Dr. Abrankó László Műszeres analitika (Mintaelőkészítés) Bevezetés az analitikai kémiába Mi az analitikai kémia? Tudomány és gyakorlat, melynek módszereivel azonosítani lehet egy anyagi minta kémiai alkotórészeit, azok szerkezetét és mennyiségi viszonyait. Az analitikai mérés célja A kapott információt döntések alátámasztására használjuk fel. Megfelel-e egy adott termék a (saját, hatósági, vevői stb.) specifikációknak? Egy adott technológiai lépés valóban a kívánt hatást eredményezte? Megtalálható-e az adott termékben egy bizonyos komponens? 1
Minőségi elemzés Kvalitatív Cél: Meghatározni, hogy egy adott mintában jelen vannak-e bizonyos ismert komponensek. Vagy ismeretlen komponensek azonosítása Mennyiségi elemzés Kvantitatív Cél: Meghatározni, hogy a mintában lévő ismert komponensek milyen mennyiségben vannak jelen Koncentráció Vizsgált komponens mennyisége/a vizsgált rendszer egy adott egységében. Molaritás (mol/dm3) Tömegszázalék (m/m%) Térfogatszálalék (m/v%) ppm (parts per million [10-6 ]) ppb (parts per billion [10-9 ]) Az analitikai kémia alkalmazhatósága az élelmiszeriparban természetes összetevők megléte, hiánya, mennyisége (zsírok, fehérjék, szénhidrátok, savak, vitaminok, ásványi anyagok, aroma anyagok stb. ) maradékanyagok (residue) és szennyező anyagok (permetezőszer, gyomírtószer, gyógyszermaradék, környezeti-, technológiai szennyezők) mikrobiális szennyeződések kimutatása (toxinok) kutatás-fejlesztés (aroma komponensek vizsgálata, termékfejlesztés stb.) 2
Az analitikai mérések folyamata 1. Az analitikai mérés konkrét céljának meghatározása, azaz a kérdés megfogalmazása. (Mire kíváncsi a megrendelő?) Pl.: csomagolóanyagból kioldódó anyagok vizsgálata Mi okozhat kioldódást (alkohol, zsír, víz, sav) Mennyi ideig és milyen körülmények között van kapcsolatban a kioldószer a csomagolóannyaggal (idő, hőmérséklet stb)? Mely komponensek potenciális kioldódására számít? Ezeken kívül érdekli-e egyéb komponensek lehetséges kioldódása? Fontos-e a mért komponensek mennyisége? Az analitikai mérések folyamata 2. Mintavétel (elsődleges mintavétel) Mintavétel tervezésekor az alábbiakat kell átgondolni: Átlagminta, pontminta, minták száma (homogenitás) Szükséges helyszíni tartósítási eljárások Lehetséges szennyezők (edények, vegyszerek, körülmények) Szükséges mintamennyiség (mintaelőkészítés, analízis, ismétlése) Az analitikai mérések folyamata 3. Mintaelőkészítés A mintaelőkészítés során figyelembe veendő szempontok: Laboratóriumi mintavétel (homogenitás) A mérési módszerrel kompatibilis minta előállítása (szilárd, folyadék stb.) A mérendő komponens minőségi és mennyiségi integritásának megőrzése Interferáló komponensek, zavaró tényezők csökkentése 3
Az analitikai mérések folyamata 4. Szükség esetén, elválasztási (szeparációs) műveletek alkalmazása Melynek célja: A mérendő komponens(ekk)el interferáló alkotók elválasztása, azaz az interferenciák csökkentése Mátrixhatás csökkentése Több mérendő alkotó esetén ezeket egymástól is el kell választani (analitikai elválasztástechnikák) Az analitikai mérések folyamata 5. Kalibrálás A kalibrálás nem más, mint összehasonlítás, melynek során: a mérendő tulajdonság mért értékét vetjük össze egy etalon ugyanilyen tulajdonságára mért értékkel. A kalibrálás segítségével változtatjuk a mérési módszer által produkált válaszjelet érdemi (minőségi, vagy mennyiségi) információvá. 6. Mérés Az analitikai mérések folyamata 7. Kiértékelés és a megbízhatóság megítélése 4
Az analitikai mérések folyamata 1. Kérdésfeltevés 2. Mintavétel (elsődleges mintavétel) 3. Mintaelőkészítés 4. Szükség esetén további elválasztás, mintatisztítás 5. Kalibrálás 6. Mérés 7. Kiértékelés Mérési módszer szelektivitása, specifikus jellege Egy mérési módszernek, reagensnek (vagy általában kölcsönhatásnak) azt a jellemzőjét, hogy különböző anyagfajtákat képes megkülönböztetni, szelektivitásnak nevezzük. Ha a szelektivitás annyira erős, hogy csak egyetlen anyagfajtát jelez a módszer vagy a reagens (egyetlen anyaggal lép fel a vizsgált kölcsönhatás), akkor a módszer, stb. specifikus. Analitikai interferencia Ha egy komponens meghatározása során egy másik komponens jelenléte problémát okoz, analitikai interferenciáról beszélünk. Feltételezhető, hogy a nem-szelektív módszernél van interferencia, míg egy szelektív módszernél nincs 5
Az analitikai kémiai mérés megvalósításának központi problematikája A meghatározandó komponens mindig számos egyéb alkotó közé rejtve található. Ez a hordozóközeg az ún. mátrix. A rendelkezésre álló módszerek nem tökéletesen szelektívek. Az interferáló komponensek elválasztása tehát alapvető feladat Az elválasztási műveletek során a meghatározandó komponens(ek) mennyiségi és minőségi integritását meg kell őrizni. Minden márványtömbben ott rejtőzik a szobor, csak ki kell szabadítani a kő fogságából Michelangelo Az analitikai mérések folyamata 1. Kérdésfeltevés 2. Mintavétel (elsődleges mintavétel) 3. Mintaelőkészítés 4. Szükség esetén további elválasztás, mintatisztítás 5. Kalibrálás 6. Mérés 7. Kiértékelés 6
Mintavétel (elsődleges mintavétel) Sampling (primary sampling) Minta: Valamely rendszerből azzal a céllal vett egy vagy több rész, hogy információt szolgáltasson a rendszerről, sok esetben azért, hogy a rendszerrel vagy annak működésével kapcsolatos döntéshozatal alapjául szolgáljon. Mintavétel (elsődleges mintavétel) Sampling (primary sampling) Elsődleges mintavétel Labor Minta populáció, tétel, vagy mintázandó rendszer Mintavétel (elsődleges mintavétel) Sampling (primary sampling) Elsődleges mintavétel Minta Labor Átlag vagy egyedi adatokra van szükség? Átlag minta esetén statisztikai módszerekkel kell meghatározni a reprezentativitáshoz szükséges minta mennyiségét. (Ez nem analitikai feladat.) Homogén a tétel? Milyen egységekben célszerű mintázni (doboz, zacskó, zsák, palack stb.)? Mennyi mintára van szüksége a laboratóriumnak? 7
Mintavétel (elsődleges mintavétel) Sampling (primary sampling) Elsődleges mintavétel Minta Labor Edényzet, csomagolás (a beszennyezést el kell kerülni!) Tárolási, szállítási körülmények (pl.: hőmérséklet, fény, idő) - Ez a meghatározandó komponenstől és a minta jellegétől függ Egyértelmű, visszakereshető jelöléssel kell ellátni a mintákat. Mintaelőkészítés Labor Mintaelőkészítés Mérés 1. Laboratóriumi mintavétel (párhuzamos mérések, vagy ismétlések) 2. Szilárd minták esetében méretcsökkentés, homogenizálás (darálás, őrlés, szitálás) 3. Kondicionálás (szárítás, liofilezés) 4. Feloldás, extrakció (kioldás), feltárás, roncsolás, szűrés, centrifugálás (A mérendő komponens kivonását, az interferáló komponensek eltávolítását és a zavaró hatások csökkentését szolgálják.) 5. (Dúsítás, származékképzés) Kondicionálás, szárítás (szilárd minták esetén) Szárítószekrényben, 105 fokon tömegállandóságig. Hátrány: hőérzékeny komponensek bomlást szenvedhetnek Forrpont alatti bepárlás (vízfürdőben, infralámpa alatt) Előny: enyhébb hőhatás (vákuum alatt tovább csökkenthető a hőmérséklet) Hátrány: lassú Liofilezés, fagyasztva szárítás Előny: gyengéd módszer Hátrány: költségesebb Az eredmény megadásakor szem előtt kell tartani, hogy az eredményt friss (nedves) tömegre, vagy szárazanyagra vonatkoztatva kell-e megadni! 8
Extrakció (kioldás, kivonás) (elméletét lásd ált. és szervetlen kémia tantárgynál) Cél: A meghatározandó komponens kioldása, kivonása a szilárd mintából az interferáló komponensek elválasztása és/vagy zavaró hatások csökkentése (mintatisztítás, clean-up) Dúsítás Kivitelezés: Folyadék-folyadék extrakció (megoszlás) Szilárd-folyadék extrakció (kioldás, kivonás) Szorpciós extrakció (szilárd-folyadék) Folyadék-folyadék extrakció A és B folyadékok csak korlátozottan elegyednek egymásban (pl.: hexán-víz). A folyadék B folyadék Példa: patulin gyümölcsléből aflatoxin tejből rázótölcsér K = d [] x A [] x B Egyensúlyi folyamat Hőmérséklet függő Az extrakció hatásfoka komponens függő Több egymást követő extrakció hatékonyság növekedést eredményez Szilárd folyadék extrakció (kioldás, kivonás) Visszafolyó szifon (reflux) Hűtővizes hűtés Minta (papírhüvelyben) Szerves oldószer Hőközlés 9
Szorpciós extrakció Szilárd fázisú extrakció (solid phase extraction, SPE) 1. Az eszköz (cartridge) kondicionálása: mosás erős majd gyenge oldószerrel. 2. Töltsük a mintát a tubusba 3. Az oszlop mosása gyenge oldószerrel, a gyengén kötött komponensek eltávolítása 4. Az oszlop mosása erősebb oldószerrel, a mérendő komponensek eltávolítása Tubus (cartridge) Szorbens Mintaszűrés Fecskendőszűrő (0,22; 0,45 µm) Papírszűrő Speciális eszközök Roncsolás, hamvasztás Csak szervetlen összetevők meghatározásakor használható feltárási eljárás, mivel a szerves komponenseket elroncsoljuk. Drasztikus oxidatív eljárás (szerves anyagokból rendre: CO 2, NOx, MeO, MePO 4, MeCO 3, MeCl, MeSO 4, MeSi 2 O 3 + víz) Kivitelezhető: hamvasztással, nedves roncsolással. 10
Hamvasztás A mintát olvasztótégelybe helyezzük: Kvarc, porcelán, acél, platina (inert, drága) A hamvasztást izzítókemencében 500 o C fölött végezzük. (12-18 óra) Előny: nem igényel reagenseket, olcsó Hátrány: Időigényes, Anyagveszteség lehet (illékonyság, kihordás), Nedves minták előszárítást igényelnek Nedves roncsolás Erélyes savakkal (HNO 3, HCl, H 2 SO 4 ), oxidálószerrel (H 2 O 2 ) történő roncsolás. 0,1-2 g minta, néhány ml oxidálószer Nyílt téri ( hot plate ) Egyszerűbben kivitelezhető, de sokszor nem biztosít tökéletes roncsolást + anyagveszteség lehet Zárt (bomba) Zárt, tehát nincs anyagveszteség Lehet kisnyomású (1-10 bar) és nagynyomású (80-200 bar) Hatékonyabb, gyorsabb (mikrohullámú energiaközlés) Szabályozható Drága Mintaelőkészítés (általános szempontok, elvek) Meghatározandó komponens minőségi integritásának megőrzése Tartósítás kérdésköre (oxidatív és mikrobiológiai problémák) Roncsolás, vagy kíméletes extrakció? Mennyiségi integritás szem előtt tartása. Extrakciós hatásfok (kinyerés) Degradáció a mintaelőkészítési eljárás következtében A célnak megfelelő szükséges előzetes elválasztási eljárások meghatározása Zsírtalanítsunk vagy ne? Kicsapjuk a fehérjéket vagy ne? Kipároljuk az alkoholt vagy ne? 11