Mintavétel és mintaelőkészítés II.

Átírás

1 Mintavétel és mintaelőkészítés II. Dr. Galbács Gábor NYOMANALÍZIS Az analízis általános lépései Mintavétel és tartósítás Mintaelőkezelés (fizikai műveletek) Mintaelőkészítés (kémiai műveletek) Műszeres mérés

2 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 próbálnak szolgáltatni (pl. speciáció, 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 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).

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

4 NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz

5 NYOMANALÍZIS Reagensek minőségi jellemzői és követelményei - laborvíz Függetlenül a használt minőségi kritériumrendszertől, a felhasználás függvényében további tisztítási lépések lehetnek szükségesek az I. tisztasági fokozatú (Type I, Grade I) víz esetében is. Így 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 Reagensek minőségi jellemzői a laborvíz lehetséges szennyezői szervetlen ionok szerves molekulák baktériumok szilárd részecskék oldott gázok

6 NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása - desztilláció Minőség: min. 1 µs és kb. 500 ppb TOC (javítható kétszeres desztillációval) Szervetlen szennyezők az üvegből vagy a fűtőberendezésből, továbbá hűtő falán található vékony folyadékfilmen keresztül migráció révén eljuthatnak a szedőbe. Szerves molekulák, amelyek forrpontja 100 C alatt van teljesen átjutnak, de az efölöttiek egy része is a vízgőzben oldódással, vagy új vegyületek képződése révén (pl. a csapvíz klórtartalmából). Szerves vegyületek roncsolása fokozható KMnO 4 -os desztillációval. Lassú folyamat, vagyis a desztillált víz hosszú idejű tárolása szükséges, ami alatt újraszennyeződés fordulhat elő a levegőből és a tárolóedényből származóan. Energia-, idő- és költségigényes. NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása forrpont alatti desztilláció (sub boiling) Normál desztilláció során az intenzív forrás keltette folyadékcseppek magukkal ragadják a vízben oldott szennyezések egy részét. Ez elkerülhető, ha a vizet lassan, kíméletesen párologtatjuk el a felszínén keresztül, infravörös sugárzással. Ehhez az edényzetet általában fluoropolimerből vagy kvarcból készítik. Illékony folyadékok tisztítására egy további finomítási lehetőség az izoterm desztilláció. Fémes szennyező Normál desztillált vízben (ng/g) Fe 10 0,05 Ca 60 0,08 Cu 1 0,01 Mg 10 0,09 Ni 2 0,02 Pb 0,5 0,008 Cr 0,6 0,02 Sn 0,4 0,02 Forrpont alatt desztillált vízben (ng/g) A. Mizuike, Enrichment techniques for inorganic trace analysis, Springer Verlag, 1983.

7 NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása - ioncsere Minőség: min. 5 µs és kb. 1 ppb TOC Nagyon hatékonyan eltávolítja az ionos szennyezőket, de a mikroorganizmusok, semleges szerves szennyezők, részecskék akadálytalanul átjutnak, sőt a mikroorganizmusok el is tudnak szaporodni a gyanták felületén. Az egyszer használatos ioncserélő patronok (cartridge) jobbminőségetprodukálnak,minta regenerálásnak alávetett gyanták, mivel a savas/lúgos agresszív regenerálás során a gyanta egy része könnyen sérül (bomlik), ezáltal szerves molekulákat és részecskéket juttathat a vízbe. A regenerálás ráadásul idő- és vízigényes folyamat, mivel a fölös savat/lúgot ki is kell öblíteni a gyantából. NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása aktív szén Ma az aktív szén előállítása polisztirol gyöngyök kontrollált pirolízisével történik ezzel lehet elegendően tiszta anyagot előállítani nyomanalitikai minőségű adszorpciós tisztításhoz. Előnye, hogy nagy kapacitású és igen hatékony a kisebb szerves molekulák és apoláris szervetlen anyagok megkötésére (amelyek beférnek a pórusokba). Hátránya, hogy finom eloszlású szén szennyeződés juttathat a vízbe.

8 NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása mikrofilterek Amikrofilterektipikusan0.1 10µm pórusokkal bírnak (működési nyomás: néhány bar), csak a részecskék és mikroorganizmusok ellen hatásosak. A mélységi szűrők (depth filters), lévén hogy összepréselt szálas anyagokból állnak, nagy kapacitással bírnak a szilárd szemcsék eltávolítására. Pórusméretük kevésbé jól definiált, ezért hatékonyságuk kisebb (pl. 98%), mint a screen filtereké. Ezek a szűrők ezértelőtisztítőként használatosak. A membrán (screen) filterek pontos pórusméretet tartalmazó flexibilis vagy merev membránszerkezetú szűrőközegek, amelyek lényegében 100% hatékonyságúak, azonban kapacitásuk igen kicsi, hiszen csak a felületükön képesek visszatartani a részecskéket. Útótisztító lépésként használatosak. Leggyakoribb pórusméret: 0,2 µm. A felületi szűrők (surface filters) átmenetet képeznek a két másik típus között (felhasználásuk is ezért univerzális). Ezek a filterek több szűrőközeg réteget tartalmaznak. NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása ultra- és nano filterek, fordított ozmózis

9 NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása fotooxidáció UV (általában 254 nm) fénnyel való besugárzás a szervesanyag fotoxidációját idézi elő. A folyamat végeredménye széndioxid, ezért a vezetőképesség némiképpen megnő, de a TOC levihető vele 5 ppb alá. Kis kapacitású, kizárólag utótisztitó lépésként alkalmazható. A vízminőséget vezetőképesség mérésével, TOC méréssel (szintén fotooxidáción alapul) és fényelnyelőképesség-méréssel ellenőrzik. NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása a Millipore Milli Q referencia rendszer

10 NYOMANALÍZIS A laborvíz tisztítása a Millipore Milli Q referencia rendszer ioncserélt vagy desztillált víz betáp ioncsere + aktív szén + mikrofilter UV lámpa ioncsere + aktív szén + mikrofilter UV lámpa + ultrafilter NYOMANALÍZIS Vegyszerek, reagensek minőségi osztályai

11 NYOMANALÍZIS Vegyszerek, reagensek minőségi osztályai Certified reference materials (CRMs) KÉMIAI MINTAELŐKÉSZÍTÉSI MÓDSZEREK ÁTTEKINTÉSE Lehetséges célok Amintákkémiaielőkészítése is többféle módon történhet, az analízis céljainak megfelelően. Itt a következő fontosabb módszereket fogjuk tárgyalni: 1. Elválasztás (extrakció) 2. Dúsítás/hígítás (bepárlással, extrakcióval, stb.) 3. Származékképzés (maszkolás, jelölés, stb.) 4. Roncsolás elemanalízis céljára

12 Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek célja bizonyos mintakomponensek egymástól különválasztása, elkülönítése. Többnyire három lépésben valósítjuk meg: 1. Az érintett komponensek kémiai átalakítása (ha szükséges) 2. A komponensek megosztása két egymással érintkező fázisban (megoszlási egyensúly) 3. A fázisok fizikai/mechanikai elkülönítése Ezen lépéseket illusztrálják a következő ábrák. Megjegyzés: az oldószeres kioldás is az elválasztási műveletek egyik fajtája, amikor nincs kémiai átalakítás és a mintánk szilárd halmazállapotú MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek a mintaelőkészítés legfontosabb csoportját képezik. Ennek oka, hogy elválasztást igen gyakran végzünk az analízis során, pl.: amérendő megszabadítása zavaró komponens(ek)től amérendő átvitele a mérésre alkalmasabb fázisba a minta tisztítása a minta közegének egyszerűsítése stb.

13 Elválasztás (extrakció) Első lépés: kémiai átalakítás (konverzió) Egy A és C komponensekből álló minta reagáltatása X reagenssel (példa): MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás (extrakció) Második lépés: megoszlás A mintakomponensek megoszlása két fázis között (1 és 2); az AX komponens egyensúlyi koncentrációja a 2. fázisban, míg a C komponensé az 1. fázisban nagyobb (példa): A két fázis lehet: gáz és folyadék, gáz és szilárd, folyadék és folyadék, folyadék és szilárd ).

14 Elválasztás (extrakció) Harmadik lépés: fizikai elkülönítés A két fázist alkalmas módszerrel (pl. szűrés, dekantálás, centrifugálás, stb.) egymástól elkülönítjük. MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás (extrakció) Az elválasztást többféle üzemmódban végezhetjük el: 1. Egylépéses ( batch ): egyetlen elválasztást végzünk a két fázis között 2. Többlépéses vagy sorozatos ( multiple/sequential batch ): egymás után többször hajtjuk végre az elválasztást a hatékonyság növelése érdekében 3. Folyamatos extrakció: a megosztó fázis állandó áramoltatásával nagy hatékonyságú elválasztást érünk el (ilyen pl. a frakcionált desztilláció és a kromatográfia)

15 Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek jellemzésére az alábbi mennyiségek használatosak. Mindenütt feltételezzük a termodinamikai egyensúly beálltát (1 és 2 a fázisok, A és B a komponensek) Megoszlási (egyensúlyi) állandó: [ A] K D = [ A] Megoszlási hányados: Elválasztási tényező: 1 2 [A összes ] 1 D = [A ] β = K K DA DB összes 2 D vagy D A B MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás (extrakció) Az elválasztás hatékonysága sok külső tényezőtől is függhet, pl. nyomás, hőmérséklet vagy a rendszer ph-ja, ezért ezeket is optimálni célszerű az alkalmazáskor. Példa: a megoszlási hányados értékének függése a ph-tól benzoesav vízből dietil-éterbe való extrakciójakor.

16 Elválasztás (extrakció) - alkalmazások Az elválasztási műveleteknek egész tárháza ismeretes, amelyek az alkalmazás céljában, az érintkező fázisokban, stb. különböznek. A legfontosabbak a következők: Folyadék-folyadék extrakció (két nem elegyedő folyadék) Csapadékképzés (eltérő oldhatóságon alapul) Ioncsere (szilárd-folyadék ioncsere egyensúlyon alapul) Adszorpció/deszorpció (szilárd fázis, szorpciós egyensúly) Illékonyítás/desztilláció (eltérő illékonyságon alapul) Abszorpció (eltérő oldhatóságon alapul) Dialízis (féligáteresztő hártyán keresztül való diffúzió esete) Kioldás (szilárd mintából) MINTAELŐKÉSZÍTÉS Kioldás (extrakció) Szilárd mintákból egyes komponensek kioldása lehet szükséges az analízishez, különböző célból. Példák: 1. Élelmiszerek zsírtartalmának meghatározása (a zsírok nagymértékben apolárisak, így apoláris oldószerrel, pl. hexán vagy petroléter, végezhetjük a kioldást) 2. Talajok kioldható fémion-tartalmának vizsgálata (vízzel, ecetsavval, ammónium-acetáttal, EDTA oldattal szekvenciálisan végezve az extrakciót meghatározható a talajok növények számára hozzáférhető fémtartalma, stb.) 3. Adalékok vizsgálata műanyagokban (a gyártás során műanyagokba, gumiárukba kerülő monomerek, lágyítók, öregedésgátló, gyorsítók és más adalékok vizsgálatához szintén kioldást alkalmaznak megfelelő oldószerrel)

17 Kioldás (extrakció) Az extrakció legegyszerűbbmódjaaszilárd(célszerűen a nagy hasznos felület miatt finom szemcsézettségű) minta összerázása a megfelelő oldószerrel egy zárt lombikban vagy választótölcsérben, majd az oldat tisztájának (oldószer + kioldott mintaalkotók) leszűrése. Itt jegyezzük meg, hogy a folyadék-folyadék extrakció művelete is hasonló technikailag. MINTAELŐKÉSZÍTÉS Kioldás - Soxhlet extrakció A Soxhlet extraktorban a mintát egy speciális vastag pórusos szűrő-papírszerű tokba teszik. Az oldószer az alsó lombikból forralással a felső térbe kerül, ahol egy hűtő agőzöket kondenzálja és a visszacsöpögő folyadék a mintára kerül. A filter térben a folyadék feleslege átbukik az alsó lombikba. Az oldott anyag az oldószerrel a szifonból a lombikba kerül, ahonnan csak az oldószer távozik, így a lombikban egyre töményebb formában lesz jelen az extrahált komponens. Ez a ciklus újra ismétlődhet akár órákon át is. Az extrakció végén a filtert általában a maradék szilárd anyaggal együtt kidobjuk. Az oldószer a kioldott komponensek termikus kímélése érdekében alacsony forráspontú, pl. diklór-metán vagy dietil-éter.

18 Elválasztás - folyadék-folyadék extrakció A folyadék-folyadék extrakció során két nem elegyedő folyadékfázis (pl. egy poláris és egy nem poláris oldószer) között oszlatjuk el a mérendő komponens(eke)t. Felhasznált eszköz: választótölcsér. Gyakori alkalmazási példa a fémionok vizes oldatból apoláris szerves közegbe való átrázása. Itt a poláris karakterű fémionokat pl. semleges töltésű, stabilis, apoláris kelátkomplexbe kötve tehetjük alkalmassá a szerves fázisba való átjuttatásra. ( vizes közeg ) (szerves oldószeres közeg) MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás - folyadék-folyadék extrakció Példa: Al 3+ ionok elválasztása oxinnal (8-hidroxi-kinolinnal) ( vizes közeg ) ( ldó kö ) (szerves oldószeres közeg) CHCl 3

19 Elválasztás csapadékképzéssel Az elválasztás alapulhat azon is, hogy a komponenst csapadékba (folyadékból szilárd fázisba) visszük, vagyis oldhatóságát nagyon lecsökkentjük. Ilyenkor a fázisok elválasztása pl. szűréssel vagy centrifugálással lehetséges. Példa: fémionok szulfidcsapadékjainak képzése (jobbra) Példa: teljes vérminták fehérjetartalmának kicsapása és eltávolítása klinikai analízis előtt 5%-os vizes TCA (triklór-ecetsav) reagens alkalmazásával MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás ioncserével Ionos karakterű komponensek elválasztása ioncsere egyensúlyok kihasználásával is lehetséges. Az ioncsere folyamatokat oldatminták és szilárd ioncserélő gyanták (polimerek) között. Az ioncsere tulajdonságú polimerek olyan elágazó szénláncú (keresztkötéseket tartalmazó) oldhatatlan polimerek, amelyek ionogén csoportokat tartalmaznak. Ezek az ionogén csoportok képesek kationok vagy anionok reverzibilis megkötésére. Az egyik leggyakoribb polimer a polisztirol-divinilbenzol (PSDVB).

20 Elválasztás ioncserével - alkalmazások Az ioncserélő gyanták fontos gyakorlati alkalmazása a vízlágyítás illetve ioncserélt víz előállítása. Az analitikai alkalmazási példák között szerepel pl. fémion lecserélése protonokra (kation cserélő gyantával), ami sav-bázis titrálás alkalmazását teszi lehetővé a fémion meghatározására. Példa: vízminták sótartalmának meghatározása MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás - illékonyítás és desztilláció Egyszerű és gyakori módszer a desztilláció, ami a komponensek eltérő forráspontján (illékonyságán) alapul. (a) Desztilláló készülék (b) frakcionált desztilláló

21 Elválasztás - illékonyítás és desztilláció Egy másik rokon eljárás az illékonyítás, amikor kémiai reakcióval a szilárd vagy oldott állapotban lévő komponenseket kémiai reakcióval (és melegítéssel) gázhalmazállapotúvá alakítjuk. Példák: W 3 2 ( s) + O2,(g) WO3,(g) Szeparálandó kevert fázisok Vivőgáz (pl. Ar) gáz fázis SiO HF SiF H O 2 As 3+ (aq) + 3 H AsH (g) 3(g) folyadék fázis gáz-folyadék szeparátor MINTAELŐKÉSZÍTÉS Elválasztás dialízissel A dialízis egy féligáteresztő hártya segítségével, a komponensek méretbeli különbségén alapuló elválasztási eljárás. Különösen biokémiai rendszerek kolloid méretű és oldott komponenseinek elválasztására alkalmazzák. Példa: alkoholmentes sörök (és borok) előállítása dialízis előtt dialízis után

22 Dúsítás Dúsítás azokban az analitikai alkalmazásokban szükséges, amikor a mérendő komponensek koncentrációja alacsonyabb, mint ami jól mérhető. A legtöbb esetben a dúsítás során valójában elválasztást végzünk oly módon, hogy az elválasztás után kisebb végtérfogatba juttatjuk a mérendő komponenst. Példák: Bepárlás (oldószer elpárologtatása) Folyadék-folyadék y extrakció (eltérő polaritású közeg!) Csapadékképzés és visszaoldás Ioncserélő gyantán megkötés majd leszorítás Adszorpció/deszorpció (gyors, tranziens deszorpció) Hűtött csapda (kifagyasztás) stb. MINTAELŐKÉSZÍTÉS Származékképzés A származékképzést, mint önálló (elválasztástól független) mintaelőkészítő eljárást a következő esetekben alkalmazunk: 1. Kromofor (szín) kifejlesztése 2. Radioizotópos derivatizáció (radioaktívvá tétel) 3. Maszkírozás

23 Származékképzés - kromoforok Egyes analitikai módszerek esetében, amelyek a vizsgálandó molekulák fényelnyelésén alapulnak (spektroszkópia), gyakori a mérendő komponens olyan származékképzési reakciója, amely célja a fényelnyelés biztosítása vagy annak fokozása. Kromofornak nevezzük egy molekula fényelnyeléséért (színért) felelősrészét. Példák: szalicilsav + Fe 3+ vas-szalicilátó komplex színtelen Mn 2+ oxidációja Mn 7+ halvány rózsaszín ibolyaszín élénk ibolyaszínű 3 + redukció PO4 + MnO4 + H molibdofoszforsav molibdénkék MINTAELŐKÉSZÍTÉS Származékképzés radioizotópos jelölés Bizonyos analitikai módszerek esetén előnyös lehet a mérendő komponens(eke)t radioaktív reagenssel megjelölni. Az ilyen származéknak előnye, hogy a mérendő komponens jelenléte, feldúsulása, stb. kimutatható akkor is, amikor az maga színtelen, stb. (pl. autoradiográfia). A konverzió egyik módja a lecserélhető protonok tríciumra cserélése. Példa: egér sejtekrőlkészült metszet autoradiográfiás képe (tricionált timidinnel jelölt DNA); egy másik példa lehet a vékonyréteg kromatográfia

24 Származékképzés - maszkírozás A maszkírozás a klasszikus (kémiai) analitikai eljárások során gyakran alkalmazott módszer, amely a komplexképzőkhöz kötődik. Olyankor alkalmazunk maszkírozást, ha valamilyen kémiai reakció elől el akarunk rejteni bizonyos fémionokat a szelektivitás fokozása érdekében (ez a kémiai reakció akár EDTA titrálás is lehet). Maszkírozáskor erős (azedta- nál is erősebb) komplexképző reagenseket alkalmazunk, amelyek igen nagy stabilitású komplexbe viszik a fémiont. Példaul: F - használható az Al 3+,Fe 3+,Ti 4+,Be 2+ ionok maszkírozásához CN - használható Cd 2+,Zn 2+,Co 2+,Ag +, stb. ionok maszkírozásához Ha az analízis során a fémiont később hozzáférhetővé akarjuk tenni, akkor a demaszkírozás következik. Ekkor olyan speciális reagenst adunk a mintaoldathoz, ami megbontja a stabil komplexet. Például: formaldehid