1

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

2

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.

3

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 eltérőfiziko-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 alapja1906 Tswet (Cvet): chroma (szín) – graph (írás)-Növényi pigmentek és klorofill elválasztása

Cső (oszlop, vagy kolonna)

Mely valamilyen szorbenst tartalmaz (töltet) = állófázis

1. Minta (diszkrét mennyiség)

2. Mosófolyadék (eluens) = mozgófázis

4

Kromatográfia alapjai

Az egyes komponensek fajlagos kötődése a szorbensréteghez (állófázishoz)nem azonos,ezért az ún. futtatás soránaz állófázishoz jobban kötődő komponensek „lemaradnak”.

Kromatográfia alapjaiAz eluálódó komponens detektálása nyomán keletkezik az ún.

kromatogram

Kromatográfiás jel

5

KromatogramA 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.

Tret

Kromatográfiák csoportosításaA 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 (vizes) fázis

Poláros komponens (cukrok)

Apoláros komponens

pl.: benzol

Kevésbé apoláros komponens (pl.: fenolok, észterek)

6

A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek

Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia)

Apoláros mozgó fázis

Poláros álló fázis

k1

k2

T0 időpillanat

A kromatográfiás visszatartást, elválasztást létrehozó jelenségek

Polaritás alapján történő elválasztás (megoszlásos folyadékkromatográfia)

Apoláros mozgó fázis

Poláros álló fázis

k1k2

T1 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)

7

Folyadékkromatográfiás töltet

Póruscsatorna

Oldalláncok

Töltet-részecske

Töltet-részecske

Töltet-részecskePóruscsatorna

mobilfázis

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

dete

ktor

jel

idő

(retenciós idő)

(holtidő)

Holtidő: a visszatartással nem rendelkező komponens elúciós ideje

(az az idő amely alatt a mozgófázis eljut az injektortól a detektorig)

8

Kapacitás faktor vagy visszatartási tényező:

Megadja, hogy egy vizsgált komponens az elválasztás során mennyi időt tartózkodott az állófázison viszonyítva a mozgófázisban töltött időhöz.

M

MR

tttk −

=

Szelektivitási tényező

α =−

−

t tt tR M

R M

2

1

Felbontás

5,1212

1,2, ≥+−

=wwtt

R RRstR,2

tR,1

w1 w2

9

Felbontás

5,1212

1,2, ≥+−

=wwtt

R RRs

Zónaszélesedés jelensége

zónaszélességkezdetben

zónaszélességegy t idô után

• Nem szabályos töltetrészecskék

• Keresztirányúdiffúzió

• 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)

10

a

c

d

rossz elválasztás:nem szelektívnem hatékony

szelektívnem hatékony

nem szlektívhatékony

szelektívhatékony

idô

idô

idô

idô

mV

mV

mV

mV

b

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

11

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 detektorokFotometriás, fluoreszcens detektorok. Az eluens, egy ún. átfolyó küvettán keresztül halad.

kolonna

eluens

12

HPLC élelmiszeripari alkalmazásaGyakorlatilag 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 (NO3

-, SO42-)

• Permetezőszer-maradványok, gyógyszermolekulák• PAH-ok, PCB-k• Toxinok• Aminosavak, peptidek, fehérjék• …

Gázkromatográfia(gas chromatography, GC)

Jellemzői:• A mozgófázis valamilyen gáz (He, N2, H2, Ar-CH4)• Az állófázis lehet

– apoláros, poláros (megoszlásos kromatográfia)– adszorpciós

• A mozgófázis összetétele a kromatográfia során nem változtatható, azonban hőmérséklete igen (hőmérsékletprogram).

Gázkromatográfia technikai megvalósításaMintabevitel az áramló gázba történik, pillanatszerű elpárologtatással.

Temperált kolonnatér

13

Hőmérséklet hatása az elválasztásra

Állandó hőmérséklet

Hőmérsékletprogram

idő

T

Gázkromatográfiás oszlopokTöltetes 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)

14

Gázkromatográfia élelmiszeripari alkalmazása

Általában minden 250 fokig bomlás nélkül elpárologtatható(mintabevitel) az oszlopon csupán reverzibilisen kötődőkomponens 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