A kromatográfia elméleti alapjai

Átírás

1 A kromatográfia elméleti alapjai

2 Kromatográfiás elválasztás 1. A különbözı fizikai-kémiai tulajdonságú komponensek megoszlása az álló- és mozgófázis között eltérı (kvázi egyensúly) 2. A töltéssel rendelkezı részecskék töltésüknek, méretüknek megfelelıen, elektromos erıtérben, eltérı sebességgel mozognak (Elektroforézis) Felosztás alapja: 1. Mozgó- és állófázis minısége 2. Kényszeráramot létrehozó erı: nyomáskülönbség elektromos erıtér

3 Kromatográfia felosztása Kényszeráramlást okozó erı Nyomáskülönbség Elektromos erıtér Gáz kromatográfia GC Szuperkritikus kromatográfia SFC Folyadék kromatográfia LC Folyadék kromatográfia LC Mozgó fázis gáz szuperkritikus fluid folyadék folyadék Szilárd GSC SFC TLC IC GPC,SEC Normal phase (HPLC-NP) CE GEL ELFO Álló fázis Folyadék GLC SFC PC Reversed phase (HPLC-RP)

4 A kromatográfiás elválasztások Frontális kromatográfia

5 Kiszorításos kromatográfia

6 Elúciós kromatográfia

7 Kölcsönhatások a kromatográfiában 1. Fizikai kölcsönhatások -szorpciós: adszorpciós abszorpciós (oldódás, megoszlás) kemiszorpció -hidrofil- kölcsönhatások -hidrofób- kölcsönhatások -méret szerinti kölcsönhatások 2. Kémiai kölcsönhatások -sav-bázis kölcsönhatás -komplex képzıdés -H-hidas kölcsönhatások 3. Biokémiai kölcsönhatások -biokémiai affinitás

8 KROMATOGRÁFIÁS ALAPFOGALMAK

9 A kromatográfiás folyamat Következmény: A komponensek eltérı sebességgel vándorolnak (differenciális migráció) A kromatográfiás folyamat elırehaladtával a sávok kiszélesednek (band broadening)

10 Retenciós adatok Retenciós idı: t R Holt idı: t M (t 0 ) Redukált retenciós idı: t R = t R - t M Retenciós térfogat: V R = Redukált retenciós térfogat: R R ( R M ) R M V V = t t R F F = t t F = V V Nettó retenciós térfogat: (GC) N R ( R M ) R M = jv = j t t F = jv jv Fajlagos retenciós térfogat: (GC) V 273 V = N m g L : m T L megosztófolyadék tömege

11 Retenciós faktor (k ) A komponens az elválasztás során mennyi idıt tartózkodott az állófázison viszonyítva a mozgófázisban eltöltött idıhöz képest. k : a kvázi egyensúly megoszlási hányadosa, ha az anyagmennyiséget mólban adjuk meg k = n S /n M

12 M s n n k = k n : x móljainak száma = + k 1 M M s M M M s n n n n n n n + = + k n n n R M s M + = + = 1 1 u u R x = k u u x = 1+ R X X R t L u u L t = = M M t u L u L t = = ( ) k t u ut t M x M R + = 1 M M R t t t k = M t = t 0 : retenciós faktor Retenciós faktor (k ): a kvázi egyensúly megoszlási hányadosa, ha az anyagmennyiséget mólban adjuk meg

13 V R = t R F F : 3 cm / min V M = t M F V Figyelembe véve: állófázis térfogatát mozgófázis térfogatát t F M M = ( ) M VR = tr = VM 1+ k tm V S V S V k = n n S M 3 n = x V s M s M s M x s : mol / dm 3 n = x V : mol / dm x M k = V k = K V M xsv x V M s = s M K β K = x x S M β = V V M s k = K V V M ß: fázisarány s

14 k értékét a komponens megoszlására jellemzı termodinamikai folyamat szabja meg Több komponens elválasztása esetén a szelektivitási tényezı (elválasztási faktor) α az a paraméter, mely termodinamikai alapon megmutatja, hogy lehetséges-e az elválasztás k 2' α= k' 1 A megfelelı szelektivitási tényezıhöz megfelelı kinetikai hatékonyságnak kell párosulni

15 Az elúciós folyamat feltételei: 1. Dugószerő mintabevitel 2. A mozgófázis a kromatogram kifejlesztése alatt állandóan áramlik az állófázis felett 3. A mozgófázis szorpciója kisebb mértékő, mint a legkevésbé kötıdı minta komponensé

16 A kromatográfiában arra törekszünk, hogy a megoszlási hányados független legyen a koncentrációtól és a csak a hımérséklettıl függjön. A megoszlási izotermák lineáris szakaszain dolgozunk. Egy mólnyi anyag mozgó fázisból az álló fázisba való kerülésére érvényes: G i = -RT ln K i

17 Az egyensúlyi elmélet alapján megadható: 1. A kromatográfia általános egyenlete, mellyel a retenció jellemezhetı 2. Kvalitatíve értelmezi a csúcstorzulásokat 3. Értelmezi a megoszlási hányadost 4. Értelmezi a két komponens elválasztásához szükséges termodinamikai kritériumot. Nem ad választ: Milyen a koncentráció eloszlás a kolonnában való elırehaladás során Milyen tényezık befolyásolják ezt Milyen tényleges kölcsönhatások vezetnek az elválasztáshoz

18 Az elúciós kromatográfiás folyamat Következmény: A komponensek eltérı sebességgel vándorolnak (differenciális migráció) A kromatográfiás folyamat elırehaladtával a sávok kiszélesednek (band broadening)

19 A sávszélesedés szemléltetése mozgófázis haladásának iránya Sávszélesedés (Band broadening) magyarázata

20 Tányérelmélet A különbözı kromatográfiás rendszerek összevetéséhez relatív zónaszélesedést adunk meg amit elméleti tányérszámmal (N) fejezünk ki. Elméleti tányér a kolonna azon szakasza, ahol a kvázi-egyensúly létrejön. L: kolonna hossz = = σ t2 : idıben kifejezett variancia négyzet σ L2 : hosszúságban kifejezett variancia négyzet A számolásoknál a variancia (σ) helyett a pontosabb, csúcsalapon mért 4σ értéket (w) használata N = 16 2 R = t w 5,54 tr w 1/2 2

21 A tányérelmélet feltételezései: Az elméleti tányérokon pillanatszerően beáll az egyensúly A megoszlási hányados független a koncentrációtól A mozgófázis szakaszosan megy egyik tányérról a másikra A kolonna hossztengelye irányában a diffúzió elhanyagolható Ezek a feltételek nem mindig teljesíthetık

22 Sebességi elmélet

23 A sebességi elméletek feltételezései: Az állófázisból a mozgófázisba való anyagátmenet gátolt A kolonnán az áramlási sebesség sugárirányban változik az eltérı keresztmetszető csatornák miatt (Eddy diffúzió) Longitudinális (hosszirányú) diffúzió történik, melynek zónaszélesítı hatása annál nagyobb, minél tovább tartózkodik a komponens a kolonnán

24 A sebességi elmélet szerint a csúcsszélesedés oka: 1. Áramlási - nem egyensúlyi- folyamatok 2. Diffúziós folyamatok 3. Anyagátadási folyamatok

25 Gátolt anyagátmenet, Eddy és longitudnális diffúzió Porózus töltet

26 A sebességi elmélettel számolt csúcsszélesedési adatok akkor igazak, ha teljesülnek a gázokra és folyadékokra jellemzı fiz.-kém. paraméterek paraméter gáz Szuperkrit. fluid folyadék Diffúziós koefficiens (cm 2 sec -1) Sőrőség (g cm -3 ) ,3 0,8 1 Viszkozitás (poise) Reynolds szám

27 Sebességi elméletek (Van Deemter, Giddings, Knox) Zónaszélesedést kiváltó folyamatok H értékei additívek: Örvénydiffuzió H = L N C e d p

28 Anyagátadási gátlás a mozgófázisban C M d D M 2 p u Anyagátadási gátlás a mozgófázis álló részében C S M D d M 2 p u

29 Anyagátadási gátlás az állófázisban C S d D s f 2 u Longitudinális diffúzió C d D u M

30 Az állófázis, mozgófázis és a komponens kölcsönhatása

31 H additivitása H = 1 C d e p + 1 C M 1 d D 2 p M u C d D u M C S M D d M 2 p u C S d D s f 2 u Általában H kicsi, ha: 1. - kicsi a szemcseátmérı 2. - kicsi az áramlási sebesség 3. - kicsi az eluens viszkozitás 4. - nagy az elválasztás hımérséklete 5. - kicsi az elválasztandó molekula u T D M és D S

32 H függése a lineáris áramlási sebességtıl (u) (Van Deemter) gázkromatográfiás töltet esetén

33 H függése a lineáris áramlási sebességtıl (u) folyadékkromatográfiás töltet esetén

34 H u görbék különbözı szemcseátmérıjő (d p ) töltetekre H u

35 H függése a viszkozitástól (η) D M 15 7,4x10 (ψ2m = 0.6 ηv 2 ) 1/2 T

36 H függése a hımérséklettıl (T) D M 15 7,4x10 (ψ2m = 0.6 ηv 2 ) 1/2 T

37 A sebességi egyenlet különbözı alakjai h = Aν 1/3 + B ν + Cν Knox A B h + + Cν 1+ E/ν ν = Scott A B h = + 1+ E/ν ν 1/2 + + Cν Dν 1/2 Horváth A B h + 1+ E/ν ν = Giddings 3/2 + + Cν Dν 1/3

38 A kromatográfia kinetikus elmélete

39 A van Deemter, Knox elmélet hátrányai: 1. Nem veszi figyelembe mekkora nyomásesés kell egy adott N eléréséhez 2. Különbözı morfológiájú töltetek összevetése nehéz: Szemcsés töltet: d p Monolit töltet: pórusátmérı, váz szélesség 3. Nem tartalmazza azt az ellenállást, melyet a nyomásesés ( p) és a viszkozitás (η) változása okoz adott elméleti tányérszám elérésekor Ezt egy új paraméter, az elválasztási ellenállás (E) adja meg

40 Szabályos (gömb) és szabálytalan (irreguláris) töltetek

41 Monolit töltet Szilikagél töltet. Karakterisztikus paraméter : pórúsátmérı és falvastagság összege Polimer töltet. Karakterisztikus paraméter : pórúsátmérı és falvastagság összege

42 Az új összefüggés alapot teremt a kolonnák összehasonlítására E = p η t N M 2 Az összehasonlításhoz rögziteni kell a p/η értékét, mert D M az η függvénye és az η függ a mozgó fázis összetételétıl. Másrészrıl E a d p vagyis a szemcseátmérı illetve struktúra függvénye (monolit oszlop)

43 A Knox összefüggés szemcsés és monolit kolonnákra H = 0,33 B A ν + + ν Cν 5 µm monolit 3 µm Az ábra nem mutatja mekkora az E értéke a három kolonnára

44 Szemcsés és monolit töltető kolonnák összehasonlítása elválasztási ellenállás (E) alapján 5 µm monolit Áramlási ellenállás oldalról nézve: monolit jobb mint a szemcsés

45 Szemcsés és monolit töltető kolonnák összehasonlítása p F összefüggés alapján Nyomásesés ( p) szempontjából a monolit elınyösebb, mint a szemcsés. De redukált elméleti tányérmagasság (h) szempontjából nem egyértelmő.

46 A kinetikus görbe végleges transzformációja t 0 /N 2 (t E ) N összefüggés Zónaszélesedés: minimumtól balra: a hosszirányú diffúzió szabja meg (B tag) minimumtól jobbra: anyagátadási ellenállás (C tag)

47 E min és N opt szerepe monolit 5µm Kinetikus görbéknél E min és N opt együtt kell megadni Bonyolult elválasztások: monolit (nagy N opt ) Gyors elválasztások: szemcsés (nagy E 0 )

48 Oszlopon kívüli sávszélesedés A komponens V x térfogata Az oszlopon V B (V B =t B F) Összekötı vezetékekben Detektorcellában Egyéb csatlakozóelemekben V k V i V j térfogatúra szélesedik V i : térfogategységben kifejezett sávszélesedés

49 Detektorban V B sávszélesség V = B VB Vx Vi V j +K Cél: V B V B Ehhez: V X = 1/3(t w F) F= 2 ml / min (u = 0,03 ml / s) V p = 20 x 0,03 = 600 µl V x =1/3 x 600= 200 µl

50 A felbontás

51 A felbontás (R S ) definiciója R s = 1 2 t R2 (w 1 + t R1 w 2 )

52 Ha az 1. csúcsra vonatkoztatunk: R S = 1 4 N 1 ( α 1) k 1+ ' k 1 1 ' Ha a 2. csúcsra vonatkoztatunk: R S = 1 4 N 2 α α 1 k 1+ 2 ' k 2 '

53 Két komponens felbontásának grafikus ábrázolása Csúcsarány: 1:1 Csúcsarány: 2:1

54 A felbontás növelésének lehetıségei R S = 1 4 N 2 α 1 α k 1+ ' k 2 2 '

55 A felbontás függése a retenciós faktortól R S = 1 4 N 2 α 1 α k 1+ ' k 2 2 '

56 A felbontás függése a szelektivitástól R S = 1 4 N 2 α 1 α k 1+ ' k 2 2 '

57 A felbontás függése az elméleti tányérszámtól R S = 1 4 N 2 α 1 α k 1+ ' k 2 2 '

58 Gázkromatográfia

59 Kromatográfia felosztása Kényszeráramlást okozó erı Nyomáskülönbség Elektromos erıtér Gáz kromatográfia GC Szuperkritikus kromatográfia SFC Folyadék kromatográfia LC Folyadék kromatográfia LC Mozgó fázis gáz szuperkritikus fluid folyadék folyadék Szilárd GSC SFC TLC IC GPC,SEC Normal phase (HPLC-NP) CE GEL ELFO Álló fázis Folyadék GLC SFC PC Reversed phase (HPLC-RP)

60 Gázkromatográfia Gas chromatography-gc Gáz-folyadék (GLC) Gáz-szilárd (GSC) Gázkromatográfiával vizsgálható anyagok Bomlás nélkül elpárologtatható (származékképzés) Szilárd-folyadék-gáz 600 móltömegig (közvetlenül ) Analitikai módszerek 50-70%-a kromatográfiás (20-30% ebbıl kb. a GC)

61 Gázkromatográfia története M. Tswett Folyadék-szilárd kromatográfia 1903 (fejlıdése a lassú anyagátmenet problémája miatt nem dinamikus) GC dinamikus fejlıdés E. Cremer gáz-szilárd kromatográfia 1951 A. T. James, A. J. P. Martin gáz-folyadék kromatográfia 1952 van Deemter sebességi elmélet 1956 M. Golay kapilláris kolonnák kifejlesztése Schay Géza gázkromatográfiás könyv 1961 Szepesy László gázkromatográfiás könyv magyar (1961) és angol (1971) nyelven

62 Gázkromatográf (GC) tisztító patron injektor detektor PC oszlop gázpalack termosztát nyomásmérı áramlás-szabályozók Részei: 1. Eluensforrás, a gázáramlást biztosító és szabályozó rendszerrel, tisztítóval 2. Mintabeviteli rendszer 3. Kolonna a termosztáttal 4. Detektor 5. Detektorjel erısítésére szolgáló erısítı 6. Jelátviteli rendszer számítógéppel (jelrögzítés, tárolás, feldolgozás)

63

64 Gázkromatográfiás készülékek Típusai: Rutin elemzést szolgáló készülékek (reporting) Kutató készülékek (analitikai) Hordozható (portable) készülékek Preparatív Folyamat (process) Analitikai készülékek: Töltött kolonnás Vegyes kolonnás Kapilláris GC

65 Vivıgázáram elnevezés jelölés % ppm Vivıgáz minıségét megszabja: tiszta nagy tisztaságú ultra ,5 99,9 99,95 99,99 99,995 99,999 99, , ,1 -Kolonna: -töltetes: N 2, Ar D M kicsi -kapilláris: He, H 2 -Detektor: -TCD: H 2, He -FID: He, Ar, N 2 -ECD: N 2, Ar+CH 4 Acél, alumínium palackok, bar nyomással, max. 0,15 m 3 térfogattal Reduktor: nyomáscsökkentı (a gáz anyagi minıségének és a nyomásnak megfelelıt választani) bar-t kell 1-5 bar-ra lecsökkenteni 2 lépésben 1 membránszelep nyomásmérı: bar 2 tőszelep nyomásmérı: 1-5 bar

66 Áramlási sebesség szabályozása Tőszelep áramlási sebesség finom szabályozása Membrános áramlásszabályozó T növekedés hatására az áramlási sebesség csökken Tőszelep: T növekedésébıl eredı áramláscsökkenést nem kompenzálja Membrános áramlásszabályozó, integrált áramkörös nyomásérzékelı fixen tartja az áramlást

67 Mintabemérı (Injektor) A mintabemérés kritikus pont Pillanatszerő, kvantitatív és reprodukálható legyen Minta gáz/gız halmazállapotba kerüljön (főthetı) Eluenssel való elkeveredés Oldószer fókuszálás viszonylag kicsiny térfogat 0,1 µl-1 ml folyadék elpárologtatva: X térfogatnövekedés

68 Gáz halmazállapotú minták bemérése Gázmintabemérı csap - mintahurok 5-10-szeresét átengedve a mintából biztosítható, hogy a csap elfordításával valóban minta kerüljön a gázkromatográfba - különbözı térfogatú mérıhurkok (0,25 ; 0,5 ; 1 ml) - bemérıhurok főthetı is, de nem szükséges

69 Gáz halmazállapotú minták bemérése Fluidisztor - nagysebességő gázkromatográfiában használatos - gyors mintabevitel - számítógépes vezérléssel mőködtethetı Mikromennyiségő gáz halmazállapotú minták bevitele teflon dugattyús mikrofecskendıkkel történik

70 Folyadék halmazállapotú minták bemérése Mintabevitel két fı eleme: - mikrofecskendı - gázkromatográf mintabemérı, elpárologtató része Mikrofecskendık Általában 5-50 µl térfogatúak Teflon végő rozsdamentes acél dugattyú, üvegtest, kalibrált térfogat Hamilton, SGE a leggyakoribb gyártmány

71 Gázkromatográf mintabemérı része Flash elpárologtató - pillanatszerő elpárologtatás, ha injektor T = C + Fp - belsı rész üvegbetét korrózió ellen - injektor V kellıen nagy, hogy az elpárologtatás ne okozzon p növekedést, de ne túl nagy mert csökken a hatékonyság - fıleg kapilláris kolonnáknál használják, ahol nagyobb az injektált minta mennyisége

72 Gázkromatográf mintabemérı része On-column injektor - adagolás közvetlenül a kolonna töltetére - kolonna elsı 5-10 cm-es része csak töltetet megosztófolyadékot nem tartalmaz - elpárolgással egyidejőleg az elválasztás is elkezdıdik - expanziós tér lecsökkenthetı - fıleg kapilláris kolonnáknál használják, ahol nagyobb az injektált minta mennyisége

73 Gázkromatográf mintabemérı része Mintaáram elosztó (splitter) - kis mintamennyiség (0,1-0,01 µl) bevitele kapilláris kolonnáknál alkalmazzák - az injektált mennyiség nagyobb (1-2 µl) de a splitter csak 1/10-1/100-ad részét engedi a kolonnára - expanziós tér szükséges - split és splitless üzemmód

74 Splittelés hátrányai 1. A minta alkotói közötti diszkrimináció 2. A splitarány mérés közbeni ellenırizhetetlen megváltozása 3. A flash párologtatás okozta drasztikus termikus hatásra bekövetkezı esetleges termikus degradáció

75 Gázkromatográf mintabemérı része Cold on-column - hideg injektor, hideg kolonna - illékony, kevésbé hıálló vegyületek injektálására - kolonna elsı része hideg (hőtés) majd fokozatosan melegszik - nincs lehetıség splittelésre

76 Gázkromatográfiás kolonnák

77 Kapilláriskolonnák csoportosítása mikrokapillárisok: d < 150µm standard kapillárisok: 150µm < d < 500µm makrokapillárisok: d < 0,5 mm

78 Kapilláriskolonnák típusai PLOT, WCOT, SCOT kolonna Adszorpciós Abszorpciós

79 Hordozók kívánalmak: a hordozó szemcsék egységes mérete a szemcsék geometriája a hordozó termikus és mechanikai stabilitása kémiai inertség típusai: diatómaföld alapúak üveg alapúak aktívszén alapúak

80 Megosztófolyadék kívánalmak: hıstabilitás folyékony hallmazállapot jól definiált kémiai szerkezet kémiai inertség kellı nedvesítı képesség oldhatóság mérsékelt ár

81 Megosztófolyadék típusai: szénhidrogén típusú megosztófolyadékok ftálok glikol-észterek poliglikolok (poliéterek) polietilén-glikol származékok nitrilek szilikon fázisok

82 HETP függése a töltet szemcseméretétıl

83 HETP függése a megosztófolyadék mennyiségétıl

84 HETP függése a kolonna átmérıtıl

85 HETP függése a nyomástól

86 HETP függése az eluens minıségétıl

87 Gázkromatográfiás detektorok univerzális: minden molekulára ad jelet szelektív: bizonyos vegyülettípusokra ad jelet specifikus: csak bizonyos molekulákra ad jelet 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)

88 Gázkromatográfiás detektorok FID (flame ionization detector lángionizációs detektor) ECD (electron capture detector elektron befogási detektor) FPD (flame photometric detector lángfotometriás detektor) PID (photo-ionization detector foto-ionizációs detektor) MS(D) ( loecule selective detector tömegspektrometriás detektor) TCD (thermal conductivity detector hıvezetıképességi detektor)

89 Hıvezetıképességi detektorok hıvezetés: idıegység alatt, 1 m hosszon, 1K hımérsékletkülönbség hatására átszármaztatott hımennyiség. Anyagi minıségtıl függ. - állandó eluensáram állandó hıvezetés főtött szál ellenállása állandó - mintával szennyezett eluens változó hıvezetés főtött szál T változik változik az ellenállás detektorjel áramlás ingadozásából adódó hıelszármaztatás kivédése hídkapcsolással

90 Hıvezetıképességi detektorok

91 Hıvezetıképességi detektorok konvencionális: 0,5-3 cm 3 cellatérfogat (töltött kolonna) félmikrocellás: mm 3 cellatérfogat (wide bore kolonna) mikrocellás: 5-10 mm 3 cellatérfogat rétegcellás: 1-10 nl cellatérfogat (integrált mikoráramkörökhöz hasonló, LOD = g)

92 Ionizációs detektorok elektródok között akkor folyik áram, ha ionokat hozunk létre a mintából

93 Ionizációs detektorok Az ionizációhoz használt energia tipusa: - termikus energia (FID) - kinetikus energia (ECD, MS) - fényenergia (PID) - elektromos energia (kisülési ionizációs detektor DID)

94 Ionizációs detektorok Lángionizációs detektor

95 Ionizációs detektorok Elektronbefogási detektor

96 Minıségi analízis - Összehasonlítás elızıleg mért, ismert anyagok retenciós idejével - Relatív retenció alkalmazása - Addíció - Retenciós indexek - Tömegspektrométer

97 KOVÁTS-féle retenciós index Alapja: Szénhidrogén származékok homológ sorában a retenciós idık a C-atom számmal exponenciálisan növekednek Lg t R ábrázolva C-atom szám függvényében egyenest ad N alkán homológok retenciójához viszonyít

98 KOVÁTS-féle retenciós index I = 200* lgt lgt n+ 2 lgt X n x + R' R' lgt R' R' n 100n I x -ismeretlen komponens retenciós indexe t R n+2 > t R x (ismeretlen) > t R n n-páros szénatomszámú parafin szénatomszáma Jelentıssége: Ismeretlen komponens azonosítása

99 Mennyiségi analízis A detektor érzékeli az oszlopból kilépı gázáram valamilyen fizikai v. kémiai tulajdonságának megváltozását jelfeldolgozás Az elektromos jel Függhet: koncentrációtól (konc. érzékeny) idıegység alatt a detektorba jutó minta mennyiségtıl (tömegáram érzékeny) A jel és a konc. ill. a tömegsebesség közötti függvénykapcsolat keressük a mennyiségi elemzés során

100 Mennyiségi analízis - Csúcsterülethez (A) keressük az anyagmennyiséget (m) - Csúcsterület meghatározás integrálással (ma elektronikus integrátorokkal)

101 Mennyiségi értékelés Módszerek: Kalibrációs görbék felvétele Belsı standardok Addíciós módszer

102 Kalibrációs módszer A 3 A ism A 2 A 1 m 1 m 2 m ism m 3 Ismert koncentrációjú mintasorozat mérésével kalibrálva, azaz kalibrációs görbe felvétele után az ismertelen koncentrációja(tömege) a görbérıl visszaolvasva meghatározható

103 Addíciós módszer

104 Belsı standard módszer Relatív érzékenység f=ai/as*ms/mi a vizsgálandó mintához olyan anyagot (belsı standardot) adunk, amelyet a minta nem tartalmaz, de jól elváló jelet ad, és ehhez viszonyítjuk a mintakomponensek által szolgáltatott jeleket. Elızetesen meg kell határozni a minta-komponensek belsı standardra vonatkozó relatív érzékenységét.

105 Ipari oldószerek GC analízise Speciális feladatra tervezett állófázisokat is árulnak

106 A folyadékktomatográf (HPLC)

107 A folyadékkromatográfiás rendszerek felépítése I.

108 A folyadékkromatográfiás rendszerek felépítése II.

109 A folyadékkromatográf felépítése

110 Eluens tárolók Üvegedény (vizes rendszereknél: ionok oldódnak ki) Mőanyag edény (szerves eluensek lágyítókat, adalékokat oldanak ki) Eluensek gázmentesítése Forralás (differenciális párolgás) Vákuum alkalmazása (differenciális párolgás) Ultrahang alkalmazása He alkalmazása (leghatásosabb)

111 Szivattyúk Szivattyúkkal szemben támasztott követelmények: 1. Nagy nyomáson szállítson akár kis, akár nagy térfogati áramlási sebességgel 2. Pulzálás csökkentés akár mechanikusan akár elektronikusan 3. Cserélhetı nagynyomású szivattyúfej (analitikai-preparativ; acél-titán-teflon: biológiai minták) 4. Automatikus kompresszibilitás kompenzáció 5. Kompatibilis kis forráspontú oldószerekkel 6. Kompatibilis pufferolt eluensekkel 7. Kompatibilis ionpár-képzı anyagokkal 8. Gyors eluens csere biztosított legyen 9. Kis hold-up térfogat 10.Számítógépes vezérlés (mozgófázis összetétel, gradiens vezérlés, áramlási sebesség, stb)

112 Állandó nyomáson szállító szivattyúk 1. Pneumatikus szivattyú Elıny: - olcsó - egyszerő - pulzálás mentes Hátrány: - térfogat és végnyomás korlátozott - térfogati sebesség a viszkozitás és permeabilitás függvénye

113 2. Pneumatikus erısítéső szivattyú (Haskel type) Elıny: - olcsó - oldószercsere egyszerő - nagy térfogati sebesség érhetı el - szállítási nyomás gyorsan beáll Hátrány: - térfogati sebesség a viszkozitás és permeabilitás függvénye

114 Állandó áramlási sebességgel szállító szivattyúk 1. Fecskendı típusú szivattyú (Syringe-type) Elıny: - pulzálás mentes - térfogati sebesség független a viszkozitástól és a permeabilitástól - térfogati sebesség könnyen szabályozható - szállítási nyomás gyorsan beáll Hátrány: -drága - kapacitás korlátozott - oldószercsere bonyolult

115 2. Alternáló dugattyús szivattyú (Reciprocating piston pump)

116 Alternáló dugattyús szivattyúk szállítóteljesítmény görbéi

117 Alternáló dugattyús szivattyúk Elıny: - térfogati sebesség független a viszkozitástól és a permeabilitástól - térfogati sebesség könnyen szabályozható - a belsı szivattyú térfogata kicsi Hátrány: - pulzáló folyadékszállítás - a szállított folyadékmennyiségi tartomány korlátozott - a szállítási nyomást lassan éri el

118 A kompresszibilitás hatása a szállítóteljesítményre Szívóütem után: - folyadék térfogata: V = m / ρ (ρ = g/cm 3 ) - nyomás növelésével ρ változik - Darcy: u = K η P Lε - a térfogatcsökkenés a folyadékkromatográfiás körülmények függvénye - A kolonna bemenetnél a térfogati áramlási sebesség csökken - kompresszibilitás kompenzáció: -mechanikus -elektronikus o

119 3. Membrán szivattyú (membrane piston pump) Elıny: az eluens nem érintkezik a tömítésekkel Pulzálás csökkentés: - több szivattyúfej alkalmazása /min frekvencia alkalmazás -400 bar nyomás az acélmembránon

120 4. Egydugattyús gyors feltöltéső szivattyú szállítás Feltöltés 200 ms ko m pr es sz ibi lit ás szállítás

121 5. Sorba kötött két dugattyúfejes szivattyú Csak a szívófejen van szívó és nyomószelep Pulzálás mentesítés: elektronikusan: egyik ágban állandó nyomás másik ágban állandó áramlási sebesség

122 A nagynyomású szivattyúk mőködését befolyásoló tényezık 1. Szilárd részecskék hatása 2. Oldott gázok hatása 3. Korróziós hatás

123 1. Szilárd részecskék hatása a. eltömi az eluens szőrıt és a szelepek védı szőrıit b. rárakódik a szelepülésekre c. eltömi a nyomásmérı egységet d. eltömi a kapillárisokat e. Eltömi a mintaadagolót Következmény: - szállítóteljesítmény változása - pulzálás - nyomásnövekedés Kiküszöbölés: -eluens szőrése 0,4 0,5 µm pórusú szőrın -oldószer gyárilag szőrve: 0,2 0,4 µm pórusú szőrın

124 Szilárd részecskék eredete: a. Eluensbıl válik ki - kristálykiválás pufferekbıl eluensek elıre elkészítése izokratikus módban - algák, baktériumok elszaporodása: nagy víztartalmú eluensekben b. Szivattyú tömítések morzsolódása - dugattyúk mőködés közbeni mosása

125 2. Oldott gázok hatása 1. Oxigén oldódása vízben és szerves oldószerekben 2. Pulzálás: a szívóütem után addig nincs folyadékszállítás amíg a gázbuborék nyomása el nem éri a kolonna belépı nyomását 3. Oxigénbuborékok keletkezése víz-meteanol (exoterm), víz-acetonitril (endoterm) oldószer párok keverésekor. 4. Levegımentesítés (lásd: eluenstárolók)

126 3. Korróziós hatás HPLC technika: rozsdamentes acél (SS 316) használata Haloid ion (Cl -, Br - ) korrózió Korróziós folyamatok víz-metanol, víz-acetonitril eluens rendszerekben: 0,1 ppm feletti Oxigén koncentráció jelenlétében az O 2 redukálódik: O H 2 O + 4e - 4 OH - A vas anódos oxidációval oldódik: Fe Fe 2+ + e - Katódos és anódos reakciótermék reagál: Fe OH - Fe(OH) 2 Oxigén jelenlétében: 4 Fe(OH) 2 + O 2 + H 2 O 4 Fe(OH) 3 2 Fe 2 O H 2 O Megjelennek a vasoxid különbözı formái: zöld, vörös, barna Passziválás: foszfát puffer, idınként salétromsav használata

127 Adagolók 1. Kézi adagolók

128 2. Automata adagolók

129 Oszlopok Anyaga: -acél -PEEK (poliéter-éter keton) -üveg Mérete: Oszlophossz (cm) Oszlop belsı átmérı (mm) Töltet szemcse átmérı <2 (µm)

130 Oszlop csatlakozók

131 Oszlop- és összekötı csatlakozók

132 Folyadékkromatográfiás detektorok

133 Folyadékkromatográfiás detektorok felosztása és alkalmazásuk gyakorisága UV-Vis (80%) Fluoreszcens (5%) Elektrokémiai (5%) Törésmutató mérı (RI) (2-3%) Vezetıképességi (2-3%) Fényszórásos (ELSD) (2-3%)

134 Folyadékkromatográfiás detektorok összehasonlításához használt paraméterek Detektor zaj Dinamikus tartomány Lineáris tartomány Detektálás alsó határa Cella térfogat és kialakítása Idıállandó Nyomásváltozás hatása a jel/zaj viszonyra Áramlási sebesség hatása a jel/zaj viszonyra Hımérséklet hatása a jel/zaj viszonyra

135 Rövid távú zaj Statikus: x10-4 AU / perc Dinamikus: x10-4 AU / perc

136 Hosszú távú zaj Statikus: x10-4 Dinamikus: x10-4 AU / 10 perc AU / 10 perc Alapvonal mászás (drift) Statikus: x10-4 AU / óra Dinamikus: x10-4 AU / óra

137 A jel és zaj viszonyának (s/n) szemléltetése

138 Folyadékkromatográfiás detektorok jelleggörbéje Dinamikus tartomány: a jel arányos az anyag mennyiséggel Lineáris tartomány: a jel lineárisan arányos az anyagmennyiséggel (5%) Detektálás alsó határa (DAH, LOD): a jel 3x nagyobb, mint a zajszint Mennyiségi mérés alsó határa (LOQ): a jel 10x nagyobb mint a zajszint

139 Dinamikus tartomány: a jel arányos az anyag mennyiséggel Magában foglalja a lineáris tartományt Lineáris tartomány: a jel lineárisan arányos az anyagmennyiséggel (5% eltérésig) s = a c ahol: s detektorjel Fowlis és Scott: a c detektor érzékenysége a minta koncentrációja s = a c r ahol: r válasz index (0.98 < r < 1.02) r függ a készülék felépítésétıl Lineáris tartomány: a legnagyobb koncentráció és a DAH közti szakasz

140 A detektor érzékenysége a = s / c illetve a = ds / dc A detektor érzékenysége: az analitikai egyenes meredeksége illetve nem lineáris tartományban a jel koncentráció szerinti deriváltja Az érzékenység alapján nem lehetséges a detektorok összehasonlítása: Uv-Vis: AU / (mol dm -3 ) Elektrokémiai: na / (moldm -3 ) Gyakorlatban: Kimenı jel: mv/ koncentráció vagy Detektálás alsó határa (DAH, LOD)

141 A detektor érzékenység és a detektálás alsó határa Detektorra vonatkozó DAH: az adott anyagra jellemzı koncentráció mely a detektor cellában áthaladva a zaj kétszeresének megfelelı jelet ad Kromatográfiás rendszerre vonatkozó DAH: az adott anyagra jellemzı koncentráció mely a kromatográfiás rendszerben (adagoló, kolonna, detektor cella) áthaladva a zaj kétszeresének megfelelı jelet ad A kromatográfiás rendszer detektor érzékenysége (X D ) és a legkisebb kimutatható anyagmennyiség (m) függ: - Kolonnára jellemzı adatok a) geometriai méret (r, L) b) töltet jellemzık (ε, N, d p ) - Visszatartásra jellemzı adatok (k, N, mozgófázis összetétel) - Detektorra jellemzı adatok

142 Uv-látható (Uv-vis) detektorok Egyutas detektor Kétutas detektor

143 A detektorok fényforrása Deutérium lámpa Xenon lámpa alap 500 óra Alkalmazható hullámhossz tartomány: nm nm

144 Állandó hullámhosszon mőködı lámpák Hg gız lámpa 253 nm (szőrı) Zn lámpa 213, 307 nm (szőrı) Cd lámpa nm (szőrı)

145 Szerves oldószerek fényelnyelése

146 Az oldószer fényáteresztı képessége (Uv cut-off): Az a legkisebb hullámhossz, ahol a transzmittancia 10%-ra csökken Oldószer Acetonitril Metanol 2-propanol Dioxán tetrahidrofurán Uv cut-off (nm)

147 Fordított fázisú kromatográfiában használt oldószerek tisztaság vizsgálata gradiens elúcióval Elméleti görbe Gyakorlati görbe 100% 0 %

148 A detektor optikai felépítésének jellemzésére szolgáló paraméterek: 1. Hullámhossz beállítás torzítatlansága (accuracy) 2. Hullámhossz beállítás reprodukálhatósága (reproducibility) 3. Sávszélesség (bandwith) 1. és 2. Legtöbb készülék automatikusan végzi a hullámhossz kalibrációt 2. Sávszélesség hatással van az érzékenységre és a linearitásra -nagyobb sávszélességnél nagyobb lesz a fotodiódára jutó energia, jel/zaj viszony javul, kimutatási határ csökken. -De: nagy energia és sávszélesség hatására az intenzításkülönbség csökken és ezzel az abszorbancia (A) kisebb lesz

149 Minden olyan hatás, mely a zajt növeli, csökkenti a detektor érzékenységet és növeli a detektálás alsó határát. Ezért vizsgálni és optimalizálni kell: - Detektor cella kialakítását - Detektor kimeneten az elektronikus szőrı idıállandójának hatását (kromatográfiás csúcs torzulás) - Hımérséklet változás hatását - Áramlási sebesség hatását - Nyomás-ingadozás hatását

150 A detektor cella térfogatának és geometriájának hatása Hagyományos cellák: - hengeres furat - úthossz: 4-10 mm - térfogat: 4-8 µl Úthossz csökkentésével az RI hatás csökkenthetı (Lambert-Beer törvény)

151 Taper beam cella -RI hatás csökkentése -Jel/zaj viszony növelés: optikai úthossz növelés (határt szab a cellatérfogat növekedés, kolonnán kívüli zónaszélesedés)

152 A detektor idıállandójának hatása a jelre Az idıállandó (τ) (a jel mennyi idı alatt követi a detektorban bekövetkezı változást): τ növelése - csökkenti a jel/zaj viszonyt, de -torzítja a kromatográfiás csúcsot -változtatja a maximum helyét (minıségi analízis) -Általános szabály: az idıállandó nem lehet nagyobb, mint a hot idıhöz tartozó σ t zónaszélesedés tized része Nagyhatékonyságú, pl. 3 cm kolonnánál, ha a holtidınél mért zónaszélesedés σ t = 150 ms, a detektor idıállandója 15 ms kell legyen.

153 Hımérséklet változás hatása a jel/zaj viszonyra Modern detektoroknál, ahol a zajszint 10-5 AU, a hımérséklet változás törésmutató változást okoz az eluensben (RI hatás; ld. detektor) Általában: 1 C hımérséklet változás 10-4 AU változást okoz. Áramlási sebesség és a nyomás-ingadozás hatása a jel/zaj viszonyra Általában igaz, hogy a fényelnyelés független az áramlási paraméterektıl. Szők csıben az áramlási sebesség és nyomásesés változás nyíróerı változást okoz az eluensben az egyes rétegek között. Ez hımérsékletváltozást okoz, ami együtt jár a törésmutató megváltozásával.

154 Többcsatornás Uv-vis és diódasoros detektorok Többcsatornás detektorok: Különbözı hullámhosszakon egy idıben több kromatogramot képesek rögzíteni Maximum 8 hullámhosszon mőködnek (8 fotodióda) Az adatfeldolgozó szoftver kisebb kapacitású mint a diódasoros módban mőködı szoftveré Diódasoros detektor: helyesebben diódasoros detektálási mód (DAD, diode array detection) Többcsatornás detektorok, idı-, intenzítás- és hullámhossz adat együttest győjtenek, és az adatokat számítógépen tárolják (utólagos értékelés)

155 Diódasoros detektor felépítése Mintát fehér fénnyel világítjuk meg, fényfelbontás a küvetta után történik nm között általában fotodióda. Felbontás 1-5 nm. Diódák jele kombinálható, ekkor a felbontás csökken. A diódasor néhány msonként letapogatja a spektrumot.

156 Gyors pásztázó és diódasoros detektorok összehasonlítása gyors pásztázó: egyetlen dióda, a rács mozog diódasoros: dióda, a rács helyzete állandó

157 A diódasoros (gyorspásztázó) detektor adatszolgáltatásai A: háromdimenziós kép; B: spektrum; C: kromatogram; D: izoabszorpciós vonalak

158 Diódasoros detektor nyújtotta szolgáltatások A t, λ, A mintavételezés sőrősége, mérés utáni korlátlan felhasználás lehetısége Változtatható paraméterek: Mérési idı: akár több óra is lehet Hullámhossz tartomány: ( nm között) változtatható Mintavételezési idı: fotodiódák kiolvasási ciklusideje (néhány ms, ha túl nagy torzítja a kromatogramot) Optikai sávszélesség: alapvetıen befolyásolja a spektrumot Integráló program: a mennyiségi kiértékeléshez Spektrum feldolgozási lehetıségek: csúcstisztaság ellenırzés

159 Csúcstisztaság ellenırzés ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Fontos: Mekkora a legkisebb minta koncentráció, ahol a spektrum még értékelhetı Jel/zaj viszony megfelelı Matematikai eljárás (szoftver) alapján egyértelmő legyen a csúcs tisztaság

160 Fluoreszcenciás detektálási mód Fluoreszcencia: besugárzás és az emisszió közti idı: s Gerjesztı fény: fehér rács (prizma) λ 1 Emittált fény: rács (prizma) λ 2 λ 1 fekete test λ 2 Foszforeszcencia: az emisszió késleltetett (intersystem crossing)

161 Merck fluoreszcens detektor

162 Törésmutató (RI) mérı detektor Elsı on-line detektor A komponens és a mozgófázis törésmutatója eltérı Univerzális detektor Feltétel: Állandó összetételő mozgófázis Állandó hımérséklet

163 Hımérséklet hatás Hımérséklet változás RI változás Ultra termosztálás: C Kolonnáról lejövı mozgófázist felcsévelt µm ámérıjő termosztált kapillárison és detektoron vezetik át Szivattyú pulzálás hatása Pulzálás nyomásváltozás hımérsékletváltozás RI változás RI detektorok differenciális mőködésőek: referencia ág mérıág közti RI különbség mérése: váltakozva mérik a törésmutatót a két ágban Uv detektorhoz képest: DAH 3-4 nagyságrenddel nagyobb

164 Fényelhajlás elvén mőködı RI detektor Referencia ág: csak tiszta mozgófázis Mérı ág: mozgó fázis + minta Ha a két ágban azonos a mozgófázis összetétel, a tükörrıl visszavert fénynyaláb elhajlása ugyanolyan mértékő, de ellentéte irányú, a diódán a folt zeró jelet ad Ha a mérıágban a mozgófázis összetétel megváltozik, a tükörrıl visszavert fénynyaláb elhajlik, a folt helyzete megváltozik a diódán, a jel zérótól eltérı (+ vagy lehet) Nagy lineáris tartomány

165 Teljes visszaverıdés elvén mőködı RI detektor Fresnel elv: üveg és folyadék határfelületrıl visszavert fény mennyisége függ: fény beesési szögétıl a két fázis törésmutatója közti különbségtıl maximális érzékenység: üveg és folyadék határfelületre érkezı fény beesési szöge a kritikus szöghöz közeli Differenciális mőködés Referencia és mérıcella: teflon (3 µl), a prizma és a tükrözı hátlap közé fogva mozgatható optikai padon beesési szög változtatható Törésmutató tartomány:

166 RI detektor alkalmazása 1. Szénhidrátok elemzése 2. Méretkizárásos kromatográfia 3. Kıolajipar, alifás szénhidrogének 4. Zsiralkoholok elemzése (háztartási vegyipar) 5. Polimerek vizsgálata (polietilén, propilén Alapvetı hátrány: 1. Nagy LOD 2. Érzékeny a hımérséklet és áramlási sebesség változásra 3. Nem használható gradiens elúcióban

167 Elpárologtatással egybekötött fényszórás elvén mőködı detektor ELSD: evaporative light-scattering detektor Univerzális Mőködési elv: Kolonnáról lejövı eluens porlasztása Oldószer (Főtés) elpárologtatása Nem illékony részecskék visszamaradnak Részecskék megvilágítása (lézer, W lámpa) A részecskéken szórt fény mérése

168 Szemcsék mérete ( µm) és száma függ: Mozgófázis áramlási sebessége Porlasztó gáz áramlási sebessége Oldószerek felületi feszültsége Viszkozitás Sőrőség Független: a részecskék kémiai tulajdonságától Jel koncentráció összefüggés: nem lineáris Elıny: Gradiens technika alkalmazható Nem alkalmas: Molekulák, nagy cseppek detektálására Reprodukálhatóság: állandó mőködési paraméterek

169 Elektrokémiai detektálási mód Elektrokémiai detektálás: Elektronátmenet az elektródokon hımérséklet függı termosztálás Elektródfelületre jutó anyagmennyiség áramlási sebesség függés pulzálás függés re du kci ós ox id ác ió s á r a m Oxidáció redukció A, B, C anyag i - E görbéi

170 Redukciós üzemmód Hg-elektród O 2 mentes közeg (O 2 is redukálódik) Mozgófázis áramvezetı (normál fázisú kromatográfia: nem vezetı oldószerek) Oxidációs üzemmód Kis felülető elektród: 8-10%-os áramkihasználás: amperometriás detektálás (glassy carbon elctrode; inert de áramvezetı) Nagy felülető elektród: 100%-os áramkihasználás. Coulombmetriás detektálás (porous graphite electrode; az eluens az elektródokon átáramlik)

171 Egyéb folyadékkromatográfiás detektorok Viszkozitás mérı detektor Vezetıképesség mérı detektor: ionkromatográfia Infravörös detektor Radioaktív detektor Transzport detektor

172 Ionkromatográfia (IC: Ion Chromatography) Ionok elválasztása: eltérı sebességgel haladnak át egy megfelelıen megválasztott oszlopon Ioncserélı gyanták 1971: forced flow chromatography : N 2 gáz +UV-Vis spektrofotometria: Fe(III) elválasztása HPLC fejlıdése megteremtette a mőszeres hátteret az IC fejlesztéséhez hiányoztak a detektorok (klasszikus HPLC detektorok nem alkalmasak) 1975: vezetıképesség-mérésen alapuló detektálás: modern IC

173 elválasztásért felelıs oszlop szulfonált polisztirol-dvb kicsiny ioncserekapacitás: 0,02 mmol/g elnyomó oszlop nagy ioncserekapacitás Ionkromatográf: Dionex Co. Kationokra: spektrofotometriás meghatározások léteztek korábban is Anionokra kicsiny koncentrációban (ppm) nem volt analitikai módszer

174 Ionkromatográfia (IC: Ion Chromatography) elválasztás: álló- és mozgófázis közötti ioncsere-egyensúlyon alapul szervetlen és szerves ionok elválasztására Minta halmazállapota: folyadék nagyhatékonyságú analitikai módszer kvalitatív & kvantitatív információk összetett minták analízise a mintát alkotó komponensek szétválasztása Mozgófázisa: folyadék Állófázisa: ioncserélı technikai kivitelezés: oszlop (kiszorításos), elúciós analízis Ionkromatográf felépítése: hasonló a HPLC-hez

175 Elúciós analízis leggyakrabban alkalmazott technika jel 1. nem szorbeálódó eluens folyamatos átáramoltatása 2. minta bevitele 3. elúció Minta: A & B A: kevésbé kötıdik A detektort elérı mintakomponens(ek) felgyülemlett mennyiségét méri. A B integrális detektor Analitikai információ: minıségi: t (retenciós idı) mennyiségi: csúcs területe az állófázisra juttatott minta mennyisége igen kicsiny elhanyagolható az eluenséhez képest nincs szükség regenerálásra jel t A t B idı differenciális detektor Pillanatnyi különbséget mérnek az áthaladó eluens összetételében. idı

176 Állófázis: térhálósított mőgyanta (pl: polisztirol-divinilbenzol kopolimer) vázon ioncserélı funkciós csoportok módosított szilikagél Ioncserélık: kationcserélık anioncserélık erıs kation: -SO 3 H (szulfonsav) gyenge kation: -COOH Ioncserélık: erıs gyenge erıs anion: kvaterner aminocsoport gyenge anion: primer aminocsoport Kationcserélı: n RSO 3 H + M n+ (RSO 3 ) n M n+ + n H + anioncserélı: n RN(CH 3 ) 3 OH + A n- [RN(CH 3 ) 3 ] n A + n OH -

177 Ionok megkötıdése függ: méret töltés hımérséklet ionerısség ph Állófázis: pórusos gyanták: diffúzió: csúcs kiszélesedés hatékonyság növelése: felületi porózus réteg: éles csúcsok (kicsiny minta kapacitás) Mozgófázis: Kationok elválasztása: erıs sav híg (vizes) oldata Anionok elválasztása: erıs bázis híg (vizes) oldata Detektor: vezetıképesség mérés kompetíció a H + (OH - ) és a M n+ (A n- ) között az ioncserélı helyeken eluens: nagy a vezetıképessége: nagy háttérjel szupresszor oszlop: vezetıképesség elnyomó

178 Kationcserélı analitikai oszlop: nagykapacitású anioncserélı szupresszor Analízis: Kationcserélı: n RSO 3 H + M n+ (RSO 3 ) n M n+ + n H + Elnyomás: H + semlegesítése (eluens + minta) (KCl meghatározás acidi-alkalimetriásan) n RN(CH 3 ) 3 OH + A n- + nh + [RN(CH 3 ) 3 ] n A + n H 2 O A n- : az eluens anionja az eluens anionja megkötıdik és vele ekvivalens mennyiségő hidroxidion kerül az oldatba lecserélıdik az analitikai oszlopon elválasztott kation ellenionja is: ekvivalens mennyiségő OH - jut az oldatba vezetıképesség mérés & kationok eluens tároló pumpa adagoló analitikai kolonna ionelnyomó kolonna detektor PC ionelnyomásos IC

179 anionok elválasztása: kationcserélı szupresszor Szupresszor oszlop: regenerálást igényel csúcs kiszélesedét okoz hatékonyság csökkenés Gyenge savak anionja nem meghatározhatók: savas forma kicsiny vezetıképesség-változást eredményez Kicsiny ioncserekapacitású oszlopok megjelenése: nem szupresszált rendszerek Anioncserélı: TÖLTET-E - + A - TÖLTET-A - + E -

180 nem szupresszált rendszer (nincs szupresszor oszlop): kicsiny vezetıképességő mozgófázis alkalmazása eluens tároló pumpa adagoló analitikai kolonna detektor PC egykolonnás (nem szupresszált) IC Mozgófázis: benzoesav ftálsav borkısav citromsav Detektor: vezetıképesség mérés UV-Vis

181 1980 Töltetek fejlıdése: hatékonyság növekedés: folyamatosa növekvı számú alkalmazás töltettel szemben támasztott követelmények: lehetı legnagyobb tányérszám töltet/eluens rendszer: gyors egyensúly (kinetikus csúcs kiszélesedés minimalizálása) retenciós idık: se túl nagy, se túl kicsi töltet/eluens rendszer: detektorral kapcsolható legyen

182 Oszlop anyaga: saválló acél PEEK (poli(éter-éter-keton)) kicsiny (µm) szemcsék (HPLC) különbözı mérető pórusok: mikro & makro Az oszlop Oszlop méretei: átmérı: 1-8 mm Töltet: hossz: 3-30 cm polisztirol-dvb kopolimer módosított szilikagél cellulóz alapú szerves polimer-alapú töltetek: kevésbé nyomástőrı (keresztkötések számával javítható) duzzadnak: szerves oldószer csak kisebb koncentrációban alkalmazható ph stabilitás: 1< ph < 14 szilikagél: ph: 3-8 pellikuláris töltet: az állófázis porózus külsı héjat alkot egy áthatolhatatlan szemcse felületén

183

184 Kationcserélı HO 3 S HO 3 S HO 3 S SO 3 H kicsiny ioncserekapacitás: felületi módosítás

185 Anioncserélı CH 2 N + R 3 CH 2 N + R 3 R 3+ NCH 2 CH 2 N + R 3 kicsiny ioncserekapacitás: felületi módosítás

186 SiO 2 OH OH Módosított szilikagél OH OH OH

187 H [mm] H = A + B/u + C * u A van Deemter egyenlet általános ábrázolása C * u H min B/u A u szabálytalanabb töltet: nagyobb áramlási egyenlıtlenségek kisebb szemcseméret: kisebb egyenlıtlenségek u [cm/s]

188

189 Mintaadagolás 1. a mintát pillanatszerően kell bejuttatni az eluensbe 2. keveredjen el az eluenssel (OLDHATÓSÁG) minta térfogata: µl (nincs térfogatváltozás) mikroliterfecskendı: A bevitt minta térfogatát az adagolón elhelyezett hurok ( loop ) térfogata határozza meg. hatutas bemérı szelep

190 alternáló mozgást végzı, kis dugattyú-térfogatú pumpa (reciprocating pump) pulzálás: jelentısen csökkenthetı: ikerfej alkalmazása (fáziseltolás) térfogat: µl továbbított folyadék mennyisége: korlátlan áramlási sebesség változtatása: löket hossz dugattyú sebessége V idı

191

192 DETEKTOROK Az eluenst alkotó ionok jelenlétében képesnek kell lennie, a minta ionjainak mérésére. csak a mintát alkotó komponensekre ad válaszjelet csak az eluenst alkotó komponensekre ad válaszjelet (indirekt detektálás) Eluens megválasztása: minél kisebb detektorjel

193 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)

194 UV-Vis spektrofotométer Alkalmazható: UV-Vis tartományban elnyel az adott komponens Lambeert-Beer: A λ = ε λ c l fényforrás rés monokromátor fényosztó (splitter) I 0 mérı ág cella (küvetta) I 0 I 0 referencia ág I D E T E K T O R A = lg I 0 /I Fényforrás: UV: deutérium lámpa Vis: volfrám lámpa Detektor: fotodióda Cella: kvarc küvetta l=5-10 mm

195 Diódasoros detektor DAD (Dioda Array Detector) polikromátor fényforrás lencse cella (küvetta) diódasor Elıny: különbözı hullámhosszúságon mért elnyelések egyidejő mérése spektrum felvétele: minıségi információ

196

197 Fluoreszcencia mérésen alapuló detektor fluoreszkáló anyagok detektálása rés monokromátor cella (küvetta) fényforrás monokromátor pl. festékanyagok Detektor: a kibocsátott fényt méri

198 Vezetıképesség: G [Siemens] 1/R Vezetıképesség mérésen alapuló detektor Ha egy elektrolit oldatba két azonos mérető, sík felülető, párhuzamos elektródlap (pl. Ptlap) merül, amelyek felületének nagysága A, a köztük levı távolság pedig l, akkor az így kapott vezetıképességi cellára igaz, hogy K=A/l: cellaállandó (geometria) κ: fajlagos (specifikus) vezetıképesség: megadja a két, egységnyi (1 cm 2 ) felülető, egymástól egységnyi távolságra (1 cm-re) levı elektród között levı elektrolitoldat vezetıképességét oldatok vezetıképessége: additív tulajdonság Függ: ionok minıségétıl (mozgékonyság) ionok számától (koncentráció)

199 Semleges molekulák: nem detektálhatók Elv: 2 elektród (acél) elhelyezve az áramlási cellában megfelelı feszültség: áram folyik Áramerısség: töltés, méret, koncentráció, oldószer, hımérséklet Egyenfeszültség: elektrolízis veszélye Váltakozó feszültség: khz, U= 20 V Érintkezés mentes cella

200 Egyéb detektorok: potenciometria amperometria atomabszorpció ICP tömegspektrometria Termosztát: oszlop: ioncsere: hımérséklet függés

201

202 eltérés a HPLC-tıl: Ionokat mérünk (HPLC is) Ioncserélı oszlopokat használ (HPLC is) ALKALMAZÁSOK: Klinikai Gyógyszeripari Élelmiszeripari Környezetvédelmi

203 Kapilláris 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 = G K κ: fajlagos vezetıképesség [S cm -1 ] G: vezetıképesség [S] K: cellaállandó [cm -1 ] κ Λ = moláris fajlagos vezetıképességet (Λ m c m ) Kohlrausch elsı törvénye Λ m = λ + + λ λ+: a kation moláris fajlagos vezetıképessége [cm 2 Ω -1 mol -1 ] λ-: az anion moláris fajlagos vezetıképessége [cm 2 Ω -1 mol -1 ]

204 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

205 üveg felület & víz: szilanol csoportok ph > 2,5: deprotonált forma: pozitív töltéseket vonzanak: negatív elektród (katód) felé mozognak: folyamatos áramlás (dugószerő áramlási profil)

206

207 PC D E D K E P outlet V P inlet A kapilláris elektroforetikus készülék sematikus rajza E: elektród; K: kapilláris; D: detektor, P: puffertartó edény; PC: személyi számítógép; V: tápegység

208 E L E K T R O F E R O G R A M kation µ a : látszólagos mozgékonyság µ e : effektív mozgékonyság µ EOF : elektroozmotikus áramlás µ a = µ e + µ EOF semleges molekula anion Alapeset: bemenet: + kimenet: - kation: komigrál anion: kontramigrál

209 D katód (-) anód (+) EOF v k v a outlet V inlet

210 A kapilláris követelmények: kémiailag és elektromosan inert hajlékony kellıen szilárd megfizethetı ne nyeljen el az UV-Vis tartományban kvarc kapilláris (poliimid bevonattal) 25 µm µm cm bevonatos kapillárisok: polimerek, PVA, teflon Kondícionálás: üvegfelület helyreállítása (NaOH)

211 megfelelı érzékenység kimutatási határ kicsiny zajjal nagy linearitási tartománnyal gyors válaszidıvel A detektor Többféle mérési elv UV-Vis fluoreszcencia vezetıképesség MS UV-Vis: egyszerő, olcsó, széleskörben alkalmazható

212 UV-Vis Lambert-Beer: A=εcl háttérelektrolit elnyelése

213 fluoreszcencia

214 A tápegység U=5-30 kv I=3-300 µa A feszültség változtatásának hatása: növelve a kapillárisra kapcsolt feszültséget: nı a térerısség nı az EOF csökkennek a migrációs idık élesebb csúcsokat kapunk növelve a kapillárisra kapcsolt feszültséget: nı az áramerısség egyre több hı szabadul fel (Joule-hı) kiszélesednek a csúcsok csúsznak a migrációs idık célszerő nagyobb feszültségen dolgozni célszerő kisebb feszültségen dolgozni

215 Mintabevitel hidrodinamikai injektálás: nyomás alkalmazása elektrokinetikus injektálás: feszültség alkalmazása elektroforetikus mozgékonyságtól függ

216 Áramlási profil EOF lamináris áramlás áramlás hajtóereje a kapilláris belsejében mindenütt azonos lamináris áramlási profilból eredı zónakiszélesedés a kapilláris elektroforézisnél elhanyagolható

217 Szelektivitás: puffer minısége, koncentrációja ph Elınyök rövid analízis idı nagy felbontóképesség (N: ) kicsiny oldószerfelhasználás egyszerő mintaelıkészítés Hátrányok: kisebb érzékenység kevésbé robusztus (reprodukálhatósági problémák)

218 ALKALMAZÁSOK: bármi, ami befér a kapillárisba Klinikai Gyógyszeripari Élelmiszeripari Környezetvédelmi

219 Minıségi analízis Alapja: a retenciós idı a minta komponenseinek minıségétıl függ A legegyszerőbb módszer: a retenciós idık (pontosabban a redukált retenciós idık) összehasonlítása ismert vegyületek retenciós idejével jel relatív retenció (r x,r ): a kísérleti körülmények különbözıségébıl származó eltéréseket kompenzálja egy kiválasztott (r) anyagra vonatkoztatott redukált retenciós idı hányadosaként adnak meg: ' r x, r = t t R ' R x r t x idı jel t r t x idı

220 Mennyiségi értékelés a kromatogramon levı csúcsok területe (magassága) arányos a mintakomponensek mennyiségével, ill. koncentrációjával. Detektor: a komponensek vagy az eluens fizikai vagy kémiai tulajdonságainak mérése 1. kalibrációs módszer 2. addíciós módszer 3. belsı standard módszer

221 A kalibrációs módszer T = mc jel c 1 T 1 T: csúcs területe c: koncentráció (anyagmennyiség) m: arányossági tényezı (érzékenység) idı 1. független standard (kalibráló) oldatok jel T ismeretlen oldat: T x c 2 T 2 T 3 T x idı T 2 jel c 3 T 3 T 1 m c 1 c 2 c x c 3 c idı

222 Standard addíció jel c x T x T 1,x = T x +T 1 T 1 =T 1,x -T x idı T T 2,x = T x +T 2 T 2 =T 2,x -T x jel c x + c 1 T 1,x T 2 T 1 T x jel idı c 2 + c x T 2,x c x c 1 c 2 c idı

223 Belsı standard: relatív terület meghatározása a mintán belüli referencia rögzített (meghatározott és állandó) koncentrációban (mennyiségben) a mintához hozzáadjuk a referencia anyagot a referencia anyag csúcsára vonatkoztatjuk a meghatározni kívánt csúcsok területét Elınyök: az analízis során fellépı hibák egy részét küszöböli ki: adagolás érzékenység változása

224 Analitikai információ: minıségi: retenciós (migrációs) idı retenciós (migrációs) idı függ: alkalmazott körülmények: mozgófázis anyagi minıség áramlási sebesség állófázis minıség hossz hımérséklet ph, ionerısség stb minıségi információ: UV-Vis: spektrum Növekvı igények: új detektorok alkalmazása, fejlesztése r x, r = Tömegspektrométer t t ' R ' R x r

225 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 detektor vákuumrendszer

226 A vákuumrendszer 1. az ionforrásban megfelelı hatékonysággal elı állíthatók legyenek az ionok 2. megfelelı hosszúságú szabad úthosszat kell biztosítani: az ionforrásban képzıdött ionok ütközés nélkül eljuthassanak a detektorba kétlépcsıs nyomáscsökkentés: 1. elıvákuum: néhány torr 2. nagyvákuum: 10-3 Pa kb Pa vákuumszivattyú: 1. atmoszférikus nyomásról képes közvetlenül gázt elszívni (rotációs szivattyúk) 2. mőködéséhez un. elıvákuum megteremtése szükséges (diffúziós szivattyúk)

227 elınye: kicsiny háttérzaj

228 Elıny: Kicsiny molekula tömegő eluens (pl. H 2 ) is hatékonyan eltávolítható

229 Ionizációs módszerek lehetıvé teszik a különféle halmazállapotú, igen eltérı tulajdonságokkal bíró anyagféleségek ionizációját Elektronionizáció (electron impact ionization, EI) legáltalánosabban alkalmazott ionizációs technika

230 EI 1: mintabevezetı nyílás; 2: ionvisszaverı lemez (repeller); 3: izzószál; 4: elektronbevezetı nyílás; 5 és 6: iongyorsító rés; 7: belépı nyílás; 8: ionképzıdés helye; 9: anód U=5-100 V

231 T 200 o C p atm EI elektronok U energia molekula gerjesztett molekula elektron emisszió molekulaion fragmens ionok fragmentáció: elektronok energiája (gyorsító feszültség: 70 ev) minıségi azonosítás (ujjlenyomat) általában : egyszeres pozitív ionok képzıdnek negatív ionok: nagy elektronegativitású atomok vannak jelen a molekulában

232 Kémiai ionizáció (CI) a mintát az elektronforrásba történı belépése elıtt un. reagens gázzal hígítják nem a vizsgálandó minta lép közvetlen kölcsönhatásba az elektronokkal, hanem a hígító gáz molekulái mintát alkotó komponensek: szekunder ionizáció RH e - RH + RH + + M MH + + R protontranszfer primer-ion képzıdés CH 4 + e = CH e (CH 3+ ) szekunder-ion képzıdés CH 4+ + CH 4 = CH 5+ + CH 3 (CH 3+ + CH 4 = C 2 H 5+ + H 2 ) a) proton transzfer CH 5+ + MH = CH 4 + MH 2 + b) hidrogén absztrakció CH 3+ + MH = CH 4 + M + (C 2 H 5+ + MH = C 2 H 6 + M + ) c) töltésátvitel CH 4+ + MH = CH 4 + MH +

233 Kémiai ionizáció (CI) Reagens gáz: metán i-bután ammónia Ionizáció: a hígító gáz minıségétıl függıen Elınyök: egyszerősíti a tömegspektrumot molekulaion tömegét adja meg [M+H] +, [M-H] -, [M+NH 4 ] +

234 Atmoszférikus nyomású ionizációs technikák (atmoszférikus nyomáson mőködnek) minta T elpárologtatás ionizálás kapcsolt technikák: HPLC-MS termikus ionizáció elektromos tér okozta ionizáció ionütközés okozta ionizáció gyors atom ütközési

235 Analizátorok az ionok tömeg/töltés szerinti elválasztása Jellemzése: 1. maximális tömegszám: amelynek vizsgálatára még alkalmas az adott analizátor 2. transzmisszió: a detektort elérı és az ionforrásban keletkezett ionok hányadosa 3. felbontás: az analizátor mekkora tömegkülönbséggel tud elválasztani két iont szektor típusú kvadrupól ioncsapdás repülési idı analizátor

236 Szektor típusú analizátorok Ionok elválasztása: Mágneses tér vagy a gyorsító feszültség változtatása ionnyaláb mágnes E= qu=zeu E kin = ½ mv 2 ½ mv 2 = zeu v = 2zeU m ionforrás detektor Lorentz-erı F L = zevb F c = mv 2 /r F L = F c mv 2 /r= zevb r = mv 2 zevb r = mv/(zeb) = (m/z) (v/eb)

237 Elektrosztatikus analizátor egyszeres fókuszálás: felbontása korlátozott

238 kétszeres fókuszálás: mágneses + elektromos fókuszálás: jobb felbontás

239 Kvadrupólus analizátorok olcsó, egyszerően kezelhetı, stabilis, reprodukálható tömegspektrumot eredményezı analizátor 1: ionizáló elektronsugár; 2: az analizátor által kiszőrt ionok útja 3: az analizátor által átengedett ionok útja; 4: detektor

240 egymással szemben elhelyezkedı rudakat elektromosan összekötve azokra egyenés váltóáramot kapcsolva kvadrupoláris változó elektromos tér alakul ki az ionok oszcilláló mozgást végezve haladnak át oszcilláció amplitúdója függ: ion töltése ion tömege alkalmazott feszültségek Ioncsapdás analizátor: (IonTrap) módosított kvadrupólus analizátor tárolni tudja az ionokat

241 Repülési idı analizátorok azonos kinetikus energiájú ionok sebessége vákuumban, külsı elektromos vagy mágneses teret nem tartalmazó közegben, tömegük négyzetgyökével fordítva arányos ionforrás U Ionok (egyenlı mozgási energia) repülési csı (tér mentes) Kisebb tömegő ion: nagyobb sebesség v = 2 zeu m

242 Detektorok az analizátor által elválasztott, adott idı alatt becsapódott ionok számát határozza meg pontdetektor: az ionok egymást követıen érik el a detektor ugyanazon pontját Csak olyan analizátorral alkalmazható együtt, amely képes az ionokat idıben elválasztani egymástól: pl. kvadrupólus Elektronsokszorozó: 1. a fókuszált ionnyaláb egy un. konverziós dinódába ütközve onnan elektronokat lök ki 2. kilökıdött elektronokat megfelelı feszültséggel gyorsítjuk 3. újabb és újabb felülettel ütköztetve megsokszorozott elektronáramot kapunk fotokonverziós detektorok: a becsapódó ionok hatására kilökıdött elektronokat szcintillátor segítségével fotonokká alakítjuk, majd a kibocsátott fotonokat fotoelektronsokszorozóval elektromos jellé alakítjuk jobb hatásfok, hosszabb élettartam és kisebb karbantartási igény

243 Sordetektor: egymástól térben elválasztott ionok egyidıben érik el a kilépırésnél elhelyezett detektor sort drága: magasabb árfekvéső készülékekben alkalmazzák (TOF, szektor)

244 Kapcsolt technikák 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

245 A következı feltételeknek kell teljesülnie ahhoz, hogy a két, meglehetısen eltérı körülmények között mőködı módszert kapcsolni tudjuk egymáshoz: A kombináció ne vezessen kromatográfiás hatékonyság csökkenéshez. A kromatográfból a tömegspektrométerbe történı bevezetés során a minta alkotóiban nem kontrollált kémiai átalakulás ne menjen végbe. A minta megfelelı mennyisége bejusson és ionizálódjon a tömegspektrométerben. A kromatográfot és az MS-t összekapcsoló un. interfész ne növelje számottevıen a háttérzajt. Az interfész legyen egyszerő felépítéső, könnyen használható, tisztítható és karbantartható valamint lehetıség szerint olcsó. Az interfész legyen kompatibilis valamennyi kromatográfiás körülménnyel (pl. vivıgázok, oldószerek, áramlási sebesség, ph, hımérséklet, stb.). Az interfész ne korlátozza az MS nyújtotta lehetıségeket (pl. ionizáció, vákuum, felbontóképesség, stb.). Az interfész alkalmazásával nyert eredmények reprodukálhatók legyenek.

246 HPLCMS Atmoszférikus nyomású ionizációs technikák ESI (ElectroSpray Ionization) Nobel-díj

247 ESI az oldatbeli ionok gázfázisba juttatása COULOMB FISSION ION EVAPORATION

248 APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) nem szükséges ionok jelenléte az oldatban elektromos kisülés: szekunder ionizáció

249 CEMS

250