jelentısebb hatás, mint ß (az analát nagyobb hányada a folyadékfázisban van) kis K: az analát nagyobb hányada a gıztérben van (ß nagyobb hatás, mint T)
1: etanol 2: metil-etil-keton 3: toluol 4: n-hexán 5: tetraklór-etilén
Vizes rendszer: poláris komponensek (nagy K): T jelentıs hatás apoláris komponensek (kis K): T nincs jelentıs hatása
A ∝ cg
c0 = K + β
1: ciklohexán (kis K) 2: 1,4-dioxán (nagy K)
Vminta= 1 ml ß=21,3
Vminta= 5 ml ß=3,46
kisózás
Dinamikus gıztér analízis Purge and trap
teljes kinyerés: az analátot folytonos gázáram átvezetéssel távolítjuk el az oldószerbıl, majd csapdázzuk
csapda: üveg vagy rozsdamentes acélcsıbe töltött szorbensek szorbens: Tenax: pórusos polimer gyanta (2,6-difenilén-oxid), hidrofób, < 200 0C szilikagél: hidrofil, poláris anyagok megkötésére alkalmas aktív szén: hidrofób, nagyon illékony komponensek csapdázása réteges, kombinált csapda:
purge time: 10-15 perc He áramlási sebesség: 40 ml/perc csapda: szobahımérséklet (vagy hőtött)
Lépések: •purge: mintán keresztül megy az öblítıgáz •dry purge: oldószer (víz) eltávolítása: az öblítıgáz nem megy át a mintán •elıfőtés: deszorpció hımérséklete alatt 5-10 0C-kal (gyorsítja a deszorpciót) •felfőtés: 180-250 0C •deszorpció: Ellenirányú öblítés (back-flush): 1-4 perc •kriogén fókuszálás: nem minden esetben szükséges •szorbens regenerálása •szorbens visszahőtése AUTOMATIZÁLT SPME
közvetlen analízis
gıztér analízis
Membrán-alapú extrakció
On-line kapcsolás:
Membrán-alapú extrakció porózus nem porózus membránok (pl. PDMS) Mőködése: szerves komponensek beleoldódnak a membránba: extrahálódnak vizes mátrix visszamarad Elrendezés: kicsi érintkezési felület
nagy érintkezési felület
Membrán-alapú extrakció
Membrán-alapú extrakció Befolyásoló tényezık: • hımérséklet • membrán felület nagysága • membrán vastagsága • minta térfogata (nagyobb V, nagyobb nextrahált) • minta áramlási sebessége (kisebb v, nagyobb nextrahált)
félillékony komponensek extrakciója szilárd anyagokból Soxhlet extrakció mikrohulámmal segített extrakció (MAE) ultrahanggal segített extrakció nagynyomású folyadék extrakció (ASE, PFE) szuperkritikus fluid extrakció (SFE)
Szuperkritikus folyadékextrakció Supercritical Fluid Extraction (SFE) Olyan elválasztási módszer, melynél a mozgófázisként használt folyadék kritikus hımérséklete és nyomása fölött, de annak közvetlen közelében van.
SFE 1822: Baron Cagniard de la Tour 1964-tıl szabadalmak, 1978: ipari mérető koffein eltávolítás 1981: szuperkritikius folyadékkromatográfia extrahálószer: szuperkritikus fluidum tulajdonságai: gáz - folyadék - 2 között állapot gáz SCF folyadék
sőrőség (kg/m3 )
viszkozitás (cP)
Diffúziós állandó (mm2 /s)
1
0.01
1-10
100-800
0.05-0.1
0.01-0.1
1000
0.5-1.0
0.001
nagy diffúziós együttható, kis viszkozitás: gyorsabb, hatékonyabb elválasztás
A szén-dioxidot a következı jó tulajdonságai miatt használják szívesen a szuperkritikus extrakcióban oldószernek: •nem káros az egészségre, ezért jól alkalmazható gyógyszerek, élelmiszerek és élvezeti cikkek elıállításánál, •nagy a sőrősége, így viszonylag sok anyagot tud oldani, •nem lép reakcióba a kezelt anyaggal, •alacsony a kritikus hımérséklete (31°C) és kritikus nyomása (73 bar), ezért alacsony hımérsékleten lehet vele dolgozni, nem károsodik a kezelt anyag, •nem tőzveszélyes és nem korrozív, •könnyen beszerezhetı élelmiszeripari tisztaságban és nagy mennyiségben áll a rendelkezésünkre, •nem szennyezi a környezetet, •az extrakció után maradék nélkül eltávozik a termékbıl, •a nyomás és hımérséklet megfelelı változtatásával lehetıség van a szuperkritikus állapotú oldószer oldóképességének kedvezı irányba való változtatására.
CO2: apoláris és kis polaritású komponensek extrakciója kioldás hatékonysága növelhetı: szerves adalékok (módosítók: 1-10%) segítségével
módosító beadagolása: 1. CO2 tankba (idıvel változó összetétel) 2. extrakciós cellába (elfogy) 3. külön pumpa segítségével
pumpa: reciprok cella: PEEK, saválló acél
lépései: •a mintát elhelyezik a cellában •a cellát behelyezik a főtött kemencébe •hımérséklet, nyomás, áramlási sebesség és extrakciós idı beállítása •extraktum összegyőjtése
Statikus mód: a szuperkritikus fluidumot bizonyos ideig a cellában tarják, majd a győjtıbe jut Dinamikus mód: a szuperkritikus fluidum folytonosan átáramlik a cellán elınyök: •gyors •kicsiny szerves oldószerfelhasználás •hangolható szelektivitás (módosítók) hátrányok: •technikai kivitelezés: drága •kicsiny mintatömeg: < 10 g •mátrix-függés
alkalmazások
Gyorsított folyadék extrakció Accelerated Solvent Extraction (ASE), Pressurized Liquid Extraction (PLE) Hagyományos oldószerek alkalmazása •nagyobb nyomáson (1500-2000 psi) •és magasabb hımérsékleten (100-180 0C) magasabb hımérséklet: gyorsabb anyagtranszfer az oldószer könnyebben behatol a szilárd anyagba nagyobb oldhatóság gyengébb kölcsönhatás a szilárd mátrixszal kisebb viszkozitás hatékonyabb extrakció jobb kinyerés Felépítése: •oldószertartály •pumpa •extrakciós cella (T, p) Mintatérfogat: •kemence 1-100 ml •győjtıedény •N-palack
•teljesen automatizált •többféle (4) oldószer kezelése •több mintatartó cella
Hımérséklet függés
Alkalmazások
elınyök: •kicsiny oldószerfelhasználás •automatizált •gyors
hátrányok: •befektetési költség •mátrix feloldódhat
Mikrohullám-segített extrakció (Microwave Assisted Extraction, MAE)
Különbözı extrakciós technikák összehasonlítása
Elektroforézis elektroforézis: valamely vezetı közegben (általában víz) elektromos erıtér hatására a töltéssel rendelkezı részecskék elmozdulnak elektroforetikus elválasztás: az elválasztandó komponensek adott elektromos tér hatására kialakuló eltérı migrációs sebességén alapul elektroozmotikus áramlás: (electroosmotic flow, EOF) a folyadék elektromos tér hatására valamely töltéssel bíró felület mentén kialakuló elmozdulása
κ=GK
Λm =
κ: fajlagos vezetıképesség [S cm-1] G: vezetıképesség [S] K: cellaállandó [cm-1]
κ c
moláris fajlagos vezetıképességet (Λm) Kohlrausch elsı törvénye
Λm = λ + λ +
−
λ+: a kation moláris fajlagos vezetıképessége [cm2Ω-1mol-1] λ-: az anion moláris fajlagos vezetıképessége [cm2Ω-1mol-1]
Λ m = Λ 0 − kc1 / 2
Kohlrausch második törvénye: erıs elektrolitok
Λ0: végtelen híg oldat moláris fajlagos vezetıképessége [cm2Ω-1mol-1] c: elektrolit koncentrációja [M] k: állandó [M-1/2] ion vándorlását végtelen híg elektrolitoldatban Fe: elektromos erı zi: az i komponens töltésszáma e: az elemi töltés E: az elektromos térerısség [V·cm-1]
Fe=zi·e·E
súrlódás miatt
Fs=k·η·vi0
k: állandó [cm] η: az oldat viszkozitása [Pa·s] vi0: az i komponens vándorlási sebessége a végtelen híg oldatban
Stokes-törvény: k=6πr
Fe=Fs
vi = 0
ri az i ion hidrodinamikai sugara
zi e E 6πηri
A vándorlási sebesség egyenesen arányos a térerısséggel.
vi µi = E zi e µi = 6πηri
mozgékonyság híg oldat, gömb alakú részecske
valóság: iont körülvevı ionok gátolják a mozgását (elektrosztatikus kölcsönhatások)
µieff =
qeff 6πηR
µieff: effektív elektroforetikus mozgékonyság qeff: az ion effektív töltése R: az ion teljes sugara
az elektroforetikus mozgékonyság függ: az ion töltésétıl (lehet pozitív ill. negatív töltésének elıjelétıl függıen) sugarától alakjától szolvatáltságának mértékétıl a közeg viszkozitásától pH-jától, ionerısségtıl hımérséklettıl
üveg felület & víz: szilanol csoportok pH > 2,5: deprotonált forma: pozitív töltéseket vonzanak: negatív elektród (katód) felé mozognak: folyamatos áramlás (dugószerő áramlási profil)
PC D
E
K
E
D
P
P
„outlet”
„inlet” V
A kapilláris elektroforetikus készülék sematikus rajza E: elektród; K: kapilláris; D: detektor, P: puffertartó edény; PC: személyi számítógép; V: tápegység
E L E K T R O F E R O G R A M
kation semleges molekula anion
µa: látszólagos mozgékonyság µe: effektív mozgékonyság µEOF: elektroozmotikus áramlás
µa = µe + µEOF
Alapeset: bemenet: + kimenet: kation: komigrál anion: kontramigrál
D katód (-)
anód (+) EOF vk va
outlet
V
inlet
D anód (+)
katód (-) EOF vk va
outlet
V
inlet Fordított polaritás: bemenet: kimenet: +
Kromatográfia alkalmazása, mint mintaelıkészítési lépés „frakciókra” történı szétválasztás, majd kromatográfiás analízis: •analitikai •szemipreparatív •preparatív
kétdimenziós GC (2D GC, GCxGC)
HPLC: nem destruktív detektor: frakcionálást követı további elválasztás off-line és on-line kialakítás LC-GC LC-LC LC-GC
LC-LC
Oszlopváltásos technika (column-switching)
Mennyiségi meghatározás „minıségének” javítása (pontosság, helyesség, reprodukálhatóság, stb.) A belsı standard: • Alacsony extrakciós hatásfok kompenzálása; • Mintaveszteségek (bepárlásnál, extrakciónál, megkötıdés az edények falán) kompenzálása; • Injektálás pontatlansága; • Detektorban történı viselkedés (pl. MS-ben ionizáció foka)
A „jó” belsı standard: • Kémiailag nagyon hasonló legyen a vizsgálandó vegyülethez (funkciós csoport helye, deuterált vegyület, stb.) • Kromtagráfiásan jól elválasztható (MS detektor esetében nem feltétlenül szükséges); • Könnyen beszerezhetı, olcsó.
Robotizált mintaelıkészítı rendszerek
Elınyök: elvégzik az unalmas, ismétlıdı munkát emberi hibatényezık megszőnnek potenciálisan fertızı illetve kellemetlen minták kezelése könnyen dokumentálhatók flexibilitás
Hátrányok: lassabban dolgoznak mint az emberek karbantartási igény gazdaságossági feltételek (beszerzési, mőködtetési ár)
