Keskkonnaanalüütilises keemias kasutatavad meetodid - ülevaade Loodus- ja terviseteaduste instituut Keskkonnaanalüütilises keemias kasutatavad meetodid - ülevaade Kert Martma, PhD

Kromatograafilised meetodid Uuritav proov viiakse kolonni, millest väljudes on proovi eri komponendid üksteisest lahutatud Proovi komponendid eralduvad mingi parameetri erinevuse alusel Kromatograafilised meetodid jagatakse vedeliku- ja gaasikromatograafiaks 3 2 1

Kromatograafia üldpõhimõte Ained lahutuvad kromatograafia kolonnis tänu sellele, et erinevatel osakestel on kolonni liikumatu faasiga (vedelikkromatograafias ka liikuva faasiga) erineva tugevusega interaktsioon. Kolonni täidab liikumatu faas. Liikumatu faas on kas vedelas või tahkes olekus ning võib olla ainult kolonni seinal või täita kogu kolonni. Läbi kolonni voolab (rõhu mõjul) liikuv faas, mis on kas gaasilises või vedelas olekus. Liikuval faasil on alati ülesanne kanda proov läbi kolonni. Lisaks võib liikuv faas mõjutada ka osakeste. lahutumist üksteisest.

Vedelikkromatograafia Nii proov kui ka proovi läbi kolonni kandev liikuv faas on vedelas olekus. Ainete lahutumist üksteisest mõjutavad nii liikuv kui liikumatu faas. Lahutumine toimub näiteks laengute, hüdrofoobsuste, molekuli suuruse erinevuse alusel. Meetodit kasutatakse palju vee analüüsil.

Gaasikromatograafia Nii liikuv faas kui analüüsitav proov on gaasifaasis. Ainete lahutamisprotsessist võtab osa ainult liikumatu faas (vedel või tahke aine). Kasutatakse lenduvamate ainete analüüsil – tavaliselt orgaanika analüüs.

Spektroskoopia Spektroskoopia tegeleb spektrite uurimisega. Spektroskoopilised meetodid kasutavad spektrite uurimise tulemusi informatsiooni saamiseks uuritava materjali kohta. Spektroskoopilised meetodid iseloomustavad molekule ja aatomeid viimaste poolt neelatud, hajutatud või kiirgunud elektromagnetkiirguse põhjal.

Spektroskoopiliste meetodite klassifikatsioon Uurimisobjekti järgi: Aatomspektroskoopia Molekulspektroskoopia Kiirguspiirkonna järgi: UV-Vis spekytroskoopia Infrapunane spektroskoopia Raadiospektroskoopia Lisaks kuuluvad tähtsamate spektroskoopiliste meetodite hulka veel: Tuumamagnetresonantsspektroskoopia Massispektroskoopia

Tuumamagnetresonants I Tuumamagnetresonants on nähtus, mis ilmneb teatud aatomite tuumadel kui need aatomid asetatakse staatilisse magnetvälja ja neile rakendatakse ostsilleeriv magnetväli. Selleks, et nähtus aatomile mõjuks peab viimasel olema “spin”. N. vesiniku aatomi tuumal on spinn. Spinni võib vaadelda kui väikest magnetvälja.

Tuumamagnetresonants II Kui tuumale, millel on spinni tõttu omaenda magnetmoment, rakendada väline magnetväli, siis orienteeruvad need tuumad magnetvälja sihis ja hakkavad pöörlema ümber magnetvälja suuna teatud sagedusega. Kui tuumale suunatud elektromagnetilise kiirguse sagedus ühtib tuuma pöörlemise sagedusega, siis pööratakse tuuma magnetmomendi vektori suund vastupidiseks välja suunaga. Tuum neelab selle juures energiat. See ongi tuumamagnetresonantsi nähtus.

Tuumamagnetresonantsspektroskoopia (TMR) TMR puhul viiakse aine tugevasse püsimagnetvälja, mille tulemusena proov ergastub. Registreeritakse sellele järgnevat kiirgust. TMR kasutab tuumamagnetresonantsi nähtust, et uurida ainete keemilisi, füüsikalisi ja bioloogilisi omadusi. TMR leiab kasutust mitmetes teadusharudes. Uuritakse ainete keemilist struktuuri, lahuste molekulaardünaamikat ning tahkete ainete molekulaarstruktuuri. Populaarsed tuumad TMR-s: 1H, 13C, 31P, 19F

Massispektroskoopia Massispektroskoopia tegeleb ainete lahutamisega lähtudes nende molekulaarsest või aatommassist. Kasutatakse orgaaniliste ainete analüüsil (kuni 200,000 Daltonit). Kuni viimase ajani peamiselt kasutusel suhteliselt hästi aurustuvate ühendite puhul. Tänu pidevale tehnoloogia ja aparatuuri edasiarendamisele on massispektroskoopia kasutusala märkimisväärselt laienenud.

Massispektroskoopia tööpõhimõte Erinevad osakesed eralduvad lähtuvalt nende laengu ja massi suhtest: a=F/m Kus a on kiirendus, F osakesele avaldatav jõud (n. elektrivälja tugevus) ja m on osakese mass. See valem kirjeldab osakeste liikumist/jaotumist massispektromeetris juhul kui kõikide lahutatavate osakeste laeng on võrdne.

Massispektromeeter Põhimõtteline skeem : Proov Ionisatsioon Kiirendamine mg.väljas Detektor Registraator

Aatomabsorptsioonspektromeetria Uurib metallide sisaldust Korraga määratakse ühte metalli Meetod on väga spetsiifiline Analüüsi läbiviimiseks tuleb proov viia aurufaasi ning atomiseerida Seejärel rakendatakse süsteemile pinge, mille tulemusena õõneskatoodlambist tulev valguskiirgus läbib atomiseeritud proovi Õõneskatoodlamp valitakse vastavalt uuritavale metallile ning võimaldab saada soovitud emissioonspektrit Emiteerunud valgus absorbeerub proportsionaalselt uuritava metalli kogusega proovis From Wikipedia, the free encyclopedia

Elementanalüüs Elementanalüüsi eesmärgiks on määrata orgaaniliste ainete elemendiline sisaldus. Põhilised elemendid, mis orgaanilises aines esinevad on C, O, H, N, S. Orgaanilistes ainetes leiduvate põhielementide määramiseks kasutatakse väga mitmesuguseid meetodeid. Kjeldahli meetod, mis põhineb neutralisatsioon-tiitrimisel. Kriitiline moment antud analüüsis on väävelhappega lagundamine ICP/MS - Sädeallikaga MS (proovi aatomid muudetakse raadiosagedusega ja suure potentsiaaliga sädeme abil gaasilisteks ioonideks). Elementanalüüs. See tehnika sisaldab hoolikalt kaalutud ainekoguse desintegreerimist hapniku joas kõrgetel temperatuuridel (1000 - 1800 oC), rektsiooniproduktide eraldamist ja sellele järgnevat detekteerimist. Reaktsiooni tulemusena moodustuvad CO2, H2O, N2, NO2. Hapniku määratakse eraldi katses, milles keskkonnana kasutatakse heeliumit.

Analüsaatorite tüübid Ajalooline süsteem CH - analüsaator Aine põletamine on katalüüsitud Pt poolt ja toimub 750 oC juures pidevas hapniku joas. Reaktsiooni tulemusena tekkivad CO2 ja H2O absorbeeriti selektiivselt NaOH-i või Mg(ClO4)2 sisaldavates, eelnevalt kaalutud torudes. C- ja H-sisalduse määramine rajanes gravimeetrilisel meetodil. N ja O määrata ei suudetud CHN - analüsaator Gravimeetrilise detekteerimise asemel kasutati rektsioonigaaside soojusjuhtivuse võrdlevat määramist. Lagundamisreaktsioon toimus siin umbes 1000 oC juures hapniku joas ja katalüsaatorina kasutati endiselt Pt -t. Antud süsteem võimaldas määrata ka N. Reaktsioonigaaside adsorptsioon ja detekteerimine: peale põletamist ja redutseerimist sisaldab gaaside segu CO2, H2O, N2 ja He. CO2 ja H2O eraldatakse nagu eelmise analüsaatori puhul. Detekteerimiseks kasutatakse kolme soojusjuhtivusdetektorit. Kogu protseduur võtab aega 14 minutit.

Analüsaatorite tüübid CHNS + O - analüsaator Süsteem võimaldab C, H, N ja S üheaegset määramist O määratakse eraldi proovist. Lagundamine: Proov viiakse põletuskambrisse tinakapslis. Vajalik temperatuur (1800 oC) saavutatakse tänu tugevatele lokaalsetele eksotermilistele efektidele. Lahutamine ja detekteerimine: Gaaside lahutamine toimub gaasikromatograafi abil kasutades spetsiaalselt elementanalüüsiks valmistatud kolonni. Gaasid elueeruvad järgnevalt: N2, CO2, H2O, ja SO2. Kvantitatiivne detekteerimine toimub soojusjuhtivusdetektoris. CHNS saab 1 mg proovis detekteerida ühekorraga 10 minuti jooksul. Hapniku määramine Hapnikusisaldus orgaanilistes ainetes on oluline informatsioon, eriti tänapäeva moodsates kütustes, kus oksügeneeritud (hapnikuga küllastatud) ühendeid kasutatakse anti-detonaatoritena plii asemel. Selliste rakenduste jaoks on välja töötatud spetsiaalsed automaatsed vedeliku süstimise seadmed, mis võimaldavad vedelikke otse pürolüüsikambrisse sisestada, ilma neid eelnevalt kaalumata. Täielik hapniku analüüs võtab aega 5 minutit.

SUPERKRIITILINE EKSTRAKTSIOON Vedelik-vedelik (pestitsiidide analüüs mullast GC-ga) Tahke – vedelik (Soxhlet) Orgaaniline või vesilahus (ekstrahent) viiakse kontakti prooviga nii et huvipakkuv analüüt lahustuks eelistatult ekstrahendis

Klassikalise ekstraktsiooni nõrgad küljed Ekstraktsioon toimub väga sageli kasutades mürgiseid orgaanilisi solvente. Tahke faasi ekstraktsioonil on orgaaniliste solventide hulk suhteliselt väike, kuid väike on ka analüüsitava aine kogus. Superkriitilise ekstraktsiooni meetod (SFE) võimaldab viia ekstraktsiooni läbi keskkonnasäästlikult. SFE on vaadeldav alternatiivina Soxhleti meetodile.

SFE füüsikalis-keemilised omadused Ained võivad esineda neljas olekus. Gaasi kokkusurumisel konstantse temperatuuri juures tekkib vedelik Vedeliku kuumutamisel konstantse rõhu juures tekkib gaas. Temperatuuri, mille juures ei ole enam üleminekut gaasi ja vedeliku vahel, nimetatakse kriitiliseks temperatuuriks.

Temperatuuri-rõhu diagramm I Rõhk Temperatuur Tahke faas Vedel faas Gaasifaas Superkriitiline

Temperatuuri-rõhu diagramm II Temperatuuri-rõhu diagrammil on näha, et keemiskõvera lõpus on punkt, kust algab kriitiline piirkond. Ainet mille temperatuuri ja rõhu väärtused asuvad selles piirkonnas, nimetatakse superkriitiliseks solvendiks. Selles piirkonnas mõjutavad temperatuuri ja rõhu muutused ainult solvendi tihedust, aga mitte tema olekut.

SFE aparatuur SFE seadme põhiosad CO2 (või mõne teise ekstrahendi) balloon – ekstahendi allikas pump ekstraktor restriktor proovi kogumisnõu temperatuuri kontrolliv seade rõhku kontrolliv seade

SFE meetodi põhimõte Ekstrahent on vedelal kujul kuni ta jõuab ekstraktorisse Ekstraktoris on temperatuur ja rõhk üle ekstrahendi kriitiliste väärtuste Tekkinud olekut nimetatakse superkriitiliseks: sellel on nii vedelikku kui gaasi iseloomustavad omadused – võime lahustada nagu vedelikul ja väike viskoossus nagu gaasil Väikese viskoossuse tõttu on ekstrahent võimeline tungima paremini proovi osakeste vahele Pärast ekstraktorist väljumist muutub ekstrahent kõigepealt vedelaks ja siis gaasiliseks Uuritava aine kogumiseks kasutatakse kas tahket adsorberit või lahust, mis püüaks kinni analüüdi kuid laseks gaasilisel ekstrahendil lenduda Uuemates süsteemides juhitakse ekstrahent koos prooviga gaaskromatograafi

Ainete kriitilisi parameetreid

CO2 kui enimkasutatav SFE ekstrahent Sobivad superkriitilised parameetrid Ohutu Odav Puuduseks on CO2 mittepolaarsus, mida saab mõnevõrra reguleerida tiheduse suurendamise või modifikaatori (metanool, atsetoon) lisamisega

SFE-s uuritavad ained Ekstraktsiooni selektiivsuse tõstmiseks reguleeritakse rõhku ja temperatuuri ekstraktoris Pinnase analüüs Kofeiinivaba kohvi tootmine Nitroglütseriini eraldamine bioloogilistes maatriksites sisalduvatest polaarsetest ainetest Kolesterooli määramine toiduainetest, jne Proovid peaksid enne analüüsi olema tahkel või pooltahkel kujul.

Proovide ettevalmistamine SFE-s Tahked proovid (aedviljad, pinnas, tabletid) jahvatatakse ja homogeniseeritakse. Osakeste läbimõõt peaks olema piisavalt väike (10-50 μm). Kõvad tahked proovid (kivimid, puit) – suured tükid eemaldatakse, seejärel proovi uhmerdatakse ja sõelutakse. Viimane etapp on sageli krüogeenne jahvatamine. Pooltahked proovid (küpsed puuviljad, geelid, loomsed koed) nõuavad suuremat eeltöötlust. Enne homogeenseks jahvatamist tuleb neid külmutatult kuivatada.

Varieeritavad parameetrid: rõhk CO2 lahustamisvõime 75 atm juures sarnaneb pentaani või heksaani omaga. 380 atm juures on see nagu metüleenkloriidil, tolueenil ja benseenil. Mida madalam on uuritava aine molekulmass, seda madalamat rõhku on vaja aine lahustamiseks. Mida polaarsem on aine, seda suuremat rõhku on vaja avaldada.

Varieeritavad parameetrid: temperatuur Seos temperatuuri ja solvendi tiheduse vahel ei ole lineaarne Temperatuuri kasvades tihedus väheneb Temperatuuri muutmine mõjutab ekstraktsiooni selektiivsust

Proovi komponentide omaduste mõju Aine võime lahustuda superkriitilises solvendis on seotud tema füüsikaliste ja keemiliste omadustega. Lenduvus – lenduvam aine lahustub paremini superkriitilises solvendis. Väiksema lenduvusega aine desorbeerub varem. Keemiline struktuur – anorgaanilised ained lahustuvad superkriitilistes solventides kui nad sisaldavad orgaanilisi funktsionaalrühmi (väävelhappe dimetüülester). Vesiniksideme olemasolu molekulis võib vähendada aine superkriitilist lahustuvust.

SFE eelised ja puudused võrreldes klassikaliste meetoditega Kiirus (kümneid kordi kiirem kui näiteks Soxhlet) Ökonoomsus (üksikanalüüsi hind on suhteliselt madal) Efektiivsus Ohutus Lihtsus Puudused Aparatuur on kallim Mahtuvus (analüüsitava proovi kogus on suhteliselt väike) Vähem informatsiooni