EXTRAKCIÓ Az analaízis lépései 1, Zavaró komponensek elválasztása 2, Dúsítás Mintavételezés Mintaelőkészítés 1, Folyadék-folyadék extrakció 2, Szilárd anyag kioldása 3, Adszorpció 4, Abszorpció Általánosan használt Analízis Kiértékelés
Megoszlási hányados K p =[Z] 1 / [Z] 2
Technológiai alkalmazás
Az extrakció (kioldás) hatékonyságának növelése
Nyomás alatti extrakció
Mikrohullámú extrakció
SFE: Enhanced penetration Diffusivity of solvent molecules in a SF approach gaseous state diffusivity Solute diffusivity within a SF approaches that shown in gaseous phase Solvent (SF) Solute
A mikrohullám hatékonyságnövelő hatása
Mikrohullám (részletek)
Szuperkritikus folyadék (fluidum) extrakció)
Property Density (kg/m3 ) Viscosity (cp) Diffusivity (mm2 /s) Gas 1 0.01 1-10 SCF 100-800 0.05-0.1 0.01-0.1 Liquid 1000 0.5-1.0 0.001
Fluid Critical Temperature (K) Critical Pressure (bar) Carbon dioxide 304.1 73.8 Ethane 305.4 48.8 Ethylene 282.4 50.4 Propane 369.8 42.5 Propylene 364.9 46.0 Trifluoromethane 299.3 48.6 (Fluoroform) Chlorotrifluoromethane 302.0 38.7 Trichlorofluoromethane 471.2 44.1 Ammonia 405.5 113.5 Water 647.3 221.2 Cyclohexane 553.5 40.7 n-pentane 469.7 33.7 Toluene 591.8 41.0
A szén-dioxidot a következő jó tulajdonságai miatt használják szívesen a szuperkritikus extrakcióban oldószernek: nem káros az egészségre, ezért jól alkalmazható gyógyszerek, élelmiszerek és élvezeti cikkek előállításánál, nagy a sűrűsége, így viszonylag sok anyagot tud oldani, nem lép reakcióba a kezelt anyaggal, alacsony a kritikus hőmérséklete (31 C) és kritikus nyomása (73 bar), ezért alacsony hőmérsékleten lehet vele dolgozni, nem károsodik a kezelt anyag, nem tűzveszélyes és nem korrozív, könnyen beszerezhető élelmiszeripari tisztaságban és nagy mennyiségben áll a rendelkezésünkre, nem szennyezi a környezetet, az extrakció után maradék nélkül eltávozik a termékből, a nyomás és hőmérséklet megfelelő változtatásával lehetőség van a szuperkritikus állapotú oldószer oldóképességének kedvező irányba való változtatására.
Table 1. Comparison of MAP with other Methods SOXHLET SONICATION MICROWAVE SUPERCRITICAL FLUID Sample* Weight (gram) 5.00-10.00 5.00-30.00 0.50-1.00 1.00-10.00 Solvent ** ** Hexane/Ethano l CO 2 Solvent Volume (ml) >300.00 300.00 10.00-20.00 5.00-25.00 Vessel Volume (ml) 500.00-1000.00 500.00 <100.00 5.00-25.00 Temperature (Degrees C) Boiling Point Room Temp. 40, 70, 100 50, 200 Time 16 hours 30 minutes 30-45 seconds 30-60 minutes Pressure (atm.) Ambient Atm. Ambient Atm. 1.0-5.0 150.0-650.0 Relative Energy Consumption 1.00 0.05 0.05 0.25
Szilárd fázisú extrakció (SPE)
1. Lépés: SPE választás
2. lépés: SPE kondicionálás
3. lépés: Mintaadagolás
4. lépés: Minta mosása
5. lépés: Komponensek elúciója
Headspace analízis
Különféle sók adagolásának hatása vizes mintákban, 60 C -on Só Ammónium szulfát Nátrium klorid Káliumkarbonát Ammónium klorid Nátrium acetát Etanol csúcsterület nüvekedése X5 X3 X8 X2 X5
A headspace analízis lehetőségei Static headspace analysis Dynamic headspace analysis Solid phase microextraction
Elõzmények: lézer deszorpció/gáz kromatográfia optikai szál (fused silica) végérõl a minta lézer impulzussal párologtatva el. A módszer hatékonyságának növeléséhez kellõen gyors mintaelõkészítést kellett kidolgozni. Ötlet: Polimer bevonattal ellátott (optikai, silica) fibert mártani a mintába. Optikai fiberek különbözõ mûanyag bevonattal (mechanikai ellenállás növelése véljából) hozzáférhetõek voltak Bevonatkészítésre kellõ tapasztalat állt rendelkezésre a kapillárkolonna készítésbõl. Folytatás: Supelco (1993) elkezdte az elsõ laboratóriumi (SPME) berendezés és HPLC interface forgalmazását. Varian a korábbi 8000GC automatikus mintavevõn alapuló automatikus SPME-t t fejlesztett ki.
Szilárd fázísú mikroextrakció SPME (Solid phase microextraction fiber)
Kifejlesztett eszközök
SPME (Solid phase microextraction fiber) Silica core Polymer coating
SPME (Solid phase microextraction fiber) x Polymer only sorbs dissolved molecules
absorption TNT 2ADNT 4ADNT
Diagram of SPME Extraction Direct sampling SPME Headspace SPME
Az extrahált anyag mennyiségét befolyásoló tényezõk (direkt mintavételezés) Egyensúlyi állapotban V s C o = C f V f + C s V s C f = n V f K fs = C f C s n = K fs V f V s C o K fs V f + V s A mintatérfogat nagyon nagy K fs V f << V s n = K fs V f C o A szénhidrogének K fs -e 25 o C-on 160-90,000 (alifás-aromás) közötti érték PDMS bevonatra. A bevonat térfogata (100 µm vastag) 6.12x10-7 L.
C o V s = C f V f + C h V h + C s V s K fh = C f C h K hs = C h C s n = C f V f n = K fh K hs V f C o V s K fh K hs V f + K hs V h + V s K fs = C f C s = K fh K hs n = K fs V f V s C o K fs V f + V s n = K fs V f C o V s K fs V f + K hs V h + V s
Következtetés: ha a rendszer gözteret is tartalmaz az extrahált mennyiség nem függ attól hogy a mintavétel az oldatból vagy a gõztérbõl történik. Gõzteret tartalmazó rendszer esetében annál nagyobb az extrahá lt analitikum mennyisége minél kisebb a gõztér. Az extrahált mennyiség függ az anyag bevonat/víz megoszlási hányadosától (K fs ) Minden olyan tényezõ (hõmérséklet, a közeg polaritása, ph, az analitikum kémiai átalakítása (derivatizálás) amely hatással van a K fs -re, befolyásolja az extrahált mennyiséget (érzékenységet) is.
Effect of Coating Thickness on the Absorption for the Extracion of 0.1 ppm Benzene 100 80 100 µm Mass (ng) 60 40 20 0 56 µm 15 µm 0 200 400 600 Time (S)
Effect of Salts on the Extraction of Volatile Compounds by SPME Normalized FID Response No Salt Sodium Chloride Sodium Sulfate Potassium Carbonate Benzene Dioxane
Effect of Distribution Constant on the Absorption Profile of 0.1 ppm Analyte Mass (ng) 30 25 20 15 10 5 0 K fs = 831 (p-xylene) K fs = 294 ( Toluene) K fs = 125 ( Benzene) 0 1000 2000 3000 time (S)
Az SPME használatának lépései
Az analitikum deszorpciója (injektálás) Az injektor hõmérséklete és a lineáris áramlási sebesség határozza meg a deszorpciós idõt, a hõmérséklettel a diffúzió sebessége nõ, a megoszlási hányados pedig jelentõsen csökken (o-xilol K fg = 24,000 (25 o C), K fg = 13 (250 o C). A lineáris áramlás sebessége növelhetõ szük inlet alkalmazásával: al:
HPLC interface
Detection Limits and Reproducibility of Organic Volatile Compounds in Water Technique SPME Detection Limit with FID (ppb) 0.05-0.2 Coefficient of Variation (%) 1-3 Static Headspace Dynamic Headspace 5-10 0.005-0.05 1-3 4-8
Származékképzés (derivatizálás) a kromatográfiában Gázkormatogáfiában: A mintakomponensek illékonyságának növelése Az anyagok termikus stabilitásának növelése +(csúcsátfedések csökkentése, detektálhatóság növelése) Folyadékkromatográfiában: A detektálás (detektálhatóság) javítása Az UV elnyelés növelése Fluoreszcens csoportok beépítése
A származékképzés lehet: Kromatografálás előtti (prekolumn) Nem kell gyorsnak lenni, nehezen automatizálható, a reagens könnyen elválasztható legyen, teljesen végbemenjen. elválasztás utáni (posztkolumn) Reprodukálható es gyors legyen, reagens ne zavarjon.
1. Alkilszilil származékok: Gázkromatográfis derivatizálás A legáltalánosabban alkalmazott derivatizáló reagensek ( trimetilszililező szerek): (CH 3 ) 3 Si N N-trimetilszililimidazol O Si(CH 3 ) 3 CH 3 C N Si(CH 3 ) 3 N,O-bisz-trimetilszililacetamid N CH 3 CH 3 CF 3 C N Si CH 3 O CH 3 N-metil-N-trimetilszilil-trifluoroacetamid (CH 3 ) 3 Si N(C 2 H 5 ) 2 N-trimetilszilildietilamin
CH 3 CH 3 Si Cl CH 3 Trimetilklórszilán CH 3 CH 3 CH 3 Si NH Si CH 3 CH 3 CH 3 Hexametildiszilazán A trimetilszililező reagensek reaktivitási sora: Trimetilszilil-imidazol > N,O-bisz(trimetilszilil)trifluoracetamid > N,O-bisz(trimetilszilil)acetamid > N metil-n-(trimetilszilil)- trifluoroacetamid > N-trimetilszilildietilamin > N-metil-N-trimetilszililacetamid > trimetilklórszilán > hexametil-diszilazán. Vizsgálandó vegyületek reaktivitási sora: R-OH > Ph-OH > RCOOH > R-NH 2 > R-CONH-R
Trimetilszilil származ rmazékot adó funkciós s csoportok Funkciós csoport Funkciós cs. neve Származék Származék neve OH Hidroxil OTMS Trimetilszilil-éter SH Tiol STNS Trimetilszilil-tioéter COOH Karboxil COOTMS Trimetilszililkarboxilát POH Foszfát POTMS Trimetilszilil-foszfát SOH Szulfát SOTMS Trimetilszilil-szulfát NOH Nitrát NOTMS Trimetilszilil-nitrát BOH Borát BOTMS Trimetilszilil-borát NH 2 Amin NHTMS; Trimetilszilil-amin, N(TMS) 2 NH Imin NTMS Trimetilszilil-imin CONH 2 Karbonsavamid CONHTMS N-Trimetilszililkarbonsavamid CH 2 -C=O Karbonil CH=COTMS Trimetilszilil-
Alkilezés Aktív hidrogénatom cserélődik ki alkil- (aril-) csoportra. Vegyület képlete Vegyület neve Származék képlete Származék neve RCOOH Karbonsav RCOOR 1 Észter RSO 2 OH Szulfonsav RSO 2 OR 1 Szulfonsav észter ROH Alkohol ROR 1 Éter RSH Tioalkohol RSR 1 Tioéter RNH 2 Alkil-amin RN(R 1 ) 2 Trialkilamin R 2 NH Dialkilamin R 2 NR 1 Trialkilamin RCONH 2 Karbonsavamid RCONHR 1 N-alkil-karbonsavamid RSO 2 NH 2 Szulfonsavamid RSO 2 N(R 1 ) 2 N,N -dialkil-szulfonamid RCOCH 2 COR β-diketon RCOCH=C(OR 1 )R β-acil-o-enoléter
1. 2. R(Ar) X = I, Br X R = Me, Et, Pr, Bz Alkilezés (folytatás) + R 1 COO - Ag 2 O O R(Ar) O C R 1 NaH, BaO + X - CH 3 N 2 + RC O O - RCOOCH 3 + N 2 C 2 H 5 N 2 N 2 RCOOC 2 H 5 3. (CH 3 ) 2 NCH(OR 1 ) 2 + RCOOH RCOOR 1 + (CH 3 ) 2 NCHO + R 1 OH R 1 = CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7, C 4 H 9 (fenolok, amidok, tiolok) N,N-dimetil-dialkilacetál
Extraktív alkilezés Savak, fenolok, alkoholok vagy amidok alkilezése vizes közegben. RCOO - + R 4 N + RCOO - R 4 N + AQ RCOO - R 4 N + RCOO - R 4 N + AQ ORG RCOO - R 4 N + ORG + R 1 I RCOOR 1 + R 4 N + I - Pirolítikus alkilezés RCOOH + C 6 H 5 (CH 3 ) 3 N + OH - RCOO - C 6 H 5 N + (CH 3 ) 3 + H 2 O RCOO - C 6 H 5 N + (CH 3 ) 3 RCOOCH 3 + C 6 H 5 N(CH 3 ) 2
Arilezés NO 2 NO 2 NO 2 F + RNH 2 NO 2 NH R + HF RSH C 6 H 5 OH Oximképzés R 1 C O + F F F CH 2 O NH 2 H 2 O F F F CH 2 O N C R 1 R 2 F F F F R 2
Származékképzés folyadékkromatográfiához Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Alkoholok (R-OH) esetében NO 2 C Cl O N O 2 C OR O NO 2 3,5-dinitrobenzoil-klorid NO 2 I SO 2 Cl I SO 2 OR p-jódbenzolszulfonil-klorid (NO 2 ) COCl (NO 2 ) COOR (p-nitro)benzoil-klorid
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aminok (R-NH2) esetében N O 2 NO 2 C Cl O NO 2 C NH O R 3,5-dinitrobenzoil-klorid O CH 3 C C O Cl NO 2 O C H 3 C C NH O R piruvoil-klorid O CH 3 O C Cl O CH 3 O C NH R p-metoxi-benzoilklorid
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Aldehidek (R-CHO), ketonok R-(CO)-R esetében NO 2 NO 2 N NH NO 2 NO 2 NH N C R (H)R 2,4-dinitrofenil-hidrazin NO 2 CH 2 O NH 2 p-nitrobenzilhidroxilamin NO 2 CH 2 O N C R (H)R
Derivatizálás az UV-látható detektorjel növelése érdekében Karbonsavak (R-COOH) esetében O CH 2 Br CH 2 O C R benzil-bbromid N 2 O O C R naftildiazometán
Derivatizálószerek fluoreszcenciás detektáláshoz R SO 2 X N R R=CH 3, X=Cl Danzil klorid O R=C 4 H 9, X=Cl Dabzil klorid R=CH 3, X=NHNH 2 Danzil hidrazin O O O Fluorescamine CH 3 O CH 3 O N N CH 3 CON 3 3,4-dihidro-6,7-dimetoxi-4-metil-3-oxoquinoxali -2-karbonilazid O CHO CHO CH 2 Br o-ftáldialdehid CH 2 OCOCl Fluorenilmetiloxikarbonil-klorid CH 3 O O O 4-brommetil-7-metoxi-kumarin
Levegő mintavételi alapelvek Gázokra és gőzökre két alapelvet alkalmaznak -integrált mintavétel: -- ismert mennyiségű mintát bocsátanak keresztül (vagy rá) egy adott abszorbens, vagy adszorbens rétegen, -- átlagos kibocsátás egy adott periódusra vonatkozóan -merítéses mintavétel -- a szennyezett levegő közvetlen összegyűjtése -- egy adott időpillanatra reprezentatív levegőminta
Mintavételi lehetőségek, anyagok Vákuumra leszivatott edények Általában rozsdamentes fémedények, vagy speciális üvegedények Hűtött csapdák Ismert mennyiségű levegőt egy (szárazjéggel, cseppfolyós levegővel, vagy nitrogénnel) hűtött csapdán vezetok át. Csak a szennyező csapdázódik
Kannás mintavevők
Integrált minták vétele Diffúziós (passzív) mintavevők : a légszennyező diffúzióval jut az adszorpciós rétegre Átszívásos (aktív) mintavevők: ismert mennyiségű (hőmérséklet, nyomás) levegőt szívatnak át adszorpciós rétegen
Diffúziós mintavevő
Passive Sampling Types of passive samplers Commercially available Solid sorbents, or liquid absorbers (charcoal, coated silica gel, etc.)
Passive Sampling Sampling starts when the cover is removed Driving force is the concentration gradient from the sampler face (C 1 ) to the sampling medium (C 0 ) over the diffusion path (L) C 0 remains essentially zero Contaminant uptake = Diffusion Coefficient x area/length, D(A/L) D(A/L), the sampling rate, has volume/time units, just like sampling with pumps
Áramlásos mintavevők
A mintavevő csövek felépítése
Properties of Solid Sorbents Commonly Used in Industrial Hygiene Sampling Sorbent Specific Surface Area (m 2 /g) Pore Type Upper Temperature Limit ( C) Composition Activated charcoal >1000 I coconut shell or petroleumbased Charcoal Activated charcoal 300 800 I II amorphous silica Tenax GC 20 III 350 400 polymer of 2,6- diphenyl-pphenylene Oxide Chromosorb 102 300 400 II 250 copolymer of styrene and divinyl benzene Chromosorb 104 100 200 III 250 copolymer of acrylonitrile and divinyl benzene Amberlite 300 400 II 200 250 copolymer of styrene and XAD-2 divinyl benzene XAD-4 500 850 I II 200 250 copolymer of styrene and divinyl benzene XAD-7 325 450 I II 200 250 acrylate polymer Pore type: I is <2 nm; II is 2 50 nm; III is >50 nm
Abszorpciós mintavevők
Vízminták szerves szennyezőinek analízise Kiűzés és csapdázás (purge and trap) módszerrel
Alkalmazott módszerek VÍZMINTÁK TARTÓSÍTÁSA SZER,TECHNIKA HATÁS ANALIZÁLANDÓ Hűtés (4 C) baktériumszaporodás, Savasság,szín,szag, VOC szökés gátlása BOD,C,P,N,zavaros. HNO3 Fémek oldatban tartása Nehézfém-ionok H2SO4 Baktériumölő,illékony COD,TOC, olaj,zsír, bázisok megkötése aminok, NH3, NaOH Illékony savak megkötése Savak,cianid HgCl2 Baktériumölő N,P tartalmú szerv. anyag Azonnal elvégzendő vizsgálatok: -hőmérséklet, -ph, - oldott oxigén, - oxidálószerek (Cl2,ClO2, ózon, stb.)
VÍZMINTÁK ANALÍZISE ÖSSZESÍTETT MUTATÓK: 1,Biológiai Oxigén Igény (BOI5, v. BOD5): pufferolt,adalékolt vizet oxigénnel telítenek, majd mérik azonnal (D1) és öt nap múlva (D2) az oldott oxigént 20 C-on tárolt mintában BOI5= (D1-D2)/Vminta 2,Kémiai Oxigén Igény (KOI, v. COD): a, savas K2Cr2O7 feleslegével 2 órán refluxon forralt vízmintából a dikromát felesleget (Fe2+-vel) visszamérik: KOI(mg/l)= a dikromáttal ekvivalens O2 b,minta + KMnO4 ismert mennyisége20 perc forralás oxalátfelesleg (ismert) +savanyításpermanganáttal visszatitrálás KOI= mint fent c,elégetés levegőben v. CO2-ben és mérik műszeresen a CO2-t v.co-t.
3,Összes szerves szén(total Organic Carbon:TOC) TOC= DOC (dissolved) + NDOC (not dissolved)= = POC (purgable) + NPOC (not purgable) 4,Összes szervesanyaghoz kötött halogén (TOX): Elégetés és a felszabaduló HX meghatározása mikro- coulombmetriásan (AgAg+ AgX)
Definitions & Methodology TOC TC = Total Carbon Sample oxidized at HT and CO 2 is detected TIC = Total Inorganic Carbon H 2 CO 3 (H 2 O + purged and detected TOC Sample is acidified to CO 2 ) and CO 2 is = Total Organic Carbon (by substraction = TC- TIC) AOX = Adsorbable Organic Halogens
Gas Filter Correlation Technique
TOC 1200: HT TOC High Temperature Furnace Analyzer Sample introduction Flow regulators TIC scrubber Permapure Scrubber NDIR detector with GFC technique Windows software
Layout TOC 1200
EUROGLAS TOC/AOX TOC 1200 SOLIDS MODULE FURNACE TUBE PERMA PURE NDIR DETECTOR AOX AOX MODULE FURNACE TUBE SCRUBBER COULOMETER
Applications Drinking water Effluent water (municipal and industrial) Solid waste High saline water Particulated samples APPLICATION NOTES
5,Oldott huminanyag(aquatic Humic Substances-AHS) Ioncserélőn (XAD-gyanta v.dietilamino-etilcellulóz) szorpcióelúció NaOH-dal az eluátumban DOC meghatározás. 6,Olajok és zsírok: Extrakció 1,1,2-trikloró-1,2,2-trifluoró-etánnal,majd a,oldószer elpárologtatástömegmérés b,ir analízis (2930 cm-1 en elnyelés mérése) 7,Szénhidrogének: Extrakció,mint zsíroknál,olajoknáladszorpció szilikagélen (a polárosok dszorbeálódnak)a maradék a szénhidrogének.
8,Fenolok: (élvezeti értéket rontják + a klórozottak rákkeltőek) O 2 N NH 2 + 2HCl + NaNO 2 P-nitroanalin diazotálása O 2 N N=NCl + NaCl + 2H 2 O + OH O 2 N N=N OH +HCl majd kapcsolása fenollal b, 4-amino-antipirin (p-nitroanilin helyett)kloroformos extrakciófotometrálás. N-butanollal extrahálni, majd forometrálni 460 nm-en
9,Felületaktiv anyagok (detergensek): Általában a detergensek 60%-a anionos, 30%-a anionos és a maradék nemionos tenzid. a,teljes detergensmennyiség meghatározás: Etil-acetáttal kioldásaz oldószer elpárologtatása után tömegmérés. b,anionos detergensek meghatározása: Metilénkékkel ionpárképzés (kloroformos metilénkékkel való extrakció)fotometrálás 620 nm-en. c,kationos detregensek meghatározása: c1,kationcserélőn elválasztássósavas elúcióbepárlás tömegmérés c2,brómfenolkékkel komplexképzéskloroformos extrakciófotometrálás 416 nm-en.
INDIVIDUÁLIS ( A KOMPONENSEK EGYEDI) ANALÍZISE Polikondenzált 6440 HC-ODS Sil-X UV, aromások fluoreszcens Szinte kizárólag GC, HPLC és ezekkel kombinált MS módszereket alkalmaznak. ALKALMAZOTT KROMATOGRÁFIÁS MÓDSZEREK Komponensek EPA Oszlop Detektálás GC módszerekm Illékony szerves 6210 1% SPE1000 CARBOPACKB-n FID,MS vegyületek (VOC) Kap.:VOCOL,DB-624,DB-5 Illékony aromások 6220 5% SP1200 SUPELCOPORT-on FID,PID,MS Illékony halo- 6230 n-oktán PORASIL C-n ECD,FID, karbonok (VOX) 1%SP1000 CARBAPACK B-n MS, ECC Extrahálható savak/ 6410 3% SP2250 SUPECOPORT-on MS bázisok 1%SP-1240 SUPELCOPORT-on Fenolok 6420 5% OV-17 CHROMOSORBON FID,ECD, 1% SP1240 SUPELCOPORT-on MS Poliklórozott 6431 3% SP2250 SUPECOPORT-on ECD, MS bifenilek Kap.: DB-5 Klórozott peszti- 6630 1,5% OV-17+1.95% QF-1 ECD, MS cidek Kap.:DB-1,DB-5,DB-1701 HPLC módszerekm