a molekula energianívói közötti

Molekulaspektroszkópiák ^–

a molekula energianívói közötti

átmenet létrehozása (gerjesztése)

( Atomspektroszkópiák –

atomi energianívók gerjesztése)

Molekulaspektroszkópiai módszerek

• elektrongerjesztésű spektrofotometria (UV-Vis)

• fluoreszcenciás- és foszforeszcenciás analízis (molekuláris fotolumineszcencia)

• infravörös (IR-) spektrometria

• Raman spektrometria

Elektrongerjesztés ű spektrofotometria

(UV-Vis,

UV-látható spektrofotometria)

Elektrongerjesztés ű spektrofotometria (UV-Vis)

• molekulák létrejötte: atompályák → molekulapályák

• molekulapályák típusai:

• kötő (E_kötő < E_atom)

• lazító (E_lazító > E_atom)

• nemkötő (n)

• a kötő- és lazítópályák egyaránt lehetnek σ és π pályák

• kötőpályák: σ és π

• lazítópályák: σ* és π*

• megengedett és tiltott átmenetek

• megengedett átmenetek:

σ → σ*, π → π*, n → σ*, n → π*

Elektrongerjesztés ű spektrofotometria (UV-Vis)

A molekulapályák relatív energiaszintjei

σ→ σ*: telített vegyületek, legnagyobb ΔE

π→ π*: telítetlen vegyületek (UV- ill. látható fény) n → σ*: heteroatomos,

telített vegyületek n → π*: heteroatomos,

telítetlen v. aromás vegyületek

Elektrongerjesztés ű spektrofotometria (UV-Vis) – a vegyületek színével foglalkozik

Kromoforok: az egyes elektronátmeneteknek

megfelelő fényabszorpciót okozó csoportok – ezek határozzák meg ill. okozzák a vegyületek színét

A különböző szubsztituensek megváltoztatják a kromofor fényelnyelését, azaz a színét:

Batokróm eltolódás: a kromofor elnyelése a szubsztituens hatására a nagyobb hullámhosszak felé tolódik el

Hipszokróm eltolódás: a kromofor elnyelése a a szubsztituens hatására a kisebb hullámhosszak felé tolódik el

Hiperkróm/hipokróm hatás: az elnyelés mértéke (a szín intenzitása) a szubsztituens hatására a növekszik/csökken

Az átmenetifém ionok fényelnyelése

• d-pályák (gázállapotban egyenértékűek, oldatban felhasadnak e_g- és t_2g- pályákra)

• az ezek közötti átmenet az átmenetifém ionok ún.

d → d átmenete

• a d → d átmenet energiája határozza meg az átmenetifém ionok színét

Fémkomplexek fényelnyelése

• töltésátviteli (CT) sávok – fényelnyeléskor a betöltött e-pályáról az elektron egy másik atom betöltetlen pályájára ugrik

• fém → ligandum: pl. vas(II)-o-fenantrolin

• ligandum → fém: pl. FeSCN²⁺, MnO₄^-

A molekulák fényabszorpciója

Gerjesztéskor az elektron a betöltött pályákról a szabad pályák valamelyikére ugrik át

A gerjesztés kétféleképpen játszódhat le:

az alap és gerjesztett állapotban az elektronspin ellentétes: S₀ → S₁ átmenet (szingulett állapot) az alap és gerjesztett állapotban az elektronspin megegyezik: S₀ → T₁ átmenet (triplett állapot)

Miért sávos a molekulák UV-spektruma?

Az elektronok gerjesztése együtt jár a molekula rezgési és forgási állapotainak gerjesztésével is

A különböző rezgési és forgási állapotokhoz különböző elektrongerjesztési állapotok tartoznak

A megfelelő spektrumvonalak átfednek

A spektrum burkológörbéje észlelhető – sávos szerkezet (nem vonalas)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

A molekula relaxál (visszatér az alapállapotba), energiát ad le; az E-leadás történhet

vagy termikus úton

vagy fénykisugárzás útján

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

I.forgatókönyv: A → R₁ → IC → R₂

– a gerjesztés során felvett energiát a molekula hő formájában (sugárzásmentesen) adja le

IC = belső konverzió (S₁ ^→ S₀ átmenet)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

II. forgatókönyv: A → R₁ → F

– S₁ legalacsonyabb energiaállapotából sugárzás útján jut az S₀ legalacsonyabb energiaállapotába

F = floureszcencia (S₁ ^→ S₀ átmenet – fényemisszióval járó relaxáció spinkvantumszám változás nélkül)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

III. forgatókönyv: A → R₁ → ISC_T1 → R₃ → P

ISC_T1 = külső konverzió (S₁ → T₁ vagy T₁ → S₀ átmenet) P = foszforeszcencia (T₁ ^→ S₀ átmenet – fényemisszióval járó relaxáció spinkvantumszám változással)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

IV. forgatókönyv: A → R₁ → ISC_T1 → R₃ → ISC_S0 → R₄ Két külső konverzió közbeiktatásával csak hőátadással relaxál a rendszer

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

[Fe(II)(1,10-fenantrolin)₃] komplex (piros színű, komplementer színe

zöld λ_max = 510 nm)

Cr₂O₇^2- ion

(narancssárga színű, komplementer színe a kék, λ_max = 440 nm)

Mi határozza meg egy oldat színét?

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

• Abszorpciós spektrum

– X tengely: hullámhossz (λ) – Y tengely: abszorbancia (A)

• Minőségi információ

az elnyelés hullámhossza (a vegyület színe)

a széles sávok miatt korlátozottan használható

• Mennyiségi információ

az adott hullámhossznál mért abszorbancia (a vegyület fényelnyelésének a mértéke)

koncentráció meghatározásra használjuk a Lambert-Beer törvény alapján

e

I

I

=

^{A cl}

I

I

=

= ε lg

Koncentrációmérés a Lambert-Beer törvény alapján

I₀^λ a beeső fény intenzitása (λ hullámhossznál)

I^λ a transzmittált fény intenzitása (λ hullámhossznál) A^λ abszorbancia (λ hullámhossznál)

c a meghatározandó anyag koncentrációja

l optikai úthossz (rétegvastagság, küvettahossz) ε moláris abszorbancia (λ hullámhossznál)

…a legfontosabb: A = konst.^.c

A moláris abszorbancia,

• megadja adott hullámhosszon az egységnyi

koncentrációjú (1 M) oldat abszorbanciáját egységnyi optikai úthosszú (1 cm) küvettában

• anyagi minőségre jellemző állandó érték

• egy vegyület UV-Vis spektrumát gyakran ε = f(λ) alakban adják meg

• ε értékét az elektron energiaátmenetének a valószínűsége határozza meg

• nagy valószínűségű elektronátmenetek (intenzív színű anyagok, pl. szerves indikátorok) ε = 10³ - 10⁵ M^-1 cm^-1

• d →d átmenetek: ε ~ 10 M^-1 cm^-1

• CT sávok: ε = 10³ - 10⁴ M^-1 cm^-1

Eltérések a Lambert-Beer törvényt ő l

1. Csak híg oldatokban érvényes (c < 10^-3 M)

törésmutató (n) változását figyelembe kell venni Kortüm-törvény:

2 2 1) ' (

= +

n ε n ε

2. A kromofor kémiai környezetének megváltozása

(protonálódás, komplexképzés, asszociáció, disszociáció, stb.)

Felhasználható a fenti folyamatok követésére (pl. asszociációs, disszociációs, stb. állandók meghatározására)

250 300 350 0,5

1,0 Di-I-tirozin UV-spektrumának pH-függése

pH pH

izobesztikus pontok

A

λ (nm) 2

12

Eltérések a Lambert-Beer törvényt ő l

3. Az oldószer hatása (pl. I₂ színe vízben sárga, CCl₄- ban lila)

Az alap és gerjesztett állapot közötti ΔE változik a szolvatációval – szolvatokróm hatás

4. A monokromatikus sugárzás félértékszélessége (2Δλ) – minél kisebb, annál pontosabban érvényesül (célszerű az abszorpciós maximumon mérni)

5. Kolloid részecskék – fényszórás, alapvonaleltolódás 6. Hőmérséklet – az ε T-függő, a hőmérsékletet

állandó értéken kell tartani

A spektrofotometriás mérés pontossága

Ha A kicsi (<0,1), akkor I változása I₀-hoz képest kicsi, emiatt pontatlan a mérés

Ha A nagy (>1), akkor I₀-nak túl kicsiny hányada jut a detektorra, emiatt pontatlan a mérés

A méréseket mindig úgy tervezzük, hogy teljesüljön 0,1 < A < 1

Ezt c és l megfelelő megválasztásával érhetjük el Legpontosabb a mérés, ha 0,3 < A < 0,6

Többkomponens ű rendszerek fényelnyelése

Az abszorbanciák additivitása miatt A₁ = ε₁^Ilc^I +ε₁^IIlc^II

II II I

Ilc lc

A₂ = ε₂ +ε₂

A moláris abszorbanciák ismeretében c^I és c^II meghatározható

Az abszorpciós spektrofotometria gyakorlata

Egyfényutas spektrofotométer

I₀ mérése ún. vakoldat segítségével történik

(a mérendő kivételével minden más összetevő benne van)

Az abszorpciós spektrofotometria gyakorlata

Kétfényutas spektrofotométer

A fénysugarat két egyforma részre bontjuk amik felváltva kerülnek a detektorba

Az abszorpciós spektrofotometria gyakorlata

Mennyiségi elemzés

• fényt abszorbeáló anyagok mérésére alkalmas

• „színtelen” anyagoknál ez kémiai reakcióval is kialakítható (pl. Fe(III) + SCN^-)

• meghatározási módszerek

1. kalibrációs egyenes felvételével 2. standard addíciós módszerrel 3. többszörös standard addícióval

• titrálások végpontjelzésére is alkalmazható

(feltétel, hogy az oldat színe változzék a titrálás során)

Az abszorpciós spektrofotometria gyakorlata

Speciális alkalmazások

• diódasoros detektor

200 – 800 nm között 2 nm-enként

1 s alatt a teljes spektrumot regisztrálja spektrum időfüggés (pl. HPLC detektor)

• Flow Injection Analysis (FIA)

célmérések, sorozatanalízisek

• „stopped flow” analízis

gyors reakciók időbeli lefolyásának követése

• száloptika alkalmazása

Fluoreszcenciás és

foszforeszcenciás analízis

Fluoreszcenciás és foszforeszcenciás analízis

floureszcencia: S₁ ^→ S₀ átmenet – a molekulák

fényemisszióval járó relaxációja, amely spinkvantumszám változás (spinátfordulás) nélkül játszódik le (τ = 10^-9 -10^-6 s)

foszforeszcencia: T₁ ^→ S₀ átmenet – a molekulák

fényemisszióval járó relaxációja, amely spinkvantumszám változással (spinátfordulással) játszódik le (τ = 10^-4 - 10 s) fluoreszcencia + foszforeszcencia = (molekuláris)

fotolumineszcencia

Fluoreszcenciás és foszforeszcenciás

analízis

Az eredmény az emissziós spektrum (vagyis az emittált fény intenzitása (F) a hullámhossz (λ) függvényében)

Ugyanazon vegyület abszorpciós és emissziós spektruma

• az emissziós spektrum az abszorpcióshoz képest a nagyobb hullámhosszak (kisebb E) felé van eltolódva

• az emissziós spektrum az abszorpciós spektrum tükörképe

Fluoreszkáló és foszforeszkáló vegyületek

• delokalizált π-elektronokat tartalmazó szerves

vegyületek, amelyek merev vázzal rendelkeznek (pl. antracén, fenantrén)

• nukleofil szubsztituensek (-NH₂, -OH) növelik a

fluoreszcenciát (növelik a p-elektronok delokalizációját)

• elektrofil szubsztituensek (-Cl, -COOH) csökkentik

• töltés kialakulása kioltja a fluoreszcenciát (pl. fenol – fenolát)

• fluoroforok – molekulák fluoreszcenssé tételére alkalmas szubsztituensek

Mennyiségi analízis

• az emissziós spektrum az abszorpcióshoz képest a nagyobb hullámhosszak (kisebb E) felé van eltolódva

• az emissziós spektrumnak lesznek olyan sávjai, amelyek nincsenek átfedésben az abszorpciós spektrummal – ezeknek a sávoknak a háttere 0 (jel:zaj viszony optimális)

• az emittált fény intenzitása (I)

I = KI

lc

I₀ besugárzó fény intenzitása l rétegvastagság

K állandó (függ a kvantumhaszn. tényezőtől) c koncentráció

…a legfontosabb: I = konst.^.c

Mennyiségi analízis

• Spektrofluoriméter felépítése

• I₀ növelésével a kimutatási határ növelhető

→ nagy érzékenység

• szelektív – sokkal több vegyület mutat fényelnyelést, mint lumineszcenciát

• floureszkáló vegyületek (a gerjesztő λ alkalmas

megválasztásával) egymás mellett is meghatározhatók

• kimutatási határ: <ppb (pl. LSD 1 ng/mL)

Infravörös (IR)

spektrometria

Infravörös (IR) spektrometria

IR – sugárzás: λ = 700 nm – 400 μm

Molekulák rezgési és forgási (vibrációs és rotációs)

átmeneteihez tartozó ΔE-k ebbe a tartományba esnek IR-sugárzás abszorpciójának feltételei:

1. E_alap – Egerjesztett = ΔE = hν_gerjesztő

2. Csak azok a rezgések gerjeszthetők (azaz: IR-

aktívak) , amelyek során a molekula dipóusmomentuma változik

(emiatt szimmetrikus molekulák, pl. O₂, nem IR aktívak)

Molekulák rezgései

Az atomok közötti rezgés (normálrezgés) frekvenciája függ az atomok tömegétől (m)

a közöttük lévő kötés erősségétől (k) (modell: golyók + rugó)

Gerjesztéskor a normálrezgés amplitúdója megnő

Egy N atomos molekula 3N-6 normálrezgéssel (lineáris molekula esetében 3N-5 normálrezgéssel) rendelkezik Normálrezgések típusai:

vegyértékrezgések – a molekula egyes kötései mentén megnyúlás-összehúzódás

deformációs rezgések – a molekula kötésszögeinek megváltozásával járó rezgések

Vegyértékrezgések

ν_s szimmetrikus vegyértékrezgés

ν_as antiszimmetrikus vegyértékrezgés

Deformációs rezgések

β ollózó β kaszáló δ torziós γ bólogató

ΔE_vegyért. > ΔE_deform. > ΔE_forgási

Az IR spektrum (1-oktén)

X tengely hullámhossz v. hullámszám

Y tengely transzmittancia v. abszorbancia

IR spektrum és molekulaszerkezet

• az egyes sávok funkciós csoportokhoz rendelhetőek

• ugyanaz a funkciós csoport mindig ugyanazon hullámhossznál jelenik meg az IR spektrumon

• csoportfrekvencia – az adott csoportra jellemző adat, táblázatokból kikereshető

• σ = 650 - 1300 cm^-1 tartomány – „ujjlenyomat”

• IR spektrum alapján mind a funkciós csoport, mind a vegyület azonosítható

• elsősorban minőségi analízisre használható

• más molekulaspektroszkópiákkal (pl. NMR) teljes szerkezetfelderítést tesz lehetővé

IR spektrum és molekulaszerkezet

Néhány jellemző csoportfrekvencia

Az IR spektrum használata mennyiségi analízisre

• Abszorpciós módszer

• A sávok szélesek és átfednek

• Lambert-Beer törvény használható

• Gyakorlati alkalmazás: kipufogógázok CO₂, H₂O és NO tartalmának meghatározása (zöldkártya)

Az IR spektrometria gyakorlata

• Spektrométer: nagyon hasonlít az UV-Vis spektrométerhez

• Az összes optikai eszköz IR áteresztő kell, hogy legyen

• Pl. ablakok NaCl vagy AgCl-ből, újabban speciális műanyagokból

• Vizes oldatok mérésére gyakorlatilag nem alkalmas

• Üveg v. kvarcküvetta nem alkalmazható

• Minta előkészítés:

– KBr-dal eldörzsöljük a szilárd mintát (1:100), és pasztillát készítünk belőle

– Ha KBr nem alkalmazható: nujol (IR áteresztő paraffinolaj)

Raman spektroszkópia

Raman spektroszkópia

• Az IR spektroszkópia komplementere

• IR-aktív rezgések: dipólusmomentum változással járó rezgések

• Raman aktív rezgések: olyan rezgések, amelyek a polarizálhatóság megváltozásával járnak

• Pl. CH₄ szimmetrikus vegyértékrezgései

– dipólusmomentum-változással nem járnak – IR-inaktívak

– Polarizálhatóság változással járnak - Raman-aktívak

• IR-inaktív rezgések Raman-aktívak lehetnek és fordítva

Az 1,4-dioxán IR (fels ő ) és Raman (alsó)

spektruma

A Raman effektus

• a mintát intenzív, monokromatikus fénnyel megvilágítjuk

• a fény a mintán szóródik

• a gerjesztő fény fotonjai ütköznek a minta molekuláival

• rugalmas ütközéskor a gerjesztő fény energiája nem változik – Rayleigh szórás

• rugalmatlan ütközéskor a molekulák rezgési állapota megváltozik, és a szórt fény energiája eltér a gerjesztő fény energiájától

• ha a szórt fény energiája a gerjesztő fény energiájánál – kisebb: Stokes vonalak

– nagyobb: anti-Stokes vonalak

• az egyes Raman vonalak a molekula rezgési/forgási átmeneteihez tartoznak

Rayleigh vonal Stokes vonalak

anti-Stokes vonalak

• a Stokes vonalak intenzívebbek az anti- Stokes vonalaknál

• a kétféle vonalredszer a Rayleigh vonalra

szimmetrikusan helyezkedik el

A Raman spektroszkópia gyakorlata

• I_szórt ~ ν_gerj⁴ → nagy intenzitású és frekvenciájú gerjesztő sugárzást célszerű alkalmazni

• alkalmazott lézerek: He-Ne (632,8 nm); Ar (488,8nm vagy 514,6 nm)

• vizes oldatok vizsgálatára is alkalmas (↔ IR)

• Raman sáv intenzitása,

I = konst^.c (mennyiségi információ)

• fluoreszcencia erősen zavarja

• korlát: csak tömény oldatok vizsgálatára alkalmas

• a jövő molekulaspektroszkópiai technikája

A kémiai analízis termikus módszerei

(termoanalitika)

A kémiai analízis termikus módszerei

A hő és az anyag kölcsönhatásán alapuló módszerek Termoanalitikai módszerek alkalmasak fizikai-kémiai

átalakulások

– reakcióhőjének

– a reakcióhő előjelének (endoterm – exoterm) – a reakció lejátszódási hőmérsékletének

– kémiai reakciók sztöchiometriájának meghatározására

Pl. fűtőérték

fázisátalakulások hőmérséklete és hőigénye (Op., Fp., L_o, L_f, stb.)

bomlási hőmérséklet

gyulladási hőmérséklet, stb.

A kémiai analízis termikus módszerei

Két elvben eltérő típus

1. Dinamikus: hőmérsékletváltoztatás hatására az anyag valamely jól mérhető kémiai vagy fizikai tulajdonsága megváltozik (DTA, DSC, TG, DTG) közös elem: adott program szerint felfűtött kemence

2. Sztatikus: állandó hőmérsékleten a kémiai

reakciók során termelt vagy elnyelt hő mérésén alapuló módszerek (kalorimetria)

közös elem: hőszigetelt, adiabatikus kaloriméter

Differenciál termikus analízis (DTA)

T-változás hatására bekövetkező

fizikai- (pl. olvadás, kristályosodás, stb.) vagy kémiai (pl. bomlás, oxidáció, stb.)

változás során képződő hőt (ΔH) mérjük a T fv-ében

1. tégely: minta

2. tégely: referencia (pl. Al₂O₃)

A DTA berendezés m ű ködése

programozott, lassú fűtés

az 1 és 2 tégely között ΔT-t 2 db termoelem méri

ha nem történik semmi, ΔT=0, a termoelemek „hallgatnak”

exoterm folyamat esetén: ΔT > 0 → + feszültségjel endoterm folyamat: ΔT < 0

→

A DTA görbe

X-tengely a kemence hőmérséklete

Y-tengely minta T hőmérséklete vagy

a minta és a

referencia közötti ΔT hőmérsékletkülönbség

A DTA görbe

exoterm csúcs endoterm csúcs

A módszer alkalmas az

átalakulás hőmérsékletének és a folyamatok exo- ill.

endoterm voltának meghatározására

A DTA módszer

• -190 – 1600 ^oC között alkalmazható

• minden tömegváltozással járó folyamat követésére alkalmas

• sőt, olyan átalakulások követésére is alkalmas, ami tömegváltozással nem jár (pl. olvadás, stb.)

• kvantitatív információ: a görbe alatti terület arányos a reakcióhővel (tehát az anyagmennyiséggel)

• a DTA-ból származó ΔH értékek pontatlanok

Differenciál scanning kalorimetria (DSC)

• nagyon hasonlít a DTA-hoz

• szintén ΔH = f(T) függvényt határozunk meg vele

• a DTA korlátaival nem rendelkezik (ΔH pontos mérése)

A DSC m ű ködése

• a mintát tartalmazó tégelyek egymástól hőszigetelve helyezkednek el

• az egész berendezést fűtjük, plusz mindkét tégelynek még külön fűtőberendezése is van

• a mintában és a referens anyagban termolelemek

• ha a mintában endoterm folyamat játszódik le, jelzi a termoelem, bekapcsolja a mintatégely fűtését és

mindaddig folytatja, amíg ismét ΔT = 0

(exoterm folyamat: referens tégelyt fűtjük)

• a fűtőáram teljesítményét mérjük, amiből pontosan megadható a reakcióhő értéke

• a termoelem nem mér, csak vezérel ( ↔ DTA)

A DSC görbe

DSC csúcs helye (T):

az átalakulás hőmérséklete (minőségi információ)

DSC csúcs iránya (↑↓):

endoterm – exoterm (minőségi információ)

Görbe alatti terület (ΔH):

a reakcióhő pontos értéke (mennyiségi információ)

A DSC módszer

• sokkal pontosabb, mint a DTA

• hátránya, hogy csak –170 - +700 ^oC között működik

• alkalmas pl.

– szennyezőanyagok jelenlétének kimutatására – polimorfia vizsgálatára

– stb.

A termogravimetria (TG, DTG)

• fizikai-kémiai átalakulások során a minta tömege megváltozik

• a minta hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező tömegváltozását TG módszerrel mérjük

• mérés a termomérleggel

– a kemencét felfűtjük, hőmérsékletét mérjük (X tengely) – a minta tömegváltozását analitikai mérlegen mérjük

(Y tengely) – a minta tömegét a hőmérséklet függvényében ábrázolva

kapjuk a TG görbét

A Ca(COO)

H

O TG görbéje

A TG görbe

• vízszintes szakaszai megadják, milyen

hőmérséklettartományban tömegállandó a minta

• a tömegcsökkenésből kiszámítható az egyes folyamatok sztöchiometriája

• a tömegcsökkenésből kiszámítható a bomlástermékek összetétele

A DTG görbe

• a TG hőmérséklet szerinti deriváltja a DTG görbe

• átfedő termikus folyamatok szétválasztására alkalmas

• közvetlen mérése derivatográffal történhet (közvetlenül a Δm/ΔT függvényt határozza meg)

Szimultán módszerek

1. TG, DTG, DTA

Szimultán módszerek

1. TG, DTG, DTA 2. TG-MS

3. DTA/DTG + EGA/EGD 4. TG-DTA-MS

alkalmas módszerrel a folyamat során képződő gáz mennyiségét vagy minőségét mérjük

MS = tömegspektrometria (mass spectrometry)

EGA = képződött gáz analízise (evolved gas analysis)

EGD = képződött gáz detektálása (evolved gas detection)

Kalorimetria (termometriás titrálások)

• reakció során felszabaduló/elnyelődő hőt mérjük

• a mérést hőszigetelt edényben hajtjuk végre (kaloriméter)

• a reakcióelegy hőmérsékletét mérjük a mérőoldat térfogatának függvényében

• nagy pontosságú hőmérsékletmérést igényel (±0,0001 K)

• zavaró egyéb hőeffektusokat figyelembe kell venni (mérőoldat hígításhője, keverési hő, stb.)

Kromatográfiás módszerek az

analitikai kémiában

Elválasztó módszerek – miért van rájuk szükség?

a valós rendszerek mindig többkomponensűek az analízis egyszerűbb és megbízhatóbb, ha az analizálandó minta csak egyfajta komponenst tartalmaz

az analízis előtt célszerű a minta komponenseit egymástól elválasztani

elválasztás (szeparáció): az elválasztandó komponens másik fázisba (csapadék, gáz, nem elegyedő

folyadék) való átmenete ill. átvitele

A kromatográfia

Többfokozatú, nagyhatékonyságú, dinamikus elválasztási módszerek gyűjtőneve

A kromatográfia olyan elválasztási módszerek gyűjtőneve, amelyek közös eleme, hogy az elválasztás során az az elválasztandó

komponensek az egymással érintkező két fázis (az állófázis és a mozgófázis) között megoszlanak

Állófázis (kolonna, oszlop) Mozgófázis (eluens)

A kromatográfiás módszerek felosztása

1. A szorpciós folyamat szerint:adszorpciós

abszorpciós (megoszlásos) ioncsere

gélen történő megkötődés 2. A fázisok halmazállapota szerint

Állófázis Mozgófázis

Szilárd Folyadék

Gáz

Gáz-szilárd kromatográfia v. adszorpciós gázkromatográfia

Gáz-folyadék kromatográfia v. abszorpciós gázkromatográfia Folyadék

Adszorpciós folyadékkromatográfia Ioncserés kromatográfia

Gélkromatográfia

Megoszlásos folyadékkromatográfia

A kromatográfiás módszerek felosztása

3. Technikai elrendezés szerint oszlopkromatográfia síkkromatográfia

papírkromatográfia vékonyréteg-

kromatográfia 4. Detektálás módja szerint hagyományos

műszeres

Oszlopkromatográfia

Az oszlopkromatográfok felépítése

Eluens tároló

Eluens továbbító

(pumpa)

Minta adagoló

Oszlop

(kolonna) Detektor Jel feldolg.

termosztált rész

A kromatográfia alapfogalmai

X tengelyen: idő (elúciós idő)

Y tengelyen: a detektorjel intenzitása

t_R : retenciós idő (komponensenként eltér - minőségi

információ) t_M : holtidő

t_R’ = t_R - t_M: redukált retenciós idő A kromatogram (elúciós függvény⁾

A kromatogramok értékelése

Minőségi elemzés

1. Retenciós idők összehasonlítása

előzetes információ szükséges a minta összetevőiről

(pl. homológ sorok módszere: n ~ lg t_R’ Kováts-féle retenciós index)

2. Szelektív detektorok on line detektálás

tömegspektrométer (MS), IR spektrométer, ICP AES

A kromatogramok értékelése

Mennyiségi elemzés

a kromatográfiás csúcs alatti terület (jel, A) arányos a csúcshoz tartozó komponens koncentrációjával

A kromatogramok értékelése

Mennyiségi elemzés módszerei

1. Belső normalizálás - a csúcsterületet az összes csúcs területének %-ában fejezzük ki

csak akkor alkalmazható, ha a detektor mindegyik komponensre azonos érzékenységű

2. Kalibrációs módszer

kalibrációs függvényt minden komponensre külön meg kell határozni

időigényes, de pontos 3. Addíciós módszerek

Kromatográfiás módszerek

1. Gázkromatográfia (GC)

2. Folyadékkromatográfia (HPLC) 3. Ionkromatográfia (IC)

4. Kapilláris elektroforézis

5. Egyéb kromatográfiás módszerek a. Papírkromatográfia

b. Vékonyréteg kromatográfia (TLC) c. Gélkromatográfia

d. Affinitáskromatográfia

Gázkromatográfia (GC)

• állófázisa folyadék v. szilárd anyag

• mozgófázisa gáz (vivőgáz, eluens)

• minta gáz vagy folyadék (a kolonna hőmérsékletén gáz halmazállapotú)

• a GC tehát alkalmas bomlás nélkül gőzzé ill. gázzá alakítható vegyületek elválasztására

Vivőgáz

kémiailag inert gáz

megválasztása függ a detektortól (ld. később) N₂, Ar – lángionizációs detektor

H₂, He – hővezetőképességi detektor áramlási sebesség – 10 – 100 mL/perc

áramlási sebesség helyes megválasztása – elválasztás optimalizálása

(van Deemter egyenlet) Mintaadagolás

pillanatszerűen (fecskendővel)

hirtelen felmelegítés (gázzá alakítás) mintatérfogat néhány μL

t (^oC): minta gőznyomása < telítési gőznyomás ha ez nem teljesül:

származékképzés t változtatása

Mintaadagolók

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázis vékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagy kapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)

hőmérséklete (4-500 ^oC) szabályozott (±0,1 ^oC) 1. a csőben adszorbens vagy

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén 1. Csőben adszorbens: aktív szén,

Al₂O₃,

szilikagél (SiO₂) molekulaszűrők szerves polimerek

mind nagy belső felülettel rendelkezik

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázis vékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagy kapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)

hőmérséklete (4-500 ^oC) szabályozott (±0,1 ^oC), 1. a csőben abszorbens vagy

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén 2. Csőben megosztófolyadék szilárd hordozón

hordozó (nagy felületű inert anyag, pl. diatomaföld, szerves polimerek)

megosztófolyadék felvitele a hordozóra

vékony film formájában a hordozó felszínén poláros megosztófolyadék (pl. Carbowax)

- poláros komponensek elválasztása apoláros megosztófolyadék (pl. Squalan)

- apoláros komponensek elválasztása

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázis vékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagy kapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)

hőmérséklete (4-500 ^oC) szabályozott (±0,1 ^oC), 1. a csőben abszorbens vagy

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén 3. Kapilláris kromatográfia

inhomogenitások (örvénydiffúzió) nincs

éles csúcsok (elméleti tányérszám > 50000) kolonna elkészítése

- vékony folyadékréteg kialakítása - kémiai megkötés (szilanizálás)

„splittelés”

Detektorok

a detektor jelzi, ha a vivőgázban az elválasztandó komponens megjelenik

a detektor a meghatározandó komponens

eluensbeli koncentrációjával arányos jelet ad

a komponens olyan fiz.-kém. sajátságát érzékeli, amely a vivőgáz ugyanezen sajátságától eltér

GC detektorok 1. – hővezetőképességi detektor (katarométer)

hőelvezetés sebessége

~ molekulatömeg

H₂, He nagyon jó hővezetők - vivőgáz

a vivőgáz hűti a wolframszálat mintakomponens hatására

a szál hőmérséklete megnő elektromos ellenállás ~

hőmérséklet

lineáris tartomány 5 nagyságrend kimutatási határ 10^-6 g

GC detektorok 2. – elektronbefogási detektor

vivőgáz Ar, β-sugárzás ionizálja

amíg csak Ar van jelen, állandó áramerősség nagy EN-ú komponens (pl. Cl) –

e^--t befogja áramerősség lecsökken

halogéntartalmú szerves vegyületek kimutatási határa 10^-13 g/s

érzékenysége függ a komponens

kémiai összetételétől

GC detektorok 3. – lángionizációs detektor

nem ionizálódó vivőgáz (N₂ vagy Ar) mikroégő (H₂), elektródpár

a feszültség akkora, hogy még

éppen „ne üssön át”

(ne folyjon áram) szerves komponensek a lángban

ionizálódnak ez áramot (válaszjelet) generál

válaszjel ~ molekula szénatomszáma kimutatási határ 10^-11 g/s

GC detektorok 4. – egyéb detektálási eljárások

• foto- és termikus ionizációs detektorok

• lángfotometriás detektorok (P, S-tartalmú minták)

• IR spektroszkóp

• tömegspektrométer (GC-MS)

}

A GC el ő nyei és hátrányai

Előnyök

☺ egyszerű és hatékony

☺ szelektív

☺ kicsiny a mintaigénye

☺ automatizálható (sorozatelemzések)

☺ roncsolásmentes Hátrányok

csak illékony mintákra alkalmazható

hőérzékeny anyagokra nem alkalmazható drága a berendezés

Folyadékkromatográfia

(HPLC – High Performance Liquid Chromatography) mozgófázisa folyadék

állófázisa szilárd vagy folyadék Különbségek a GC-hez képest

* eluens kölcsönhat a minta komponenseivel (pl. szolvatálja azokat)

* eluens tulajdonságai széles körben változtathatók, ez hatással van a komponensek oldhatóságára és a megoszlási hányadosra

* mindkét fázis (álló- és mozgó) változtatható

* az eluens összetétele akár az elválasztás során is változtatható

* folyadék összenyomhatatlansága miatt nagy nyomást kell alkalmazni (~ 10⁷ Pa)

kisnyomású oldal nagynyomású oldal

Az eluens el ő készítése és továbbítása

Az eluens kétféleképpen kerülhet a kolonnára:

• izokratikus elúció – az eluens összetétele állandó

• grádiens elúció – az eluens összetétele

meghatározott program szerint változik (az eluensek összekeverése a kisnyomású oldalon) állandó nyomást kell biztosítani

a folyadék pulzálását el kell kerülni az eluens gázt nem tartalmazhat

He-buborékoltatás, ultrahangos kezelés

Kolonnavédelem

• eluensben levő lebegő szennyeződések zavarnak

• idővel elszennyezik tönkreteszik az analitikai kolonnát

• előtétkolonnák (védőkolonnák)

az analitikai kolonnához hasonló töltetű, de nagyobb szemcseméretű (kisebb áramlási ellenállású) kolonna

megszűri az eluenst

telíti az eluenst az állófázis anyagával (növeli az analitikai kolonna élettartamát)

Mintaadagolás

a minta „dugószerűen” kerüljön az eluensbe (sávkiszélesedés csökkentése)

mintatérfogat 1-20 μL

nyomásálló 6 utas adagolószelep

A HPLC

moduláris felépítése

oszlop-termosztát gázmentesítő

detektor adagoló

(automata/kézi) eluenstároló

pumpa

A HPLC

moduláris felépítése

pumpa

oszlop-termosztát gázmentesítő

detektor adagoló

(automata/kézi) eluenstároló

Eluens

Választási szempontok:

viszkozitás: kisebb = kedvezőbb (nyomás &

anyagtranszport)

inert: ne lépjen reakcióba a mintát alkotó komponensekkel

kémiai stabilitás ne legyen korrozív ne legyen mérgező

ne legyen nagyon illékony (megfelelő forráspont )

(buborékképződés elkerülése)

megfizethető legyen

megfelelő tisztaságban rendelkezésre álljon

„HPLC tisztaságú” (víz és adalékok is)

ne legyen „detektor-aktív” (minél kisebb háttér, kivétel: indirekt detektálás)

UV-elnyelés: minél kisebb

Az analitikai kolonna (azaz: az oszlop)

• 1-4 mm ∅, 10 – 30 cm hosszú acél- vagy üvegcső

• nyomásálló

• holt terek minimálisak

• töltete aprószemcsés, 2 – 40 μm átmérőjű porózus, nagy fajlagos felületű (400 m²/g), szemcsés szilárd anyag

folyadék – szilárd (adszorpciós) HPLC

a töltet szilárd, pl. SiO₂, Al₂O₃, aktív C

folyadék-folyadék (abszorpciós v. megoszlásos) HPLC a töltet megosztó folyadékkal vékonyan

fedett szilárd, porózus hordozó

Folyadék-szilárd (adszorpciós) HPLC

szilikagél töltet: felületén ⌧-Si-OH (szilanol) csoportok (⌧ = a hordozó felülete)

bázikus sajátságú ill. telítetlen csoportokat tartalmazó vegyületek jól megkötődnek rajta

komponensek báziserősség alapján választhatóak el

„oldaterősség” – oldószerkeverék összetételével polaritás változik - (hexán → víz) változtatható a komponensek elválasztása

módosítók – pl. kis mennyiségű víz blokkolja a poláros

⌧–Si-OH csoportokat, csökkenti a töltet polaritását

Folyadék-folyadék (megoszlásos) HPLC – az állófázis

megosztó folyadékok az állófázison (mint a GC-ben) vagy: kémiai megkötés a hordozó felületén

⌧-Si-OH + RSiCl → ^⌧-Si-O-Si-R + HCl

R megválasztásával a töltet polaritása szabályozható pl. R = oktil, dodecil

-CH₂-CH₂-CN -CH₂-CH₂-NH₂

polaritás nő

R = Si-C₆H₅ – π−π kölcsönhatások („stacking”) miatt – aromás vegyületek elválasztása

Folyadék-folyadék (megoszlásos) HPLC – az eluens

az eluens összetételének megválasztásával azt

szabályozzuk, hogy milyen karakterű (poláros vagy apoláros) komponensek elválasztására lesz az eluens alkalmas

normálfázisú HPLC: poláris álló-, apoláris mozgófázis fordított fázisú HPLC: apoláris álló-, poláris

mozgófázis az eluens változtatása adalékokkal:

• pH változtatás - töltésváltoztatás

• ionpárképzés (ellenion hozzáadás)

R’COO^- + R₄N⁺ → [R’COONR₄]⁰

A HPLC detektorai

• lehet eluensérzékeny vagy komponensérzékeny

• eluensérzékeny: törésmutatóváltozáson (RI) alapuló detektor (nem érzékeny, de univerzális, mert minden szerves

komponensre ad jelet)

• komponensérzékeny: fényelnyelés változás mérésén alapuló detektor (UV-Vis)

– változtatható λ−jú „in-line” spektrofotométer

– 10^-2 ng kimutatási határ (érzékeny, de nem univerzális) – a komponensnek fényelnyelőnek kell lennie

– a komponensnek megfelelő hullámhosszon kell mérni – diódasoros detektálás – spektrum 0,01 s-onként,

a 200 – 800 nm tartományban egyidejűleg méri

A diódasoros spektrofotométer elve

Három dimenziós HPLC kromatogram

A diódasoros detektor mennyiségi és minőségi analízis egyidejű végrehajtását teszi lehetővé

A HPLC detektorai 2.

• további komponens érzékeny detektálási módok – fluoreszcenciás detektálás

– elektrokémiai (voltammetriás) detektálás – HPLC-IR

– HPLC-MS

A HPLC alkalmazásai

kis gőznyomású (nem illékony) komponensek mérésére alkalmas (amikre a GC nem)

a komponensnek megfelelő oldhatóságúnak kell lennie (M_w < 2000 D)

minőségi analízis – retenciós idő alapján

mennyiségi analízis – kromatográfiás csúcs területe alapján

preparatív HPLC – keverékek szétválasztása

komponenseire, majd az egyes frakciókból a tiszta komponens kinyerése (nagy méretű kolonna kell

hozzá)

Az ionkromatográfia

• folyadék kromatográfia egy speciális ága

• az elválasztás alapja az álló és a mozgófázis közötti ioncsere egyensúly létrejötte

• állófázis : ioncserélő műgyanta

• műgyanták típusai (felületi csoport típusa szerint) anionos:

⌧-SO₃H → ^⌧-SO₃^- + H⁺ (erős anionos)

⌧-COOH → ^⌧-COO^- + H⁺ (gyenge anionos) kationos

⌧-NR₃OH → ^⌧-NR₃⁺ + OH^- (erős kationos)

⌧-.NH₃OH → ^⌧-NH₃⁺ + OH^- (gyenge kationos)

Az ionkromatográfia

Az elválasztás alapja

– kationcserélő gyantákon kationokat (M⁺) választunk el

⌧-SO₃H + M⁺ ' ⌧-SO₃M + H⁺

- anioncserélő gyantákon anionokat (A^-) választunk el

⌧-NR₃OH + A^- ' ⌧-NR₃A + OH^- A megkötődés erőssége függ

az ionok méretétől (kis méretű jobban kötődik)

az ionok töltésétől (nagyobb töltésű jobban kötődik) hőmérséklet, pH, ionerősség

az eluensben fellépő egyéb kölcsönhatások (pl. ionpárképződés)

Az ionkromatográfia

A mozgófázis

kationok elválasztására híg erős sav oldatot anionok elválasztására híg erős bázis oldatot alkalmazunk

A detektor (eluensérzéken

az eluens vezetőképességét méri folyamatosan az eluens vezetőképessége eleve nagy

vezetőképesség lecsökkentése (elnyomása) szükséges

„szupresszor” oszlop ( pl. kationok elválasztásakor anioncserélő oszlop, semlegesíti az eluens H⁺ ionjait)

⌧-

⌧-

⌧-

⌧-

a szupresszor után az oldat vezetőképességét már az OH^- ionok határozzák meg

Az ionkromatográfia

Az ionkromatográfia alkalmas

kisméretű szerves és szervetlen ionok elválasztására és meghatározására könnyen automatizálható (sorozatmérések) pontossága nem túl jó (± 5%)

mintaigénye kicsiny (néhány mL) kimutatási képessége jó (10^-6 M)

Egyéb kromatográfiás

módszerek

Papírkromatográfia

síkkromatográfiás módszer

állófázisa speciális papír (cellulóz, anhidro-glükóz) vagy a papíron megkötött folyadék (pl. víz)

mozgófázisa vízzel elegyedő szerves oldószerek a papírkromatogram készítése:

a mintát felcseppentjük a papírcsík végére futtatószerbe helyezzük

az eluens a mintakomponenseket különböző sebességgel viszi előre (kifejlesztés)

a komponensek foltokban, egymástól elválva jelennek meg a papíron

előhívás: vegyszerekkel, UV-fénnyel minőségi analízis: retenciós faktor (r_f) mennyiségi analízis: foltterület ~ lg n

olcsó és egyszerű, de pontatlan (félkvantitatív)

Vékonyréteg kromatográfia (TLC)

papírkromatográfiához nagyon hasonlít

állófázis üveg- vagy műanyaglemezen elterített vékony (0,25 mm) adszorbens vagy a rajta

adszorbeált folyadék

vékonyréteg lehet szilikagél, Al₂O₃, diatomaföld, poliamid, stb.

a réteg egyenletes szemcseméretű kell hogy legyen mintamennyiség néhány μL

mintaelőhívás I₂-oldat H₂SO₄cc

félkvantitatív, emiatt főként tájékozódó mérésre alkalmazzák

Gélkromatográfia

(gélsz ű rés, méretkizárásos vagy permeációs kromatográfia)

az állófázis gélszerkezetű (lukacsos, pórusos, „járatok”)) a mozgófázis a gél duzzadását előidéző és a mintát oldó folyadék

az állófázisban (pl. Sephadex) lévő pórusok mérete jól definiált, monodiszperz

a pórusoknál nagyobb méretű molekulák a gélen akadálytalanul áthaladnak

a kisebb mulekulákat a gél visszatartja

a kicsöpögő eluensben csökkenő molekulatömeg szerint jelennek meg a komponensek

biokémiában alkalmazzák (pl. sótalanítás, fehérjék molekulatömeg szerinti elválasztása, polimerek M_w meghatározása)

Affinitás kromatográfia

állófázishoz (agaróz, cellulóz, dextrán) kémiai kötéssel enziminhibítort vagy fehérjespecifikus antitestet kötnek meg

a reagens az elválasztandó, sokkomponensű mintából csak azt az egy komponenst köti meg, amelyikre

specifikus

a többi komponens gyorsan eluálódik

az eluens megváltoztatásával (pH, összetétel, stb.) a kölcsönhatás megszüntethető, és a specifikusan

megkötött molekula eluálódik

a legspecifikusabb kromatográfiás módszer

VÉGE