Az adszorpció néhány alkalmazása

Kromatográfia: az analitika anyag rövid összefoglalása

2

A kromatográfia elve

–  Adszorpciós kromatográfia –  Megoszlásos kromatográfia –  Méretkizárásos kromatográfia –  Ioncsere kromatográfia –  Affinitás kromatográfia (biotin)

Mi a kromatográfia ? Elválasztási módszer .

Az elválasztani kívánt két (több) komponenst külön fázisba visszük: elnevezések szerint van egy álló (S, L) és egy mozgó fázis (G,L). A megoszlás a mozgó és az álló fázis között történhet adszorpció, fázisegyensúly (elegyedés, oldékonyság), méret, ioncsere vagy specifikus kölcsönhatások alapján.

1 11

1 1 2 21mb pb p b p

Γ Γ=+ +

1 2b b>>

szelektivitás

A kromatográfia típusai

adszorpciós

Az oldott anyag az álló fázis felületére kerül

megoszlási

Az oldott anyag a felületet borító folyadékba kerül

ioncsere

A kation kova-lensen kötött a felületen az anion ionosan

anion- cserélő gyanta

méretkizárásos

A kismole- kulák behatol- nak a pórusokba

Nagymolekulák kívül haladnak

Affinitás kromatográfia

•  Biotint pegilált felületre kötik. Streptavidin –biotin kölcsönhatás a legerősebb (4 dokkolás) nem kovalens kötés (10-15 M)

4

Nem-ekvivalens (vagy ioncsere) adszorpció

Az adszorbensben már eleve vannak ionok, az elektrolit valamelyik ionja kötődik az adszorbensen. Az ioncsere egy megfordítható reakció, amelyben valamelyik oldott ion sztöchiometrikusan cserélődik a szilárd szorbens azonos töltésű mozgékony ionjával

Kationcsere, anioncsere, savas kationcserélő, pH-tól függő amfoter felületek stb. a jegyzetből elolvasni.

XR KA KR XA+ ↔ +

RY KA RA KY+ +É

Water softener

Zeolit, clays, resins

It can be regenerated

A water softener reduces the dissolved calcium, magnesium, in hard water.

Elektrokinetikus jelenségek: kolloid stabilitás

Bányai István

kolloid.unideb.hu/

Előző előadás

•  Adszorpció folyadék-szilárd felületen •  Töltött felületek kialakulása

–  elektrolitok adszorpciója –  elektromos kettősréteg létrejötte

•  Az elektromos kettősréteg modelljei –  Helmholtz-modell –  Gouy-Chapman modell (diffúz réteg vastagsága) –  Stern-modell

•  Felületi potenciál •  Stern-réteg (Helmholtz síkokkal határolt) •  Stern-potenciál •  Zéta (nyírási-)-potenciál (de nem tudjuk mi az!)

Elektrokinetikus vagy zéta potenciál

A oldószer (többnyire víz) a felület közelében nem mozdul, rátapad, de bizonyos távolságtól már a folyadék elmozdul a felülethez képest.

Azt a síkot, ami a felületet (részecskét) beburkoló tapadó réteget és az elmozduló folyadékréteget elválasztja nyírási felszínnek (surface of shear) vagy nyírási síknak (the slipping plane) nevezzük. Az elektrosztatikus potenciál közeghez viszonyított értéke ebben a nyírási síkban az ún. zéta potenciál vagy elektrokinetikai potenciál.

Nyírási sík

Ezt tudjuk mérni! (Hogyan?) 1 V a feszültség két pont között. ha egységnyi töltés 1J munkával átvihető !!!

Elektrokinetikus vagy zétapotenciál kolloidokon (kis felület)

Kolloidok oldataiban: elektromos kettősréteg jön létre minden egyes részecske körül. A részecske körül lévő folyadék két részből áll: a belső (Stern) réteg, ahol az ionok erősen kötöttek és egy külső a, diffúz ahol kevésbé. Ezen a diffúz rétegen belül egy nevezetes határ az un. nyírási sík jön létre, amely elválasztja a tapadó és a felülethez képest elmozduló folyadék réteget, és amelyen belül a részecske egy dinamikai egységként viselkedik.

A nyírási síkon belül a részecske egy dinamikai egységként viselkedik

Elektrolit hatás ! Előjel

Elektrokinetikai potenciál különböző oldatokban

1

2

3

1. vasoxid 0,01 M KCl pH 4

2. vasoxid 0.0001 M KCl pH 5

3. vasoxid 0.001 M KCl pH 8.5 + kationos tenzid

Vasoxid pH NTP ~6-7

Stern sik

Nyírási sik

z

[Al3+] Koagulál, ha |z |< 5 mV

stabilis

stabilis -

+

z1 = z2 = z3

0ψ

Alkalmazás

Alkalmazó

Elektrokinetikus jelenségek

•  1. Elektroforézis: folyadék áll, a részecske mozog

•  2. Elektroozmózis: töltött felület áll, folyadék mozog

•  3. Áramlási potenciálok: áramló folyadék generál töltést (fordított elektroozmózis)

•  4. Ülepedési potenciál: mozgó töltés generál potenciált

•  5. Elektrolitikus lerakódás/ leválasztás (elektrolízis)

Technika Mit mérünk Mi mozog Mi okozza a mozgást

Elektroforézis sebességet részecske külső elektromos térerő

Elektroozmózis sebességet folyadék a kapillárisban

külső elektromos térerő

Áramlási potenciál

potenciál különbséget folyadék mozog nyomás különbség

Ülepedési potenciál

potenciál különbséget részecske sűrűség

különbség = Dr

Elektroforetikus mozgékonyság

Elektrokinetikus potenciál meghatározása

6 /

el

fric

el fric

F QEF fvF FQE v Qv uf E fze zeua kT Dπη

==

=

= = =

= =

( )0

eu C aζεε

η κ=

Az elektrokinetikus potenciál és az ionerősség kapcsolata

Egy makro ion esetében az ellenion felhő vastagsága befolyásolja a mozgékonyságot,

a C konstans fokozatosan változik 1-től 1.5 ig, ahogy a κa változik:

Elektroforetikus mozgékonyság a zéta potenciállal kifejezve.

( )0

eu C aζεε

η κ=

Ha a κa > > 1 „vékony kettős réteg„ akkor nem befolyásolja az eredő térerőt, a C =1 (Smoluchowski)

Ha a κa << 1 „vastag kettős réteg" C= 3/2 befolyásolja az eredő térerőt

Elektroforézis

gélben

Elektroforézis A DNS protein kölcsönhatás bizonyítása EMSA (electrophoretic mobility shift assay). A nem kötött DNS gyorsabban mozog gélben mint a proteinhez kötött.

Gél elektroforézis

Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE)

Izoelektromos fókuszálás (IEF)

http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/Protein_Properties/protein_purification.htm

Izoelektromos fókuszálás során pH gradienst alkalmaznak.

A protein nem mozog tovább, ha az izoelektromos pontjának megfelelő pH-hoz ér.

Bármely más ponton töltése van és így elektromos erőtérben mozogni fog

Izoelektromos fókuszálás (IEF)

ue ( electrophoretic mobility (EPM)) elektroforetikus mozgékonyság

A méretkizárást el kell kerülni. A gél maga lehet pH-gradiensre készítve azaz amfolit csoportokat építenek bele.

Amfolitok keverékére feszültséget adva stacionáris gradiens létrehozható

A proteinek két irányban mozoghatnak a töltéstől függően.

+

-

Elektroozmózis kapillárisban. A körök jelzik a molekulákat és az ionokat. A nyilak jelzik az áramlási sebességeket. Az erőtér hatására áramló ionok hozzák mozgásba a folyadékot.

Elektro-ozmotikus áramlás

Diffúz réteg

Diffúz réteg

nagyítása

Kapilláris elektroforézis 1 (készülék elve)

Kapilláris elektroforézis 2.

http://www.chemsoc.org/ExemplarChem/entries/2003/leeds_chromatography/chromatography/eof.htm

Áramlási profil

Mozgás a kapillárisban

Elektroforetikus mozgékonyság: felületi potenciál (zeta potenciál), méret

Neutral

Elektroozmózis http://www.chemsoc.org/ExemplarChem/entries/2003/leeds_chromatography/chromatography/eof.htm

Az elektro-ozmózist a felület módosításával változtathatjuk. EOF (electro osmotic flow)

(LB layers)

– töltött felület áll, folyadék mozog – házfalak „szárítása”

Az elektroozmotikus áramlás a pH és a kapilláris anyagának függvénye

Fal szárítása

A kolloidok stabilitása

A hidrofób kolloidok elektrosztatikus stabilizálása

Kolloidstabilitás • DLVO elmélet (Derjaguin, Landau and Verwey, Overbeek)

– A kettősréteg (EDL), zetapotenciál, Eredő kölcsönhatás, energiagát a liofób kolloid részecskék között (szuszpenziók, emulziók) – A koaguláció sebességét befolyásolják (kinetikai stabilitás)

•  Liofil kolloidok stabilitása (makromolekuláris és micelláris oldatok),

termodinamikailag stabilisak

Stabilis és instabilis rendszerek:üledéktérfogat Buzágh-kísérletek

Gyógyszeripar, kerámia ipar, festék, színezék, papíripar, víztisztítás, stb

Irreverzibilis, reverzibilis ,

Tömör üledék

Laza halmaz

a) koagulált, b) flokkulált

Bázikus bizmutnitrat tömény szuszpenzio fehér pigment, kontraszt anyag

üledéktérfogat

Ha nincs taszítás akkor a nagyobb vonzás nagyobb üledéktérfogat

Szakszavak !!!

Részecskék közötti kölcsönhatás

Brown-mozgás, ütközések kölcsönhatások?

Nincs taszítás

Van taszítás

A stabilitás a vonzó és taszító kölcsönhatások viszonyától függ. Nagy taszítás stabil rendszer.

A vonzás van der Waals erőkből származik

A taszítás a hasonló töltésű részecskék taszításából és vagy a részecske-oldószer (hidratáció) kölcsönhatásból ered.

Nagyobb zéta potenciál: stabilabb rendszer, jobban diszpergált, nem vagy nagyon lassan koagulál, és ha ekkor ülepszik akkor tömör irreverzibilis üledéket ad

A van der Waals vonzás részecskék között vákuumban

Atomok vagy molekulák közötti vonzás vákumban (pontszerű):

A diszperziós kölcsönhatás additivitása miatt a vonzás nagyobb részecskék között is működik, a hatótávolsága jóval nagyobb, függ a geometriától. Két a sugarú gömb esetében H távolságban a vonzó kölcsönhatás VA, [J]:

r

H

2AAVH

≈ −( )

12AAaV HH

≈ −a

H

„A” Hamaker állandó, J

611~ ,AE r Jβ −−

Téglatesteknél:

Hamaker modell – A Hamaker állandó a molekuláris kölcsönhatásokból számítható

Molekulák az 1 részecskében

Molekulák a 2 részecskében

2~A q β

6~ ,AE r Jβ −−

A: Hamaker állandó, q: db atom /tf, b van der Waals konstans

vákuumban

A részecskék közötti vonzóerő a molekulák közötti (diszperziós) vonzóerőkből épül fel (a molekulák függetlenül hatnak), azok összege

Vonzás közegben effektív Hamaker állandó

( )AV H H

Aeffektiv: kvarc: 11-18×10-20 J

víz: 3.3×10-20 J,

szénhidrogének: 4.6-10×10-20 J

A részecskék között lévő folyadék erősen csökkenti a Hamaker állandót

közegben

H (m) távolságban a vonzó kölcsönhatás VA, J

Nagyságrend

részecsketávolság

A töltött részecskéket diffúz ionatmoszféra veszi körül

xSt

xSt

( )exp ( )St Stx xψ ψ κ= − −

Plane of shear

1/k: a Debye távolság

Felületi töltés (ζ~ψ0~ pH) sókoncentráció (κ, z).

Az átlapoló ellenion atmoszféra taszítást, VR eredményez

VR

( ) ( )20 expRV H Hψ κ≈ −

H ~ részecskék közötti távolság, ψ0 felületi potenciál

H

A lazán kötődő ellenionok diffúz ionatmoszférát alkotnak. A részecskék közeledésekor az ionatmoszférák egymásba hatolnak és az azonos töltések miatt taszítás lép fel. Mivel az ionok koncentrációja a Boltzmann eloszlás szerint rohamosan nő, így a taszítás is exponenciálisan nő.

Két töltött gömb közötti eredő kölcsönhatás

A kölcsönhatási potenciál az elektrosztatikus taszítás és a vonzás eredője a DLVO elmélet szerint:

Figyeljünk a szélső értékekre!

Az elektrosztatikusan stabilizált rendszer érzékeny a felszíni potenciál értékére (ζ~ψ~ pH, saját ion) és az ionerősségre (κ, z).

VT = VA + VR

VR H( ) ≈ const exp −κ H( )

( )12AAaV HH

≈ −

VT

H

[J]