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 (Ekötı < Eatom)• lazító (Elazító > Eatom)• 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 foglalkozikKromoforok: 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 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 színétátmenetifém 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 történhetvagy termikus úton

vagy fénykisugárzás útján

A fényabszorpció alkalmazása az analitikában

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

zöld λmax = 510 nm)

Cr2O72- ion

(narancssárga színő, 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)

• Minıségi információaz elnyelés hullámhossza (a vegyület színe)az 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

I

Iελλ

λ

==0lg

Koncentrációmérés a Lambert-Beer törvény alapján

I λλλλ a beesı fény intenzitása (λ hullámhossznál)I0λλλλ a beesı fény intenzitása (λ hullámhossznál)

Iλλλλ a transzmittált fény intenzitása (λ hullámhossznál)Aλλλλ abszorbancia (λ hullámhossznál)c a meghatározandó anyag koncentrációjal optikai úthossz (rétegvastagság, küvettahossz)εεεε moláris abszorbancia (λ hullámhossznál)

…a legfontosabb: A = konst..c

A moláris abszorbancia, εεεε

• 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 venniKortüm-törvény:

22 )1('

+=

n

nεε

2. A kromofor kémiai környezetének megváltozása (protonálódás, komplexképzés, asszociáció, disszociáció, stb.)Felhasználható a fenti folyamatok követésére (pl. asszociációs, disszociációs, stb. állandók meghatározására)

0,5

1,0Di-I-tirozin UV-spektrumának

pH-függése

pH

pH

A

12

250 300 350

0,5

izobesztikus pontok

λλλλ (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 mérésdetektorra, 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 IIIIIIlclcA 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 mérendı kivételével minden más összetevı 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-)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 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) lcKII 0=

I0 besugárzó fény intenzitásal rétegvastagságK 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)

spektrometriaspektrometria

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. Ealap – Egerjesztett = ∆∆∆∆E = hννννgerjesztı

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

Molekulák rezgéseiAz 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

ννννs szimmetrikus vegyértékrezgésννννas antiszimmetrikus vegyértékrezgés

Deformációs rezgések

ββββ ollózóββββ kaszálóδδδδ torziósγγγγ bólogató

∆Evegyért. > ∆Edeform. > ∆Eforgási

Az IR spektrum (1-oktén)

X tengely hullámhossz v. hullámszámY 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 kikereshetıadat, 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 mőanyagokbólmőanyagokból

• 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

• Iszórt ~ ννννgerj4 → 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 módszereiA 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. főtıértékfázisátalakulások hımérséklete és hıigénye (Op., Fp., Lo, Lf, stb.)bomlási hımérsékletgyulladási hımérséklet, stb.

A kémiai analízis termikus módszerei

Két elvben eltérı típus1. Dinamikus: hımérsékletváltoztatás hatására az

anyag valamely jól mérhetı kémiai vagy fizikaitulajdonsága 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 mérésénalapuló 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: minta2. tégely: referencia

(pl. Al2O3)

A DTA berendezés mőködése

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

A DTA görbe

X-tengely a kemence hımérséklete

Y-tengely minta T hımérsékleteY-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 hıszigetelvehelyezkednek 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 pontosanmegadható 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 tömegemegváltozik

• a minta hımérsékletváltozás hatására bekövetkezıtömegváltozását 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)2.H2O 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 összetételeösszetétele

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 }alkalmas módszerrel a folyamat során képzıdı 3. DTA/DTG + EGA/EGD

4. TG-DTA-MS} során képzıdı

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 függvényébentérfogatának 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 komponensttartalmaz

� 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:adszorpciós abszorpciós (megoszlásos)ioncseregélen 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 oszlopkromatográfiasíkkromatográfia

papírkromatográfiavékonyréteg-

kromatográfia

4. Detektálás módja szerint hagyományosmőszeres

Oszlopkromatográfia

Az oszlopkromatográfok felépítése

Minta adagoló

Eluens tároló

Eluens továbbító(pumpa)

adagoló

Oszlop (kolonna) Detektor Jel

feldolg.

termosztált rész

A kromatográfia alapfogalmaiA kromatogram (elúciós függvény)

X tengelyen: idı (elúciós idı)Y tengelyen: a detektorjel intenzitásatR : retenciós idı (komponensenként eltér - minıségi

információ)tM : holtidıtR’ = tR - tM: redukált retenciós idı

A kromatogramok értékelése

Minıségi elemzés1. Retenciós idık összehasonlítása

elızetes információ szükséges a minta összetevıirıl(pl. homológ sorok módszere: n ~ lg tR’Kováts-féle retenciós index)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. Belsı normalizálás - a csúcsterületet az összes csúcs területének %-ában fejezzük kicsak akkor alkalmazható, ha a detektor mindegyik komponensre azonos érzékenységő

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

3. Addíciós módszerek

Kromatográfiás módszerek

1. Gázkromatográfia (GC)2. Folyadékkromatográfia (HPLC)3. Ionkromatográfia (IC)4. Kapilláris elektroforézis5. Egyéb kromatográfiás módszerek5. Egyéb kromatográfiás módszerek

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

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

– elválasztás optimalizálása (van Deemter egyenlet)– elválasztás optimalizálása (van Deemter egyenlet)

Mintaadagoláspillanatszerően (fecskendıvel)hirtelen felmelegítés (gázzá alakítás)mintatérfogat néhány µLt (oC): minta gıznyomása < telítési gıznyomásha ez nem teljesül:

származékképzést változtatása

Mintaadagolók

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

1. Csıben adszorbens: aktív szén, Al2O3, szilikagél (SiO2)molekulaszőrıkszerves polimerek

mind nagy belsı felülettel rendelkezik

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

2. Csıben megosztófolyadék szilárd hordozónhordozó (nagy felülető 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 csı (2-6 mm ∅, 1-5 m hosszú) vagykapilláris (0,2-0,5 mm ∅, 15-60 m hosszú)hımérséklete (4-500 oC) szabályozott (±0,1 oC), 1. a csıben abszorbens vagy2. megosztófolyadék szilárd hordozón vagy3. megosztófolyadék kapilláris belsı 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 vivıgázban az elválasztandókomponens megjelenik

a detektor a meghatározandó komponens eluensbeli koncentrációjával arányos jelet adeluensbeli 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 wolframszálata vivıgáz hőti a wolframszálat

mintakomponens hatásáraa szál hımérséklete megnı

elektromos ellenállás ~ hımérséklet

lineáris tartomány 5 nagyságrend

kimutatási határ 10-6 g

GC detektorok 2. – elektronbefogási detektor

vivıgáz Ar, β-sugárzásionizálja

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 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 }• IR spektroszkóp • tömegspektrométer (GC-MS) } kombinált módszerek

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 folyadékKülönbségek 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 HPLCmoduláris felépítése

pumpa

gázmentesítı

eluenstároló

oszlop-termosztát

detektor

adagoló(automata/kézi)

A HPLCmoduláris 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 anyagfolyadék – szilárd (adszorpciós) HPLCfolyadék – 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 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 + HClR megválasztásával a töltet polaritása szabályozható

pl. R = oktil, dodecilpl. 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 vagyapoláros) 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 (Mw < 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)

VÉGEVÉGE