Kromatográfiás módszerek a környezetvédelemben

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

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.

• 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.

Alkalmazási területei

• környezet, • élelmiszer és • gyógyszeranalitika, • élet- és kórélettan, • botanika, • paleontológia, • kriminalisztika-

kriminológia, • meteorológia,

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)

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.

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

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 SzemjonovicsCvet (1872-1919)

Színezékek oszlopkromatográfiás elválasztása

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.

Hemoglobinmolekulában található hem rész hasonlít a klorofill molekulához

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

• 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 

Zeolitok

• AlO4 és SiO4

– tetraéderek, üregesek- szárítás 300-400°C – nagy fajlagos felületű, szelektív adszorbens

• Alkalmazás:

• víztisztítás ammóniamentesítésre

• KV-ben ioncserélőként

• Vízlágyító foszfát helyett a mosóporokban

• 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)

A, B, C

p p1 2ABC

A B C

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

Kiszorításos technika

• Minta egy diszkrét részletét juttatjuk az állófázisra, egyensúly, majd elválasztó anyag

• Minden komponens elkülöníthető, de a kiszorító anyag telíti az áf-t

Elúciós technika

• Minta impulzusszerűen jut a mf-ba

• Eluens fajlagos szorpciója a legkisebb

• Szelektív, nem kell regenerálás

• Kis mennyiség elég

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.

Kromatográfiásan, azaz hogyan is?

•22

Álló fázis Mozgó fázis

  Folyadék gáz

Szilárd anyag: adszorbens

Folyadék-szilárd kromatográfiaAdszorpciós

kromatográfia

gáz-szilárd kromatográfiaadszorpciós

gázkromatográfiaoszlopos vagy kapilláris

elrendezésben

Folyadék Folyadék-folyadék kromatográfia

Megoszlásos, oszlop-, vékonyréteg- vagy papírkromatográfia

gáz-folyadék kromatográfiamegoszlásos

gázkromatográfia,oszlopos vagy kapilláris

elrendezésben

Ioncserélő Ionkromatográfia  

Gél Gélkromatográfia  

Kromatográfiás módszerek csoportosítása

• Fluidum halmazállapota szerint (mozgófázis, eluens)

• Gáz→ gázkromatográfia

• Folyadék→ folyadék-kromatográfia

• -szuperkritikus állapot→ szuperkritikus kromatográfia =

szuperkritikus fluid kromatográfia: magas hőm.

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

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

Gázkromatográfia (GC)• Gázok és 400-600 ºC-ig átalakulás nélkül elpárologtatható

anyagok vizsgálata, • A folyadék és szilárd anyagokat általában oldatba kell vinni

gázpalack

feltöltési p: 200 bar

nyomáscsökkentő 7-10 bar

tisztító egység: víz, CH-ek, oxigén megkötés

GC

(fűthető)

adagoló detektor

kolonna

hőmérséklet szabályozó

termosztáló egység

PC

• 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.

GC automata injektor

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

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

Fontos! másodrendű kölcsönhatások

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

Leggyakrabban használt GC-s állófázisok

A lánc lehet tiszta metilszilikon is.

100% metil: olajszennyezések5% fenil: PAH, PCB, semivolatile, ftalátok35% fenil: VOC, ipari oldószerek20% trifluoropropil: oxigenátok, oldószerek, peszticidek70% cianopropil: kettőskötés szelektív

Leggyakrabban használt állófázisok

Gázkromatográfiás detektorok:- Lángionizációs detektort (FID – Flame Ionization Detektor),- Elégetjük a molekulákat→ CH gyökök (2500-3000oC-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

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

- 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

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

GC detektorok érzékenységének összehasonlítása

GC nitrogén detektor.

Jelen és jövő

GC-s kolonnák

EPH(Extractable Petrol Hydrocarbons) kromatogram, friss gázolaj szennyezés

min0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

pA

0

50

100

150

200

250

300

350

FID2 B, (X:\2\DATA\051109\034B0701.D)

Gázolaj

0.0

66

0.0

68

0.0

69

0.0

70

0.0

73

0.0

74

0.0

75

0.0

75

0.0

76

0.0

77

0.0

78

0.0

79

0.0

81

0.0

82

0.0

82

0.0

85

0.0

88

0.0

88

0.0

89

0.0

90

0.0

91

0.0

93

0.0

94

0.0

96

0.0

97

0.0

99

0.1

00

0.1

03

0.1

05

0.1

07

0.1

08

0.1

09

0.1

10

0.1

12

0.1

13

0.1

14

0.1

14

0.1

16

0.1

17

0.1

19

0.1

20

0.1

21

0.1

22

0.1

23

0.1

23

0.1

24

0.1

25

0.1

28

0.1

29

2.8

09

-

C9

3.4

26

-

C1

0_

1 3

.63

7 -

IS

TD

4.0

67

-

C1

0_

2

4.8

81

-

C1

1

5.8

38

-

C1

2

6.7

34

-

C1

3

7.5

63

-

C1

4

8.3

40

-

C1

5

9.0

82

-

C1

6

9.7

88

-

C1

7

10

.45

8 -

C

18

11

.09

6 -

C

19

11

.69

1 -

C

20

12

.09

7 -

S

ST

D 1

2.3

98

-

C2

1

12

.85

0 -

C

22

13

.39

1 -

C

23

13

.90

4 -

C

24

14

.38

9 -

C

25

14

.86

2 -

C

26

15

.33

5 -

C

27

15

.79

3 -

C

28

16

.22

1 -

C

29

16

.63

5 -

C

30

17

.04

9 -

C

31

17

.45

2 -

C

32

17

.83

1 -

C

33

18

.20

0 -

C

34

18

.56

8 -

C

35

18

.94

4 -

C

36

19

.33

6 -

C

37

19

.73

5 -

C

38

20

.13

5 -

C

39

20

.53

4 -

C

40

20

.73

4 2

0.7

37

•45

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.

• 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.

Forgócsapos (rotary valve) injektálás HPLCben

A hurok (loop) pontos mennyiségű, áramlás megzavarása nélküli beinjektálást biztosít.

ZORBAX PrepHT 

Integrált előoszlop HPLCben

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

A leggyakrabban használt C18 HPLC-s állófázis szerkezete

Apoláris anyagoknak nagyobb a retenciója. Mozgófázis poláris oldószer (víz, metanol, acetonitril).

Shear driven chromatography

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

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

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.

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

Karbamát rovarölő szerek HPLC-UV analízise speciálisan kifejlesztett állófázison

Az anyagok hőbomlásuk miatt nem alkalmasak GCs elemzésekre.

Karbamát peszticidek HPLC-MS analízise

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).

Adept System Ion Chromatography

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

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+

Ioncserés kromatográfia elve

Az állófázis ionjai visszatartják az ellentétes töltésű ionokat. Az erősebb ionoknak ( Cl- > CO3

2-) nagyobb a retenciója.

Gélkromatográfia (méretkizárásos, size exclusion), alapja

A nagy molekulák mivel nem férnek be a kis csatornákba kisebb kölcsönhatással bírnak, ezért hamarabb eluálódnak.

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

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.

Egy analízis alatt számos komponens meghatározása megoldható

106 közepesen illékony szennyező anyag GC-MS analízise