Mintavétel és minta-előkészítés Műszeres analitikusok számára Budapesti Műszaki Szakképzési Centrum Petrik Lajos Két Tanítási Nyelvű Vegyipari Környezetvédelmi és Informatikai Szakgimnáziuma Mintavétel és minta-előkészítés Műszeres analitikusok számára Kémiai minta-előkészítés http://tp1957.atw.hu/mve_4.ppt Összeállította: Tihanyi Péter

A tétel tartalma Kulcsszavak, fogalmak Nagy mennyiségű anyagból történő mintavételezés, minta-előkészítés analitikai vizsgálatok céljára A mintamennyiség csökkentése, módja Az alapvető fizikai minta- előkészítő műveletek céljának és módjának ismertetése (oldatkészítés, össze-tétel- változtatás, kivonatkészítés, tisztítási, elválasztási műveletek) A kémiai minta-előkészítő műveletek céljának és módjának ismertetése (kémhatásváltoztatás, savas- lúgos kivonatok, erélyesebb módszerek, kémiai átalakítási műveletek) Kulcsszavak, fogalmak Vizsgálható mennyiség, in- homogenitás, reprezentatív összetétel megőrzése, aprí- tás, felezés Mérlegelés (bemérés), törzs- oldat készítés, hígítás, kon- centrálás, tisztítás, bepárlás, szárítás, extrakció (folyadék- szilárd, folyadék-folyadék, szilárd-folyadék), szűrés, centrifugálás pH-beállítás, kivonatkészítés, feltárás, reagens hozzáadása, kicsapás, származékkészítés, ioncsere

A minta-előkészítés műveletei Fizikai: aprítás, keverés, a minta- mennyiség csökkentése, homogenizálás mérlegelés, törzsoldat készítés hígítás, vízmin., koncentrálás bepárlás, szárítás extrakció: folyadék-szilárd, folyadék-folyadék, szilárd-folyadék tisztítás szűrés, centrifugálás Kémiai: kémiai „oldás” kivonat készítés hamvasztás, égetés, roncsolás, feltárás pH-beállítás reagens hozzáadás, konvertálás kicsapás, származék- készítés ioncsere

Kémiai „oldás” A fizikai minta-előkészítés fontos művelete volt a törzsoldat készítés. Sok esetben az anyag, illetve alkotói nem oldód- nak fizikailag sem vízben, sem más oldószerben. Ilyen esetben a kémiai „oldás” segíthet. A szokásos sorrend a gyengébbtől az erélyesebb felé haladva: híg, nem oxidáló sav (0,1..2 mol/dm3 HCl), híg salétromsav (0,1..2 mol/dm3) tömény (cc.) sósav (34..38 w%) 1 + 1 hígítású salétromsav (~ 38 w%) híg NaOH (0,1..2 mol/dm3) cc. NaOH (15..50 w%) királyvíz (?) vagy bróm-sósav Forrás: Wágner Ödön (BME) – Pasinszki Tibor (ELTE): Szervetlen kémiai laborgyakorlat (Wagner-Pasinszki_Szervetlen-kamiai-labgyak.pdf)

Törzsoldat készítés számolási feladat 2. Egy ötvözet összetételét kívánjuk meghatározni: savas oldással törzsoldatot készítünk, a vizsgálatokat majd annak hígításaiból végezzük. Az oldat a fő összetevőre nézve legyen 2 g/dm3, a készítendő térfogat 200 cm3. A fő összetevő (fém) várható (névleges) érték 80..90 w%. A gyors mérés érdekében kívánatos a kis mennyiségű minta felhasználása. Hány g ötvözetet és hány cm3 tömény savat használjunk, mennyi vízre van szükség a sav hígításához? fém sav w% (híg) w% (tömény) 1. Fe H2SO4 10 95 2. Pb HNO3 15 63 3. Al HCl 5 35 4.

Kivonat készítés Sok anyag nem oldható fel teljes mennyiségében az előbb ismertetett anyagok egyikével sem. Ilyen esetekben sokszor nincs is szükség a teljes oldatba vitelre, elegendő – a természetes folyamatokat modellezve – „kioldani” a számunkra szükséges anyago(ka)t: a fizikai kioldás az extrakció (pl. ioncserélt vízzel), a kémiai kioldáshoz leggyakrabban a következő szereket használják: 0,1 mol/dm3 HCl (élelmiszerek), ammónium-laktát (talaj, növény számára felvehető), ammónium-acetát (hulladék, fiz.-kém.-ökotox., MSZ 21420-31:2006) 2 mol/dm3-es salétromsav (összes oldható; bármiből). Forrás: http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/anyagok/03-Talajtan-talajvedelem.pdf

Hamvasztás, égetés Hamvasztás: levegőn történő izzítás, lassan emelt hőmér- séklettel: a szerves anyagok elégnek, szervetlenek maradnak (kemence, oxidatív). Illékony anyagokból (pl. Hg) veszteség lehet. Égetés: Schöniger égető S, Se tartalom vagy halogének mérésére. az elnyelető oldatban (víz, NaOH, H2O2) lesz a S, Se vagy a halogén Ábra: http://www.scopenvironment.org/downloadpubs/scope48/appendix.html

Égetés Égetés: nyomás alatt, bombában a bombában elhelyezett folyadékban elnyelődött anyagok (pl. SO2, NO2, CO2) mérhetőek. Ábra: http://chemistry.umeche.maine.edu/~amar/spring2011/bomb.jpg

Mikrohullámú égetés MIC: Microwave- induced combustion Ni, V és kén méréséhez olaj desztillációs maradékából; nyomás alatti O2, gyújtáshoz kevés NH4NO3. elnyelető folyadék: víz, 5% v/v H2O2 és 1..14 mol/dm3 HNO3. Ábra: http://pubs.rsc.org/services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2009/JA/b904194j/b904194j-f1.gif Forrás: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/ja/b904194j#!divAbstract

Savas roncsolás Roncsolás: célja a nem szükséges, esetleg zavaró anyag eltávolítása, átalakítása. Kjeldahl-roncsolás: cc. H2SO4, az összes N meghatározáshoz K2SO4 a forrpont emeléshez, H2O2 a redukcióhoz (?) SeO2 vagy CuSO4 a redukció katalíziséhez. Nézzük meg! (https://www.youtube.com/watch?v=FcoSi8pOA7o) Lassú, drága, környezet- szennyező. Ábra: http://en.wikipedia.org/wiki/Kjeldahl_method

Reduktív roncsolás Reduktív roncsolás lúgos közegben Dewarda-ötvözettel: aluminium (44% – 46%), copper (49% – 51%) and zinc (4% – 6%) Működése: 3 NO3− + 8 Al + 5 OH− + 18 H2O → 3 NH3 + 8 [Al(OH)4]− a lúgos oldatból az ammónia ki is desztillálható, hasonló, mint a Marsh próba előkészítése (As, Sb kimuta- tása AsH3, illetve SbH3 formában, savas közegben). Miért van benne réz, mi lesz vele? Arturo Devarda (1859–1944) Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Devarda%27s_alloy

Roncsolás, feltárás Feltárás: felesleg, erélyes körülmények. Savas, sav-elegyes feltárások: HNO3 – H2O2 szerves, élelmiszer HF – HNO3 – HCl eleggyel végzett mikrohullámú feltárás (hulladék, MSZ EN 13656:2004) királyvizes feltárás (hulladék, MSZ EN 13657:2003) HF (szilikátok) . cc. H2SO4, KHSO4 (oxidok) Lúgos feltárások (oldat, olvadék): NaOH, Na2CO3 (pl. bauxit, szilikátok, BaSO4) lúgos – reduktív: Eschka (Na2CO3 + MgO) a szerves anyagok kéntartalma → szulfid Oxidatív: KNO3, Na2O2 (pl. ércből Cr3+ → kromát) Forrás: http://download.soundhead.hu/csab/URFCD47/database/URF41_12_Hullad%C3%A9kmint%C3%A1k%20el%C5%91k%C3%A9sz%C3%ADt%C3%A9se.htm

Mikrohullámú feltárás Milestone rendszer: teflon edények, nyomásálló burkolat, szabályozható hőmérséklet, felfűtési sebesség, illetve teljesítmény. Forrás: http://www.speciation.net/Database/Instruments/Milestone-Srl/ETHOS-1--Advanced-Microwave-Digestion-Labstation-;i2574

Mikrohullámú feltárás 2. Milestone-UltraWAVE rendszer: az edényeket nem kell zárni! (nitrogén „párna” 199 bar) nincs többé sem edényzárás, sem edénynyitás; TFM, kvarc, vagy akár eldob- ható üvegcsövek, különféle jellegű minták egy- idejű roncsolása azonos nyomáson és hőmérsékleten, mintatartó rack-ek: 4, 5, 15, 22 férőhely, roncsolás akár 250 °C-on, ciklusidő (lehűtéssel) 40 percen belül, gyakorlatilag nincs fogyóanyag. Forrás: http://www.labsystem.hu/docs/cikkek/Labinfo-Ultrawave.pdf

A pH beállítása A kémhatás beállítása szükséges lehet: szétválasztás céljából az egyik fém leválik, a másik nem, vagy az egyik oldódik savas/lúgos közegben, a másik nem, fenol/szerves sav megoszlása a szerves és a vizes fázis között; csapadék- illetve származékképzés előtt, ioncserét (pl. dúsítás), illetve ion-kromatográfiát megelőzően. kondicionálás

Reagens hozzáadás A reagens hozzáadás célja lehet: szétválasztás az egyik ion leválik, a másik nem, vagy az egyik oldódik a reagens feleslegében, a másik nem, csapadék- illetve származékképzés, ioncserét (pl. dúsítás) megelőzően. Példa: Al3+ ionok elválasztása oxinnal (8-hidroxi-kinolinnal), átrázása szerves fázisba (pl. CHCl3)

Konvertálás A konvertálás (= átalakítás) célja hogy az eredeti mérendő anyagból vele arányos – egyenértékű másik anyagot állítsunk elő. Például szeretnénk mérni valamit atom-spektrometriásan, amit nem lehet. Megoldás: csinálunk belőle egy rosszul oldódó vegyületet (csapadékot), olyan lecsapószerrel, ami atom-spektro- metriásan mérhető fémet tartalmaz; azt megfelelő savban feloldjuk és mérjük. Konkrét eset: macskatápból foszfort mérnénk. Savas hidrolízis után lúgosítás ammóniával, leválasztás Mg-sóval. A tisztára mosott csapadékot savban oldjuk, mérünk.

Konvertálás 2. További példák: szulfát-ionokat reagáltatunk bárium-kromáttal, a szulfáttal egyenértékű mennyiségű kromát-ionok spektrofotomet- riásan mérhetők; kationokat ioncserélőn lecserélünk oxónium-ionokra, az oldat savasságát mérjük direkt vagy indirekt potencio- metriásan;

Konvertálási számítási feladat 0,5 g macskatápot mértünk be a hidrolízishez. Számítsa ki: Hány g MgSO4·7H2O-t kell oldani a lecsapáshoz, ha kétszeres felesleget használunk, milyen térfogatra oldjuk a csapadékot, ha a mérésünk mérési tartománya 10..100 mg/dm3? A macskatáp az előzetes információk szerint 0,5% összes foszfort tartalmaz. Foszfor mennyiség: 2,5 mg Magnézium a csapadékban: 1,96 mg: Magnézium-szulfát mennyiség: ~40 mg Számított térfogat: kb. 40 cm3.

Kicsapás Elvi alapok: Az oldhatóságot lecsökkentjük (lehetőségek: hőmérséklet, más oldott anyagok, kémhatás, más oldószer hozzáadása) Az anyagból rosszul oldódó csapadékot készítünk. 1. A vérmintához savat (triklór-ecetsav) adva a fehérjék kicsapódnak, a többi összetevő mérhető ülepítés, centrifugálás vagy szűrés után. 2. Fémionokból csapadék képzése hidroxid (hidroxokomplex képződés!), karbonát (kétértékű fémek), szulfid (két- és háromértékű fémek), foszfát (két- és háromértékű fémek), esetleg klorid vagy szulfát.

Származék készítés Cél: – nem illékony anyagokat szeretnénk GC-n vizsgálni, – az anyag stabilitását, illetve – a detektálhatóságot kívánjuk biztosítani, – vagy az elválasztást szeretnénk javítani. A reakció legyen szelektív, gyors, kvantitatív (100 %), ne kelljen különleges reakció körülmény; a reagens legyen könnyen eltávolítható, olcsó, nem mérgező; a reakció terméke legyen stabilis.

Származék készítés – illékonyítás A szerves kémiai reakciók közül a leggyakoribb az éter- és észterképzés, azaz hidroxivegyületek és savak alkilezése, illetve hidroxivegyületek acilezése. Ezeken kívül használatos még a szililezés, az oximálás, a hidrazonképzés. Speciális esetekben illékony hidrideket állítunk elő As, Sb esetén, sósav és Zn segítségével, az As és Sb a hidridek formájában jól mérhető (AAS).

Alkilezés – éter- észterképzés Az aktív hidrogénatomok cseréje alkilcsoportra: alkohol, fenol → éter karbonsav → észter, Megvalósítás diazo-metánnal (CH2N2, mérgező): R-OH + CH2N2 → R-O-CH3 + N2 Alkohol, fenol, karbonsav, szulfonsav. alkil-halogeniddel (jodid, bromid) R-OH + CH3-X → R-O-CH3 + HX katalizátor: Ag2O Alkohol, fenol, karbonsav. Forrás: Veresné, Klára: Spektroszkópia, kromatográfia gyógyszerformavizsgálat

Acilezés – észterképzés Alkoholos, fenolos OH csoportok hidrogénjének cseréje acilcsoportra: alkohol, fenol → észter Reagensek savanhidrid: trifluor-ecetsav-anhidrid, pentafluor-propionsav-anhidrid, heptafluor-butánsav-anhidrid; vagy sav-halogenid. Vízmentes közeg, reagens felesleg, melléktermék el- távolítása (bepárlás vagy híg lúggal való reakció). Előny: a termékek illékonyak és ECD-ral detektálhatóak. Forrás: Veresné, Klára: Spektroszkópia, kromatográfia gyógyszerformavizsgálat

Szililezés 1. Az aktív hidrogénatomok cseréje szilil- (pl. trimetil-szilil) csoportra: R-Y-H + R3Si-X → R-Y-SiR3 + HX Az átalakulási fok függ a kiindulási vegyülettől, a szililező szertől és a körülményektől. A reakció feltételei: a reagenst feleslegben alkalmazzuk, 100 %-os legyen az átalakulás, körülmények: 60-80 °C, 10 – 120 perc, katalizátor; lehetőleg egyfajta származék keletkezzék (több funkciós csoport → több csúcs keletkezése probléma)! Forrás: Veresné, Klára: Spektroszkópia, kromatográfia gyógyszerformavizsgálat

Szililezés 2. Szililezhetőségi sorrend: alkohol > fenol > karbonsav > amin > amid > tiol Szililező szerek: N-(trimetil-szilil)-imidazol (TMSI), N,O-bisz-(trimetil-szilil)-trifluor- acetamid (BSTFA), N,O-bisz-(trimetil-szilil)- acetamid (BSA); N-metil-N-trimetil-szilil-trifluor- acetamid Forrás: Veresné, Klára: Spektroszkópia, kromatográfia gyógyszerformavizsgálat

Származék készítés – kromofor A színtelen vegyületből színeset képezünk. Például mangán(II) → permanganát, nitrit → azovegyület, vas(III)-ion → vas(III)-rodanid, foszfát → foszformolibdát (sárga) → molibdénkék, aminosav + ninhidrin → színes származék, stb. Ilyen módon a látható tartományban mérhetővé válik a színtelen anyag. Hátrány több idő, vegyszerigény. Előny egyszerűbb, olcsóbb eszköz (pl. LED fotométer), könnyű alkalmazás, kiértékelés (gyorstesztek). Forrás: Dr. Galbács Gábor Mintavétel és mintaelőkészítés II.

Származék készítés – fluorofor A nem fluoreszkáló vegyületből fluoreszkálót készítünk. A leggyakoribb a danzilezés: aminok, aminosavak, fehérjék reakciója danzil-kloriddal {dansyl chloride = 5-(DimethylAmino)Naphthalene-1-SulfonYL chloride}. Így fluoreszcens módon mérhetővé válik az anyag. Az elnyelési maximum 310..350 nm között van, 330 nm-en lehet mérni. A kibocsátott fény kék – kékeszöld. Más ismert módok: orto-ftálaldehid + tiol, FMOC (9-fluorenil-metil-kloroformát). Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Dansyl_chloride

Származék készítés – maszkírozás A szelektivitás érdekében alkalmazzuk, az összetevőt elrejtjük, álcázzuk a reagens, mérőoldat elől. Lehet erős csapadékképzővel (pl. Ca2+ a Mg2+ mellett titrálható EDTA mérőoldattal pH = 12 felett). Gyakrabban használnak erős komplexképzőket: Al3+, Be2+, Fe3+, Ti4+ esetén fluorid-iont (pl. Co2+ rodanid- dal a Fe3+ mellett); Ag+, Cd2+, Co2+, Zn2+, Fe2+ esetén cianid-iont. Ha már nincs szükség rá, következhet a demaszkírozás, pl. a cianidokat formaldehiddel lehet eltávolítani: CN– + CH2O + H3O+ → HO-CH2-CN + H2O Forrás: Dr. Galbács Gábor Mintavétel és mintaelőkészítés II.

Ioncsere Kation- és anioncserélők, erős és gyenge; polisztirol vázon vannak a csoportok. Néhány példa: keresztkötésű csoport erősen savas kation-cserélő erősen bázisos anion-cserélő gyengén bázisos anion-cserélő kelátképző ioncserélő Forrás: Dr. Galbács Gábor Mintavétel és mintaelőkészítés II.

Ioncsere 2. Lehet alkalmazni teljes eltávolításra: savval semlegesítjük a vizet (a lúgosságot), utána kationjait H3O+-ra cseréljük és az oldatot lúg mérőoldattal mérjük, így az összes kationtartalmat számíthatjuk. dúsításra a minta nagy térfogatát átengedjük az ioncserélőn, a megkötött ionokat kevés regenerálóval leoldjuk, majd kevés ioncserélt vízzel öblítjük, és mérhetjük a kevéssé érzékeny módszerünkkel. Forrás: Dr. Galbács Gábor Mintavétel és mintaelőkészítés II.

Ioncsere 3. Az ioncserélő gyanta és az előkészítendő minta mennyi- ségének összeillőnek kell lennie: túl kevés ioncserélő → nem teljes ioncsere, túl sok ioncserélő → több öblítő folyadék → hígulás. Az ioncserélő nem használható a teljes kapacitásig:

Egy kationcserélő gyanta DOWEX™ MARATHON™ C Resin Uniform Particle Size, High Capacity Cation Exchange Resin Physical Form: Amber translucent spherical beads Matrix Styrene-DVB, gel Functional group Sulfonic acid Regenerant: 1–8% H2SO4, 4–8% HCl or 8–12% NaCl Ionic form as shipped Na+ form H+ form Total volume capacity, min. eq/L 2,0 1,8 kgr/ft3 as CaCO3 43,7 39,3 Moisture retention capacity % 42..48 50..56 Particle size† Uniformity coefficient, max. 1,1 Harmonic mean diameter m 585 ± 50 600 ± 50 Forrás: http://msdssearch.dow.com/PublishedLiteratureDOWCOM/dh_06b4/0901b803806b4239.pdf?filepath=liquidseps/pdfs/noreg/177-02269.pdf&fromPage=GetDoc

Egy kationcserélő gyanta (DOWEX™ MARATHON™ C) Ionic form as shipped Na+ form H+ form Whole uncracked beads % 95–100 Total swelling (Na+ → H+) % 8 Particle density g/mL 1,28 1,20 Shipping density g/L 820 800 lbs/ft3 51 50 Maximum operating temperature 120ºC (250ºF) pH range 0..14 Bed depth, min. 800 mm (2,6 ft) Flow rates: Service/fast rinse 5–60 m/h (2–24 gpm/ft2) Co-current regen./displacement rinse 1–10 m/h (0,4–4 gpm/ft2) Counter-current regen./displac. rinse 5–20 m/h (2–8 gpm/ft2) Forrás: http://msdssearch.dow.com/PublishedLiteratureDOWCOM/dh_06b4/0901b803806b4239.pdf?filepath=liquidseps/pdfs/noreg/177-02269.pdf&fromPage=GetDoc

Ioncserélő számítás Egy ioncserélő oszlop keresztmetszete 1 cm2. 10 cm hosszan töltjük meg ioncserélő műgyantával, aminek kapacitása 2 mol Na+/dm3, térfogattömege 820 g/dm3. a) Hány g a töltet tömege? (2 pont) b) Mennyi az ioncserélő műgyanta kapacitása mmol Na+/g-ban? (2 pont) a) Térfogat 10 cm3, tömeg 8,2 g. b) Kapacitás: 2 mol Na+/820 g = 0,00244 mol Na+/g = 2,44 mmol Na+/g.

Az analitikai módszer teljesítmény-jellemzői A tipikus validálási jellemzők a következők (zárójelben az angol kifejezés): Pontosság, helyesség (Accuracy, Trueness ) Precizitás (Precision) Ismételhetőség (Repeatability) Kibővített ismételhetőség (Intermediate Precision) Reprodukálhatóság (Reproducibility) Szelektivitás (Selectivity), specifikusság (Specificity), azonosság (Identity) Kimutatási határ (Detection Limit) Meghatározási határ (Quantitation Limit) Tartomány (Range) Linearitás (Linearity) Robosztusság, állékonyság (robustness) Visszanyerési tényező (Recovery)

Visszanyerés (recovery) Ez a vizsgálat azért szükséges, hogy igazoljuk, az adott módszer a vizsgált minta minden összetevőjének pontos mennyiségi meg- határozását lehetővé teszi. Ha oldékonysági problémák vannak, vagy ha egyes részecskék a mátrixszal reakcióba/kölcsönhatásba lépnek, akkor a vissza- nyerés alacsony mértékű, a kapott eredmények pontatlanok. A visszanyerési vizsgálatok során az anyag (főkomponens vagy szennyező) ismert mennyiségét adjuk a mintához, majd az adott módszerrel meghatározzuk a hozzáadott anyag koncentrációját. A hozzáadott anyag így megmért koncentrációját össze- hasonlítjuk az ismert valódi koncentrációval. A visszanyerési vizsgálat eredményét százalékban adjuk meg. A számításoknál természetesen figyelembe kell venni, hogy a hozzáadott anyagból már eleve tartalmazhat valamennyit a meghatározandó minta. Forrás: http://www.muszeroldal.hu/measurenotes/validalas.pdf

Visszanyerés számolás 1. Adja meg a táblázatában szereplő vizsgálat visszanyerési eredményeit százalékban! dezacetil-diltiazem 97,4 101 101,4 101,2 diltiazem 95,4 104 94,4 100,3 Forrás: http://www.muszeroldal.hu/measurenotes/validalas.pdf

Visszanyerés számolás 2. Az 1,000 g-os mintarészletre a minta-előkészítés művele-tei után a vizsgált összetevőből 10 mg-os eredményt kaptunk. Egy másik 1,000 g-os mintarészlethez 10 mg-os összetevőt adva azonos minta-előkészítés után az eredmény 19 mg lett. a) Hány % a visszanyerési tényező? (2 pont) b) Mennyi a minta tényleges tartalma az összetevőből w%-ban? (2 pont) a) A 10 mg hozzáadott összetevő helyett 9 mg-ot mértünk, a visszanyerési tényező 100*9/10 = 90 % b) A mért érték 10 mg, a visszanyerési tényező 90 %, tehát a tényleges 9 mg. 100*0,009/1 = 0,9 w%

Szakirodalom http://en.wikipedia.org/wiki/Kjeldahl_method http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/anyagok/03-Talajtan- talajvedelem.pdf Wágner Ödön (BME) – Pasinszki Tibor (ELTE): Szervetlen kémiai laborgyakorlat (Wagner-Pasinszki_Szervetlen-kamiai-labgyak.pdf) Dr. Galbács Gábor Mintavétel és mintaelőkészítés II. http://www.labsystem.hu/docs/cikkek/Labinfo-Ultrawave.pdf Veresné, Klára: Spektroszkópia, kromatográfia gyógyszerformavizsgálat http://en.wikipedia.org/wiki/Dansyl_chloride