Dr. Abrankó László Elválasztástechnika az analitikai kémiában 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 1
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, ezért a meghatározandó komponenseket el kell a mátrixtól választani több mérendő komponens esetén ezeket egymástól is el kell választani. Minden márványtömbben ott rejtőzik a szobor, csak ki kell szabadítani a kő fogságából Michelangelo Elválasztástechnikák (példák) Fizikai elven (pl.: szűrés, ülepítés, centrifugálás stb.) Fiziko-kémiai elven (pl.: desztillálás, extrakció) Kémiai elven (pl.: csapadékképzés, komplexképzés) Ezeket az elválasztástechnikákat általában a mintaelőkészítési műveletekhez sorolják. 2
Analitikai elválasztástechnikák Ha a mérendő komponensek fiziko-kémiai tulajdonságaikban túlságosan hasonlóak ahhoz, hogy a mintaelőkészítés során alkalmazott elválasztástechnikák segítségével elválasszuk őket egymástól, akkor finomabb módszerekhez kell folyamodnunk. Kromatográfia Kromatográfia A kromatográfiás elválasztás során a különböző anyagok szétválasztása két eltérő fiziko-kémiai tulajdonságú fázis határfelületén következik be. A szétválasztás elvi alapja az, hogy az elegy egyes összetevői különböző mértékben kötődnek a fázisokhoz. Az egyik fázis mindig egy áramló, vagy mozgó fázis (mobilfázis) A másik mindig álló fázis (stacioner fázis). Kromatográfia alapja 1906 Tswet (Cvet): chroma (szín) graph (írás) -Növényi pigmentek és klorofill elválasztása 1. Minta (diszkrét mennyiség) 2. Mosófolyadék (eluens) = mozgófázis Cső (oszlop, vagy kolonna) Mely valamilyen szorbenst tartalmaz (töltet) = állófázis 3
Kromatográfia alapjai Az egyes komponensek fajlagos kötődése a szorbensréteghez (állófázishoz) nem azonos, ezért az ún. futtatás során az állófázishoz jobban kötődő komponensek lemaradnak. Kromatográfia alapjai Az eluálódó komponens detektálása nyomán keletkezik az ún. kromatogram Kromatográfiás jel 4
Kromatogram A kromatogram: a kolonnáról eluálódó komponensek detektorjelének idő-függvénye. A kromatográfiás futtatás kezdetétől a komponens eluálódásáig eltelt időt retenciós (visszatartási) időnek nevezzük. A retenciós idő, a komponens anyagi minőségét jellemzi azaz kvalitatív mutató, míg a csúcs alatti terület a mennyiséggel van összefüggésben. T ret Kromatográfiák csoportosítása A csoportosítás elvégezhető: Állófázis geometriája szerint: -planáris- (pl.: vékonyréteg) és -oszlopkromatográfia 1. Mozgófázis halmazállapota szerint: -folyadékkromatográfia (liquid chromatography, LC) -gázkromatográfia (gas chromatography, GC) A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos kromatográfia) Megoszlás jelensége (ismétlés) Apoláros (szerves) fázis Poláros komponens (cukrok) Apoláros komponens pl.: benzol Poláros (vizes) fázis Kevésbé apoláros komponens (pl.: fenolok, észterek) 5
A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia) Apoláros mozgó fázis k1 k2 Poláros álló fázis T 0 időpillanat A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia) Apoláros mozgó fázis k2 k1 Poláros álló fázis T 1 időpillanat A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek Megoszlásos folyadékromatográfia altípusai: mozgó fázis apolárosabb, mint az állófázis = normálfázisú (normal phase, NP) Mozgó fázis polárosabb, mint az állófázis = fordított fázisú (reversed phase, RP) 6
Folyadékkromatográfiás töltet mobilfázis Töltetrészecske Töltetrészecske Póruscsatorna Oldalláncok Póruscsatorna Töltet-részecske A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek A retenciót a két fázis egymáshoz viszonyított polaritása is befolyásolja Példa fordított fázis esetén Holtidő, illetve holttérfogat (nincs visszatartás) Kromatogram jellemzői (retenciós idő) detektorjel (holtidő) idő Holtidő: a visszatartással nem rendelkező komponens elúciós ideje (az az idő amely alatt a mozgófázis eljut az injektortól a detektorig) 7
Kapacitás faktor vagy visszatartási tényező: Megadja, hogy egy vizsgált komponens az elválasztás során mennyi időt tartózkodott az állófázison viszonyítva a mozgófázisban töltött időhöz. tr t k = t M M Szelektivitási tényező t α = t R2 R1 t t M M Felbontás t R,2 tr,2 t Rs = 2 w + w 2 R,1 1 1,5 t R,1 w 1 w 2 8
Felbontás tr,2 t Rs = 2 w + w 2 R,1 1 1,5 Zónaszélesedés jelensége zónaszélesség kezdetben zónaszélesség egy t idô után Nem szabályos töltetrészecskék Keresztirányú diffúzió Anyagátadás sebessége (hatékonysága) Hatékonyság Ha egységnyi oszlophosszon több komponens választható el, akkor a kromatográfia hatékony. Ez elérhető: Szabályos alakú töltetrészecskék alkalmazásával Minél kisebb szemcseméret-eloszlású töltet alkalmazásával Minél kisebb részecske-átmérőjű töltet alkalmazásával Olyan töltet alkalmazásával amely lehetővé teszi a minél többször lejátszódó, gyorsan lezajló megoszlást (anyagátadást) 9
a mv rossz elválasztás:nem szelektív nem hatékony b mv szelektív nem hatékony idô c mv d mv idô nem szlektív hatékony szelektív hatékony idô idô Egyéb kromatográfiás visszatartást létrehozó kölcsönhatások Ionos kölcsönhatás (ioncserés kromatográfia) kationcsere, anioncsere (általában szervetlen, töltéssel rendelkező ionok, vagy erősen polarizálható komponensek elválasztására) Specifikus szubsztrátot kötő komponensek rögzítése az állófázison (affinitás kromatográfia) Méretkizárásos kromatográfia Folyadékkromatográfiás visszatartást, elválasztást befolyásoló tényezők Állófázis anyagi minősége Állófázis (töltet) szemcsemérete: hatásos reakciófelület Kolonna geometriája: hossza, keresztmetszete Mozgó (mobil) fázis összetétele (anyagi minőség, polaritás, ionerősség, ph) Mozgófázis áramlási sebessége Mozgófázis fizikai jellemzői: viszkozitás, hőmérséklet 10
Folyadékkromatográfia technikai megvalósítása A diszkrét mintamennyiséget (1-100 ul) folyadékáramba juttatjuk (injektáljuk). Az eluenst pumpa áramoltatja (áramlási sebessége és/vagy összetétele időben változik = gradiens elúció. Ha álladó, akkor izokratikus elúciórol beszélünk) Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Jellemzők: A mobilfázis és az állófázis (különböző kromatográfiás elméletek alapján optimalizálható) nagy felületen találkozik, így egységnyi oszlophosszon több komponens választható el, azaz a kromatográfia hatékony. Ez apró, szabályos szemcsékkel tömören töltött oszlopokkal valósítható meg. Ilyen oszlopok esetén, az eluenst nagy nyomással (100-200 bar) lehet az oszlopon (a töltet szemcséi között) átpréselni. Folyadékkromatográfiás detektorok Fotometriás, fluoreszcens detektorok. Az eluens, egy ún. átfolyó küvettán keresztül halad. kolonna eluens 11
HPLC élelmiszeripari alkalmazása Gyakorlatilag a legkülönfélébb, az adott kolonnán csupán reverzibilisen kötődő és az eluensben oldódó, stabil és valamilyen módon detektálható komponens vizsgálatára alkalmas technika. Vitaminok Cukrok Szerves savak Szinezékek Szervetlen ionok (NO 3-, SO 4 2- ) Permetezőszer-maradványok, gyógyszermolekulák PAH-ok, PCB-k Toxinok Aminosavak, peptidek, fehérjék Gázkromatográfia (gas chromatography, GC) Jellemzői: A mozgófázis valamilyen gáz (He, N 2, H 2, Ar-CH 4 ) Az állófázis lehet apoláros, poláros (megoszlásos kromatográfia) adszorpciós A mozgófázis összetétele a kromatográfia során nem változtatható, azonban hőmérséklete igen (hőmérsékletprogram). Gázkromatográfia technikai megvalósítása Mintabevitel az áramló gázba történik, pillanatszerű elpárologtatással. Temperált kolonnatér 12
Hőmérséklet hatása az elválasztásra Állandó hőmérséklet Hőmérsékletprogram T idő Gázkromatográfiás oszlopok Töltetes oszlop Kaplilláris oszlopok (nagy hatékonyságú és felbontású) 1-10m hosszú; 5 mm átmérő 20-50m hosszú; 0,5 mm átmérő Gázkromatográfiás detektorok Lángionizációs detektor (Flame Ionization Detector, FID) Univerzális (CH érzékeny), nem specifikus Elektronbefogásos detektor (Electron capture detector, ECD) Halogéneket érzékenyen detektál (Cl, F) Atom emissziós detektor (AED) Elemszelektív (S, P) Tömeg szelektív detektor (Mass Selective Detector, MSD) Univerzális és specifikus is egyben (GC-MS) 13
Gázkromatográfia élelmiszeripari alkalmazása Általában minden 250 fokig bomlás nélkül elpárologtatható (mintabevitel) az oszlopon csupán reverzibilisen kötődő komponens mérésére alkalmas. Illékony komponensek (aromaanyagok, illóolajok) Szénhidrogének Szerves oldószerek Permetezőszer-maradványok, gyomírtószer-maradványok PAH-ok, PCB-k Olajok, zsírok, koleszterol, hormonok Származékképzéssel egyéb vegyületek is 14