Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Kémiai funkcionalizálás

Kémiai funkcionalizálás

Az analitikai kémiában ma egyre nagyobb érzékenységű és szelektivitású mérésekre van szükség; rutinszerűek a nyomanalitikai (kb. ppm-ppb koncentráció) feladatok és számos területen kell ultranyomanalitikai (ppt vagy az alatt) méréseket is végrehajtani sok esetben igen összetett, nagyon sok komponenst tartalmazó mintákban. A mérési eljárások szelektivitásának és érzékenységének növelésére a mintakomponensek vagy a mintával érintkező felületek kémiai módosítása gyakori megoldás. Ezt tágabb értelemben kémiai funkcionalizálásnak nevezhetjük, hiszen mindig egy adott kémiai funkció kialakítása a cél.

Nagyon sok példa felsorolható a kémiai funkcionalizálásra az analitikai kémiában, hiszen lényegében ide tartozik a maszkolás/demaszkolás, származékképzés, molekulák radioaktív vagy fluoreszcenciás jelzése, molekuláris receptorok kialakítása, speciális (pl. ioncserélő, királis vagy szelektív abszorpciós vagy adszorpciós) képességekkel bíró szorbensek létrehozása, stb. Az alábbiakban ezek közül itt elterjedtsége miatt a származékképzést, illetve korszerű jellege miatt a molekuláris lenyomatú polimerek készítését említjük meg röviden.

Származékképzés

Származékképzésről vagy derivatizálásról beszélünk akkor, amikor az analizálandó mintakomponens(ek) valamely tulajdonságát kémiai reakció segítségével módosítjuk. Az ilyen módosításnak a fentiek alapján természetesen az a célja, hogy az adott komponens a rendelkezésre álló eszközök segítségével az adott koncentrációtartományban jól reprodukálhatóan és szelektíven mérhető legyen. A származékképző reagenssel szemben az alábbi fontosabb elvárások fogalmazhatók meg:

  • gyorsan, kvantitatívan és reprodukálható módon játszódjon le a reakció a mérendő komponenssel,

  • már enyhe körülmények között végbemenjen a reakció,

  • a reagens felesleg elválasztható legyen a képződött terméktől, vagy az ne zavarja az analízist.

Példaként néhány gyakrabban alkalmazott lehetőséget említünk meg. UV-Vis spektrofotometriás detektálás esetén kromofórok beépítésével lehet növelni a fényelnyelés mértékét. Erre a célra leggyakrabban aromás gyűrűt tartalmazó reagenst (pl. dinitrobenzoil-klorid, benzil-bromid, dinitrofenil-hidrazin, naftildiazometán, stb.) alkalmaznak; a megfelelő reagenst természetesen a módosítandó molekula szerkezetének ismeretében kell megválasztani. Fluoreszcencia spektroszkópiás detektálás esetén fluorofórok beépítésével a nem, vagy csak kicsiny mértékben fluoreszkáló molekulák fluoreszcens jele növelhető. Ilyen derivatizálószerek pl. a szulfonil-kloridok.

Egy további, gyakran alkalmazott esetet jelentenek a kromatográfiás analízisekhez kapcsolódó származékképzési lehetőségek. A kromatográfiás analízist megelőző származékképzés során a detektálhatóság növelése mellett igen gyakran a kromatográfiás viselkedés módosítása is megfogalmazódik elérendő célként (pl. retenció befolyásolása, felbontás növelése). Gázkromatográfiában emellett fontos lehet a mintakomponensek illékonyságának vagy termikus stabilitásának növelése is (pl. trimetilklórszilán reagens). A folyadékkromatográfiás származékképzés kivitelezésére két, kissé eltérő alkalmazás terjedt el a gyakorlatban; az oszlop előtti és az oszlop utáni derivatizálás, melyek fontosabb jellemzőit az alábbiakban soroljuk fel.

Az oszlop előtti derivatizálás jellemzői:

  • a minta kromatográfba juttatása előtt végzik el,

  • nem szükséges a származékképzési reakciónak gyorsnak lennie,

  • nem mindig automatizálható,

  • a reagens könnyen elválasztható legyen már a minta kromatográfba juttatása előtt vagy ne zavarja se az elválasztást, se a detektálást.

Az oszlop utáni derivatizálás jellemzői:

  • a kolonna után (és a detektor előtt) juttatják az eluens áramba a származékképzőt,

  • a reakció gyorsasága nagyon fontos,

  • a reagens ne zavarja a detektálást.

A származékképzésen alapuló meghatározások 1980-as és 1990-es években élték virágkorukat, amikor a mai korszerű kapcsolt technikák, illetve modern mintaelőkészítő módszerek nem álltak még rendelkezésre. Ma már előnyben részesítik a minta módosítása nélkül végrehajtható meghatározásokat, így a származékképzés analitikai alkalmazásainak száma lényegesen csökkent, de kémiai jelentőségüket továbbra sem veszítették el.

Molekuláris lenyomatok alkalmazása

A molekuláris lenyomat alapú technika (molecularly imprinted polimers, MIPs) vegyület-specifikus kötőhelyek kialakítására törekszik megfelelő mátrix (különféle polimerek) és templát-molekula alkalmazásával úgy, hogy a polimerizációt a templát (lenyomat-molekula) jelenlétében végzi el.

A lenyomat készítése során a templát molekulát kiszemelt kötőhelyein keresztül különböző reverzibilis kölcsönhatásokba hozzák funkcionalizált monomer egységekkel. Az ezt követő polimerizáció révén a templát molekula körül létrejön egy „merev” szerkezet, amely a templát eltávolítása (általában kioldása) után mint alakszelektív üreg („imprint”) felhasználható arra, hogy csak a templát molekulát kösse meg. Ezen koncepció mentén igen összetett (pl. biológiai) mintamátrixok esetén is kiváló szelektivitás érhető el.

A molekuláris lenyomat alapú technika főbb lépéseit az alábbi ábrák szemléltetik. Az előálló polimert sok esetben aprítani szükséges, hogy az üregek jobban hozzáférhetők legyenek.

Molekuláris lenyomat készítése

Mivel templátként elvileg bármi szóba jöhet; fémionok, aminosavak, hormonok, peptidek, fehérjék, sejtek, vagy akár vírusok is, ezért a technika alkalmazási lehetőségeinek köre igen széles. A MIP-ek ígéretesnek tűnő lehetőséget jelentenek az analitikai kémia minden olyan területén, ahol specifikus felismerőképesség szükségeltetik. Példaként említhetők az elválasztástechnikai műveletek (pl. kromatográfiás állófázisok, szilárdfázisú extrakciós töltetek), speciális transzport membránok, szenzorok receptor rétegei, stb.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Milyen analitikai problémák megoldására nyújt lehetőséget a származékképzés?

  2. Milyen elvárások fogalmazhatók meg a származékképző reagenssel szemben?

  3. Ismertessen néhány konkrét példát a származékképzés analitikai alkalmazására!

  4. Mit nevezünk molekuláris lenyomatú polimereknek?

  5. Ismertesse a MIP készítés általános lépéseit!

  6. Milyen analitikai területeken látja lehetségesnek a MIP-ek alkalmazását?