a molekula energianívói közötti

Molekulaspektroszkópiák ^–

a molekula energianívói közötti

átmenet létrehozása (gerjesztése)

( Atomspektroszkópiák –

atomi energianívók gerjesztése)

Molekulaspektroszkópiai módszerek

• elektrongerjesztéső spektrofotometria (UV-Vis)

• fluoreszcenciás- és foszforeszcenciás analízis (molekuláris fotolumineszcencia)

• infravörös (IR-) spektrometria

• infravörös (IR-) spektrometria

• Raman spektrometria

Elektrongerjesztéső spektrofotometria

(UV-Vis,

UV-látható spektrofotometria)

UV-látható spektrofotometria)

Elektrongerjesztéső spektrofotometria (UV-Vis)

• molekulák létrejötte: atompályák → molekulapályák

• molekulapályák típusai:

• kötı (E_kötı < E_atom)

• lazító (E_lazító > E_atom)

• nemkötı (n)

• nemkötı (n)

• a kötı- és lazítópályák egyaránt lehetnek σσσσ és ππππ pályák

• kötıpályák: σ és π

• lazítópályák: σ* és π*

• megengedett és tiltott átmenetek

• megengedett átmenetek:

σ → σ*, π → π*, n → σ*, n → π*

Elektrongerjesztéső spektrofotometria (UV-Vis)

A molekulapályák relatív energiaszintjei

σ→ σ*: telített vegyületek, legnagyobb ∆E

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

telített vegyületek n → π*: heteroatomos,

telítetlen v. aromás vegyületek

Elektrongerjesztéső spektrofotometria (UV-Vis) – a vegyületek színével foglalkozik

Kromoforok: az egyes elektronátmeneteknek

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

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

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 egyenértékőek, oldatban felhasadnak

e

t

• az ezek közötti átmenet az átmenetifém ionok ún.

d →→→→ d átmenete

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

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) 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 különbözı rezgési és forgási állapotokhoz különbözı elektrongerjesztési állapotok tartoznak

A megfelelı spektrumvonalak átfednek

A spektrum burkológörbéje észlelhetı – 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

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

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

zöld λ_max = 510 nm)

Cr₂O₇^2- ion

(narancssárga színő, 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)

• Minıségi információ

az elnyelés hullámhossza (a vegyület színe) 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

=

_I ^I

^A

^{ε cl}

=

= lg

Koncentrációmérés a Lambert-Beer törvény alapján

I ^λλλλ a beesı fény intenzitása (λ hullámhossznál) I₀^λλλλ a beesı fény intenzitása (λ hullámhossznál)

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

c a meghatározandó anyag koncentrációja

l optikai úthossz (rétegvastagság, küvettahossz) εεεε 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 minıségre jellemzı állandó érték

• egy vegyület UV-Vis spektrumát gyakran εεεε = f(λλλλ) alakban adják meg

• egy vegyület UV-Vis spektrumát gyakran εεεε = f(λλλλ) alakban adják meg

• εεεε értékét az elektron energiaátmenetének a valószínősége határozza meg

• nagy valószínőségő elektronátmenetek (intenzív színő anyagok, pl. szerves indikátorok) εεεε = 10³ - 10⁵ M^-1 cm^-1

• d →d átmenetek: εεεε ~ 10 M^-1 cm^-1

• CT sávok: εεεε = 10³ - 10⁴ M^-1 cm^-1

Eltérések a Lambert-Beer törvénytıl

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)

0,5 1,0

Di-I-tirozin UV-spektrumának pH-függése

pH pH

A

12

250 300 350

0,5

izobesztikus pontok

λ λλ

λ (nm) 2

Eltérések a Lambert-Beer törvénytıl

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

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

4. A monokromatikus sugárzás félértékszélessége 4. A monokromatikus sugárzás félértékszélessége

(2∆λ) – minél kisebb, annál pontosabban érvényesül (célszerő az abszorpciós maximumon mérni)

5. Kolloid részecskék – fényszórás, alapvonaleltolódás 6. Hımérséklet – az ε T-függı, a hımérsékletet

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

detektorra, emiatt pontatlan a mérés

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

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

Többkomponenső rendszerek fényelnyelése

Az abszorbanciák additivitása miatt ^A₁ =ε₁^IlcI +ε₁^IIlcII

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 mérendı kivételével minden más összetevı 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^-)

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 idıfüggés (pl. HPLC detektor) spektrum idıfüggés (pl. HPLC detektor)

• Flow Injection Analysis (FIA)

célmérések, sorozatanalízisek

• „stopped flow” analízis

gyors reakciók idıbeli 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) 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 ππππ-elektronokat tartalmazó szerves

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

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

fluoreszcenciát (növelik a p-elektronok delokalizációját) 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)

(jel:zaj viszony optimális)

• az emittált fény intenzitása (I)

I KI lc

=

I₀ besugárzó fény intenzitása l rétegvastagság

K állandó (függ a kvantumhaszn. tényezıtıl) c koncentráció

…a legfontosabb: I = konst.^.c

Mennyiségi analízis

• Spektrofluoriméter felépítése

• I₀ növelésével a kimutatási határ növelhetı

→ nagy érzékenység

• szelektív – sokkal több vegyület mutat fényelnyelést, mint lumineszcenciát

• szelektív – sokkal több vegyület mutat fényelnyelést, mint lumineszcenciát

• floureszkáló vegyületek (a gerjesztı λ alkalmas

megválasztásával) egymás mellett is meghatározhatók

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

Infravörös (IR) spektrometria

spektrometria

Infravörös (IR) spektrometria

IR – sugárzás: λ = 700 nm – 400 µm

Molekulák rezgési és forgási (vibrációs és rotációs)

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

IR-sugárzás abszorpciójának feltételei:

1. E_alap – Egerjesztett = ∆∆∆∆E = hνννν_gerjesztı

2. Csak azok a rezgések gerjeszthetık (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 tömegétıl (m)

a közöttük lévı kötés erısségétıl (k) (modell: golyók + rugó)

Gerjesztéskor a normálrezgés amplitúdója megnı

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

νννν_s szimmetrikus vegyértékrezgés

νννν_as antiszimmetrikus vegyértékrezgés

Deformációs rezgések

βββ

β ollózó β

ββ

β kaszáló δδδδ torziós γγγγ bólogató

∆E_vegyért. > ∆E_deform. > ∆E_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 rendelhetıek

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

• csoportfrekvencia – az adott csoportra jellemzı adat, táblázatokból kikereshetı

adat, táblázatokból kikereshetı

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

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

• elsısorban minıségi analízisre használható

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

IR spektrum és molekulaszerkezet

Néhány jellemzı csoportfrekvencia

Az IR spektrum használata mennyiségi analízisre

• Abszorpciós módszer

• A sávok szélesek és átfednek

• Lambert-Beer törvény használható

• 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 áteresztı kell, hogy legyen

• Pl. ablakok NaCl vagy AgCl-bıl, újabban speciális mőanyagokból

mőanyagokból

• Vizes oldatok mérésére gyakorlatilag nem alkalmas

• Üveg v. kvarcküvetta nem alkalmazható

• Minta elıkészítés:

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

– Ha KBr nem alkalmazható: nujol (IR áteresztı 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. CH szimmetrikus vegyértékrezgései

• 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 (felsı) és Raman (alsó)

spektruma

A Raman effektus

• a mintát intenzív, monokromatikus fénnyel megvilágítjuk

• a fény a mintán szóródik

• a gerjesztı fény fotonjai ütköznek a minta molekuláival

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

• rugalmatlan ütközéskor a molekulák rezgési állapota

megváltozik, és a szórt fény energiája eltér a gerjesztı

• rugalmatlan ütközéskor a molekulák rezgési állapota

megváltozik, és a szórt fény energiája eltér a gerjesztı fény energiájától

• ha a szórt fény energiája a gerjesztı 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 ~ νννν_gerj⁴ → nagy intenzitású és frekvenciájú gerjesztı sugárzást célszerő alkalmazni

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

• vizes oldatok vizsgálatára is alkalmas (↔ IR)

• vizes oldatok vizsgálatára is alkalmas (↔ IR)

• Raman sáv intenzitása,

I = konst^.c (mennyiségi információ)

• fluoreszcencia erısen zavarja

• korlát: csak tömény oldatok vizsgálatára alkalmas

• a jövı molekulaspektroszkópiai technikája

A kémiai analízis termikus módszerei

(termoanalitika) módszerei

(termoanalitika)

A kémiai analízis termikus módszerei

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

átalakulások

– reakcióhıjének

– a reakcióhı elıjelének (endoterm – exoterm) – a reakció lejátszódási hımérsékletének

– a reakció lejátszódási hımérsékletének – kémiai reakciók sztöchiometriájának meghatározására

Pl. főtıérték

fázisátalakulások hımérséklete és hıigénye (Op., Fp., L_o, L_f, stb.)

bomlási hımérséklet

gyulladási hımérséklet, stb.

A kémiai analízis termikus módszerei

Két elvben eltérı típus

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

2. Sztatikus: állandó hımérsékleten a kémiai

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

közös elem: hıszigetelt, adiabatikus kaloriméter

Differenciál termikus analízis (DTA)

T-változás hatására bekövetkezı

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

változás során képzıdı hıt (∆H) mérjük a T fv-ében

1. tégely: minta

2. tégely: referencia (pl. Al₂O₃)

A DTA berendezés mőködése

programozott, lassú főtés

az 1 és 2 tégely között ∆T-t 2 db termoelem méri

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

exoterm folyamat esetén: ∆T > 0 → + feszültségjel endoterm folyamat: ∆T < 0

→

A DTA görbe

X-tengely a kemence hımérséklete

Y-tengely minta T hımérséklete Y-tengely minta T hımérséklete

vagy

a minta és a

referencia közötti ∆T hımérsékletkülönbség

A DTA görbe

exoterm csúcs endoterm csúcs

A módszer alkalmas az A módszer alkalmas az

átalakulás hımérsékletének és a folyamatok exo- ill.

endoterm voltának meghatározására

A DTA módszer

• -190 – 1600 ^oC között alkalmazható

• minden tömegváltozással járó folyamat követésére alkalmas

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

tömegváltozással nem jár (pl. olvadás, stb.)

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

• a DTA-ból származó ∆H értékek pontatlanok

Differenciál scanning kalorimetria (DSC)

• nagyon hasonlít a DTA-hoz

• szintén ∆∆∆∆H = f(T) függvényt határozunk meg vele

• a DTA korlátaival nem rendelkezik (∆∆∆∆H pontos mérése)

A DSC mőködése

• a mintát tartalmazó tégelyek egymástól hıszigetelve helyezkednek el

• az egész berendezést főtjük, plusz mindkét tégelynek még külön főtıberendezése is van

• a mintában és a referens anyagban termolelemek

• ha a mintában játszódik le, jelzi a

• a mintában és a referens anyagban termolelemek

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

mindaddig folytatja, amíg ismét ∆T = 0

(exoterm folyamat: referens tégelyt főtjük)

• a főtıáram teljesítményét mérjük, amibıl pontosan megadható a reakcióhı értéke

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

A DSC görbe

DSC csúcs helye (T):

az átalakulás hımérséklete (minıségi információ)

DSC csúcs iránya (↑↓):

DSC csúcs iránya (↑↓):

endoterm – exoterm (minıségi információ)

Görbe alatti terület (∆H):

a reakcióhı pontos értéke (mennyiségi információ)

A DSC módszer

• sokkal pontosabb, mint a DTA

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

• alkalmas pl.

– szennyezıanyagok jelenlétének kimutatására – szennyezıanyagok jelenlétének kimutatására – polimorfia vizsgálatára

– stb.

A termogravimetria (TG, DTG)

• fizikai-kémiai átalakulások során a minta tömege megváltozik

• a minta hımérsékletváltozás hatására bekövetkezı tömegváltozását TG módszerrel mérjük

• mérés a termomérleggel

• mérés a termomérleggel

– a kemencét felfőtjük, hımérsékletét mérjük (X tengely) – a minta tömegváltozását analitikai mérlegen mérjük

(Y tengely)

– a minta tömegét a hımérséklet függvényében ábrázolva kapjuk a TG görbét

A Ca(COO)

H

O TG görbéje

A TG görbe

• vízszintes szakaszai megadják, milyen

hımérséklettartományban tömegállandó a minta

• a tömegcsökkenésbıl kiszámítható az egyes folyamatok sztöchiometriája

• a tömegcsökkenésbıl kiszámítható a bomlástermékek összetétele

összetétele

A DTG görbe

• a TG hımérséklet szerinti deriváltja a DTG görbe

• átfedı termikus folyamatok szétválasztására alkalmas

• közvetlen mérése derivatográffal történhet (közvetlenül a ∆m/∆T függvényt határozza meg)

Szimultán módszerek

1. TG, DTG, DTA

Szimultán módszerek

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

3. DTA/DTG + EGA/EGD

}

során képzıdı 3. DTA/DTG + EGA/EGD

4. TG-DTA-MS

}

gáz mennyiségét vagy minıségét mérjük

MS = tömegspektrometria (mass spectrometry)

EGA = képzıdött gáz analízise (evolved gas analysis)

EGD = képzıdött gáz detektálása (evolved gas detection)

Kalorimetria (termometriás titrálások)

• reakció során felszabaduló/elnyelıdı hıt mérjük

• a mérést hıszigetelt edényben hajtjuk végre (kaloriméter)

• a reakcióelegy hımérsékletét mérjük a mérıoldat térfogatának függvényében

térfogatának függvényében

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

• zavaró egyéb hıeffektusokat figyelembe kell venni (mérıoldat hígításhıje, keverési hı, stb.)

Kromatográfiás módszerek az

analitikai kémiában

Elválasztó módszerek – miért van rájuk szükség?

a valós rendszerek mindig többkomponensőek az analízis egyszerőbb és megbízhatóbb, ha az

analizálandó minta csak egyfajta komponenst tartalmaz

az analízis elıtt célszerű a minta komponenseit az analízis elıtt célszerű a minta komponenseit

egymástól elválasztani

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

folyadék) való átmenete ill. átvitele

A kromatográfia

Többfokozatú, nagyhatékonyságú, dinamikus elválasztási módszerek győjtıneve

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

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

Állófázis (kolonna, oszlop) Mozgófázis (eluens)

A kromatográfiás módszerek felosztása

1. A szorpciós folyamat szerint:a

d

a

b

gélen történı megkötıdés 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

mőszeres

Oszlopkromatográfia

Az oszlopkromatográfok felépítése

Minta adagoló Eluens

tároló

Eluens továbbító

(pumpa)

adagoló

Oszlop

(kolonna) Detektor Jel feldolg.

termosztált rész

A kromatográfia alapfogalmai

A kromatogram (elúciós függvény⁾

X tengelyen: idı (elúciós idı)

Y tengelyen: a detektorjel intenzitása

t

információ)

t

t

’ = t

- t

A kromatogramok értékelése

Minıségi elemzés

1. Retenciós idık összehasonlítása

elızetes információ szükséges a minta összetevıirıl

(pl. homológ sorok módszere: n ~ lg

t

’

Kováts-féle retenciós index) Kováts-féle retenciós index) 2. Szelektív detektorok

on line

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

csak akkor alkalmazható, ha a detektor mindegyik komponensre azonos érzékenységő

2. Kalibrációs módszer

kalibrációs függvényt minden komponensre külön meg kell határozni

idıigényes, de pontos 3. Addíciós módszerek

Kromatográfiás módszerek

1. Gázkromatográfia (GC)

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

4. Kapilláris elektroforézis

5. Egyéb kromatográfiás módszerek 5. Egyéb kromatográfiás módszerek

a. Papírkromatográfia

b. Vékonyréteg kromatográfia (TLC) c. Gélkromatográfia

d. Affinitáskromatográfia

Gázkromatográfia (GC)

• állófázisa folyadék v. szilárd anyag

• mozgófázisa gáz (vivıgáz, eluens)

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

• a GC tehát alkalmas bomlás nélkül gızzé ill. gázzá

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

Vivıgáz

kémiailag inert gáz

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

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

áramlási sebesség helyes megválasztása – elválasztás optimalizálása

(van Deemter egyenlet)

– elválasztás optimalizálása (van Deemter egyenlet)

Mintaadagolás

pillanatszerően (fecskendıvel)

hirtelen felmelegítés (gázzá alakítás) mintatérfogat néhány µL

t (^oC): minta gıznyomása < telítési gıznyomás ha ez nem teljesül:

származékképzés t változtatása

Mintaadagolók

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

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

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belsı felületén 1. Csıben a

d

Al₂O₃,

szilikagél (SiO₂) molekulaszőrık szerves polimerek

mind nagy belsı felülettel rendelkezik

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

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

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belsı felületén 2. Csıben megosztófolyadék szilárd hordozón

hordozó (nagy felülető 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 csı (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagy kapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)

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

2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy 3. megosztófolyadék kapilláris belsı 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 vivıgázban az elválasztandó komponens megjelenik

a detektor a meghatározandó komponens

eluensbeli koncentrációjával arányos jelet ad eluensbeli koncentrációjával arányos jelet ad

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

GC detektorok 1. – hıvezetıképességi detektor (katarométer)

hıelvezetés sebessége

~ molekulatömeg

H₂, He nagyon jó hıvezetık - vivıgáz

a vivıgáz hőti a wolframszálat a vivıgáz hőti a wolframszálat mintakomponens hatására

a szál hımérséklete megnı elektromos ellenállás ~

hımérséklet

lineáris tartomány 5 nagyságrend kimutatási határ 10^-6 g

GC detektorok 2. – elektronbefogási detektor

vivıgáz Ar, β-sugárzás ionizálja

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

e^--t befogja áramerısség lecsökken

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

érzékenysége függ a komponens

kémiai összetételétıl

GC detektorok 3. – lángionizációs detektor

nem ionizálódó vivıgáz (N₂ vagy Ar) mikroégı (H₂), elektródpár

a feszültség akkora, hogy még

éppen „ne üssön át”

(ne folyjon áram) (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

}

• IR spektroszkóp

• tömegspektrométer (GC-MS)

}

A GC elınyei és hátrányai

Elınyök

☺ egyszerő és hatékony

☺ szelektív

☺ kicsiny a mintaigénye

☺ automatizálható (sorozatelemzések)

☺ roncsolásmentes

☺ roncsolásmentes Hátrányok

csak illékony mintákra alkalmazható

hıérzékeny 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, (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 elıkészítése 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) 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 levı lebegı szennyezıdések zavarnak

• idıvel elszennyezik tönkreteszik az analitikai kolonnát

• elıtétkolonnák (védıkolonnák)

az analitikai kolonnához hasonló töltető, de nagyobb szemcsemérető (kisebb áramlási ellenállású) kolonna

ellenállású) kolonna megszőri az eluenst

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

Mintaadagolás

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

mintatérfogat 1-20 µL

nyomásálló 6 utas adagolószelep

A HPLC

moduláris felépítése

pumpa gázmentesítı

eluenstároló

oszlop-termosztát detektor adagoló

(automata/kézi)

A HPLC

moduláris felépítése

pumpa gázmentesítı

eluenstároló

oszlop-termosztát detektor adagoló

(automata/kézi)

Eluens

Választási szempontok:

viszkozitás: kisebb = kedvezıbb (nyomás &

anyagtranszport)

inert: ne lépjen reakcióba a mintát alkotó komponensekkel

kémiai stabilitás ne legyen korrozív ne legyen mérgezı ne legyen mérgezı

ne legyen nagyon illékony (megfelelı forráspont )

(buborékképzıdés elkerülése)

megfizethetı legyen

megfelelı 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 üvegcsı

• nyomásálló

• holt terek minimálisak

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

folyadék – szilárd (a

d

d

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

folyadék-folyadék (a

b

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 megkötıdnek rajta

komponensek báziserısség alapján választhatóak el komponensek báziserısség alapján választhatóak el „oldaterısség” – oldószerkeverék összetételével

polaritás változik - (hexán → víz) változtatható a komponensek elválasztása

módosítók – pl. kis mennyiségő 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

pl. R = oktil, dodecil -CH₂-CH₂-CN -CH₂-CH₂-NH₂

polaritás nı

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 karakterő (poláros vagy apoláros) komponensek elválasztására lesz az eluens alkalmas

normálfázisú HPLC: poláris álló-, apoláris mozgófázis 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)

detektor (UV-Vis)

– változtatható λλλλ−−−−jú „in-line” spektrofotométer

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

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

a 200 – 800 nm tartományban egyidejőleg méri

A diódasoros spektrofotométer elve

Három dimenziós HPLC kromatogram

A diódasoros detektor mennyiségi és minıségi analízis egyidejő végrehajtását teszi lehetıvé

A HPLC detektorai 2.

• további komponens érzékeny detektálási módok – fluoreszcenciás detektálás

– elektrokémiai (voltammetriás) detektálás – HPLC-IR

– HPLC-MS – HPLC-MS

A HPLC alkalmazásai

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

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

minıségi analízis – retenciós idı alapján minıségi analízis – retenciós idı alapján

mennyiségi analízis – kromatográfiás csúcs területe alapján

preparatív HPLC – keverékek szétválasztása

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

hozzá)

VÉGE

VÉGE