Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

2. fejezet - Mintaelőkészítő módszerek (Ilisz István)

2. fejezet - Mintaelőkészítő módszerek (Ilisz István)

Energiaközlés mikrohullámú besugárzással

Mikrohullámnak az elektromágneses spektrum 300 MHz és 300 GHz közé eső tartományát nevezzük. A mikrohullám analitikai alkalmazásai során a mikrohullámú energiaközlésben rejlő lehetőségeket aknázzák ki. Az analitikai célú alkalmazásoknál teljesítendő követelmények jelentősen eltérnek a háztartásokban megfogalmazott igényektől; a kémiai analízis során vizsgálandó minták tömege lényegesen kisebb, mint a háztartási mikrohullámú készülékben elkészítendő élelmiszereké; igen gyakran mérgező gázok képződésére kell számítani; meg kell akadályozni az illékony komponensek elvesztését; szabályozott hőmérséklet és kontrollált nyomás mellett kell dolgozni, nagy mintaszám feldolgozására kell képesnek lenni. A felsorolt különbségek miatt egy a hétköznapokban melegítésre használt mikrohullámú készülék nem alkalmas analitikai alkalmazásra. Ennek megfelelően az analitikai alkalmazásoknak az 1980-as évekig korlátot szabott a megfelelő készülék kifejlesztése.

Működési elv

Az anyagok viselkedését a mikrohullámú térben elsősorban dielektromos tulajdonságuk határozza meg. A mikrohullámú hőközlés alapja az, hogy az elektromos tér erőt fejt ki a töltéssel rendelkező és permanens dipólusmomentummal rendelkező, illetve polarizálható részecskékre. A mikrohullámú sugárzás alapvetően két eltérő mechanizmuson keresztül képes hőt termelni: a dipólusok polarizációja és ionvezetés révén. A poláris, dipólusos vagy indukálható dipólussal rendelkező molekulák a sugárzással összhangban változtatják orientációjukat, azaz a sugárzásban tárolt energiát elnyelik. A dipólusos molekulákat a változó elektromágneses mező forgásra kényszeríti, forgásuk során fellépő dielektromos veszteségek miatt hő fejlődik. A mikrohullámú energiaközlés tehát nem konvektív, hanem úgynevezett belső hőkeltésen alapuló energiaközlés.

A mikrohullámmal szemben mutatott tulajdonságaik alapján az anyagokat három csoportra oszthatjuk: a) reflektív: visszaveri a mikrohullámokat (pl. fémek), b) transzparens: átlátszó a mikrohullám számára (pl. kvarc, porcelán, üveg, teflon, hexán, toluol), c) abszorptív: elnyeli a mikrohullámú sugárzást (pl. víz, metanol, etanol, aceton).

Az említett különbségek miatt a mikrohullámú melegítés néhány jellemzője:

  • „belső hőkeltés”: jóval egyenletesebb hőmérséklet profil az anyag belsejében, mint konvekciós melegítés esetén

  • gyors

  • alaktalan szilárd minták is melegíthetők

  • kis tehetetlenség (a besugárzás megszűnésével a hőbevitel is azonnal megszűnik)

  • jól szabályozható hőmérséklet

  • szelektív melegítés: összetett rendszerek esetén a különböző dielektromos tulajdonságú anyagok eltérő mértékben abszorbeálják a mikrohullámú energiát, így eltérő mértékben melegszenek

Eszközök és módszerek

Egy mikrohullámú berendezés vázlatos felépítését az alábbi ábra mutatja be.

A mikrohullámú berendezések általános felépítése

A magnetron egy hengeres kialakítású dióda, amely tipikusan egy adott frekvenciájú (pl. 2450 MHz) mikrohullámú sugárzás előállítására képes. Az antennán keresztül leadott elektromágneses hullámokat a reflektív tulajdonságú hullámvezető továbbítja a kavitásba (rezonátor üregbe), amelyben általában egy sugárzás elosztó (reflektív anyagból készült „keverőlapát”) és legtöbbször a mintát forgató forgótányér biztosítja a berendezésben elhelyezett minták pozíciótól független egyenletes melegítését.

Az analitikai célú mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerekben az edényzet általában zárt, a mintakomponensek veszteségének csökkentésére és az emelkedő nyomás okozta reakció sebesség növelésére. Az edényzet anyaga inert, például vastagfalú kvarc, vagy mechanikai szilárdságot kölcsönző kerámia köpennyel ellátott fluoropolimer (PTFE, TFM vagy PFA). Az utóbbi megoldás esetén az elérhető hőmérsékletet a polimer olvadáspontja korlátozza kb. 270-290 °C-ra. Az üzemi nyomás max. 80-130 bar. Ezekből az edényzetekből általában 4-16 db kerül a mikrohullámú térbe. A zárt edényzet belsejében uralkodó hőmérsékletet és nyomást szenzorok folyamatosan követik (pl. bemerülő gázbuborék hőmérő, infravörös sugárzásmérő szenzor, elektronikus nyomásmérők, stb.) és azok jelével szabályozzák. Ez a folyamatos kontroll, valamint további biztonsági elemek (pl. szakadó betétek, szükség esetén működésbe lépő, beépített elszívó berendezés) akadályozzák meg, hogy a zárt edényzet felrobbanjon, vagy a kezelő megsérüljön. A mikrohullámú mintaelőkészítő rendszerek tehát valójában nagynyomású, többpozíciós, automatikus reaktorok.

Analitikai mikrohullámú mintaelőkészítő készülék edényzetének metszeti rajza

Jellegzetes alkalmazási területek

Az analitikai alkalmazások között leggyakrabban a mikrohullámú besugárzással segített extrakciót (microwave assisted extraction, MAE) és az elemanalitikában használatos feltárást (microwave assisted digestion, MAD) használják, amelyekre ma már nemzetközi szabványok is léteznek. Ezek az alkalmazások közvetlenül ki tudják használni a mikrohullámú melegítés (energiaközlés) előnyeit, hiszen a kémiai reakciók sebessége a hőmérséklet emelésével általában nő. A zárt edényzetben a melegítés (és dekompozíció) hatására emelkedő nyomás is elősegíti a reakciók lejátszódását.

A mikrohullámmal segített extrakciót szilárd anyagokból történő oldószeres kioldásra használják, mely során általában 2-20 g száraz, szilárd mintát mérnek be az extraháló edénybe, melyhez 30 ml-nél nem több szerves oldószert adagolva végzik el az extrakciót. A megfelelő nyomás és hőmérséklet elérését (1-2 perc) követően tipikusan 10-20 percig tart az extrakció. A rendszer lehűlését követően általában a szilárd szennyezők eltávolítását célzó szűrés, és a koncentráció növelését eredményező bepárlás előzi meg az analízist. Összevetve a hagyományos hőközlésen alapuló módszerekkel (pl. Soxhlet-extrakció) elmondható, hogy a mikrohullámmal segített extrakció előnyei között mindenképpen említést érdemel a lényegesen rövidebb extrakciós idő (mely során ugyanolyan vagy akár nagyobb mértékű kinyerés érhető el), a kisebb oldószer felhasználás, illetve a nagyobb számú minta egyidejű feldolgozása. A mikrohullámú besugárzással nem jól melegíthető (pl. apoláros) oldószerek alkalmazását azáltal teszik lehetővé, hogy egy kívülről, mágneses erővel forgatott keverőrudat helyeznek az oldószerbe. Ez a mágneses keverőrúd Weflon burkolatú (kb. 25% szén szemcsét tartalmazó Teflon), amely maga jól melegszik a besugárzás hatására.

A mikrohullámú feltárást már az 1970-es években alkalmazták szilárd minták roncsolására, oldatba vitelére. Az edényzetbe 5-10 mL savelegyet (többnyire HCl, HNO3, HF vagy HClO4 valamilyen elegyét) mérünk be kb. 0,2 g mintával együtt és 20-40 percig roncsoljuk. A módszerrel teljes (szilárd maradék nélküli) feltárás érhető el. Érdemes megemlíteni, hogy összetett folyadékmintákat (pl. szennyvíz minták, folyékony élelmiszerek, biológiai minták) is feltárásnak célszerű alávetni, a mintamátrix egyszerűsítése, a szervesanyag-tartalom csökkentése és így a pontosság javítása érdekében. Ezekben az esetekben a mintatérfogat általában max. 100 mL.

A korszerű mikrohullámmal segített mintaelőkészítő rendszerben két további, a klasszikus mintaelőkészítési eljárásokból átültetett módszert is alkalmazni lehet. Az egyik módszer a minta oxigén atmoszférában való égetése, majd a keletkező gázok alkalmas oldószerben való elnyeletése. Mikrohullámú besugárzás esetén ez egy sugárzást elnyelő, a porított mintát is tartalmazó pellet segítségével érhető el. A másik eljárás a szerves minták roncsolása UV fény segítségével; itt a mintafolyadékba egy kvarcüveg búrájú, speciális lámpát helyeznek el, ami a mikrohullámú gerjesztés hatására lép működésbe és intenzív UV fényt bocsát ki (mikrohullámú plazmát keltenek a búra belsejében).

Két további, említésre méltó, fizikai mintakezelési eljárást jelent a szárítás és a bepárlás. A mikrohullámú besugárzással nedvességtartalmú, alaktalan szilárd (pl. növényi, élelmiszeripari) minták kezelhetők könnyen, gyorsan és szennyeződésmentesen. A kialakítás ezekben az esetekben olyan, hogy a melegítés közben, ami egy kis pórusméretű filterekkel ellátott búra alatt történik, pormentes levegőt (vagy inert gázt) fúvatnak át a mintán. Ez a gázáramlás elszállítja a mikrohullámú besugárzás során keletkező vízgőzt. A folyadékminták bepárlása esetében a feltáró edényzetben elhelyezett mintaoldat gőzterét folyamatosan elszívja a mikrohullámú berendezés beépített elszívó rendszere vagy egy külső szivattyú.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Mit nevezünk mikrohullámnak?

  2. Ismertesse a mikrohullámú hőközlés működési mechanizmusát!

  3. Milyen előnyei vannak a mikrohullámú besugárzással történő melegítésnek az analitikai mintaelőkészítésben?

  4. Ismertesse az analitikai célú mikrohullámú mintaelőkészítő berendezések általános felépítését!

  5. Ismertesse a mikrohullámmal segített extrakció működését és főbb jellemzőit!

  6. Ismertesse a mikrohullámmal segített savas feltárás működését és főbb jellemzőit!

  7. Milyen további lehetőségeket ismer mikrohullámú besugárzás alkalmazására analitkai kémiában?