Műszaki analitikai kémia Mintavétel, mintaelőkészítés Dr. Galbács Gábor Kihívások a mintavétel és mintaelőkészítés során A korszerű (ultra) nyomanalitikai méréstechnikák nagyon alacsony koncentrációkkal foglalkoznak, ráadásul nagyon kis mennyiségű mintát igényelnek (pl. µl vagy nanomól) és a mintára vonatkozóan igen sokrétű kémiai információt próbálnak szolgáltatni (pl. speciáció, szerkezeti információ vagy izotópösszetétel, stb.). Mindezek összességében igen nagy kihívást jelentenek a mintavétel és mintaelőkészítés folyamatai számára, hiszen az igen kis mennyiségű és alacsony koncentrációjú mintákat meg kell óvni a szennyeződéstől és a veszteségektől, ugyanakkor a kémiai információ minél nagyobb hányadát kell megőrizni.
Statisztikai megfontolások Szinte minden analitikai mérés során szükség van mintavételre, hiszen ritkán kivitelezhető minden egyes mintadarab, illetve a minta teljes mennyiségének feldolgozása. Mennyiségi analízis során a mintavétel révén gyűjtött minták halmazára kapott eredmények alapján adunk becslést a teljes anyagmennyiségre jellemző koncentrációra. Ez normális eloszlást feltételezve a mérési eredmények átlaga. A gyakorlatban meg kell adnunk azt az intervallumot is, amelyet mérési adataink becsült értéke körül elképzelve, abba a mért mennyiség valódi értéke adott megbízhatósággal esik (konfidenciasáv). µ = x ± t s n t s/ n +t s/ n A Student-féle t értékeket táblázatokból vehetjük, a megbízhatósági szint és az ismételt mérések száma függvényében. A konfidenciasáv szélessége tehát a szórással (tapasztalati szórással) arányos. Statisztikai megfontolások A teljes analitikai folyamatra vonatkozó szórás értékéhez minden egyes részlépés járulékot ad, a statisztika szabályai szerint. Az egyszerűség érdekében szokás szerint három részlépést (mintavétel, előkészítés, analízis) feltéve: 2 2 2 s = sm + se + s 2 a Az optimális eset természetesen az, amikor ez az érték a lehető legkisebb. Az optimáláshoz érdemes megvizsgálni a részlépések okozta szórást és azok közül a meghatározót minimalizálni. A teljes analitikai folyamat szórása (s) párhuzamos minták analízisével (precizitás), míg az analitikai mérésre jellemző szórás (s a ) homogén, standard minták közvetlen elemzésével becsülhető. A mintavételezéshez vagy az előkészítéshez tartozó szórás értéke (s m ) különbségképzéssel kapható meg.
A mintavételi terv Az analízis előtt mintavételi tervet kell kidolgozni, amelynek meg kell felelnie az analízis céljának (pl. felület/szerkezetvizsgálat esetén a minta tisztasága alapvető követelmény; minőségi analízis esetén a koncentrációviszonyok szempontjából a mintának nem kell reprezentatívnak lennie; megfelelőségi tesztek pontossága kisebb lehet, stb.) A mintavételi terv kidolgozásakor a következő alapvető kérdésekkel kell foglalkoznunk: Honnan? ( kell a mintákat gyűjteni) Milyen? ( típusú minták kellenek) Mekkora? ( mennyiségű mintarészleteket kell minimálisan gyűjteni) Hány? ( mintát kell begyűjteni és mérni) A mintavételi terv Honnan vegyük a mintákat? Ha a mérendő/jellemzendő anyagi rendszer homogén (igen ritka eset), akkor bárhonnan vehetjük a mintákat. Sokkal gyakoribb eset, hogy térben és/vagy időben a rendszer heterogén (pl. rétegződés, ülepedés, lebomlás, stb. miatt); ilyenkor többféle megközelítés lehetséges. Véletlenszerű helyeken való mintavételezés (random sampling) Időigényes, de sok esetben a legjobb eredményt adja. Végrehajtásához általában célszerű a mintázandó területet/térfogatot rácsosan felosztani és a mintázási helyet véletlenszám-generálással koordináták szerint kiválasztani.
A mintavételi terv Honnan vegyük a mintákat? Előzetes információk alapján szervezett mintavételezés (judgmental sampling) A rendszerre vonatkozó előzetes ismereteink alapján szervezzük, választjuk ki a mintavétel helyét (pl. toxicitás vizsgálatoknál a beteg egyedek kiválasztása preferált lehet; hatóságilag előírt protokollok követése; várható szennyező források közelében mintázunk, stb.). Általában a legkevesebb minta vételét igényli, de pontossága nagymértékben függ az előzetes információk helyességétől. A mintavételi terv Honnan vegyük a mintákat? Rendszeres mintavételezés (systematic sampling) Tipikusan a térbeli és/vagy időbeli heterogenitás feltérképezése esetén alkalmazzuk. A vizsgálandó területet/térfogatot cellákra osztjuk, majd minden cellából veszünk mintát, szükség esetén a mintavételt rendszeres időközönként ismételjük. A mintavételezés idejének vagy ismétlési gyakoriságának rövidebbnek kell lennie, mint a változás karakterisztikus ideje/periódusa. (ide vonatkozó a Nyquist teoréma, f mintavétel 2 f változás ).
A mintavételi terv Honnan vegyük a mintákat? Szervezett és rendszeres mintavételezés (systematic-judgmental) Olyan mintavételi megközelítés, amely pl. mozgó/változó szennyezés kiterjedésének feltérképezését szolgálhatja (pl. immisszió mérése, talajvízbe szívárgószennyezés felmérése, stb.). A mintavételi terv Honnan vegyük a mintákat? Szervezett és véletlen mintavételezés (judgmental-random sampling) Sok esetben az anyagi rendszer jól körülhatárolható egységekre (strata) osztható. Ezeket külön-külön véletlen mintázásnak vetünk alá (pl. nehézfém szennyezés vizsgálata a városi porban; rétegzett közegek mintázása, stb.). Akkor is jól használható stratégia, ha pl. a véletlen mintavételnél fennállna az esélye, hogy észrevétlen maradnak fontos, lokalizált hibahelyek/szennyezők, stb. A sztratifikálás több lépésben tovább finomítható. Ennek a mintavételezési stratégiának az is előnye, hogy a legtöbbször egy stratum homogénebb, mint a teljes rendszer, így a mintavételi szórás (hiba) is kisebb lesz.
A mintavételi terv Milyen típusú mintákat gyűjtsünk? Kimarkolt minta (grab sample) Ez a legáltalánosabb eset; a vizsgálandó rendszer egy tagját, egy részletét kivesszük (pl. darabos termék levétele a gyártósorról minőségellenőrzéshez, talajminta, t alapanyagból merítéssel vett mintarészlet,stb.). t tb Összegzett minta (composite sample) Ez lényegében több kimarkolt minta tartalmának összekeverésével, egyesítésével keletezik. Alkalmazására inkább kényszerűségből kerülsor, pl. amikor a darabos minták egyedi mennyisége nem elegendő az analízishez (pl. halak PCB tartalmának mérése min. 50 g mintát igényel, ezt kisméretű halfajból nem lehet kinyerni, stb.) in-situ minta Ilyen minta vételéről akkor beszélünk, amikor az analízis során nincs szükség a minta kiemelésére/eltávolítására az anyaghalmazból, tehát nem destruktív analízisek során, monitorozási szituációkban esetekben kerül sor, fluid fázisokban (pl. ph-mérés folyamatszabályzási célból áramló közegekben). A mintavételi terv Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni? Amikor a mintát az anyagi rendszerből kivesszük, elegendő mennyiséget kell kivennünk ahhoz, hogy esélye legyen a reprezentativitásra (gondoljunk egy darabos/szemcsés anyagi rendszerre). Túl nagy mintamennyiség kezelése azonban nagy idő- és költségigényű, ezért racionális mintamennyiségekben érdemes gondolkozni. A probléma lényegében ugyanez akkor is, amikor a mintából almintákat különítünk el párhuzamos mérések számára a laborban.
A mintavételi terv Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni? Vegyünk egy egyszerű esetet: a rendszer kétféle szemcséből áll(aésb), de csak az egyik (A) tartalmazza a meghatározandó komponenst (binomiális eloszlás). Ha véletlenszerűen választunk ki n részecskét, akkor abban az A típusú részecskék várható száma n a = n p ha p a valószínűsége (előfordulási gyakorisága az A típusú részecskéknek). Ekkor a mintavétel szórása és relatív szórása (a binomiális eloszlás miatt) s m = RSD m = n p (1 p) n p (1 p) n p Ha tehát megadjuk a relatív szórás célértékét, akkor n (a részecskék száma) minimális értéke számítható. 1 p 1 n = p RSD m A mintavételi terv Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni? SZÁMPÉLDA Tegyük fel, hogy egy nyomanalitikai feladat során az anyaghalmaz részecskéinek csak 10-4 %-a tartalmazza a mérendő komponenst (p= 10-6 ). Mennyi részecskét kell begyűjtenünk ahhoz, hogy a mintavételből származó relatív szórás csak 1% legyen (RSD m = 0.01)? 1 p 1 1 10 1 n = 10 6 = = 6 2 p RSDm 10 (0.01) 9 Tehát legalább 10 9 darab részecskét kell kivenni a mintavételkor.
A mintavételi terv Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni? Az előbbi példában szereplő, nyomanalitikában nem is túl szigorú követelmény a 10 9 számú részecske kezelése. Azonban ha az egyes részecskék csak akár 1 mg tömegűek, a feltétel máris 1 tonna minta kivételét igényli! A megoldás nyilvánvalóan a részecskék méretének (tömegének) csökkentésében rejlik ezáltal a mintamennyiség kezelhető méretűre csökkenthető. Ha pl. a részecskék átmérőjét aprítással felére csökkentjük, akkor ugyanannyi számú részecske tömege már csak nyolcada lesz az eredetinek, mivel gömbszerű alakot feltételezve 3 m r Az aprítást és a mintamennyiség apasztását mindig alapos homogenizálásnak is kell kísérnie, hiszen különben nőne a mintavételből származó mérési hiba. A mintavételi terv Mekkora mintamennyiséget kell gyűjteni? a negyedelési eljárás lépései minta felező gép (riffle)
A mintavételi terv Hány mintát kell begyűjteni és mérni? Már megállapítottuk, hogy a mintaszám a konfidenciasáv képlete szerint összefüggésben van a begyűjtött és az analizált minták számával. µ = x ± t s n Ha a képletet a csak mintavétel szórásával írjuk fel, akkor a mintavételből származó hibát kapjuk meg. A képletet átrendezhetjük úgy is, hogy az elérendő minták számát adja meg egy elvárt mértékű hiba esetén. e = µ x n = 2 t s e 2 m 2 A képlet relatív szórás és hiba behelyettesítésével is használható. A számítást nehezíti, hogy t értéke függ n-től, ezért az csak szukcesszív approximációval oldható meg. A mintavételi terv Hány mintát kell begyűjteni és mérni? SZÁMPÉLDA Egy mintavételhez köthető relatív szórás értéke 2% (RSD m %= 2%). Szeretnénk, ha a mintavételből származó relatív mérési hiba nem lenne több, mint 0.80% (e%= 0.80%) a 95%-os megbízhatósági szinten. A lépésenkénti közelítéshez előbb vegyük az n= tartozó t értéket a Student-féle táblázatból, majd a kapott n érték alapján jobb becslést tehetünk t-re. Ezzel újból számolunk és ezt addig folytatjuk, amíg n már nem változik tovább. 2 2 2 2 1.96 2.0 2.075 2.0 = = 24 n = = 27 2 0.80 0.80 n 2 2 2.066 2.0 = 0.80 n 2 2 = 27 Jelen példában tehát a megoldás az, hogy 27 db mintát kell venni.
A mintavételi terv Hány mintát kell begyűjteni és mérni? Természetesen a teljes analízis hibáját nemcsak a mintavételezés, hanem a többi részlépés is meghatározza, így a mintavételi hibájának javítását csak racionális mértékben érdemes erőltetni. Ha pl. a mérési hiba túlnyomó része a minta feldolgozása (előkészítése) során keletkezik, akkor nincs értelme a vett minták számát növelni, hanem több almintát kell kialakítani és feldolgozni. A döntésnél egyéb persze egyéb megfontolásokat is kell tennünk, pl. mekkora anyaghalmazból tudunk mintát venni és mekkora az analízis költsége, időigénye, stb. A mintavételi terv végrehajtása A nyomanalitikai mintavétel során nyilvánvalóan ügyelnünk kell arra, hogy a minta fizikai és kémiai tulajdonságai ne változzanak a folyamat során, illetve a minta tárolása, laborba szállítása során. Emiatt nagy gondot kell fordítani a mintavevő/tároló eszközök és tartósító reagensek tisztaságára (szennyezésveszély) és a tárolóedények megfelelő tömörségére/inertségére (veszteség veszélye). Mindemellett a végrehajtás módját és eszközeit az analízis céljának megfelelően kell megválasztani. A továbbiakban a minta halmazállapota szerint tárgyaljuk a mintavételi eseteket: folyadék gáz szilárd
A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták begyűjtése Homogén oldatok, vagy kezelhető térfogatú, manuálisan homogenizálható oldatok esetében a mintavétel megvalósítható a tárolóedény bemerítésével/feltöltésével, vagy fecskendővel, pipettával, stb. Mindazonáltal a kivitelezés módja nem érdektelen. Gyors folyású természetes víztömegek, sekély tárolók/tavak (< 5 m) vagy gyorsan áramló közegek homogénnek tekinthetők, belőlük a levegővel érintkező felszín kivételével bárhonnan vehetünk mintát (a felszínen olajfilm vagy biofilm úszhat, ami egyes komponensekk feldúsulásával jár, stb.) A többi természetes víztömeg általában jelentős mélységi heterogenitást mutat, ezért a mintázást a legtöbbször a felszín alatt a szükséges mélységben kinyitható edényekkel gyűjtjük. A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták begyűjtése Folyadékminták figyelőkutakból vagy csővezetékből való mintavétele előtt a csőrendszert át kell öblíteni jelentős mennyiségű folyadék kipumpálásával, kifolyatásával (a stagnáló és levegővel, mesterséges anyagokkal érintkező folyadék összetétele más lehet, mint a fő tömegé). Azöblítéstaddig végezzük, amíg pl. több kúttérfogatnyi folyadék kifolyt (több perc), vagy amikor az elfolyó folyadék ph-ja, vezetőképessége és hőmérséklete állandóvá nem válik. Nagy sebességű pumpálás során a folyadék a kútban felkavarodhat, ezért a legjobb kis áramlási sebességű, speciális tasakszerű táguló tartályt (bladder pump) tartalmazó mintavevő alkalmazása.
A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tárolóedényei A tiszta tárolóedényeket célszerű alaposan átöblíteni a mintával. Az edényt lezárás előtt közel színültig töltjük a folyadékkal, hogy csak minimális levegőmennyiség (headspace) maradjon a minta felett, ami csökkenti az illékony komponensek veszteségét és a levegővel való kémiai reakció esélyét. A tárolóedény anyagával szemben fontos követelmény, hogy nyomanalitikai célra tiszta, kémiailag nagymértékben inert és legalább folyadéktömör legyen, nagyon kicsi legyen az adszorpciós képessége valamint a mintatartósítás érdekében elvégzendő műveletek (pl. sterilizálás, fagyasztás, kémiai reagensek) hatását is kibírja. Általában laboratóriumi üveg (Pyrex, Simax, stb.) vagy műanyag edényeket (Teflon vagy PP, esetleg LDPE) használunk, rugalmas záróelemmel (hőtágulás/összenyomhatatlanság). Üvegedényeket használunk szerves vegyületeket és oldott gázokat tartalmazó minták esetén, mivel a műanyag felületek reakcióba léphetnek ezekkel az anyagokkal, illetve abszorbeálják, átengedik a gázokat. Műanyag edényeket alkalmazunk nyomnyi fémek meghatározásakor, mivel az üveg felület jól adszorbeálja a fémionokat, ami nyomanalízisnél jelentős veszteséget okozhat. A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tárolóedényei A. Mizuike, Enrichment techniques for inorganic trace analysis, Springer Verlag, 1983.
A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tárolóedényei műanyagok permeabilitása adszorpció műanyag felületeken J. Cooper: Plastic containers for pharmaceuticals, WHO, 1974. A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tárolóedényei A tárolóedényekkel kapcsolatos másik fontos kérdés a tárolóedények tisztítása használat előtt. Erre új edények esetén is szükség van, hiszen a gyári tisztaság nyomanalitikai célra a legtöbbször nem megfelelő. Példák: általános célra használatos, vagy szilárd minták tárolására szolgáló, formára öntött műanyag edényeknél gyakori a gyártószerszámok kenését szolgáló, szappanszerű vagy olajos jellegű szennyeződés, felületi apró fémrészecskék. az orvosi/mikrobiológiai célra készített steril eszközök, tárolóedények biológiai anyagot, mikroorganizmusokat, stb. ugyan nem tartalmaznak, de szervetlen nem toxikus szennyeződések előfordulhatnak rajtuk. (ezen edények anyaga sem feltétlenül megfelelő, hiszen erélyes kémiai reagensekkel általában elreagálnak, pl. rozsdamentes eszközök, vagy PE, PC, PS edények esete) üvegeszközök esetén az érdes felületű csiszolatok, a dugók műanyag bélései jelentik a szennyeződések fő forrását.
A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tárolóedényei Ma a nyomanalitikában gyakori az egyszer használatos műanyag vagy üveg tárolóedények alkalmazása, amelyeket használat előtt megtisztítunk. Az egyéb eszközök esetében is egyszeri használatra törekszünk (pl. mikropipetta hegyek, transzfer pipetták, stb.). A kivételt a mérőlombikok, tölcsérek, főzőpoharak jelentik, amelyeket általában kisszámú esetben alkalmazunk. A tisztítás során kerülendő a krómkénsav, permangánsav alkalmazása detergensek alkalmazása csapvíz alkalmazása koptató eszközök, híg HF alkalmazása üvegeknél Alkalmazható megoldások vízgőzzel való kezelés felhevített, ultratiszta ásványi savak váltott, hosszú idejű alkalmazása tiszta laborvízzel való igen alapos öblítés ultrahangos rázatás (üvegedényeknél) A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tartósítása Mintatartósításra igen gyakran szükség van, ugyanis a legritkább esetben tudjuk azonnal az analízist elkezdeni (pl. terepen), és maga a mintaelőkészítés és mérés is gyakran hosszabb időt vesz igénybe. A minta összetétele megváltozhat, pl. fotokémiai iátalakulások lá k (pl. talajvízben) a levegő oxidáló hatása illékony komponensek távozása (gőztérbe/edény anyagába/szabadba csapadék kiválása mikroorganizmusok elszaporodása A tartósítást ugyanakkor körültekintően kell elvégezni, hogy az megfeleljen az analízis céljának (pl. speciációs vagy izotóp analízis) és a reagensek ne vigyenek be szennyezéseket. Ráadásul a konténer anyaga is befolyásolja a minta stabilitását. A tartósítással kapcsolatos alapelvek: savanyítás nem oxidáló ásványi savval lehűtés vagy nehézfém adagolása a mikrobiológiai folyamatok lassítására oxidábilis komponensek esetén enyhe redukálószer adagolása nyomanalízis esetén napokon belül elvégezni a mérést
A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tartósítása folyt. A mintavételi terv végrehajtása folyadékminták tartósítása
A mintavételi terv végrehajtása gázminták begyűjtése Gázok mintavételezésének legegyszerűbb módja egy szeleppel ellátott edény vagy tasak megtöltése, miután azt alaposan átöblítettük a gázzal. A tartály anyaga fém (pl. saválló acél ) vagy fluoropolimer (Teflon, Tedlar= PVF), igen ritkán üveg. Használatosak még fémtartályok Teflon béléssel és többrétegű rugalmas műanyag tasakok fémbevonattal (pl. Al) is. A tasakok leginkább egyszer használatosak. A mintavételt minden esetben úgy kell megoldani, hogy a pumpán ne haladjon keresztül a mintázandó gáz és minimális egyéb csövezéssel érintkezzen. A mintavételi terv végrehajtása gázminták begyűjtése Gázok tartályba/tasakba történő mintavételezésének előnye, hogy a minta a leginkább reprezentatív, hátránya viszont, hogy a gázkomponensek egy része a tárolóedény falán/falában megkötődhet, a gázok reaktív komponenseket is tartalmazhatnak (pl. ózon, nitrogén-oxidok), illetve hogy a gázminta koncentrációja sok esetben túl alacsony a közvetlen méréshez. Ezen nehézségek egy része leküzdhető acél tartály esetében kriogenikus hűtéssel, vagyis a gázok kifagyasztásával. Egy másik lehetőség a gáz szorpciós (adszorpciós/abszopciós) begyűjtése alkalmas oldószerben vagy szilárd szorbensben való megkötéssel.
A mintavételi terv végrehajtása gázminták begyűjtése A szorpciós mintavétel legtöbbször a gáz szilárd szorbenssel történő közegen való átszívatásával valósul meg. A gázminta visszanyerése termikus deszorpcióval vagy oldószeres extrakcióval lehetséges. A szorbens anyaga lehet szervetlen anyagok (pl. szilikagél, alumina, szilikátok, aktív szén) vagy szerves polimer (pl. 2,4- difenil p-fenilén oxid, sztirol-divinilbenzol gyanta). A szervetlen szorbensek hatékonysága kiváló poláris gázkomponensek megkötésére, hátrányuk viszont, hogy erősen kötik a vizet is, ami csökkenti kapacitásukat. A polimer alapú szorbenseknek kicsi az affinitása a vízhez és a legillékonyabb komponensek (pl. kis szénatomszámú alkoholok, ketonok) kivételével hatékonyan használhatók minden gázkomponenshez. A legillékonyabb komponensek megkötésére aktív szén használatos, mivel ennek nagyon erős amegkötőképessége, de ez a deszorpciót is nehezíti. A mintavételi terv végrehajtása gázminták begyűjtése Itt érdemes megemlíteni azt is, hogy definíció szerint illékony (gőznyomás mikro atm) félillékony (pico atm gőznyomáső mikro atm) nem illékony (gőznyomás pico atm) A szorpciós mintavételnél a mintavevőn átszívatott gáz térfogatát mindig mérnünk kell, hiszen a koncentráció számításánál erre szükségünk lesz a dúsulás miatt. A térfogatmérés azért is fontos, mert a szorbensek kapacitása természetesen véges (tipikusan 2-100 L illékony, és 2-500 m 3 félillékony komponensekre), ezért a mintavétel során ügyelni kell, hogy be ne következzen az áttörés (breakthrough volume), hiszen ettől a ponttól kezdve a mintavétel nem reprezentatív. A biztonság érdekében szokás egy kisebb kapacitású másodlagos szorbenst is elhelyezni az elsődleges mögé a mintavevő rendszerben indikátorként.
A mintavételi terv végrehajtása gázminták begyűjtése Különleges esetet képeznek a fémgőzök és a nem illékony alkotók. Higanygőző mintavételezésére é é bevált szorpciós módszer az amalgámképzés é alkalmazása, amelynél a felületükön amalgámképző fémmel (legtöbbször inert arannyal) bevont apró szilika golyókból álló szorbenst alkalmaznak. A higanyt az amalgámból termikus deszorpcióval űzik ki. A nemillékony alkotók általában vagy szilárd részecskék maguk, vagy azokhoz kötötten találhatók a gázmintákban (aeroszol). Ezekre a komponensekre porleválasztón vagy szűrőközegen való átszívatással mintavételezünk. Sok esetben (pl. élettani hatásuk miatt) méret szerint is el szükséges különíteni a gyűjtött részecskéket; ehhez többszörös szűrőket (stacked filters) vagy kaszkád impaktort alkalmazunk. A mintavételi terv végrehajtása aeroszol minták begyűjtése Szokásosan négy méret szerinti kategóriát különböztetünk meg: összes részecske (TSP, total suspended particulate) PM10 frakció (10 µm-nél kisebb részecskék frakciója) PM2.5 frakció (2.5 µm-nél kisebb részecskék frakciója) Ultrafinom részecskék frakciója (UFP, 0.1 µm-nél kisebb frakció)
A mintavételi terv végrehajtása aeroszol minták begyűjtése Az aeroszol mintavételhez (gázok szűrésére) használatos filterek a folyadékokhoz használatosakkal megegyeznek, mégsem csereszabatosak. Pl. az üvegszövet (quartz/glass fiber) filterek jól használhatók szénhidrogének távollétében az aeroszol mintavételezéshez (durva osztású frakciók), de kémiailag agresszív folyadékközegnek nem tud ellenállni, így elszennyezné a mintát. A gamma sugárzással méretpontos pórusokkal ellátott PC vagy Teflon membránok jól használhatók folyadékok vákuumszűrésére, de elektrosztatikus töltésük és kis mechanikai szilárdságuk aeroszol alkalmazásnál gondot jelenthet. A térfogati szűrőközegeknek (pl. üvegszövet) mindig sokkal nagyobb a kapacitása és erősebben kötik a részecskéket, mint a membránok (screen). A mintavételi terv végrehajtása szilárd minták begyűjtése Szilárd mintákkal sokféle formában találkozhatunk, amelyek általában mind heterogén összetételűek (rétegződést mutatnak), ezért a mintavételre vonatkozóan testreszabott koncepciót és eszközöket kell kialakítani. Például: üledékek k talajminták szemcsés anyagok lemezek, tömbök biológiai minták (növényi, állati, emberi szövetminták) A szilárd minták általában keményebbek, mintázásuk nagyobb mechanikai erőkifejtést igényel, mint a gáz vagy folyadék mintáké, reaktivitásuk azonban általában kisebb, ezért a mintavevő eszközök mechanikai/fizikai jellemzői valamivel fontosabbak, mint a kémiai jellemzők. Általában rozsdamentes acél vagy titán mintavevőket alkalmaznak, egyes esetekben műanyag bevonattal. A fém eszközökből származó szennyezésveszélyre főként nyomelem analitika esetén kell odafigyelni. Egy további körülmény a szilárd minta esetleges felmelegedése a mintavétel során (pl. fúrás, vágás, darabolás), ami az illékony komponensek elvesztését okozza.
A mintavételi terv végrehajtása szilárd minták begyűjtése Üledékminták mintavételezése Üledékekből általában markolóval vagy dugattyús fúróval vesznek mintát. A markoló nagyobb mennyiségű mintát gyújt be, azonban nem nyújt mélységi információt és hajlamos a finomabb szemcsés frakciót elveszíteni a felkeveredés miatt. A dugattyús fúró általában megőrzi a frakciókat, de kisebb mennyiségű mintát gyűjt be. A mintavételi terv végrehajtása szilárd minták begyűjtése Talajminták mintavételezése A talajmintákat kis mélységből (pl. 30 cm) kanállal vagy lapáttal közvetlenül vehetünk. Nagyobb (max. pár méteres) mélységből munkaárok ásásával, és a mintát laterálisan (oldalirányban) kivéve, vagy kézi fúróval vehetünk mintát. Ennél nagyobb mélységből vagy közetekből csak gépi fúróval lehet mintát venni Ez utóbbi megoldás előnye, hogy a mélységi információ is megőrződik (magminta).
A mintavételi terv végrehajtása szilárd minták begyűjtése Szemcsés, porszerű anyagok mintavételezése Ezeket az anyagokat legkönnyebben főként szúró mintavevővel (sample thief) lehet mintavételezni. Ennek nagy előnye, hogy a vett minta mennyisége könnyen szabályozható és ráadásul a rétegződési információ is megörződik. Lemezek és tömbök mintavételezése Értelemszerűen ezek az anyagok vágással, darabolással, fúrással mintázhatók és a vágáskor, fúráskor keletkező szemcséket lehet begyűjteni. A rétegződési információ a mintázás több helyen vagy több mélységben való elvégzésével megőrizhető. Lemezek vágással, vagy lyukasztással mintázhatók. Ennél a mintázási folyamatnál a legnagyobb a veszélye a szennyezéseknek és az illékony komponensek elvesztésének. A mintavételi terv végrehajtása szilárd minták begyűjtése Biológiai minták mintavételezése A biológiai minták speciális esetet képeznek, és a mintázást a legtöbbször nem is kémikus végzi. A következő körülmények megfontolandók: humán minták esetén a laborszemélyzet is szennyezésforrást jelent célszerű az egész speciment/szövetet/szervet eltávolítani és homogenizálni homogenizálás sokszor csak oldatbavitellel vagy fagyasztva őrléssel érhető el sok esetben szükséges lehet a mintákat összegezni Szilárd minták tárolása Általában kevéssé átlátszó műanyag edényeket alkalmazunk, amelyeket lehetőség színültig töltünk a levegő kizárása érdekében. Szükség esetén inert gázzal védhetjük a mintákat, ha illékony komponenseket nem kell meghatározni. A biológiailag aktív (nem steril) minták hűtése/fagyasztása itt is bevett gyakorlat.
Fizikai mintaelőkészítés Mintaelőkezelés levegőből származó szennyezések A fizikai (és kémiai) mintaelőkészítés során a minta intenzív kontaktusba kerül a levegővel is, ami a környezet (kutatólabor/ipari labor/terep/stb.) függvényében számos komponenssel elszennyezheti mintáinkat. Nyomanalitikai szinten ezzel a szennyezési forrással már komolyan számolni kell, ultranyomanalízis esetén pedig speciális légtechnikájú munkahely nélkül az analízist lehetetlen kivitelezni. Részecskék és finom cseppek (aeroszolok) Kopásból, rázkódásból, rozsdásodásból, párolgásból, kondenzációból származó cseppek és récsecskék származhatnak a padlóból, festékekből, szerelvényekből, berendezésekből, bútorokból, a szálló porból és a személyzettől (haj, bőr, ruházat és kozmetikumok), k) stb. Az aeroszolok hordozóként is szerepelhetnek más szennyezések számára. Gázok Vegyszergőzök minden kémiai laborban előfordulnak; pl. savgőzök, oldószergőzök, vízgőz, ammónia, higanygőz, sűrített gázokból palackokból, stb.
Mintaelőkezelés fizikai műveletek és eszközök Jelen tárgyalás során a fizikai műveleteket olymódon definiáljuk, mint amelyek célja nem a minta összetételének kémiai átalakítása, hanem a minta válogatása vagy olyan állandó állapotra hozása, amely alkalmas az analízisre. Laborbeli, kismennyiségű mintákon végrehajtott műveletekkel és azok nyomanalitikai aspektusaival foglalkozunk, amelyek főként szilárd mintákhoz kapcsolódnak. Akövetkező műveleteket soroljuk ide: aprítás/őrlés szemcseméret szerinti válogatás (szitálás/szűrés) szárítás és bepárlás roncsolásmechanikai ibehatással formára hozás A tárgyalást kiegészíti a következő eszközök működési elvének ismertetése is: besugárzás mikrohullámmal ultrahangos agitátor (szonikálás) Mintaelőkezelés aprítás/őrlés Az aprításra/őrlésre általában a homogenizálás miatt van szükség az alminták/laborminták (analízis számára kezelhető méretű minták) kivétele előtt, vagy a kémiai mintaelőkészítési lépések során való reaktivitás növelése miatt. Az aprítást nagyobb szemcsék esetében törőmozsárral szokás kezdeni (mm méretű végső részecskék), majd dörzs-mozsárral és golyósmalommal (akár µm méretű végső részecskék) folytatni. Rugalmas vagy biológiai minták esetében az őrlést általában fagyasztás mellett végezzük a törékeny állapot elérése érdekében.
Mintaelőkezelés őrlés golyósmalomban Mintaelőkezelés fagyasztva őrlés (a leopárd béka példája) Leopárd béka (5 9 cm)
Mintaelőkezelés aprítás/őrlés Látni kell, hogy az aprítás/őrlés nyomanalitikai szempontból igen aggályos művelet. Veszteségi és szennyezési folyamatok bőven előfordulhatnak: a szemcseméret csökkenése a felület növekedésével jár, ami kedvez az illékony komponensek veszteségének és erősíti a levegő oxidatív hatását az aprítás/őrlés során jelentős hő fejlődik, ami növelheti a komponensek reakcióképességét és az illékony alkotók veszteségét növeli az őrlőberendezések koptató hatása miatt az őrlőanyagokból szennyezések jutnak a mintába, illetve a minták egymást keresztszennyezik az aprítás/őrlés során a puhább részecskék mérete gyorsabban fog csökkenni, ezért ügyelnünk kell arra, hogy a minta teljes mennyisége a megkívánt méretűre aprítódjon (ellenőrzés szitálással) A fenti okok miatt csak szükség a szükséges ideig és mértékben szabad alkalmazni az aprító/őrlő eljárásokat. Mintaelőkezelés szennyezések aprítás/őrlés során http://www.retsch.com/dltmp/www/6580-1ce42392faf9/material_analyses_of_grinding_tools_en_de.pdf
Mintaelőkezelés szitálás A szitálás az aprítással/őrléssel, illetve a szemcseméret szerinti szétválogatással összefüggő művelet. Fém (rozsdamentes acél) vagy műanyag szálakból szőtt hálót tartalmazó szitákat, szitasorozatokat alkalmazunk. Pórusméret: min. 20 µm. A szita mérete a mintamennyiséghez igazodik. Nagyobb mennyiségű mintákat vagy frakcionáló szitálást szitagéppel végzünk. Mintaelőkezelés szitálás A szitálás művelete a mintára nézve a következő veszélyeket rejti: a szita pórusméretéhez közeli szemcsék elvesztése a szitába való beragadás miatt veszteség kiporzás miatt (csökkenthető nedves szitálással) keresztszennyezés nem megfelelően kitisztított szita miatt szennyezés a minta és a szita anyagának reakciója miatt (főként nedves szitálásnál) vagy a szita anyagának korróziója miatt A sziták tisztítása tehát nagyon fontos, amit gyakorlatilag csak ultrahangos kádban, detergenssel szabad végezni. Kivételes körülmények között max. 5%-os ecetsavas vagy Na 2 CO 3 -os oldat is alkalmazható. Minden esetben alapos laborvizes öblítés és teljes szárítás (max. 80 C-os, tiszta levegővel) szükséges.
Mintaelőkezelés szűrés Folyadék vagy gáz közegű mintákban előforduló szilárd szemcsék eltávolítása a mintából két okból is fontos lehet: a szilárd szemcsék vagy zavarják az analízist, vagy éppen azokat akarjuk vizsgálni. A szűrést mindig az alkalmazásnak megfelelő pórusméretű, anyagú és tisztaságú szűrőközeggel végezzük. Például oldott/lebegő komponensek elválasztására folyadékból 0.2 vagy 0.45 µm-es szűrő szükséges, levegő aeroszoltartalmát 2.5 vagy 10 µm-es szűrőkkel vizsgálják (PM2.5 és PM10), stb. Nyomanalitikai célra kizárólag nagytisztaságú és megfelelő kémiai ellenállóságú műanyag membránszűrőket alkalmazunk. Legkisebb pórusméret: 0.025025 µm. Kisméretű szemcséket (mikron tartomány) tartalmazó vagy gélszerű folyadékminták szűrését szinte mindig nyomás vagy vákuum alkalmazásával gyorsítjuk. Kis térfogatú (max. pár ml) minták szűrésére a fecskendőszűrők is beváltak, főként HPLC alkalmazásokban. Mintaelőkezelés szűrőeszközök
Mintaelőkezelés szűrés Nylon PTFE Cellulóz acetát Papír (cellulóz) Polikarbonát Üveg/kvarc szövet http://www.advantecmfs.com/filtration/membranes/default.shtml Gázok szűrése Gázminták szűrése szintén membránszűrőkkel történhet. Porleválasztókat, kaszkád impaktorokat is alkalmaznak.
Szárítás Számos szilárd (és folyékony) mintatípus nedves/oldószeres állapotban kerül a laboratóriumba (pl. élelmiszerminták, biológiai minták, ipari nyersanyagok, y stb.). Ez analitikailag azt jelenti, hogy mintáink ismeretlen és változó mennyiségű oldószert (vizet) tartalmaz. Értelmes mennyiségi analízis ilyen körülmények között nem lehetséges; ezért kell a mintát kiszárítani vagy legalábbis oldószer tartalmát egy állandó, ismert alacsony szintre hozni. A szárítást általában tömegállandóságig szokás végezni egy olyan magas hőmérsékleten, amely még nem károsítja a mintát (nem veszítünk el illékony komponenseket, nem indul meg bomlási folyamat, stb.) Ez azt jelenti, hogy a mintát a megfelelő hőmérsékleten addig tartjuk tömegének rendszeres ellenőrzése mellett, amíg tömege már nem változik tovább. Szárítás Aszárításműveletének végrehajtása többféle módon és eszközzel lehetséges, a fontosabbak: exszikkátorral gázégővel/elektromos főzőlapon szárítószekrényben (védőgázzal vagy anélkül) vákuum bepárlóban (bepárlás) fagyasztva szárítás mikrohullámú besugárzással
Mintaelőkezelés szárítás Szárítás szárítószekrényben Zárt kialakítású légtermosztát (légkeveréses vagy gravitációs), ami szabályzott értéken képes tartani a minta hőmérsékletét. A felfűtés lehet akár teljesen időprogramozott, és lehet a szekrény gázzáró (gázöblítés vagy vákuum használatához). A maximális hőmérséklet általában max. 250 C, ezért a fűtött tér nemcsak rozsdamentes acélból, hanem Teflon bevonattal is ellátható (nyomanalitikai kivitel). Liofilizálás (fagyasztva-szárítás) áítá) 1. lépés: -50-80 C-on a víztartalom kifagyasztása (L S) 2. lépés: csökkentett (néhány mbar) nyomáson enyhe melegítés (<< 0 C); szublimáció (S G) 3. Lépés: nagy vákuumban (néhány µbar) egy kicsit erőteljesebb melegítés (közel 0 C), hogy biztosan minden vízmolekula eltávozzon Mintaelőkezelés mikrohullámú energiaközlés Mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú besugárzás (dielektromos) melegítő hatásának mechanizmusa: polarizálható vagy permanens dipólusmomentummal rendelkező molekulák a változó EM tér irányába törekszenek beállni, azonban annak változását a nagy frekvencia (10 8-10 9 Hz) miatt nem tudják azonnal követni. Ennek eredményeképpen fáziskésés áll elő, ami dielektromos veszteséghez vezet. Az EM tér energiája elektromos, majd kinetikus (termikus) energiává alakul. A folyamatot gyakran hasonlítják a belső surlódáshoz is.
Mintaelőkezelés mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú melegítés tehát az anyag egészét egyszerre melegíti ionos konvekció és dipólrotáció révén, amiatt hatékonyabb, gyorsabb, mint a hagyományos melegítés. A melegítés összetett anyagok esetén természetesen nem teljesen egyenletes, mivel a rétegek/zónák határain a reflexió és elhajlás helyi túlmelegedést okozhat (superheating). Az erős dielektromos jellemzőkkel rendelkező anyagok általában jól melegednek, a nempolárisak kevéssé ez szelektív melegítésre is lehetőséget ad. Mintaelőkezelés mikrohullámú energiaközlés A mikrohullámú energiaközlésnek analitikai szempontból számos előnye van: gyorsabb, hatékonyabb mintaelőkezelést/-készítést tesz lehetővé alaktalan mintákat is lehet így melegíteni kémiailag ellenálló és magas hőmérsékleten lágyuló/olvadó ló/ol anyagokból agokból a sugárzás számára átlátszó, zárt, inert edényzet készíthető, amelyeken belül is lehet melegíteni a mintát Érdemes megjegyezni ugyanakkor, hogy a laborcélokra készülő mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerek nem összehasonlíthatók a háztartási mikrosütőkkel. extra biztonságielemek g folytonos szabályozás Teflon/kerámia edényzet edényzetek léghűtése elszívó rendszer programozott működés hőmérséklet kontroll nyomás kontroll
Mintaelőkezelés mikrohullámú szárítás és bepárlás A mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerekben hatékonyan, kis szennyeződésveszély mellett, kíméletesen száríthatók majdnem tetszőleges minták. Ilyenkor egy üveg/porcelán edényzetben, szűrt levegő átáramoltatása mellett történik a száradás. Bepárlás is végezhető tiszta körülmények között (félig zárt PTFE edényzet), amikor a felszabaduló gőzöket az elszívó rendszer távolítja el. A mikrohullámú besugárzás más folyamatok segítésére is alkalmas (lásd később). Mintaelőkezelés ultrahanggal való energiaközlés
Mintaelőkezelés ultrahanggal való energiaközlés Ultrahang által a folyadékokban létrehozott kavitásokban lokálisan magas nyomás és hőmérséklet áll elő. Ez az analitikai mintaelőkészítés kémiai és fizikai folyamatainak segítésére többféleképpen is hasznosítható, például: szilárd anyagok feloldása, kioldása szuszpenzió/emulzió keverése, lebegtetése sejtek és rugalmas anyagok roncsolása elválasztás segítése (G/L szeparáció, dialízis) Mintaelőkezelés mechanikai formára hozás Vannak olyan műszeres analitikai eljárások (pl. IR, XRF, GD-AES, stb.) amelyek alkalmasak közvetlenül szilárd minták vizsgálatára, nem kell azokat előzetesen oldatba vinnünk. Ha az elemzést ilyen módszerrel végezzük, akkor kémiai mintaelőkészítésre nincs szükség, csak a minta megfelelő mechanikai formára hozására, hogy a minta mérhető, illetve a műszerbe behelyezhető legyen: tömbök vágása (kisebb munkadarab, metszet készítése) polírozás (a felületi egyenetlenségek csökkentése) porított minták korong alakúra préselése filmhúzás (pl. polimerek melegítésével vagy oldószeres kezelésével) öntvény készítése gyorshűtés mellett (megfelelő alak létrehozása és a szegregálódás csökkentése ötvözeteknél)
Kémiai mintaelőkészítés Lehetséges célok Amintákkémiaielőkészítése is többféle módon történhet, az analízis céljainak megfelelően. Itt a következő fontosabb módszereket fogjuk tárgyalni: 1. Elválasztás (extrakció) 2. Dúsítás/hígítás (bepárlással, extrakcióval, stb.) 3. Származékképzés (maszkolás, jelölés, stb.) 4. Roncsolás elemanalízis céjára
Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek célja bizonyos mintakomponensek egymástól különválasztása, elkülönítése. Többnyire három lépésben valósítjuk meg: 1. Az érintett komponensek kémiai átalakítása (ha szükséges) 2. A komponensek megosztása két egymással érintkező fázisban (megoszlási egyensúly) 3. A fázisok fizikai/mechanikai elkülönítése Ezen lépéseket illusztrálják a következő ábrák. Megjegyzés: az oldószeres kioldás is az elválasztási műveletek egyik fajtája, amikor nincs kémiai átalakítás és a mintánk szilárd halmazállapotú Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek a mintaelőkészítés legfontosabb csoportját képezik. Ennek oka, hogy elválasztást igen gyakran végzünk az analízis során, pl.: amérendő megszabadítása zavaró komponens(ek)től amérendő átvitele a mérésre alkalmasabb fázisba a minta tisztítása a minta közegének egyszerűsítése stb.
Elválasztás (extrakció) Első lépés: kémiai átalakítás (konverzió) Egy A és C komponensekből álló minta reagáltatása X reagenssel (példa): Elválasztás (extrakció) Második lépés: megoszlás A mintakomponensek megoszlása két fázis között (1 és 2); az AX komponens egyensúlyi koncentrációja a 2. fázisban, míg a C komponensé az 1. fázisban nagyobb (példa): A két fázis lehet: gáz és folyadék, gáz és szilárd, folyadék és folyadék, folyadék és szilárd ).
Elválasztás (extrakció) Harmadik lépés: fizikai elkülönítés A két fázist alkalmas módszerrel (pl. szűrés, dekantálás, centrifugálás, stb.) egymástól elkülönítjük. Elválasztás (extrakció) Az elválasztást többféle üzemmódban végezhetjük el: 1. Egylépéses ( batch ): egyetlen elválasztást végzünk a két fázis között 2. Többlépéses vagy sorozatos ( multiple/sequential batch ): egymás után többször hajtjuk végre az elválasztást a hatékonyság növelése érdekében 3. Folyamatos extrakció: a megosztó fázis állandó áramoltatásával nagy hatékonyságú elválasztást érünk el (ilyen pl. a frakcionált desztilláció és a kromatográfia)
Elválasztás (extrakció) Az elválasztási műveletek jellemzésére az alábbi mennyiségek használatosak. Mindenütt feltételezzük a termodinamikai egyensúly beálltát (1 és 2 a fázisok, A és B a komponensek) Megoszlási (egyensúlyi) állandó: [ A] K D = [ A] Megoszlási hányados: Elválasztási tényező: 1 2 [A összes ] 1 D = [A ] β = K K DA DB összes 2 D vagy D A B Elválasztás (extrakció) Az elválasztás hatékonysága sok külső tényezőtől is függhet, pl. nyomás, hőmérséklet vagy a rendszer ph-ja, ezért ezeket is optimálni célszerű az alkalmazáskor. Példa: a megoszlási hányados értékének függése a ph-tól benzoesav vízből dietil-éterbe való extrakciójakor.
Elválasztás (extrakció) - alkalmazások Az elválasztási műveleteknek egész tárháza ismeretes, amelyek az alkalmazás céljában, az érintkező fázisokban, stb. különböznek. A legfontosabbak a következők: Folyadék-folyadék extrakció (két nem elegyedő folyadék) Csapadékképzés (eltérő oldhatóságon alapul) Ioncsere (szilárd-folyadék ioncsere egyensúlyon alapul) Adszorpció/deszorpció (szilárd fázis, szorpciós egyensúly) Illékonyítás/desztilláció (eltérő illékonyságon alapul) Abszorpció (eltérő oldhatóságon alapul) Dialízis (féligáteresztő hártyán keresztül való diffúzió esete) Kioldás (szilárd mintából) Kioldás (extrakció) Szilárd mintákból egyes komponensek kioldása lehet szükséges az analízishez, különböző célból. Példák: 1. Élelmiszerek zsírtartalmának meghatározása (a zsírok nagymértékben apolárisak, így apoláris oldószerrel, pl. hexán vagy petroléter, végezhetjük a kioldást) 2. Talajok kioldható fémion-tartalmának vizsgálata (vízzel, ecetsavval, ammónium-acetáttal, EDTA oldattal szekvenciálisan végezve az extrakciót meghatározható a talajok növények számára hozzáférhető fémtartalma, stb.) 3. Adalékok vizsgálata műanyagokban (a gyártás során műanyagokba, gumiárukba kerülő monomerek, lágyítók, öregedésgátló, gyorsítók és más adalékok vizsgálatához szintén kioldást alkalmaznak megfelelő oldószerrel)
Kioldás (extrakció) Az extrakció legegyszerűbbmódjaaszilárd(célszerűen a nagy hasznos felület miatt finom szemcsézettségű) minta összerázása a megfelelő oldószerrel egy zárt lombikban vagy választótölcsérben, majd az oldat tisztájának (oldószer + kioldott mintaalkotók) leszűrése. Itt jegyezzük meg, hogy a folyadék-folyadék extrakció művelete is hasonló technikailag. Kioldás - Soxhlet extrakció A Soxhlet extraktorban a mintát egy speciális vastag pórusos szűrő-papírszerű tokba teszik. Az oldószer az alsó lombikból forralással a felső térbe kerül, ahol egy hűtő agőzöket kondenzálja és a visszacsöpögő folyadék a mintára kerül. A filter térben a folyadék feleslege átbukik az alsó lombikba. Az oldott anyag az oldószerrel a szifonból a lombikba kerül, ahonnan csak az oldószer távozik, így a lombikban egyre töményebb formában lesz jelen az extrahált komponens. Ez a ciklus újra ismétlődhet akár órákon át is. Az extrakció végén a filtert általában a maradék szilárd anyaggal együtt kidobjuk. Az oldószer a kioldott komponensek termikus kímélése érdekében alacsony forráspontú, pl. diklór-metán vagy dietil-éter.
Elválasztás - folyadék-folyadék extrakció A folyadék-folyadék extrakció során két nem elegyedő folyadékfázis (pl. egy poláris és egy nem poláris oldószer) között oszlatjuk el a mérendő komponens(eke)t. Felhasznált eszköz: választótölcsér. Gyakori alkalmazási példa a fémionok vizes oldatból apoláris szerves közegbe való átrázása. Itt a poláris karakterű fémionokat pl. semleges töltésű, stabilis, apoláris kelátkomplexbe kötve tehetjük alkalmassá a szerves fázisba való átjuttatásra. ( vizes közeg ) (szerves oldószeres közeg) Elválasztás - folyadék-folyadék extrakció Példa: Al 3+ ionok elválasztása oxinnal (8-hidroxi-kinolinnal) ( vizes közeg ) ( ldó kö ) (szerves oldószeres közeg) CHCl 3
Elválasztás csapadékképzéssel Az elválasztás alapulhat azon is, hogy a komponenst csapadékba (folyadékból szilárd fázisba) visszük, vagyis oldhatóságát nagyon lecsökkentjük. Ilyenkor a fázisok elválasztása pl. szűréssel vagy centrifugálással lehetséges. Példa: fémionok szulfidcsapadékjainak képzése (jobbra) Példa: teljes vérminták fehérjetartalmának kicsapása és eltávolítása klinikai analízis előtt 5%-os vizes TCA (triklór-ecetsav) reagens alkalmazásával Elválasztás ioncserével Ionos karakterű komponensek elválasztása ioncsere egyensúlyok kihasználásával is lehetséges. Az ioncsere folyamatokat oldatminták és szilárd ioncserélő gyanták (polimerek) között. Az ioncsere tulajdonságú polimerek olyan elágazó szénláncú (keresztkötéseket tartalmazó) oldhatatlan polimerek, amelyek ionogén csoportokat tartalmaznak. Ezek az ionogén csoportok képesek kationok vagy anionok reverzibilis megkötésére. Az egyik leggyakoribb polimer a polisztirol-divinilbenzol (PSDVB).
Elválasztás ioncserével - alkalmazások Az ioncserélő gyanták fontos gyakorlati alkalmazása a vízlágyítás illetve ioncserélt víz előállítása. Az analitikai alkalmazási példák között szerepel pl. fémion lecserélése protonokra (kation cserélő gyantával), ami sav-bázis titrálás alkalmazását teszi lehetővé a fémion meghatározására. Példa: vízminták sótartalmának meghatározása Elválasztás - illékonyítás és desztilláció Egyszerű és gyakori módszer a desztilláció, ami a komponensek eltérő forráspontján (illékonyságán) alapul. (a) Desztilláló készülék (b) frakcionált desztilláló
Elválasztás - illékonyítás és desztilláció Egy másik rokon eljárás az illékonyítás, amikor kémiai reakcióval a szilárd vagy oldott állapotban lévő komponenseket kémiai reakcióval (és melegítéssel) gázhalmazállapotúvá alakítjuk. Példák: W 3 2 ( s) + O2,(g) WO3,(g) Szeparálandó kevert fázisok Vivőgáz (pl. Ar) gáz fázis SiO 2 + 4 HF SiF 4 + 2 H O 2 As 3+ (aq) + 3 H AsH (g) 3(g) folyadék fázis gáz-folyadék szeparátor Elválasztás dialízissel A dialízis egy féligáteresztő hártya segítségével, a komponensek méretbeli különbségén alapuló elválasztási eljárás. Különösen biokémiai rendszerek kolloid méretű és oldott komponenseinek elválasztására alkalmazzák. Példa: alkoholmentes sörök (és borok) előállítása dialízis előtt dialízis után
Dúsítás Dúsítás azokban az analitikai alkalmazásokban szükséges, amikor a mérendő komponensek koncentrációja alacsonyabb, mint ami jól mérhető. A legtöbb esetben a dúsítás során valójában elválasztást végzünk oly módon, hogy az elválasztás után kisebb végtérfogatba juttatjuk a mérendő komponenst. Példák: Bepárlás (oldószer elpárologtatása) Folyadék-folyadék y extrakció (eltérő polaritású közeg!) Csapadékképzés és visszaoldás Ioncserélő gyantán megkötés majd leszorítás Adszorpció/deszorpció (gyors, tranziens deszorpció) Hűtött csapda (kifagyasztás) stb. Származékképzés A származékképzést, mint önálló (elválasztástól független) mintaelőkészítő eljárást a következő esetekben alkalmazunk: 1. Kromofor (szín) kifejlesztése 2. Radioizotópos derivatizáció (radioaktívvá tétel) 3. Maszkírozás
Származékképzés - kromoforok Egyes analitikai módszerek esetében, amelyek a vizsgálandó molekulák fényelnyelésén alapulnak (spektroszkópia), gyakori a mérendő komponens olyan származékképzési reakciója, amely célja a fényelnyelés biztosítása vagy annak fokozása. Kromofornak nevezzük egy molekula fényelnyeléséért (színért) felelősrészét. Példák: szalicilsav + Fe 3+ vas-szalicilátó komplex színtelen Mn 2+ oxidációja Mn 7+ halvány rózsaszín ibolyaszín élénk ibolyaszínű 3 + redukció PO4 + MnO4 + H molibdofoszforsav molibdénkék Származékképzés radioizotópos jelölés Bizonyos analitikai módszerek esetén előnyös lehet a mérendő komponens(eke)t radioaktív reagenssel megjelölni. Az ilyen származéknak előnye, hogy a mérendő komponens jelenléte, feldúsulása, stb. kimutatható akkor is, amikor az maga színtelen, stb. (pl. autoradiográfia). A konverzió egyik módja a lecserélhető protonok tríciumra cserélése. Példa: egér sejtekrőlkészült metszet autoradiográfiás képe (tricionált timidinnel jelölt DNA); egy másik példa lehet a vékonyréteg kromatográfia
Származékképzés - maszkírozás Van lehetőség arra is, hogy bizonyos komponenseket bár azokat ténylegesen nem távolítjuk el a mintaoldatból elrejtsünk a vizsgálati eljárás elől. Ennek módja olyan kémiai reakcióba vinni a kérdéses komponenseket, amelyek nagy stabilitású, de oldatban maradó vegyületeket eredményeznek. Ez a folyamat a maszkírozás (álcázás). Például a többértékű fémionok leggyakrabban alkalmazott álcázószerei a különböző komplexképző reagensek (pl. EDTA, F -,stb.). Ezek a komplexek sokszor annyira stabilak, hogy ilyenkor a fémionok hidroxid- vagy szulfidcsapadékja sem válik le. Elbontásuk legtöbbször csak erős ásványi savakkal főzve lehetséges. Roncsolás elemanalízishez A roncsolás során célunk egy szilárd minta kémiai kötéseinek elroncsolása és a komponensek olyan formára hozása, amely már egy alkalmas oldószerben jól feloldódik (oldatba vitel). Főbb módozatai: 1. Hamvasztás (oxidálható biológiai/szerves mintákhoz) 2. Roncsolás savelegyekkel (feltárás) 3. Ömlesztés
Roncsolás elemanalízishez - hamvasztás A hamvasztás a legegyszerűbb roncsolási eljárás lényegében egy ellenálló porcelán vagy fémtégelyben hőmérséklet-szabályzott módon való égetésről van szó (> 300-400 C). A levegő oxigénjével a szervesanyag elég és a mintából fémoxidok képződnek; emellett a nehezen párolgó szulfát-, szilikát-, foszfátsók maradnak vissza. Ezek a vegyületek alkalmas savakban vagy savelegyekben sokszor feloldhatók. A folyamat során egyes illékony elemek, vagy ilyen vegyületeket képző fémek elveszhetnek (pl. halogének, As, Sb, Hg, stb.), ezért szokásos a hamvasztást segítő reagenseket is hozzáadni a mintához. Ilyen reagens pl. a kénsav, ami magas forráspontú, nem illékony szulfátokat képző sav. Roncsolás elemanalízishez savelegyekkel A roncsolás egyik leggyakoribb módja oxidáló hatású savakkal vagy savelegyekkel együtt főzni a mintát (feltárás). Ehhez leggyakrabban a következő savakat használjuk: HNO 3 H 2 SO 4 H 3 PO 4 H 2 O 2 Királyvíz (HCl:HNO 3 1:3) Szilikátos minták teljes feltárásához HF hozzáadása is szükséges. Nyitott edényben való végrehajtáskor elveszítjük az illékony elemeket, de a veszteség minimalizálható, ha a feltárást zárt edényben (feltáró bomba) végezzük.
Roncsolás elemanalízishez savelegyekkel Savas roncsolás zárt edényben Anton Paar High Pressure Asher
Roncsolás ömlesztéssel A roncsolás legagresszívebb módszere az ömlesztés. Ez a módszer a Lewis-féle sav-bázis (elektronpár donor/akceptor) reakciók és a redoxi reakciók olvadékban való felgyorsulásán alapul. A feltárást legalább 400 C (de akár 1200 C) hőmérsékleten ékl hajtjuk végre, a reagensek 10-50- szeres feleslege mellett. Példa: Na 2 CO 3 reagens alkalmazása szilikátok oldatba vitelére CO 2 3 hevítés CO SiO 2 + O 2 2 2 3 SiO + O 2 Példa: K 2 S 2 O 7 reagens alkalmazása fémoxidok oldatba vitelére K S O 2 2 hevítés 7 K SO 2 4 + SO 3 Fe O 2 3 + 3 SO 3 Fe (SO 2 4 ) 3 Roncsolás ömlesztéssel Savas jellemű anyagok (pl. szilikátok, szulfátok) feltárását alkálilúg és alkáli-karbonát szilárd reagensekkel, Pt vagy Ni tégelyben végezzük. Lúgos jellemű anyagok (pl. oxidok) feltárását alkáli-piroszulfát, ammóniumsó és kénsav reagensekkel végezzük szilikátos edényben. A fentiek mellett egyes esetekben redukáló hatású (pl. szénpor, kénpor, stb.) vagy oxidáló hatású (Na 2 O 2 vagy NaNO 3 ) segédanyagokat is hozzáadnak a feltáró keverékhez.