HALOECETSAVAK ÉS FÉM-KELÁT KOMPLEXEK ANALITIKAI ELVÁLASZTÁSA NAGYHATÉKONYSÁGÚ IONKROMATOGRÁFIÁVAL Doktori (PhD) értekezés tézisei Készítette Tófalvi Renáta okleveles vegyész német-kémia szakos középiskolai tanár Témavezető Dr. Hajós Péter egyetemi docens Készült a Pannon Egyetem Kémiai és Környezettudományi Doktori Iskolája keretében Pannon Egyetem Mérnöki Kar Környezetmérnöki Intézet Analitikai Kémia Intézeti Tanszék 2012.
1. Bevezetés és célkitűzések A Pannon Egyetem Analitikai Kémia Intézeti Tanszék kutatásaiba német-kémia szakos tanár, majd vegyész szakos hallgatóként kapcsolódtam be, és PhD ösztöndíjasként folytattam a munkát. Tudományos Diákköri hallgatóként is részt vettem a Tanszék Elválasztástudományi Munkacsoportjának ionkromatográfián alapuló kutató munkájában. Örömmel voltam tagja a nemzetközileg is elismert, számos tudományos sikert elért munkacsoportnak. A természetben kis, esetleg nyomnyi mennyiségben jelenlévő káros hatású anyagok és különböző konfigurációinak, komplexeinek felismerése, mennyiségi kimutatása egyre fokozódó mértékben foglalkoztatja mind a szakértőket, mind a lakosságot. Ebben a témakörben fontosnak tartottuk az ivóvíz fertőtlenítésekor keletkező halogenizált ionos melléktermékek kimutatására alkalmas módszer kidolgozását, amellyel rövid analízisidővel, nagy szelektivitással elvégezhető a haloecetsavak és a vízben jelenlévő egyéb anionok minőségi és mennyiségi elemzése. A vizekben előforduló halogénezett szerves anyagok, főleg a haloecetsavak a termékek széles variációit mutatják, amelyeknek biológiai aktivitása, környezetszennyező tulajdonságai is különbözőek. A haloecetsavakhoz hasonlóan lényeges a természetes vizekben előforduló fémek és poliaminokarbonsavak nyomon követése, mivel vízoldható komplexeket képeznek, miáltal bekerülhetnek az ivóvízcikluson át az emberi szervezetbe is. A retenciós adatok alapján felismerhetők és beazonosíthatók a fém-kelát komplex anionok egyes kémiai formái. Ezért fontos célkitűzésnek tekintettük, hogy komplexkémiai és ioncsere kémiai megfontolások alapján az átmeneti fémeknek különböző kelát ligandumokkal alkotott stabil komponenseit a kromatográfiás folyamatban felderítsük. 2. Felhasznált eszközök Kísérleti munkánk során Dionex 2010i és Dionex 300 (Dionex Corporation, Sunnyvale, CA, USA) ionkromatográfiás rendszert, Dionex AS9-HC pellikuláris és Cryptand-A1 makrociklusos analitikai oszlopokat használtunk. A kapott retenciós adatokat PeakFit 4.12 szoftverrel dolgoztuk fel. Ezenkívül használtunk ICP-AES készüléket, melynek típusa: Perkin Elmer Optima 2000 DV (USA). Az infravörös színképek felvétele ATR (Attenuated Total Reflection = csillapított totálreflexió) reflexiós módszerrel történt, MCT (Higany-kádmiumtellur) detektorral ellátott Varian Scimitar 2000 Fourier Transzformációs infravörös (FTIR) 2
spektrométer segítségével. Az ATR feltét (kereskedelmi neve: SPECAC Golden Gate ) optikai eleme egy 2x2 mm-es gyémánt ATR kristály (aktív felülete 0,6 x 0,6 mm). 3. A tudományos eredmények összefoglalása Az ionkromatográfia területén az elmúlt évek során elért eredményeim az alábbiak szerint foglalhatók össze: 1. HALOECETSAVAK ÉS SZERVETLEN ANIONOK ELVÁLASZTÁSA N-DECIL- 2.2.2. KRIPTAND ALAPÚ MAKROCIKLUSOS BÁZISOS ANIONCSERÉLŐ ANALITIKAI OSZLOPON Gradiens elúciós módszerrel megoldottuk az izokratikusan el nem választható haloecetsavak (monoklór-ecetsav (MCA), monobróm-ecetsav (MBA), diklórecetsav (DCA), bróm-klór-ecetsav (BCA), dibrómecetsav (DBA), triklórecetsav (TCA), monobróm-diklór-ecetsav (MBDCA), monoklór-dibróm-ecetsav (MCDBA) és tribrómecetsav (TBA)) szervetlen anionok ( F,Cl, NO 3, Br, 2 SO 4, 3 PO 4 ) jelenlétében történő elválasztását makrociklusos ioncserélő állófázison.. A Cryptand A1 N-decil-2.2.2. oszlop kémiai szerkezete miatt kiválóan alkalmas a kapacitás gradiens kivitelezésére az eluens fémionjának változtatása által a host/guest komplexképző folyamatban. Mivel eközben az eluens ionkoncentrációja nem változik, olyan módszert dolgoztunk ki, ahol az alapzaj zavaró hatását számottevően csökkenteni tudtuk. 2. A GRADIENS ELÚCIÓ OPTIMALIZÁLÁSA A HALOECETSAVAK HATÉKONY ELVÁLASZTÁSÁRA (a) A kapacitás gradiens elválasztások retenciós eredményei alapján megállapítottuk, hogy jó felbontással és kis retenciós időkkel választhatók el mind a kis, mind a nagy retenciójú haloecetsavak alkálifém-hidroxid (LiOH, KOH, NaOH) eluensek alkalmazásával. 3
(b) (c) Az analitikai elválasztó oszlop kapacitásának szisztematikus vizsgálata arra az eredményre vezetett, hogy a LiOH eluens esetén az oszlop kapacitása (Li + - kriptát) nagyon alacsony (1,5-8 µekv/oszlop), KOH eluens használatakor (K + - kriptát) a kapacitás (70-73 µekv/oszlop) közelít a maximális értékhez és NaOH eluensnél (Na + -kriptát) a kapacitás szignifikánsan nő (35-73 µekv/oszlop) az eluens koncentrációjának növelésével (10-3 M < C < 10-1 M). A kapacitás és a mintaionok fém-kriptát anionos funkciós csoportokhoz való affinitása együtt eredményezi az adott anion retenciós idejének lényeges eltérését a különböző típusú eluensek (Li-, Na- vagy K-hidroxid) használatakor. A gradiens elúció optimális értékeinek segítségével megállapítottuk azt az eluensek kombinálásával kialakított gradiens programot, amelyben a gradiens lépcső helye, az eluens minősége és koncentrációja optimális elválasztási feltételeket biztosít. Az optimális körülményeket a felismert komponensek száma, a felbontás és az analízis időigénye alapján állapítottuk meg. A gradiens lépcső időpontja 3 min, előtte 10 mm NaOH, utána 10 mm LiOH oldat az eluens (G10 gradiens program). 3. FÉM-KELÁT KOMPLEX IONOK RETENCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA PELLIKULÁRIS ÁLLÓFÁZIST TARTALMAZÓ ANIONCSERÉLŐ OSZLOPON (a) Az átmenetifém-komplex anionok (Cu 2+, Zn 2+, Co 2+, Al 3+ ) és poliaminokarboxilát ligandumaik (EDTA, DCTA) retenciós adatbázisa alapján megállapítottuk az elválasztás hasznos paramétereit AS9-HC anioncserélő oszlopon, figyelembe véve a komplexek stabilitását és az eluens összetételét. A módszer előnyös körülménye, hogy a fémkomplexek stabilitása és az elúció szempontjából azonos lúgos ph-tartomány (9-11) a kedvező. Az eluens koncentrációja, a benne lévő karbonát/hidrogénkarbonát-ionok aránya és ph-ja jelentős hatással van a retencióra, abból adódóan, hogy az eluens ph változása esetén a protolízis szabályozása révén a kétértékű és egyértékű eluenskomponensek eltérő elúciós hajtóerővel rendelkeznek. (b) Az eluens paramétereinek változtatásakor megállapítottuk, hogy az eluensrendszer összkoncentrációjának és/vagy ph-jának növelése a retenciós idő 4
csökkenését eredményezi. Ezek ismeretében meghatároztuk az optimális elválasztási körülményeket (9,44 < ph <11,03, C = 9,0 mm Cu-EDTA-ra és Cu- DCTA-ra, C = 8,0 mm Zn-EDTA-ra és Zn-DCTA-ra). Az egymáshoz közel eluálódó ionok (ZnEDTA 2-, ZnDCTA 2- ) elválasztásához nagyobb arányú hidrogénkarbonátot tartalmazó eluensrendszer használata célszerű, mivel a hidrogénkarbonát elúciós ereje kisebb, mint a karbonáté. 4. A POLIAMINOKARBOXILÁT ANIONOK, SZERVETLEN IONOK ÉS AZ ÁTMENETIFÉM KATIONOK EGYIDEJŰ ELVÁLASZTÁSA MEGVALÓSÍTHATÓ (a) (b) (c) A kromatogramokból vett heart-cut mintákon elvégzett ICP-AES mérési eredmények a Cu és Zn fémionok meghatározása alapján is igazolják, hogy az anionok és a fém kationok, ill. azok különböző komplex formáinak szimultán elválasztása a komplexképzésen keresztül megvalósítható, valamint a réz és cink fémionok poliaminokarboxilát anionokkal csak egyféle, kétszeresen negatív töltésű komplexet képeznek. A szabad ligandum csúcsok FTIR-ATR spektroszkópiás mérései igazolják, hogy az anionok és a fém kationok szimultán elválasztása megvalósítható, detektálható, a komplexképző reagens koncentrációváltozása nyomon követhető, a fémkomplexek és azok ligandumai is azonosíthatók. Az EDTA kromatogramjának valamennyi csúcsából vett heart-cut mintán elvégzett méréskor megjelentek az EDTA-ra jellemző kötések sávjai: szimmetrikus és aszimmetrikus COO-vegyértékrezgések (1800 1300 cm -1 ). A poliaminokarboxilát ligandumok 2, 3 és 4 negativ töltésű formái elválaszthatók egymástól anioncsere kromatográfiával. EDTA ligandum esetében ezek a komponenesek a koeluálódó EDTA 4- / HEDTA 3-, ill. a NaEDTA 3-, a NaHEDTA 2- és a Na 2 EDTA 2-. Elválasztásukat az teszi lehetővé, hogy feltételezhetjük, hogy a különböző formák egymásba való átalakulásának sebessége az elválasztás időszükségletével összemérhető. Eredményünket az FTIR-ATR mérések is alátámasztják. 5
5. A FÉM-KELÁT KOMPLEX IONOK ÉS HALOECETSAVAK SZELEKTÍV ELVÁLASZTÁSI PARAMÉTEREI TERVEZHETŐK Az átmeneti fém-kelát komplex anionokra vizsgált retenciós adatbázis alapján megállapítható, hogy a komplexek és ligandumaik szimultán analízise megvalósítható ph = 9,0 11, 0 és C = 6,0 9, mm karbonát eluens Na CO 0 2 3 alkalmazásával. A retenciók szervetlen, szerves anionok < komplexképző anionos ligandumok (EDTA < DCTA) < fémkomplex anionok sorrendben adhatók meg. Haloecetsavak esetében az alkalmazott step-gradiens (NaOH / LiOH) lehetőséget ad arra, hogy a retenciók klórozott < brómozott, ill. mono- < di- < tri-halogén-ecetsav sorrendben valósuljanak meg. A kalibrációs linearitások 0,01 0,4 mm mintakoncentráció tartományban azonos fémion, különböző ligandum esetén R 2 =0,9931 CuEDTA ionra, ill. R 2 =0,9894 értékűek CuDCTA ionra. Hasonló koncentrációtartományban az MCA, MBA esetében R 2 =0,9997, ill. R 2 =0,9996 értékek adódtak. 4. Publikációk, előadások 4.1. Publikációk 1. M. C. Bruzzoniti, R. M. De Carlo, K. Horváth, D. Perrachon, A. Prelle, R. Tófalvi, C. Sarzanini, P. Hajós: High performance ion chromatography of haloacetic acids on macrocyclic cryptand anion exchanger, Journal of Chromatography A, 1187 (2008) 188-196 p. IF: 3,756 2. R. Tófalvi, A. Sepsey, P. Hajós: Analytical separation and identification of metal-chelate complexes using liquid chromatography, Műszaki Kémiai Napok 2010, Veszprém, Konferencia Kiadvány, ISBN 978-963-9696-93-8, 69-73. o. 3. R.Tófalvi, A.Sepsey, K.Horváth, P.Hajós : Environmental Significance and Identification of Metal- Chelate Complexes Using Ion Chromatography, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol.39., No.1.(2011), pp.95-99 IF: 0,196 (2000-es adat) 6
4. R. Tófalvi, K. Horváth, P. Hajós: High performance ion-chromatography of transition metal-chelate complexes and amino-polycarboxylate ligands, J. of Chromatography A 2012 (közlésre elfogadva, DOI szám: 10.1016/j.chroma.2012.11.054) IF: 4,531 4.2. Konferencia előadások 4.2.1. Nemzetközi konferencia előadások 1. R. Tófalvi, L. Nagy and P. Hajós: Comparative parameters of conductivity detection for the ion chromatography of organic and inorganic ions, Advances in Chromatography and Electrophoresis ACE 98 An International Symposium on Chromatography, Electrophoresis and Related Separation Methods, Szeged, Hungary, June 18-20, 1998 2. R. Tófalvi, K. Horváth, P. Hajós: Prediction of conductivity detection signal of ions in anion chromatography using alkanesulfonate eluents, 12 th International Symposium Advances and Applications of Chromatography in Industry, Bratislava, Slovak Republik June 29- July 1. 2004, 3. K. Horváth, D. Perrachon, R. Tófalvi, C. Sarzanini, P. Hajós: High performance separation of haloacetic acids on macrocycle-based anion-exchanger, 19 th Annual International Ion Chromatography Symposium IICS, Pittsburgh, Pennsylvania, USA September 24-27, 2006. 4. R. Tófalvi, R. M. Carlo, K. Horváth, C. Sarzanini, M. Bruzzoniti, P. Hajós: Simultaneous Determination of Chelating Ligands, Anions, and Cations by High Performance Anion Chromatography, 31 st International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques, HPLC 2007, International Convention Centre, Ghent, Belgium June 17-21, 2007 5. R. Tófalvi, R. M. Carlo, K. Horváth, C. Sarzanini, M. Bruzzoniti, P. Hajós: High Performance Anion Chromatography of Metal-Chelate Complexes, Organic and Inorganic Anions, 7 th Balaton Symposium on High-Performance Separation Methods, In Memoriam Szabolcs Nyiredy, Siófok, Hungary, September 5-7, 2007 7
6. R. Tófalvi, P. Hajós, K. Horváth, R. M. De Carlo, C. Sarzanini: Simultaneous Analytical Separation of Metal-chelate Complexes, Ligands and Inorganic Anions Using High Performance Ion Chromatography, ISSS 2010, Rome, September. 2010 7. R. Tófalvi, A. Sepsey, K. Horváth, P. Hajós: Simultaneous Analysis of Metal-chelate Complexes and Their Ligands Using High Performance Ion Chromatography, 36 th International Symposium on High-Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques, HPLC 2011, Budapest, Hungary, 19-23 June, 2011 4.2.2. Nemzeti (magyar nyelvű) konferencia előadások 8. Tófalvi R.: Elektromos vezetőképességi detektor-jel becslése szerves és szervetlen ionok kromatográfiás elválasztási körülményeinek javítása céljából, 2003. évi Intézményi Tudományos Diákköri Konferencia Veszprém, 2003. november 26. 9. Tófalvi R.: Alifás karbonsavak és fém-kelát komplexek folyadékkromatográfiás elválasztása, MTA Anyagtudományi- és Szilikátkémiai Munkabizottsága, MTA VEAB Anyagtudományi Munkabizottsága PhD hallgatók anyagtudományi napja VI. című rendezvénye Veszprém, 2006. november 14. 10. Tófalvi R., R. M. Di Carlo, Horváth K., Hajós P.: Komplexképző ligandumok, anionok és kationok szimultán analízise nagyhatékonyságú ionkromatográfiával, Magyar Kémikusok Egyesülete Centenáriumi Vegyészkonferencia, Sopron, 2007. máj. 29.- jún. 1. 11. Horváth K., D. Perrachon, Tófalvi R., C. Sarzanini, Hajós P.: Haloecetsavak nagy hatékonyságú ionkromatográfiás elválasztása makrociklusos anioncserélőn, Magyar Kémikusok Egyesülete Centenáriumi Vegyészkonferencia, Sopron, 2007. május 29.-június 1. 12. Tófalvi R., Sepsey A., Hajós P.: Fém-kelát komplexek analitikai elválasztása és azonosítása folyadék-kromatográfiás módszerrel, Műszaki Kémiai Napok 2010, Veszprém, 2010. április 27-29. 13. Tófalvi R., Sepsey A., Horváth K., Hajós P.: Fémkelát komplexek és ligandumaik szimultán analitikai elválasztása nagy hatékonyságú ion-kromatográfiával, Elválasztástudományi Vándorgyűlés, Tapolca, 2010. november 10-12. 8
14. Tófalvi R., Sepsey A., Horváth K., Hajós P.: Környezeti jelentőségű fémkelát komplexek és ligandumaik szimultán analízise nagyhatékonyságú ionkromatográfiával, Mobilitás és Környezet: a járműipar kihívásai az energetika, a szerkezeti anyagok és a környezeti kutatások területén konferencia, Veszprém, 2011. augusztus 29-szeptember 1. 15. Hajós P., Horváth K., M. Bruzzoniti, Tófalvi R., C. Sarzanini: Környezeti jelentőségű haloecetsavak szimultán analízise makrociklusos ionkromatográfiával, X. Környezetvédelmi Analitikai és Technológia Konferencia, Sümeg, 2011. október 5-7. 5. Az eredmények hasznosítása (a) Analitikai elválasztási módszerek kidolgozása és alkalmazása kondenzátor elektrolitoldatok kémiai komponenseinek vizsgálatára, GVOP-3.1.1., 2005.02.01. 2007.07.31. (Alprogramvezető: Dr. Hajós Péter) (b) Developments of analytical separation methods for environmental pollutants using selective polymer materials. Italian Hungarian S&T Programme I-22/03, 2004-2007 (Programvezető: Dr. Hajós Péter) 9
6. Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozom témavezetőmnek, Dr. Hajós Péter egyetemi docensnek (Analitikai Kémia Intézeti Tanszék) a támogatásáért, munkám segítéséért. Dr. Horváth Krisztián adjunktusnak (Analitikai Kémia Intézeti Tanszék) a sok szakmai segítségért. Köszönöm Dr. Halmos Pál tudományos főmunkatársnak (Pannon Egyetem) az atomspektroszkópiás méréseket és Dr. Mihály Judithnak (MTA Központi Kémiai Kutató Intézet) az FTIR spektroszkópiás vizsgálatokat. Köszönöm Dr. Kiss Gyula, az MTA doktora korrekciós észrevételeit a dolgozat szerkesztésére, nyelvezetére vonatkozóan. Köszönöm továbbá az ebben a témakörben TDK keretében dolgozó Sepsey Annamária diplomázó egyetemi hallgatónak, hogy munkámat segítette. Köszönettel tartozom az Analitikai Kémia Intézeti Tanszék valamennyi dolgozójának munkám segítéséért. Köszönöm az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA K 81843), valamint Magyarország és az Európai Unió Társadalmi Megújulás Operatív Programjának TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0003 és a Mobilitás és környezet TÁMOP-4.2.2/B anyagi és infrastrukturális támogatását. 10