MŰSZERES ANALITIKAI KÉMIA ELVÁLASZTÁSTECHNIKA. Kémia szak 2014/15. II. félév Zsigrainé dr. Vasanits Anikó

Átírás

1 MŰSZERES ANALITIKAI KÉMIA ELVÁLASZTÁSTECHNIKA Kémia szak 2014/15. II. félév Zsigrainé dr. Vasanits Anikó

2 Tantárgyi követelmények I. II. éves kémia BSc Műszeres analitika (kv1c1an3) tantárgyból Előadás: az ELTE SZERVEZETI ÉS MŰKÖDÉSI SZABÁLYZATA II. kötetének HALLGATÓI KÖVETELMÉNYRENDSZER -e szerint az előadásokon való részvétel nem kötelező, de erősen ajánlott, hiszen a vizsga anyaga döntően az előadások anyaga Vizsgafeltétel: az Az analitikai kémia (kv1c1an1) előzetes teljesítése. D típusú kombinált vizsga, melynek keretében a szorgalmi időszak végén írt írásbeli zárhelyi dolgozat alapján az oktató, az elért eredménytől függően érdemjegyet ajánlhat meg, a megajánlott jegyeket legkésőbb a vizsgaidőszak első hetének utolsó napjáig közzéteszi. Ha a hallgató a megajánlott jegyet nem fogadja el (vagy az oktató nem ajánlott meg jegyet az írásbeli alapján), akkor a hallgató a vizsgaidőszakban szóbeli vizsgát tesz. Írásbeli dolgozat megírásának feltétel: 66%-os előadás részvétel, katalógus alapján.

3 Tantárgyi követelmények II, Az írásbeli zárthelyi dolgozatra akkor adható megajánlott jegy, ha mindkét témakörét (Spektroszkópia és Elválasztástechnika) legalább 60%-ra teljesítette a hallgató. A két témakör összesített eredménye alapján történik a jegy megajánlása. A ZH írás feltételei az ELTE SzMSz HKR -e szerint a következők: - amennyiben a teljesítéshez zárthelyi dolgozat/ok megírása követelmény, és a hallgató bármelyik dolgozat írása során nem megengedett segédeszközt használ, a hallgató a tárgyból nem kaphat elégtelentől különböző gyakorlati jegyet.

4 Vizsga Vizsga: A hallgatók külön szóbeli vizsgát tesznek (egyazon vizsganapon) a Spektroszkópia és külön az Elválasztástechnika tananyagból, mely érdemjegyek átlagából kapják a végső jegyet. Valamelyik részvizsga elégtelenre való teljesítése esetén, a vizsgajegy elégtelennek számít. A sikertelen vizsga ismétlése a HKR előírásai szerint történik. Hármas, vagy annál jobb részvizsgát nem kell ismételni és a megszerzett jegy továbbvihető a következő vizsgaidőszakokra. Az írásbeli zárthelyin és a vizsgán szerzett részosztályzatok nem kombinálhatóak.

5 Tematika 1, Bevezetés, adszorpciós kromatográfia 2, szloptechnikák - Ion-, gél- és affinitás kromatográfia 3, Papír- és vékonyréteg kromatográfia 4, Általános kromatográfiás fogalmak 5-6, Gázkromatográfia 7-8, Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia 9, Túlnyomásos vékonyrétegkromatográfia 10, Kapilláris elektroforézis, kapilláris elektrokromatográfia 11, Tömegspektrometria, kapcsolt technikák 12, Mintaelőkészítés, alkalmazások

6 Irodalom Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai: Kémiai és műszeres elemzés, Semmelweis kiadó 1999, vagy ALLITER , Pokol György Sztatisz Janisz: Analitikai kémia I fejezet Műegyetemi Kiadó, olgy_analitikai-kemia/adatok.html Kremmer Tibor, Torkos Kornél Elválasztástechnikai módszerek elmélete és gyakorlata Akadémiai Kiadó 2010 Weboldal:

7 Mintaelőkészítés: mop425/0047_zaray- Tatar_Kornyezetminosites/adatok.html Videók: mop425/0001_1a_a3_01_ebook_analitikai_ kemia_anyagmernokoknek_video/adatok.ht ml

8 ANALITIKAI KÉMIA Minőségi (kvalitativ) analízis Mennyiségi (kvantitativ ) analízis

9 ANALITIKAI KÉMIA Klasszikus Műszeres

10 ANALITIKAI KÉMIA modern definíciója 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, valamint társadalmunk kulturális értékeinek. (Basel Euroanalysis X konferencia, 1998) Az analitikai kémia az a tudományág, amely módszereket, műszereket és stratégiákat dolgoz ki és alkalmaz, hogy információkhoz jussunk az anyag összetételéről és természetéről térben és időben. (Európai Kémikus Egyesületek Szövetségének Analitikai Munkacsoportja - FECS/WPAC, 1993).

11 A világon évente elvégzett analitikai mérések számát tízmilliárdos nagyságrendűre becsülik. Nem lehet túlzónak tekinteni azokat a véleményeket, hogy egy társadalom fejlettségi fokára jellemző az évente egy főre eső elvégzett analitikai mérések száma. Az a tény, hogy az analitikai kémia feladatköre nemcsak az anyag összetételének, hanem természetének, szerkezetének meghatározása, valamint a műszerfejlesztés is, jelentős érdekeltségeket biztosít az analitikának a fizika területén. A modern spektroszkópiai és egyéb fizikai módszerek egyik legfontosabb alkalmazási területe ui. a gyógyszerkutatás és rokon területek által előállított vagy izolált anyagok szerkezetének felderítése, vagy az anyagtudományok területén felmerülő szerkezeti problémák megoldása (pl. félvezetők, szupravezető kerámiák, különleges mechanikai tulajdonságokkal rendelkező polimerek stb. kutatása). Hasonlóképpen kiterjesztette hatókörét az analitikai kémia a biológia és az orvostudomány jelentős területeire.

12 Itt nemcsak az enzimológia és immunológia eredményeinek széleskörű analitikai alkalmazásaira, valamint arra az igen nagyszámú mérésre gondolunk, amit egy új gyógyszer kifejlesztése során a farmakológiai, gyógyszerkinetikai és metabolizmus kutatólaboratóriumokban elvégeznek, hanem az analitika meghatározó szerepére a klinikai diagnosztikában, gyógyszer-monitorozásban, toxikológiában stb. Sőt ezen túlmenően a fenti definíció szerint analitikai tevékenységnek lehet tekinteni olyan alapvető fontosságú kutatásokat is, mint biopolimerek (másodlagos) szerkezetének felderítése és az azokat tartalmazó bonyolult rendszerek (pl. biológiai membránok) szerkezetének kutatása. Meghatározó a jelentősége az analitikai kémiának a mezőgazdasági és élelmiszertudomány és termelés, valamint a környezettudomány területein is. Gondolatok az analitikai kémia helyzetéről a nagyvilágban, Európában és hazánkban GÖRÖG SÁNDR AZ MKE Analitikai Szakosztály által rendezett Analitikai Napok (1998. január )

13 MŰSZERES ANALITIKA Elektroanalitikai módszerek Spektroszkópiai módszerek Elválasztástechnikai módszerek

14 KRMATGRÁFIA: Elválasztástechnika Speciális fizikai-kémiai, analitikai és preparatív elválasztási módszerek összessége, oldatban levő, szilárd, vagy gázhalmazállapotú, sokkomponensű elegyek összetevőinek egymástól való elkülönítésére. Általános alapelv: Egy keverék komponenseinek két egymással nem elegyedő fázis (álló- és mozgófázis) közötti anyagátmenet, valamint az egyes alkotóknak az álló- és mozgófázissal való eltérő kölcsönhatása.

15 Álló- és mozgófázis Állófázis: - szilárd, - folyékony, de mindenképpen helyhez kötött, - gél. Mozgófázis: - gáz gázkromatográfia - folyadék folyadékkromatográfia - szuperkritikus folyadék szuperkritikus fluid kromatográfia A fázisok közötti anyagátmenet dinamikus jellegű. Minta útja : mozgó fázis állófázis új mozgó fázis új állófázis

16 Kromatogram kialakulása

17 Csúcs elúciós profil Ki = ci,s ci,m

18 Dinamikus egyensúly jön létre. Időegység alatt az állófázisba bejutott molekulák (atomok, ionok) száma = időegység alatt a mozgófázisba jutott részecskék száma (egy másik pontján a rendszernek). Speciális kölcsönhatások a minta és az állófázis között: a, Fizikai - adszorpció, - abszorpció (megoszlás). b, Kémiai - másodlagos kötőerők, - sav-bázis és ionos kölcsönhatások. c, Biológiai - enzim-szubsztrát kapcsolat

19 A kromatográfiás módszerek csoportosítása MÓDSZER KÖLCSÖNHATÁS AFFINITÁS MÉRTÉKE Adszorpciós kromatográfia Adszorpció Adszorpciós együttható Megoszlási kromatográfia Ioncserés kromatográfia Gélkromatográfia Affinitás kromatográfia Megoszlás (extrakció) Elektrosztatikus (megoszlás) Diffúzió Biospecifikus (adszorpció) Megoszlási állandó Töltés, disszociációs állandó, ionátmérő Molekulaméret Nincs általános mérték (Michaelis állandó)

20 Adszorpció Egy gáz, folyadék vagy szilárd réteg képződése egy szilárd anyag, vagy ritkábban egy folyadék felszínén. A létrehozó erők természetétől függően két típusát különböztetik meg. A kemiszorpció egyetlen réteget képez a molekulákból, atomokból vagy ionokból, amelyek az adszorbeáló felülethez kémiai kötéssel kapcsolódnak. A fiziszorpció esetén az adszorbeált molekulákat gyengébb, van der Waals erővel kötődnek.

21 ADSZRPCIÓS KRMATGRÁFIA Elválasztás alapja: Egy bizonyos fázisban oldott keverék egyes összetevői a másik fázis határfelületén koncentráció különbségeket mutatnak. Eltérő adszorpciós koefficiensek különbség a fázishatáron. koncentráció Elrendezés: szilárd adszorbens folyékony-, vagy gáz mozgófázis (oszlopban, síklapon) Az összetevők eltérő adszorpciója az adszorbens részecskék felületén a komponensek a mozgófázissal fokozatosan távoznak, eluálódnak.

22 Adszorpciós oszlopkromatográfia

23 Adszorbeált anyag és adszorbens közötti kölcsönhatás Koordinatív kötés Másodlagos kötőerők (diszperziós, dipól-dipól és H-híd) DE! Kemiszorpció- kovalens kötés kialakulása kerülendő

24 Adszorpciós egyensúly jellemzése az adszorpciós együtthatóval K A ~ c2 állófázis c1 mozgófázis

25 Adszorbensek jellemzése 1. Megfelelő szemcseméret. 2. Szilárdság. 3. Nagy felület ( 100 m 2 /g). 4. Egyenletes pórusméret. 5. Egyenletes szemcsealak, lehetőleg szabályos gömböcskék. 6. ldhatatlan legyen a mozgófázisban. 7. Indifferens legyen a mozgófázissal és az elválasztandó vegyületekkel szemben.

26

27 Adszorbens kapacitása: egységnyi tömeg által adszorbeált anyagmennyiség. Adszorbens aktivitása: kötőképesség erőssége. Adszorbens szelektivitása: egységnyi adszorbens tömegen legnagyobb mértékben adszorbeált komponens mennyisége a többi összetevőhöz képest. Szervetlen adszorbensek: 1, Szilikagél legáltalánosabban használt, Si-H felületi csoportokkal, H-híd képzése az elválasztandó anyagokkal. Gyengén savas természetű bázisos anyagok elválasztási nehézsége. Használat előtt C-on kihevítés kötött víz eltávozása.

28 H Si Si H Si Si H Si Si Si H Si Si Si H Si Si

29 Kloroform adszorpciós izotermája szilikagélen, heptán oldószerben 40 w/v%

30 Két-rétegű oldószer adszorpció etil-acetát (B) heptánban (A)

31 Etil-acetát adszorpciós izotermája szilikagélen in Heptane

32 Két-rétegű oldószer adszorpció + minta Heptán(A)+4m/V% etil-acetát(b)+benzil-acetát(solute)

33

34 H H H 2, Aluminium-oxid Felületi Al-H- és Al- - -hoz kapcsolódó H-híd képzése bázikus jelleg C-on kifűtéssel aktíválják, aromás vegyületek szelektív adszorpciója és savas komponensek elválasztása. Szerves adszorbensek: 1, Aktív szén Növényi és állati eredetű anyagok elszenesítési terméke (fa-, dióhéj-, csont-, vér- és cukorszén). Apoláros adszorbens nagy moláris tömegű, szerves vegyületek kötődnek nagyobb mértékben (aromás-, kén-, bróm-, és jódtartalmú molekulák) diszperziós kölcsönhatások révén. Al Al Al Al A

35 A mozgófázis jellemezése 1. A minta összetevőit eltérő mértékben oldja. 2. A minta összetevőivel és az állófázissal ne alakuljon ki irreverzibilis kölcsönhatás. 3. Viszkozitása csekély legyen. ELUTRÓP SRK A mozgófázis elúciós készségét jellemezzük az alkalmazott rendszer függvényében (adszorbens és adszorbeált anyag). Az elúciós készség a dielektromos állandóval (ε) arányos. Sorrend: a, aluminium-oxidon (hidrofil adszorbens): hexán<<benzol<kloroform<<etil-acetát<acetonitril<etanol <metanol<víz<ecetsav b, aktívszén (hidrofób): fordított sorrend ldószerelegyek használata. Tisztaság!

36 Kromatográfia = színes írás Mikhail Semenovich Tswett 1903 növényi pigmentek elválasztása adszorpciós oszlopkromatográfiával. CaC 3 állófázis - petroléter /kén-diszulfid mozgófázis.

37 Kísérleti elrendezés

38 IZLÁCIÓja egy-egy komponensnek (tisztítás extrakcióval és kristályosítással) ELVÁLASZTÁSa az összes jelenlevő komponensnek (adszorpciós kromatográfiával) Cvet módszere feledésbe merült, és csak ben alkalmazták újra Richard Kuhn és Edgar Lederer Heidelbergben tojássárgájából választottak el a karotinoidokat.

39 Magyar kromatográfusok Zeichmeister László ( ) Cholnoky László ( )

40 : nagy hatású preparatív szerves kémiai elválasztó módszer kifejlesztése a színes karotinoidok oszlopkromatográfiás elválasztására. Sikerült a kapszorubint, a likofillt, likoxantint, valamint a pirospaprika festőanyagát, a kapszantint is izolálnia. "Die chromatographische Adsorptionsmethode (Bécs, 1937 és 1938). "Principles and practice of chromatography (London, 1943, 1948, 1953). A könyvet a kémiai szakirodalom, mint a legelső kromatográfiás kézikönyvet tartja számon. "Progress in Chromatography " (New York, 1950).

41 Flash Chromatography

42 MEGSZLÁSI KRMATGRÁFIA A folyadék-folyadékkromatográfiás elválasztás elvi alapja a megoszlás oldódási egyensúly jön létre: Kd = c1 vegyület koncentrációja az állófázisban c2 vegyület koncentrációja a mozgófázisban Megoszlási állandó A folyékony állófázis rögzítése: Szilárd szemcséket folyadékban duzzasztják és oszlopba töltik. Állófázis típusai: 1, Szilikagél poláros felület, apoláros mozgófázis, módosítok használata (pl. 1% víz). 2, Cellulózpor használat előtt a szerves oldószerrel extrahálni kell.

43 Állófázis: poláris Mozgófázis: apoláris (szerves oldószer) Egymással ne elegyedjenek Egymásban kevéssé oldódjanak

44 Belső kromatogram - rövidebb elválasztás, mivel az eluciót, csak a komponensek tölteten való elkülönítéséig végezzük. Külső kromatogram az eluciót addig végezzük, amíg az elválasztott komponensek el nem hagyják az oszlopot.