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

Elektrongerjesztésűspektrofotometria

(UV-Vis, UV-látható spektrofotometria)

Elektrongerjesztésű spektrofotometria (UV-Vis)

• molekulák létrejötte: atompályák → molekulapályák• molekulapályák típusai:

• kötő (Ekötő < Eatom)• lazító (Elazító > Eatom)• 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*

Elektrongerjesztésű 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

Elektrongerjesztésű spektrofotometria (UV-Vis) – a vegyületek színével foglalkozikKromoforok: 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 szubsztituenshatására a nagyobb hullámhosszak felé tolódik el

Hipszokróm eltolódás: a kromofor elnyelése a a szubsztituenshatására 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 eg- és t2g- 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 fényabszorpciójaGerjesztéskor az elektron a betöltött pályákról a szabad pályák valamelyikére ugrik át

A gerjesztés kétféleképpen játszódhat le:az alap és gerjesztett állapotban az elektronspinmegegyezik: S0 → S1 átmenet (szingulett állapot)

az alap és gerjesztett állapotban az elektronspinellentétes: 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 különbözőelektrongerjesztési 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 történhetvagy 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 leIC = belső konverzió (S1 → S0 átmenet)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

II. forgatókönyv: A → R1 → F– S1 legalacsonyabb energiaállapotából sugárzás útjánjut az S0 legalacsonyabb energiaállapotába

F = floureszcencia (S1 → S0 átmenet – fényemisszióval járórelaxáció spinkvantumszám változás nélkül)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

III. forgatókönyv: A → R1 → ISCT1 → R3 → PISCT1 = külső konverzió (S1 → T1 vagy T1 → S0 átmenet)P = foszforeszcencia (T1 → S0 átmenet – fényemisszióvaljáró relaxáció spinkvantumszám változással)

Mi történik az abszorbeált fotonnal?

IV. forgatókönyv: A → R1 → ISCT1 → R3 → ISCS0 → R4Két külső konverzió közbeiktatásával csak hőátadássalrelaxál a rendszer

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

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

zöld λmax = 510 nm)

Cr2O72- ion

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

Mi határozza meg egy oldat színét?

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

• Abszorpciós spektrum– X tengely: hullámhossz (λ)– Y tengely: abszorbancia (A)

• Minőségi információaz elnyelés hullámhossza (a vegyület színe)a széles sávok miatt korlátozottan használható

• Mennyiségi információaz adott hullámhossznál mért abszorbancia (a vegyület fényelnyelésének a mértéke)koncentráció meghatározásra használjuk a Lambert-Beer törvény alapján

cleII ελλ −= 0clA

II ελλ

λ

==0lg

Koncentrációmérés a Lambert-Beer törvény alapján

I0λ a beeső fény intenzitása (λ hullámhossznál)

Iλ a transzmittált fény intenzitása (λ hullámhossznál)Aλ abszorbancia (λ hullámhossznál)c a meghatározandó anyag koncentrációjal optikai úthossz (rétegvastagság, küvettahossz)ε moláris abszorbancia (λ hullámhossznál)

…a legfontosabb: A = konst..c

A moláris abszorbancia, ε

• 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 törvénytől

1. Csak híg oldatokban érvényes (c < 10-3 M)törésmutató (n) változását figyelembe kell venniKortüm-törvény:

22 )1('

+=

nnεε

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

1,0Di-I-tirozin UV-spektrumának

pH-függése

pH

pH

izobesztikuspontok

A

λ (nm)2

12

Eltérések a Lambert-Beer törvénytől

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

Többkomponensű rendszerek fényelnyelése

Az abszorbanciák additivitása miatt IIIIII lclcA 111 εε +=IIIIII lclcA 222 εε +=

A moláris abszorbanciák ismeretében cI és cII 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 bontjukamik 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 módszerek1. kalibrációs egyenes felvételével2. standard addíciós módszerrel3. többszörös standard addícióval

• titrálások végpontjelzésére is alkalmazható(feltétel, hogy az oldat színe változzék a titrálás során)

Az abszorpciós spektrofotometria gyakorlata

Speciális alkalmazások

• diódasoros detektor200 – 800 nm között 2 nm-enként1 s alatt a teljes spektrumot regisztráljaspektrum 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 spinkvantumszámváltozás (spinátfordulás) nélkül játszódik le (τ = 10-9 -10-6 s)

foszforeszcencia: T1 → S0 átmenet – a molekulák fényemisszióval járó relaxációja, amely spinkvantumszámváltozással (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) lcKII 0=

I0 besugárzó fény intenzitásal rétegvastagságK 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. Ealap – Egerjesztett = ΔE = hνgerjesztő

2. Csak azok a rezgések gerjeszthetők (azaz: IR-aktívak) , amelyek során a molekula dipóusmomentumaváltozik(emiatt szimmetrikus molekulák, pl. O2, nem IR aktívak)

Molekulák rezgéseiAz 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

νs szimmetrikus vegyértékrezgésνas antiszimmetrikus vegyértékrezgés

Deformációs rezgések

β ollózóβ kaszálóδ torziósγ bólogató

ΔEvegyért. > ΔEdeform. > ΔEforgási

Az IR spektrum (1-oktén)

X tengely hullámhossz v. hullámszámY 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-Visspektrométerhez

• 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 áteresztőparaffinolaj)

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 (felső) 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 gerjesztőfény 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

• Iszórt ~ νgerj4 → 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 módszereiA 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. fűtőértékfázisátalakulások hőmérséklete és hőigénye (Op., Fp., Lo, Lf, stb.)bomlási hőmérsékletgyulladási hőmérséklet, stb.

A kémiai analízis termikus módszerei

Két elvben eltérő típus1. Dinamikus: hőmérsékletváltoztatás hatására az

anyag valamely jól mérhető kémiai vagy fizikaitulajdonsága megváltozik (DTA, DSC, TG, DTG)közös elem: adott program szerint felfűtött kemence

2. Sztatikus: állandó hőmérsékleten a kémiai reakciók során termelt vagy elnyelt hő mérésénalapuló módszerek (kalorimetria)közös elem: hőszigetelt, adiabatikus kaloriméter

Differenciál termikus analízis (DTA)

T-változás hatására bekövetkezőfizikai- (pl. olvadás, kristályosodás, stb.) vagy kémiai (pl. bomlás, oxidáció, stb.) változás során képződő hőt (ΔH) mérjük a T fv-ében

1. tégely: minta2. tégely: referencia

(pl. Al2O3)

A DTA berendezés működése

programozott, lassú fűtésaz 1 és 2 tégely között ΔT-t 2 db termoelem mériha nem történik semmi, ΔT=0, a termoelemek „hallgatnak”exoterm folyamat esetén: ΔT > 0 → + feszültségjelendoterm folyamat: ΔT < 0 → - feszültségjel

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 működése

• a mintát tartalmazó tégelyek egymástól hőszigetelvehelyezkednek 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 pontosanmegadható 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 tömegemegváltozik

• a minta hőmérsékletváltozás hatására bekövetkezőtömegváltozását 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)2.H2O 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 képződőgáz 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 azanalitikai kémiában

Elválasztó módszerek – miért van rájukszükség?

a valós rendszerek mindig többkomponensűekaz analízis egyszerűbb és megbízhatóbb, ha azanalizálandó minta csak egyfajta komponensttartalmazaz analízis előtt célszerű a minta komponenseitegymástól elválasztanielválasztás (szeparáció): az elválasztandó komponensmásik fázisba (csapadék, gáz, nem elegyedőfolyadék) való átmenete ill. átvitele

A kromatográfia

Többfokozatú, nagyhatékonyságú, dinamikuselválasztási módszerek gyűjtőneve

A kromatográfia olyan elválasztási módszerek gyűjtőneve, amelyek közös eleme, hogy az elválasztás során az az elválasztandókomponensek az egymással érintkező két fázis (azállófázis és a mozgófázis) között megoszlanak

Állófázis (kolonna, oszlop)Mozgófázis (eluens)

A kromatográfiás módszerek felosztása

1. A szorpciós folyamat szerint:adszorpciósabszorpciós (megoszlásos)ioncseregélen 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 oszlopkromatográfiasíkkromatográfia

papírkromatográfiavékonyréteg-

kromatográfia

4. Detektálás módja szerint hagyományosműszeres

Oszlopkromatográfia

Az oszlopkromatográfok felépítése

Eluenstároló

Eluenstovábbító(pumpa)

Mintaadagoló

Oszlop(kolonna) Detektor Jel

feldolg.

termosztált rész

A kromatográfia alapfogalmai

X tengelyen: idő (elúciós idő)Y tengelyen: a detektorjel intenzitásatR : retenciós idő (komponensenként eltér - minőségi

információ)tM : holtidőtR’ = tR - tM: redukált retenciós idő

A kromatogram (elúciós függvény)

A kromatogramok értékelése

Minőségi elemzés1. Retenciós idők összehasonlítása

előzetes információ szükséges a mintaösszetevőiről(pl. homológ sorok módszere: n ~ lg tR’Kováts-féle retenciós index)

2. Szelektív detektorokon line detektálástömegspektrométer (MS), IR spektrométer, ICP AES

A kromatogramok értékelése

Mennyiségi elemzésa kromatográfiás csúcs alatti terület (jel, A) arányos

a csúcshoz tartozó komponens koncentrációjával

A kromatogramok értékelése

Mennyiségi elemzés módszerei

1. Belső normalizálás - a csúcsterületet az összescsúcs területének %-ában fejezzük kicsak akkor alkalmazható, ha a detektor mindegyikkomponensre azonos érzékenységű

2. Kalibrációs módszerkalibrációs függvényt minden komponensre külön meg kell határozniidőigényes, de pontos

3. Addíciós módszerek

Kromatográfiás módszerek

1. Gázkromatográfia (GC)2. Folyadékkromatográfia (HPLC)3. Ionkromatográfia (IC)4. Kapilláris elektroforézis5. Egyéb kromatográfiás módszerek

a. Papírkromatográfiab. Vékonyréteg kromatográfia (TLC)c. Gélkromatográfiad. 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

Vivőgázkémiailag inert gázmegválasztása függ a detektortól (ld. később)N2, Ar – lángionizációs detektorH2, He – hővezetőképességi detektoráramlási sebesség – 10 – 100 mL/percáramlási sebesség helyes megválasztása

– elválasztás optimalizálása (van Deemter egyenlet)

Mintaadagoláspillanatszerűen (fecskendővel)hirtelen felmelegítés (gázzá alakítás)mintatérfogat néhány μLt (oC): minta gőznyomása < telítési gőznyomásha ez nem teljesül:

származékképzést változtatása

Mintaadagolók

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázisvékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagykapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)hőmérséklete (4-500 oC) szabályozott (±0,1 oC) 1. a csőben adszorbens vagy2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén

1. Csőben adszorbens: aktív szén, Al2O3, szilikagél (SiO2)molekulaszűrőkszerves polimerek

mind nagy belső felülettel rendelkezik

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázisvékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagykapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)hőmérséklete (4-500 oC) szabályozott (±0,1 oC), 1. a csőben abszorbens vagy2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén

2. Csőben megosztófolyadék szilárd hordozónhordozó (nagy felületű inert anyag,pl. diatomaföld, szerves polimerek)megosztófolyadék felvitele a hordozóravékony film formájában a hordozó felszínénpoláros megosztófolyadék (pl. Carbowax)

- poláros komponensek elválasztásaapoláros megosztófolyadék (pl. Squalan)

- apoláros komponensek elválasztása

Kolonna (a GC lelke), ebben található az állófázisvékony cső (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagykapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)hőmérséklete (4-500 oC) szabályozott (±0,1 oC), 1. a csőben abszorbens vagy2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy3. megosztófolyadék kapilláris belső felületén

3. Kapilláris kromatográfiainhomogenitások (örvénydiffúzió) nincséles csúcsok (elméleti tányérszám > 50000)kolonna elkészítése

- vékony folyadékréteg kialakítása- kémiai megkötés (szilanizálás)

„splittelés”

Detektorok

a detektor jelzi, ha a vivőgázban az elválasztandókomponens 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 hatásáraa szál hőmérséklete megnő

elektromos ellenállás ~ hőmérséklet

lineáris tartomány 5 nagyságrend

kimutatási határ 10-6 g

GC detektorok 2. – elektronbefogási detektor

vivőgáz Ar, β-sugárzásionizálja

amíg csak Ar van jelen, állandóáramerősség

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 lángbanionizálódnak

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) } kombinált módszerek

A GC előnyei és hátrányai

Előnyök☺ egyszerű és hatékony☺ szelektív☺ kicsiny a mintaigénye☺ automatizálható (sorozatelemzések)☺ roncsolásmentes

Hátrányokcsak illékony mintákra alkalmazhatóhőérzékeny anyagokra nem alkalmazhatódrága a berendezés

Folyadékkromatográfia(HPLC – High Performance Liquid Chromatography)

mozgófázisa folyadékállófázisa 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 előkészítése 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 biztosítania folyadék pulzálását el kell kerülniaz 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 eluensttelíti az eluenst az állófázis anyagával (növeli az analitikai kolonna élettartamát)

Mintaadagolás

a minta „dugószerűen” kerüljön az eluensbe(sávkiszélesedés csökkentése)mintatérfogat 1-20 μLnyomásálló 6 utas adagolószelep

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 anyagfolyadék – szilárd (adszorpciós) HPLC

a töltet szilárd, pl. SiO2, Al2O3, aktív Cfolyadék-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 rajtakomponensek báziserősség alapján választhatóak el„oldaterősség” – oldószerkeverék összetételével polaritás változik - (hexán → víz) változtatható a komponensek elválasztásamódosítók – 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 + HClR 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 vagyapoláros) komponensek elválasztására lesz az eluensalkalmas normálfázisú HPLC: poláris álló-, apoláris mozgófázisfordított fázisú HPLC: apoláris álló-, poláris

mozgófázisaz 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 alapulódetektor (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 (Mw < 2000 D)minőségi analízis – retenciós idő alapjánmennyiségi analízis – kromatográfiás csúcs területe alapjánpreparatív 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 függaz ionok méretétől (kis méretű jobban kötődik)az ionok töltésétől (nagyobb töltésű jobban kötődik)hőmérséklet, pH, ionerősségaz eluensben fellépő egyéb kölcsönhatások

(pl. ionpárképződés)

Az ionkromatográfiaA mozgófázis

kationok elválasztására híg erős sav oldatotanionok elválasztására híg erős bázis oldatotalkalmazunk

A detektor (eluensérzékenaz eluens vezetőképességét méri folyamatosanaz eluens vezetőképessége eleve nagyvezetőképesség lecsökkentése (elnyomása) szükséges„szupresszor” oszlop ( pl. kationok elválasztásakor anioncserélő oszlop, semlegesíti az eluens H+ ionjait)⌧-NR3OH + A- + H+ ⌧-NR3A + H2O⌧-NR3OH + A- + M+ ⌧-NR3A + M+ + OH-

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

Az ionkromatográfiaAz ionkromatográfia alkalmas

kisméretű szerves és szervetlen ionokelválasztására és meghatározására

könnyen automatizálható (sorozatmérések)

pontossága nem túl jó (± 5%)

mintaigénye kicsiny (néhány mL)

kimutatási képessége jó (10-6 M)

Egyéb kromatográfiás

módszerek

Papírkromatográfiasíkkromatográfiás módszerállófázisa speciális papír (cellulóz, anhidro-glükóz) vagy a papíron megkötött folyadék (pl. víz)mozgófázisa vízzel elegyedő szerves oldószereka papírkromatogram készítése:

a mintát felcseppentjük a papírcsík végérefuttatószerbe helyezzükaz eluens a mintakomponenseket különböző sebességgel viszi előre (kifejlesztés)a komponensek foltokban, egymástól elválva jelennek meg a papíronelőhívás: vegyszerekkel, UV-fénnyelminőségi analízis: retenciós faktor (rf)mennyiségi analízis: foltterület ~ lg n

olcsó és egyszerű, de pontatlan (félkvantitatív)

Vékonyréteg kromatográfia (TLC)papírkromatográfiához nagyon hasonlítállófázis üveg- vagy műanyaglemezen elterített vékony (0,25 mm) adszorbens vagy a rajta adszorbeált folyadékvékonyréteg lehet szilikagél, Al2O3, diatomaföld, poliamid, stb.a réteg egyenletes szemcseméretű kell hogy legyenmintamennyiség néhány μLmintaelőhívás

I2-oldatH2SO4cc

félkvantitatív, emiatt főként tájékozódó mérésre alkalmazzák

Gélkromatográfia(gélszűrés, méretkizárásos vagy permeációs

kromatográfia)az állófázis gélszerkezetű (lukacsos, pórusos, „járatok”))a mozgófázis a gél duzzadását előidéző és a mintát oldófolyadékaz állófázisban (pl. Sephadex) lévő pórusok mérete jól definiált, monodiszperza pórusoknál nagyobb méretű molekulák a gélen akadálytalanul áthaladnaka kisebb mulekulákat a gél visszatartjaa kicsöpögő eluensben csökkenő molekulatömeg szerintjelennek meg a komponensekbiokémiában alkalmazzák (pl. sótalanítás, fehérjék molekulatömeg szerinti elválasztása, polimerek Mwmeghatározása)

Affinitás kromatográfia

állófázishoz (agaróz, cellulóz, dextrán) kémiai kötéssel enziminhibítort vagy fehérjespecifikusantitestet kötnek mega reagens az elválasztandó, sokkomponensű mintából csak azt az egy komponenst köti meg, amelyikre specifikusa többi komponens gyorsan eluálódikaz eluens megváltoztatásával (pH, összetétel, stb.) a kölcsönhatás megszüntethető, és a specifikusan megkötött molekula eluálódika legspecifikusabb kromatográfiás módszer

VÉGE