Kromatográfiás módszerek a környezetvédelemben

Az előadások a következő témára: "Kromatográfiás módszerek a környezetvédelemben"— Előadás másolata:

1 Kromatográfiás módszerek a környezetvédelemben

2 Elválasztás tudomány Az elválasztás tudomány, az interdiszciplináris tudományok egyik legújabb területe, az anyag egyre fejlettebb fizikai és kémiai módszerekkel történő vizsgálata során alakult ki. Adott probléma vizsgálata (mennyiségi és minőségi meghatározás)→ az ezzel összefüggő különböző elválasztási feladatok megoldása sajátos, un. elválasztástechnikai módszerek kifejlődéséhez vezetett

3 Mérési módszerek A minta előkészítési extrakciós eljárások eredményeképpen kapott extraktumok több komponenst tartalmaznak A módszert két alapvető célra használjuk: preparatív vagy analitikai A preparatív kromatográfia az elválasztott vegyületek további feldolgozása a végső cél, azaz egy tisztítási műveletről beszélhetünk. Az analitikai kromatográfia általában kisebb anyagmennyiségekkel dolgozik és célja az analit relatív arányának meghatározása a keverékben. A két cél nem zárja ki egymást.

4 Az analitikai, vagy preparatív elválasztástechnikai módszerek alapvető fontossága, elméleti és gyakorlati jelentősége a tudományos kutatás és az ipar szinte valamennyi területén érvényesül. Az elválasztástechnikai módszerek az anyag korszerű fizikai és kémiai elemzésének, a gyártási folyamatoknak, a minőségellenőrzésnek, termékfejlesztésnek, stb. nélkülözhetetlen részét képezik a különböző felhasználási területeken ill. meghatározó, esetenként perdöntő információkat eredményeznek.

5 Alkalmazási területei
környezet, élelmiszer és gyógyszeranalitika, élet- és kórélettan, botanika, paleontológia, kriminalisztika-kriminológia, meteorológia,

6 A technika lényege egy az ún
A technika lényege egy az ún. mozgó (mobil) fázisban oldott keveréknek egy álló (statikus) fázison való áthajtása, melynek során a vizsgálandó anyag elválik az elegyben található további molekuláktól. A kromatográfiás eljárások abban különböznek az egyéb megoszláson alapuló elválasztási módszerektől (pl.: folyadék-folyadék extrakció, desztilláció), hogy az elválasztásban résztvevő fázisok közül az egyik mozgásban van (mobil v. mozgófázis), a másik fázis helyhez kötött (álló v. stacioner fázis)

7 A kromatográfia rövid története
Mi a kromatográfia kifejezés jelentése? A kromatográfia szóösszetétel, jelentése „színírás”. A görög kromosz (szín) és grafosz (írás) szavak összekapcsolása. A kromatográfia elválasztó művelet. Az elválasztó műveletek sorában (desztilláció, extrakció, stb.), a legszelektívebb. A kromatográfia speciális, mert alkalmazásával a molekulák és az ionok legösszetettebb oldataikból, elegyeikből stb. is szelektíven elkülöníthetők egymástól. Alkalmazása az analitikai elemzési feladatoktól, az ipari méretű elválasztásokig terjed.

8 Krom. története Több hasonló eljárást fejlesztettek ki a XIX. század során , de az első igazi kromatográfia Mihail Szemjonovics Cvet orosz botanikus nevéhez köthető, klorofillon végzett kísérlete közben egy függőlegesen elhelyezett CaCO3-tal töltött üvegcsövet használt növényi pigmentek elválasztására A módszert is ő nevezte el Klorofill komponenseinek elválasztása vékonyréteg kromatográfiával

9 Cvet: a kromatográfia időszámításának kezdete
Orosz természettudós, botanikus. 1903-ban, majd 1906-ban publikálja kísérleteit. Az 1906-os írásában használja elsőnek a kromatográfia kifejezést. Növényi extraktumok vizsgálatával foglalkozott: üvegcsőbe töltött kalcium-karbonáton oldószerrel áramoltatta az extratumot, ami lefelé haladva színes gyűrűkre szakadva alkotórészeire bomlott. Valószínű Cvet ennek e megfigyelés után adta a kromatográfia elnevezést. Mihail Szemjonovics Cvet ( )

10 Színezékek oszlopkromatográfiás elválasztása

11 Klorofill klorofill alapváza négy -CH- csoporttal összekötött pirrol gyűrűből (porfirin-váz) áll Több hasonló szerkezetű klorofill-t ismerünk Legfontosabb a klorofill-a, ez rögzíti a fényenergiát az asszimilációnál A klorofill-t a zöld növényi részekből alkohollal, acetonnal vonjuk ki. Alkoholos oldata (mely sárga festéket is tartalmaz, karotin, xantofil) ráeső fényben vörös színű.

12

13 Hemoglobinmolekulában található hem rész hasonlít a klorofill molekulához

14 Klorofill-tartalmú extraktum kromatográfiás elválasztása papír- és vékonyréteg kromatográfiás eljárással

15 színező fürdők vizsgálta, textilre cseppentve;
A kromatográfiával összefüggő jelenségek már az ókorban is ismeretesek és alkalmazottak voltak: vizek tisztítására ioncserélő tulajdonságú természetes ásványok felhasználásával (zeolitok); színező fürdők vizsgálta, textilre cseppentve; cukorlevek derítése csontszénnel. Kép: Leslie S. Ettre, John V. Hinshaw: Chapters in the Evolution of Chromatography, Imperial College Press kiadó 

16 Zeolitok AlO4 és SiO4 – tetraéderek, üregesek - szárítás °C – nagy fajlagos felületű, szelektív adszorbens Alkalmazás: víztisztítás ammóniamentesítésre KV-ben ioncserélőként Vízlágyító foszfát helyett a mosóporokban A zeolitok egyik legfontosabb tulaj donsága, hogy a vázukat alkotó AlO 4 és SiO tetraéderek térbeli kapcsolódása úgy jön létr e, hogy a zeolitok kristály rácsa csatornákat és üregeket tartalmaz, amiket a természetbeni keletkezés és a mesterséges el ő állítás során egyaránt vízmolekulák töltenek ki. Ha a zeolitokat o C-ra melegítve a vizet eltávolítjuk (aktivál ás), több száz m 2 /g felület ű szelektív adszorbe nshez jutunk. Az egyedülálló szelektiv itás annak köszönhet , hogy egy típusú zeolitr a csak egyfajta pórusméret jellemz , ellentétben más, klasszikus ad szorbensekkel (pl. szilikagél, aktívszén), amelyek széles pórusméret eloszlással rendelkeznek.

17 Kromatográfiás vagy nem kromatográfiás a módszer
Hogy mozog a komponens a csőben Kromatográfiás módszer A cső két vége között nyomáskülönbséget hozunk létre – fluidum áramoltatása. Kényszeráram: ∆p → fluidum áram – ebbe juttatjuk a mintát a komponensek eltérő sebességgel mozognak: C<B<A (a cső végét mikor érik el)

18 Frontális technika Fajlagos szorpció=‘χ: szorbens egységnyi anyagmennisége által megkötött minta mennyisége, mol/g mértékegységgel Frontális: A minta folyamatosan áramlik A legkisebb χ-ú anyag választható le szelektíven

19 Kiszorításos technika
Minta egy diszkrét részletét juttatjuk az állófázisra, egyensúly, majd elválasztó anyag Minden komponens elkülöníthető, de a kiszorító anyag telíti az áf-t

20 Elúciós technika Minta impulzusszerűen jut a mf-ba
Eluens fajlagos szorpciója a legkisebb Szelektív, nem kell regenerálás Kis mennyiség elég

21 Egy csúcs megoszlása az állófázis és mozgófázis között
A mozgófázis magával ragadja a minta molekuláit. Az állófázisban lévő anyag lemarad a mozgófázisban lévőtől a lassú anyagátadás (anyagátadási ellenállás) miatt.

22 Kromatográfiásan, azaz hogyan is?
22

23 Álló fázis Mozgó fázis Folyadék gáz
Folyadék gáz Szilárd anyag: adszorbens Folyadék-szilárd kromatográfia Adszorpciós kromatográfia gáz-szilárd kromatográfia adszorpciós gázkromatográfia oszlopos vagy kapilláris elrendezésben Folyadék-folyadék kromatográfia Megoszlásos, oszlop-, vékonyréteg- vagy papírkromatográfia gáz-folyadék kromatográfia megoszlásos gázkromatográfia, Ioncserélő Ionkromatográfia Gél Gélkromatográfia

24

25 Kromatográfiás módszerek csoportosítása
Fluidum halmazállapota szerint (mozgófázis, eluens) Gáz→ gázkromatográfia Folyadék→ folyadék-kromatográfia -szuperkritikus állapot→ szuperkritikus kromatográfia = szuperkritikus fluid kromatográfia: magas hőm.

26 Kromatográfiás módszerek csoportosítása
Állófázis lehet egy csőbe töltve, vagy a cső belső falán rögzítve, vagy sík réteget alkotva. Ennek megfelelően beszélünk oszlop- vagy réteg- kromatográfiáról. Az oszlopban ill. a rétegen lejátszódó folyamatok formailag azonos összefüggésekkel írhatók le. Oszlop kromatográfia: preparatív célra. Vékonyréteg kromatográfia: Síkban is kiteríthetjük az állófázist: kötőanyag + szemcsék → mozog a folyadék ← kapilláris erő

27 Az oszlopról eluálódó komponensek által a detektorban keltett jel intenzitását az idő függvényében ábrázolva kapjuk a kromatogramot.

28 Gázkromatográfia (GC)
Gázok és ºC-ig átalakulás nélkül elpárologtatható anyagok vizsgálata, A folyadék és szilárd anyagokat általában oldatba kell vinni

29

30 Kromatográfiás módszereknél a mintát olyan állapotba kell vinni, mint a mozgófázis.
Adagoló (injektor) funkciója a GC-ban: gáz vagy gőz állapotba kell vinni az anyagot, külön fűthető. Kolonna: különböző mértékben kötődnek meg a komponensek→ az állófázis és a hőmérséklet változtatásával szabályozható a vándorlási sebesség Detektor: pg, ng-ban érzékeli az áthaladt anyagokat, több módszer van erre→ a meghatározandó anyagtól függ, külön fűtés. PC - vezérlő egység: kolonna térhőm., detektor hőm., injektor hőm., feldolgozza a detektor adatait, gázáram szabályozása végezhető el vele.

31 GC automata injektor Az automata injektor nem csak
az emberi felügyelet nélküli munkát teszi lehetővé, de a pontosságot is nagy mértékben javítja.

32 GC kritériumok: milyen könnyű az anyagot gáz vagy gőz állapotba vinni. Cél: a szerkezet ne változzon meg az elpárolgásnál. Alapvető: hogy kémiai átalakulás nélkül gőz állapotba vihető legyen a molekula Az elpárologtathatóságot megszabja a készülék felső hőmérséklet határa (400°C): Általában csak apoláris anyagok bírják ezt a magas hőmérsékletet. A poláris anyagok hő tűrése kisebb. ~200°C: poláris ~600°C: apoláris- szennyezők nagy része

33 Fontos! másodrendű kölcsönhatások

34 GC kritériumok: Néhány példa a nagy molekula tömegű POP-ra, amelyek mérhetők közvetlenül vagy kémiai átalakítás után GC-val. POP (Persistent Organic Pollutants) Apoláris anyagok, dioxinok (klórozott) – melléktermékek, PCB - ipari termékek, klórozott növényvédő szerek (DDT), penta-Cl-fenol (PCP), az összes égésnél keletkező többgyűrüs aromás szénhidrogének(poliaromatic hydrocarbons) (PAH) Pl.: antracén, fenantrén, benz (a) pirén

35 Leggyakrabban használt GC-s állófázisok
A lánc lehet tiszta metilszilikon is. 100% metil: olajszennyezések 5% fenil: PAH, PCB, semivolatile, ftalátok 35% fenil: VOC, ipari oldószerek 20% trifluoropropil: oxigenátok, oldószerek, peszticidek 70% cianopropil: kettőskötés szelektív

36 Leggyakrabban használt állófázisok

37 Gázkromatográfiás detektorok:
Lángionizációs detektort (FID – Flame Ionization Detektor), Elégetjük a molekulákat→ CH gyökök ( oC-on a C-H kötéseket tartalmazó molekulák ionizálódnak és az ionáram mérhető) -A szerves molekulák közül a formaldehid és a hangyasav esetén nem kaphatunk értékelhető jelet. A lángionizációs detektor az egyik legszélesebb körben használt gázkromatográfiás detektor

38 Elektronbefogásos detektor (ECD–Electron Capture Detector)
A detektor katódként (negatív pólus) ‑sugárzó 63Ni‑fóliát tartalmaz, amely 100%‑ban lágy ‑sugárzó Ezek az elektronok az anód (kollektor; pozitív pólus) felé haladva zárják az áramkört A nagy elektronegativitású elemeket (F, Cl, O, Br) tartalmazó molekulák képesek abszorbeálni a vezetésben résztvevő elektronokat, tehát csökkentik azok számát halogéntartalmú molekulák kimutatása, oxigéntartalmú éterkötéses molekulák detektálása

39 - Nitrogén-foszfor detektor (NPD),
nitrogén- és foszfortartalmú molekulák kimutatása. -Lángfotometriás detektor (FPD-Flame Photometric Detector), kénorganikus molekulák kimutatása. - Gázkromatográf-Fourier transzformációs infravörös spektrométer (GC- FTIR) izomerek is megkülönböztethetk Hővezetőképességi detektor (TCD) Általános detektor

40 Gázkromatográf-tömegspektrométer kapcsolás (GC-MS),
az ionokat tömeg/töltés (m/z) szerint detektálja

41 GC detektorok érzékenységének összehasonlítása

42

43 Jelen és jövő GC nitrogén detektor.

44 GC-s kolonnák

45 EPH(Extractable Petrol Hydrocarbons) kromatogram, friss gázolaj szennyezés
45

46

47

48

49 Folyadék kromatográfia
HPLC (high performance liguid chromatography) Nagy hatékonyságú folyadék kromatográfia.) Nagy nyomás kell hozzá (mindig kell pumpa, amely nagy nyomáson tudja az egyenletes folyadékáramot biztosítani). Kényszeráram, kis szemcseátmérő← nagy nyomású szivattyú (állandó térfogat-áramlási sebességgel szállít) Pulzálás mentesen kell a térfogat-áramlási sebességet biztosítani.

50

51

52 A HPLC berendezés a következő fő részekből áll:
Nagynyomású szivattyú: Pulzusmentes dugattyús ikerszivattyú használatos a leggyakrabban, ahol a legfontosabb követelmény az állandó nyomás biztosítása. Gáztalanító egység: Az oldószerben oldott gázok, leggyakrabban a levegő komponenseinek a kivonása, mivel ezek buborékok alakjában kiválhatnak és zavarhatnak. Minta adagoló egység: Ez leggyakrabban egy szelep aminek a segítségével egy meghatározott térfogatnyi, általában néhány mikroliternyi mintaoldat az áramló oldószerbe vihető. HPLC oszlop: Néhány cm hosszúságú és néhány mm átmérőjű acél esetleg műanyag köpenyes kolonna megfelelő mikroszemcsés töltettel. Detektor: A detektor kiválasztása a meghatározott komponensek és a mozgó fázis tulajdonságaitól függ.

53 Forgócsapos (rotary valve) injektálás HPLCben
A hurok (loop) pontos mennyiségű, áramlás megzavarása nélküli beinjektálást biztosít.

54 ZORBAX PrepHT 

55 Integrált előoszlop HPLCben
Az előoszlop megvédi a fő oszlopot az elkoszolódástól, és a kioldódástól.

56

57 A leggyakrabban használt C18 HPLC-s állófázis szerkezete
Apoláris anyagoknak nagyobb a retenciója. Mozgófázis poláris oldószer (víz, metanol, acetonitril).

58 Shear driven chromatography

59 HPLC-s detektorok Ezek az eluátum fényelnyelését mérik. Általában az ultraibolya, esetleg az ultraibolya és a látható tartományban működnek, az IR tartomány használata ritka A kék szín az áramló eluátumot jelzi, a küvetta két ablakát zölddel jelöltük

60 Törésmutató detektor A törésmutató mérése a fizikai kémiai gyakorlatból ismert. Az oldatok törésmutatója általában eltér a tiszta oldószerétől és az eltérés a koncentrációval lineárisan változik. A változások általában kicsik, ezért csak viszonylag nagyobb koncentrációk (mM tájékán) mérhetők. A törésmutató nagyfokú hőmérsékletfüggése miatt a mérést a cella és a rajta átfolyó oldat pontos termosztálásával és differenciál-mérésként (a tiszta eluenssel szemben mérve) végzik. Ez a detektálás fontos például élelmiszerek, üdítő italok cukor jellegű összetevőinek mérésére. Ezek az anyagok nem nyelnek el az UV-VIS tartományban, a koncentrációjuk az élelmiszerekben pedig elég nagy a méréshez

61 Elektromos vezetést mérő („konduktometrirás”) detektor
Az ion-kromatográfia tulajdonképpen a konduktometriás detektálás előnyeinek kihasználására optimált ioncserés elválasztási módszer. Konduktometriásan ugyanis nagyon jól lehet mérni az eluátumban, mert könnyű kis térfogatú mérőcellát építeni , a műszer egyszerű, a jel a mérendő koncentrációval egyenesen arányos a detektor csak az ionos összetevőket méri.

62 Tömegspektrometriás detektor
A tömegspektrométer ideális detektor a HPLC-ben: a különböző molekulatömegű összetevőket külön (szelektíven) méri, nagyon kis koncentrációk is mérhetők vele (10-10 M körül illetve pg mennyiség), sok anyag mérhető vele, de nagyon drága. Ennek ellenére ma rohamosan terjed a használata. Mivel a tömegspektrométerben nagyvákuum van, az eluátum bejuttatása nem egyszerű. A HPLC-ből távozó eluenst a vákuumtér előtt elhelyezett kamrába porlasztják (a HPLC pumpa nyomását használva fel), és a porlasztást az összetevők ionizálásával kombinálják

63 Karbamát rovarölő szerek HPLC-UV analízise speciálisan kifejlesztett állófázison
Az anyagok hőbomlásuk miatt nem alkalmasak GCs elemzésekre.

64 Karbamát peszticidek HPLC-MS analízise

65 Ionkromatográfia Ioncsere-egyensúlyon alapuló szervetlen és szerves ionok elválasztása A ioncserélők általában szilárd halmazállapotú anyagok, de lehetnek vízben nem oldódó folyadékok is. A ioncserélők funkcionális csoportjai lehetnek savak (katex - kationcserélő) vagy bázisok (anex - anioncserélő).

66 Adept System Ion Chromatography

67

68 Ioncserélők Ioncserélőket töltésük alapján két csoportra oszthatjuk:
Anioncserélők, jellemzőjük,hogy az állófázis felületén rögzített pozitív töltésű csoportok találhatóak Kationcserélők, jellemzőjük,hogy az állófázis felületén rögzített negatív töltésű csoportok találhatóak

69 Ioncserélők Rgyanta -SO3H erősen savas katex
Rgyanta -COOH közepesen savas katex Rgyanta -OH gyengén savas katex Rgyanta -NR3OH erősen bázisos anex Rgyanta -NH3OH közepesen bázisos anex A ioncserét a következő egyenlettel lehet szemléltetni: Rgyanta -SO3H + Na+ = Rgyanta -SO3Na + H+

70 Ioncserés kromatográfia elve
Az állófázis ionjai visszatartják az ellentétes töltésű ionokat. Az erősebb ionoknak ( Cl- > CO32-) nagyobb a retenciója.

71

72

73

74 Gélkromatográfia (méretkizárásos, size exclusion), alapja
A nagy molekulák mivel nem férnek be a kis csatornákba kisebb kölcsönhatással bírnak, ezért hamarabb eluálódnak.

75 Kromatográfia előnyei a környezeti analízisekben
Pontos meghatározás nyomnyi mennyiségekre Mátrixkomponensek zavaró hatása kiküszöbölhető Kicsiny mintaszükséglet Széles lineáris meghatározási koncentráció tartomány Több meghatározás egy analízis során Gyors módszer Jól kapcsolható anyag meghatározási technikákhoz (MS, UV-VIS, IR). Fejlett műszerezettség, automata üzemmód A két anyag egymástól független jelet ad, nagy érzékenység, Csúcsmentes terület. Természetes anyagból több dimenziós, metabolizmus Nagy érzékenység, egy sejtből, bogár potrohából, Anya és metabolitok, homolog sorok, A jelek függetlenek és azonos érzékenységüek 6 sec alat is. MS, NMR, IR, DAD

76 Nyomnyi mennyiségek kimutatása nagymennyiségű mátrixban
A többdimenziós, sorba kapcsolt oszlopok használata előnyős a nyomnyi anyagok kimutatásánál. A rendszerben a második oszlopra csak szűk, kivágott frakciót engedtek át.

77 Egy analízis alatt számos komponens meghatározása megoldható
106 közepesen illékony szennyező anyag GC-MS analízise