To τεύχος του επιστημονικού περιοδικού αναλυτικής χημείας ΑNALYTICA CHIMICA ACTA για τον μήνα Ιανουάριο 2012, είναι αφιερωμένο στην εργασία με τίτλο "Microfabricated disposable lab-on-a-chip sensors with integrated bismuth microelectrode arrays for voltammetric determination of trace metals", συνεργασία του Εργαστήριου Αναλυτικής Χημείας του Πανεπιστημίου Αθηνών και του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος. Χάρη στην πρωτοτυπία της εργασίας, το άρθρο χαρακτηρίστηκε από το περιοδικό ως "featured article" και φιλοξενείται και στο εξώφυλλο του περιοδικού.
Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα Πειραματικά. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Εμφάνιση αναρτήσεων με ετικέτα Πειραματικά. Εμφάνιση όλων των αναρτήσεων
Ατομική Φασματοσκοπία
Η Φασματοσκοπία είναι κλάδος της Φυσικής και ιδιαίτερα της Οπτικής ή Κυματικής οπτικής που ασχολείτει με την έρευνα και τη μελέτη της δομής, της σύστασης και των ιδιοτήτων των φασμάτων της ύλης καθώς και των διαφόρων ακτινοβολιών.
Η Φασματοσκοπία έχει ως προέλευσή της το περίφημο εκείνο πείραμα του Νεύτωνα που πρώτος το 1668 πέτυχε να λάβει φάσμα του Ηλιακού φωτός με παρεμβολή ενός διαφανούς πρίσματος στη πορεία λεπτής φωτεινής δέσμης. Με αυτό τον τρόπο έλαβε δηλαδή μια πολύχρωμη επιμήκη δέσμη που αποτελούνταν κατά σειρά τα χρώματα: κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε και ιώδες. Από το πείραμα εκείνο παρεμβάλλοντας στη σειρά και δεύτερο ισότροπο πρίσμα και διαπιστώνοντας πως κάθε μια μονοχρωματική αναδυόμενη δέσμη δεν αναλύεται συπέρανε τα ακόλουθα:
1. Οι διαφόρων χρωμάτων φωτεινές ακτίνες παρουσιάζουν διαφορετική διάθλαση.
2. Οι ηλιακές ακτίνες αποτελούν μίγμα ακτίνων διαφόρου διάθλασης.
3. Οι ακτίνες που δεν αναλύονται από το διαφανές πρίσμα αποτελούν απλό φως (σε αντιδιαστολή του σύνθετου).
Το 1802 ο Βόλλαστον εξετάζοντας το ηλιακό φάσμα λεπτομερέστερα παρατήρησε πλήθος σκοτεινών παράλληλων ραβδώσεων. Το 1814 ο Ιωσήφ Φραουνχόφερ μελέτησε τις ραβδώσεις αυτές και σύγκρινε διάφορα φάσματα με του ηλιακού. Έκτοτε οι ραβδώσεις αυτές του ηλιακού φάσματος φέρονται ως ραβδώσεις Φραουνχόφερ. Μερικές εξ αυτών είναι λεπτότατες και άλλες εντονότερες ενώ η όψη και η διάταξη αυτών είναι ανεξάρτητες της ύλης και της διαθλαστικής γωνίας του πρίσματος. Την εξήγηση των ραβδώσεων έδωσε το 1859 ο Κίρχοφ που διαπίστωσε πως αυτές οφείλονται στην ύπαρξη διάπυρων αερίων στοιχείων στον Ήλιο, όπως νατρίου, (ραβδώσεις D), καλίου (ραβδώσεις A-B), σιδήρου κ.λπ. Η διαπίστωση όμως αυτή ήταν αρκετή για την γένεση της φασματοσκοπικής χημικής ανάλυσης.
1. Οι διαφόρων χρωμάτων φωτεινές ακτίνες παρουσιάζουν διαφορετική διάθλαση.
2. Οι ηλιακές ακτίνες αποτελούν μίγμα ακτίνων διαφόρου διάθλασης.
3. Οι ακτίνες που δεν αναλύονται από το διαφανές πρίσμα αποτελούν απλό φως (σε αντιδιαστολή του σύνθετου).
Το 1802 ο Βόλλαστον εξετάζοντας το ηλιακό φάσμα λεπτομερέστερα παρατήρησε πλήθος σκοτεινών παράλληλων ραβδώσεων. Το 1814 ο Ιωσήφ Φραουνχόφερ μελέτησε τις ραβδώσεις αυτές και σύγκρινε διάφορα φάσματα με του ηλιακού. Έκτοτε οι ραβδώσεις αυτές του ηλιακού φάσματος φέρονται ως ραβδώσεις Φραουνχόφερ. Μερικές εξ αυτών είναι λεπτότατες και άλλες εντονότερες ενώ η όψη και η διάταξη αυτών είναι ανεξάρτητες της ύλης και της διαθλαστικής γωνίας του πρίσματος. Την εξήγηση των ραβδώσεων έδωσε το 1859 ο Κίρχοφ που διαπίστωσε πως αυτές οφείλονται στην ύπαρξη διάπυρων αερίων στοιχείων στον Ήλιο, όπως νατρίου, (ραβδώσεις D), καλίου (ραβδώσεις A-B), σιδήρου κ.λπ. Η διαπίστωση όμως αυτή ήταν αρκετή για την γένεση της φασματοσκοπικής χημικής ανάλυσης.
Στη πράξη για να ληφθεί καθαρό ηλιακό φάσμα χωρίς δηλαδή τα διάφορα χρώματα να επικάθονται το ένα του άλλου αρκεί η παρεμβολή ενός συγκλίνοντος φακού μεταξύ σχισμής κατευθυντήρα και του πρίσματος του φασματοσκοπίου.
Βιβλιογραφία
Daniel C. Harris ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, Τόμος Β, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης
Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD)
Οι ακτίνες-Χ ανακαλύφθηκαν το 1895 από τον Wilhelm Roentgen στο πανεπιστήμιο του Wurzburg στη Γερμανία. Παρατήρησε πως μερικοί κρύσταλλοι του συμπλόκου βαρίου με κυανιούχο λευκόχρυσο (barium platinocyanide) που βρίσκονταν δίπλα σε ένα σωλήνα εκκένωσης, καλυμμένοι με μαύρο χαρτί, άρχισαν να φθορίζουν όταν δημιουργήθηκε εκκένωση. Εξετάζοντας τις σκιές που δημιουργήθηκαν από τις ακτίνες, ο Roentgen εντόπισε την προέλευση των ακτινών στα τοιχώματα του σωλήνα εκκένωσης. Η ονομασία, ακτίνες Χ (άγνωστες), δόθηκε από την ερευνητική ομάδα του Roentgen, καθώς οι ακτίνες είχαν ξεκάθαρες ομοιότητες με το φώς αλλά δεν είχαν καμία παρόμοια ιδιότητα με αυτές της θεμελιωμένης κυματικής οπτικής, πόλωση, περίθλαση, ανάκλαση και διάθλαση. Για τη σημαντική του ανακάλυψη τιμήθηκε με το πρώτο Νόμπελ Φυσικής το 1901, ενώ ακολούθησαν ακόμα πέντε απονομές.
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι η πρόσκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενεργείας στην επιφάνεια ενός μετάλλου (στόχο) με μεγάλο ατομικό αριθμό. Τα ηλεκτρόνια αυτά προσπίπτοντας στο στόχο διεγείρουν τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων του μετάλλου προκαλώντας την απόσπασή τους. Το «κενό» αυτό στην εσωτερική στοιβάδα του ατόμου καλύπτεται από ηλεκτρόνια υψηλότερων εξωτερικών ενεργειακά στοιβάδων. Η παραπανίσια ενεργεία, δηλαδή η ενεργειακή διαφορά των δυο στοιβάδων, ελευθερώνεται με την εκπομπή φωτονίου (ακτίνες Χ).
Ο πιο συνηθισμένος τρόπος παραγωγής ακτίνων Χ είναι η πρόσκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενεργείας στην επιφάνεια ενός μετάλλου (στόχο) με μεγάλο ατομικό αριθμό. Τα ηλεκτρόνια αυτά προσπίπτοντας στο στόχο διεγείρουν τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στοιβάδων του μετάλλου προκαλώντας την απόσπασή τους. Το «κενό» αυτό στην εσωτερική στοιβάδα του ατόμου καλύπτεται από ηλεκτρόνια υψηλότερων εξωτερικών ενεργειακά στοιβάδων. Η παραπανίσια ενεργεία, δηλαδή η ενεργειακή διαφορά των δυο στοιβάδων, ελευθερώνεται με την εκπομπή φωτονίου (ακτίνες Χ).
Περίθλαση μιας ακτινοβολίας συμβαίνει όταν αυτή προσπέσει σε φράγμα που αποτελείται από παράλληλες σχισμές ίσου πλάτους d, και μόνο όταν ισχύει λ>d. Οι ακτίνες Χ έχουν μήκη κύματος που κυμαίνονται συνήθως μεταξύ 0,1 - 10A, επομένως είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μηχανικό φράγμα για την περίθλαση, αφού με την υπάρχουσα τεχνολογία το d μπορεί να φτάσει τα 1000 A Ο von Laue το 1912 πρότεινε τη χρήση φυσικών κρυστάλλων σαν φράγματα περίθλασης, αφού η διάταξη των ατόμων μπορεί να θεωρηθεί σαν μια σειρά από παράλληλα δικτυωτά επίπεδα, τα οποία απέχουν μεταξύ τους αποστάσεις της τάξης του 1A και είναι ίσες μεταξύ τους. Έτσι γνωρίζοντας το d μπορεί να υπολογιστεί το λ και ο κρύσταλλος να χρησιμοποιηθεί σαν φράγμα περίθλασης. Τα φάσματα περίθλασης μπορούν να αποτυπωθούν είτε σαν ομόκεντροι κύκλοι σε κατάλληλο φωτογραφικό φιλμ, είτε σαν τρισδιάστατα πλέγματα από φωτεινά σημεία. Η αναγκαία συνθήκη για αν υπάρχει συμβολή μέγιστης έντασης, βρέθηκε από τους W.H και W. L. Bragg (πατέρα και γιο) και είναι : n •λ = 2 •d•ημθ , όπου n ακέραιος αριθμός που παίρνει τιμές 0,1,2,3,4 και αναφέρεται στα διαδοχικά νοητά κρυσταλλικά επίπεδα.
Βιβλιογραφία
Skoog,DA., Holler, F.J., Nieman, T.A., Αρχές της ενόργανης ανάλυσης, Εκδόσεις Κωσταράκη 2002
Λιθογραφία
Λιθογραφία (lithography) είναι η διαδικασία αποτύπωσης (patterning) ορισμένων δομών, δηλαδή γεωμετρικών σχημάτων, πάνω σε κάποια επιφάνεια. Για να αποτυπωθούν αυτές οι δομές απαιτείται η χρήση μιας πρότυπης μάσκας, η οποία να έχει αποτυπωμένη πάνω της μια μήτρα αυτών των δομών. Ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται, η λιθογραφία διακρίνεται σε οπτική λιθογραφία, λιθογραφία με ακτίνες Χ και λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης Κατά την οπτική λιθογραφία (φωτολιθογραφία) η αποτύπωση γίνεται με τη διέλευση φωτός μέσα από τη μάσκα, η οποία είναι κατασκευασμένη από χαλαζία ή πλαστικό. Ο σχεδιασμός της μάσκας γίνεται με κλασικά προγράμματα σχεδίασης (AUTOCAD), για τις απλές διατάξεις. Η μάσκα διαθέτει σκοτεινές (μη διαπερατές από το φως) και φωτεινές (διαπερατές από το φως) περιοχές.
Τα βήματα της οπτικής λιθογραφίας που είναι:
α) Λεπτό στρώμα φωτοευαίσθητου πολυμερούς αποτίθεται στο δισκίο, το οποίο στη συνέχεια περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα, έτσι ώστε να εξαπλωθεί το πολυμερές, μέσω της φυγόκεντρου δύναμης. Ακολουθεί θέρμανση για την πλήρη απομάκρυνση του διαλύτη του πολυμερούς.
β) Το φωτοευαίσθητο πολυμερές ακτινοβολείται μέσα από τη μάσκα με τις διαφανείς και αδιαφανείς περιοχές, η οποία περιέχει το επιθυμητό σχήμα αποτύπωσης στο δισκίο. Το φως που περνά από τις διαφανείς περιοχές, προκαλεί χημικές αλλαγές στο φωτοευαίσθητο πολυμερές, οι οποίες ενισχύονται και με τη θέρμανση του δείγματος. Συγκεκριμένα, η ρητίνη όταν δέχεται το φως μπορεί είτε να φωτοαποικοδομείται είτε να σταθεροποιείται. Οπότε στην πρώτη περίπτωση το πολυμερές καταστρέφεται στις φωτεινές περιοχές της μάσκας, ενώ σταθεροποιείται στις σκοτεινές και το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει στη δεύτερη περίπτωση.
γ) Ακολουθεί η εμφάνιση του πολυμερούς σε κατάλληλο εμφανιστή (συνήθως αραιό διάλυμα βάσης) που απομακρύνει το φωτοαποικοδομημένο πολυμερές. Έτσι, απομακρύνονται οι φωτισμένες περιοχές αφήνοντας άθικτες τις σκοτεινές (διεργασία θετικού τόνου), είτε οι σκοτεινές περιοχές αφήνοντας άθικτες τις φωτισμένες (διεργασία αρνητικού τόνου). Μετά το τέλος της εμφάνισης, στο πολυμερές έχει αποτυπωθεί είτε το σχήμα της μάσκας είτε το αρνητικό του.
Στην ηλεκτρονική λιθογραφία η αποτύπωση γίνεται με κατευθυνόμενη δέσμη ηλεκτρονίων, πολύ μικρής διαμέτρου. Με αυτό τον τρόπο είναι εφικτή η επίτευξη πολύ μικρών δομών (0,1 μm), αλλά η όλη διαδικασία είναι χρονοβόρα και απαιτεί πολύ ακριβό εξοπλισμό. Η κύρια χρήση της είναι η κατασκευή μασκών που χρησιμοποιούνται στην οπτική λιθογραφία, εφόσον είναι ο πιο ακριβής τρόπος αποτύπωσης ενός ηλεκτρονικού αρχείου σε μάσκα.
Η λιθογραφία ακτίνων Χ αποτελεί επέκταση της οπτικής λιθογραφίας σε μικρότερα μήκη κύματος, ώστε να γίνει εφικτή η κατασκευή όλο και μικρότερων δομών. Απαιτεί τη χρήση ειδικών μασκών (λεπτές μεμβράνες Si που ως σκοτεινές περιοχές έχουν παχύ στρώμα Au), αλλά και πολύ δαπανηρού εξοπλισμού, όπως ένα σύχνοτρο, μέσω του οποίου παράγονται οι ακτίνες Χ. Ίσως είναι ο μελλοντικός τρόπος λιθογραφίας για τη βιομηχανία της μικροηλεκτρονικής, εφόσον υπάρχει ένα όριο στο μικρότερο μήκος κύματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην οπτική λιθογραφία και αφορά την δυνατότητα εστίασης του ειδώλου της μάσκας.
Βιβλιογραφία:
Plummer, J.D., Deal, M.D., Griffin, P.B., Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, New Jersey, 2000
Campbell, S.A.,The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 2001
Αναδιαλυτική Βολταμμετρία (stripping voltammetry)
Οι βολταμμετρικές τεχνικές συνιστούν μια ομάδα ηλεκτροχημικών τεχνικών αναλύσεως, στις οποίες η αναλυτική πληροφορία προκύπτει από διαγράμματα i-E, όπου i είναι η ένταση του ρεύματος, που διαρρέει το ηλεκτρολυτικό στοιχείο και E το δυναμικό που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο εργασίας. Στην πράξη, ένα βολταμμετρικό διάγραμμα λαμβάνεται μεταβάλλοντας (σαρώνοντας) το δυναμικό του ηλεκτροδίου εργασίας σε σχέση με το χρόνο και καταγράφοντας το ρεύμα συναρτήσει του δυναμικού. Το ύψος της κορυφής (που αντιστοιχεί στο μέγιστο ρεύμα) ονομάζεται ρεύμα κορυφής, IK , ενώ το δυναμικό που αντιστοιχεί στο ρεύμα κορυφής ονομάζεται δυναμικό κορυφής, EK. Το δυναμικό κορυφής είναι χαρακτηριστικό για την προσδιοριζόμενη ουσία (ποιοτική πληροφορία) και το ρεύμα κορυφής είναι συνήθως ανάλογο με τη συγκέντρωση του προσδιοριζόμενου συστατικού (ποσοτική πληροφορία).
Η αναδιαλυτική βολταμμετρία είναι μια βολταμμετρική τεχνική στην οποία χρησιμοποιούνται δύο στάδια:
1) ένα στάδιο προσυγκέντρωσης (απόθεσης) της αναλυόμενης ουσίας από το διάλυμα του δείγματος επάνω στο ηλεκτρόδιο εργασίας. Στο στάδιο της προσυγκέντρωσης δημιουργείται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εργασίας συγκέντρωση του αναλύτη πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του στην κύρια μάζα του διαλύματος, το ηλεκτρόδιο δηλαδή «εμπλουτίζεται» με την αναλυόμενη ουσία, Ως αποτέλεσμα του σταδίου προσυγκέντρωσης, οι αναδιαλυτικές τεχνικές παράγουν χαμηλότερα όρια ανίχνευσης από όλες τις βολταμμετρικές τεχνικές. Γενικά, υπάρχουν δύο μέθοδοι προσυγκέντρωσης, με ηλεκτρόλυση και με προσρόφηση. Η ηλεκτρόλυση συνοδεύεται από οξείδωση (ή αναγωγή) της υπό προσδιορισμό ουσίας στο ηλεκτρόδιο, ενώ στην προσυγκέντρωση με προσρόφηση η υπό προσδιορισμό ουσία συμπλοκοποιείται με συμπλεκτικά αντιδραστήρια που προστίθενται στο διάλυμα, όπως είναι η διμεθυλογλυοξιμη (DMG) και
2) ένα στάδιο βολταμμετρικής σάρωσης, κατά το οποίο επαναδιαλύεται το απόθεμα σαρώνοντας το δυναμικό είτε προς την καθοδική είτε προς την ανοδική κατεύθυνση οπότε έχουμε την καθοδική και την ανοδική αναδιαλυτική βολταμμετρία αντίστοιχα. Η τεχνική της αναδιαλυτικής βολταμμετρίας αναπτύχθηκε λόγω της ανάγκης ηλεκτροχημικού προσδιορισμού ουσιών με περιβαντολλογικό, κλινικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον σε ίχνοποσότητες.
Τα χαρακτηριστικά που κάνουν την αναδιαλυτική βολταμμετρία κατάλληλη μέθοδο για τέτοιες εφαρμογές είναι τα εξής :α) η μεγάλη ευαισθησία και τα χαμηλά όρια ανίχνευσης β) η δυνατότητα πολυστοιχειακής ανάλυση, γ) ο φθηνός εξοπλισμός και δ) η ταχύτητα ανάλυσης.
Τα πιο κοινά ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στην αναδιαλυτική βολταμμετρία είναι τα ηλεκτρόδια υδραργύρου. Ο Hg έχει την ικανότητα α) να σχηματίζει αμαλγάματα με αρκετά βαρέα μέταλλα, β) να προσροφά έντονα οργανικές ενώσεις, γεγονός που διευκολύνει τη χρήση του σε προσροφητική προσυγκέντρωση, γ) παρουσιάζει μεγάλο καθοδικό υπερδυναμικό υδρογόνου και δ) είναι διαθέσιμος με μεγάλη καθαρότητα. Τα πιο κοινά ηλεκτρόδια υδραργύρου είναι το ηλεκτρόδιο κρεμαστής σταγόνας υδραργύρου-ΗΚΣΥ και το ηλεκτρόδιο λεπτού στρώματος υδραργύρου-ΗΛΣΥ (mercury-film electrode, MFE). Το μεγαλύτερο μειονέκτημα του Hg είναι η μεγάλη τοξικότητα του.
To 2000, εφευρέθηκε ένας νέος τύπος ηλεκτροδίων, τα ηλεκτρόδια λεπτού στρώματος βισμουθίου που σχηματίζονται με την δημιουργία λεπτού υμενίου Bi πάνω σε κατάλληλη αγώγιμη επιφάνεια. Το μεγάλο πλεονέκτημα του Bi σε σχέση με τον Hg είναι η χαμηλή τοξικότητα, ενώ τα ηλεκτρόδια του παρουσιάζουν συγκρίσιμες ιδιότητες με αυτές του Hg. Επίσης τα ηλεκτρόδια του βισμουθίου δεν είναι τόσο ευαίσθητα στην αναγωγή του οξυγόνου και έτσι συνήθως δεν χρειάζεται αποξυγόνωση του διαλύματος, ενώ το σημαντικότερο μειονεκτημά τους είναι το περιορισμένο ανοδικό όριο.
1) Ευσταθίου, Κ.Η., Χατζηιωάννου Θ.Π., Ενόργανες Τεχνικές Αναλύσεως, Τόμος Α, Πανεπιστήμιο Αθηνών, 1998.
2) Skoog, DA., Holler, F.J., Nieman, T.A., Αρχές της Ενόργανης Ανάλυσης, Εκδόσεις Κωσταράκη, 2002.
3) C. Kokkinos, A. Economou., ‘Stripping analysis at bismuth-based electrodes (review)’. Current Analytical Chemistry, 2008, 4, 183-190.
Η αναδιαλυτική βολταμμετρία είναι μια βολταμμετρική τεχνική στην οποία χρησιμοποιούνται δύο στάδια:
1) ένα στάδιο προσυγκέντρωσης (απόθεσης) της αναλυόμενης ουσίας από το διάλυμα του δείγματος επάνω στο ηλεκτρόδιο εργασίας. Στο στάδιο της προσυγκέντρωσης δημιουργείται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εργασίας συγκέντρωση του αναλύτη πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του στην κύρια μάζα του διαλύματος, το ηλεκτρόδιο δηλαδή «εμπλουτίζεται» με την αναλυόμενη ουσία, Ως αποτέλεσμα του σταδίου προσυγκέντρωσης, οι αναδιαλυτικές τεχνικές παράγουν χαμηλότερα όρια ανίχνευσης από όλες τις βολταμμετρικές τεχνικές. Γενικά, υπάρχουν δύο μέθοδοι προσυγκέντρωσης, με ηλεκτρόλυση και με προσρόφηση. Η ηλεκτρόλυση συνοδεύεται από οξείδωση (ή αναγωγή) της υπό προσδιορισμό ουσίας στο ηλεκτρόδιο, ενώ στην προσυγκέντρωση με προσρόφηση η υπό προσδιορισμό ουσία συμπλοκοποιείται με συμπλεκτικά αντιδραστήρια που προστίθενται στο διάλυμα, όπως είναι η διμεθυλογλυοξιμη (DMG) και
2) ένα στάδιο βολταμμετρικής σάρωσης, κατά το οποίο επαναδιαλύεται το απόθεμα σαρώνοντας το δυναμικό είτε προς την καθοδική είτε προς την ανοδική κατεύθυνση οπότε έχουμε την καθοδική και την ανοδική αναδιαλυτική βολταμμετρία αντίστοιχα. Η τεχνική της αναδιαλυτικής βολταμμετρίας αναπτύχθηκε λόγω της ανάγκης ηλεκτροχημικού προσδιορισμού ουσιών με περιβαντολλογικό, κλινικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον σε ίχνοποσότητες.
Τα χαρακτηριστικά που κάνουν την αναδιαλυτική βολταμμετρία κατάλληλη μέθοδο για τέτοιες εφαρμογές είναι τα εξής :α) η μεγάλη ευαισθησία και τα χαμηλά όρια ανίχνευσης β) η δυνατότητα πολυστοιχειακής ανάλυση, γ) ο φθηνός εξοπλισμός και δ) η ταχύτητα ανάλυσης.
Τα πιο κοινά ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στην αναδιαλυτική βολταμμετρία είναι τα ηλεκτρόδια υδραργύρου. Ο Hg έχει την ικανότητα α) να σχηματίζει αμαλγάματα με αρκετά βαρέα μέταλλα, β) να προσροφά έντονα οργανικές ενώσεις, γεγονός που διευκολύνει τη χρήση του σε προσροφητική προσυγκέντρωση, γ) παρουσιάζει μεγάλο καθοδικό υπερδυναμικό υδρογόνου και δ) είναι διαθέσιμος με μεγάλη καθαρότητα. Τα πιο κοινά ηλεκτρόδια υδραργύρου είναι το ηλεκτρόδιο κρεμαστής σταγόνας υδραργύρου-ΗΚΣΥ και το ηλεκτρόδιο λεπτού στρώματος υδραργύρου-ΗΛΣΥ (mercury-film electrode, MFE). Το μεγαλύτερο μειονέκτημα του Hg είναι η μεγάλη τοξικότητα του.
To 2000, εφευρέθηκε ένας νέος τύπος ηλεκτροδίων, τα ηλεκτρόδια λεπτού στρώματος βισμουθίου που σχηματίζονται με την δημιουργία λεπτού υμενίου Bi πάνω σε κατάλληλη αγώγιμη επιφάνεια. Το μεγάλο πλεονέκτημα του Bi σε σχέση με τον Hg είναι η χαμηλή τοξικότητα, ενώ τα ηλεκτρόδια του παρουσιάζουν συγκρίσιμες ιδιότητες με αυτές του Hg. Επίσης τα ηλεκτρόδια του βισμουθίου δεν είναι τόσο ευαίσθητα στην αναγωγή του οξυγόνου και έτσι συνήθως δεν χρειάζεται αποξυγόνωση του διαλύματος, ενώ το σημαντικότερο μειονεκτημά τους είναι το περιορισμένο ανοδικό όριο.
Βιβλιογραφία
2) Skoog, DA., Holler, F.J., Nieman, T.A., Αρχές της Ενόργανης Ανάλυσης, Εκδόσεις Κωσταράκη, 2002.
3) C. Kokkinos, A. Economou., ‘Stripping analysis at bismuth-based electrodes (review)’. Current Analytical Chemistry, 2008, 4, 183-190.
SPUTTER DEPOSITION (ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΙΟΝΤΟΒΟΛΗ)
Λεπτό υμένιο ονομάζουμε τη μικροδομή που δημιουργείται από ατομικά στρώματα υλικού που προέρχονται από ένα στόχο πάνω στην επιφάνεια ενός συμπαγούς υλικού (δισκίο), όταν η μια διάστασή του (το πάχος του) είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από τις άλλες δύο. Οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των λεπτών υμενίων τα καθιστούν ιδανικά για ένα πλήθος επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών.
Οι δύο μεγάλες κατηγορίες τεχνικών εναπόθεσεις λεπτών υμενίων είναι αυτές της φυσικής απόθεσης ατμών (physical vapour deposition, PVD) και της χημικής απόθεσης ατμών (chemical vapour deposition, CVD). Η βασική τους διαφορά βρίσκεται στο γεγονός ότι στη μεν πρώτη κατηγορία το υλικό απόθεσης μεταφέρεται από το στόχο κατευθείαν στο υπόστρωμα, ενώ στη δεύτερη, αέρια εισάγονται στο θάλαμο απόθεσης και αντιδρούν με το υλικό απόθεσης.
Η καθοδική ιοντοβολή (sputtering) είναι σήμερα από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές απόθεσης και χρησιμοποιείται ευρύτερα στην επιστήμη λεπτών υμενίων καθώς και σε βιομηχανική κλίμακα κυρίως για την παρασκευή επιστρωμάτων με σχετικά μεγάλο πάχος. Η τεχνική στηρίζεται στο βομβαρδισμό του στόχου με θετικά ιόντα από κάποιο ευγενές αδρανές αέριο που οδηγεί στην απόσπαση ατόμων του στόχου.
Τα κύρια μέρη της συσκευής sputtering είναι ένα αντλητικό σύστημα, ένα σύστημα παροχής αερίου Ar ρυθμιζόμενης πίεσης, ο αεροστεγής θάλαμος όπου τοποθετούνται οι στόχοι και τα υποστρώματα και το τροφοδοτικό λειτουργίας.
Αφ’ότου επιτευχθεί υψηλό κενό μέσα στον θάλαμο εισάγεται το αέριο Ar σε χαμηλή πίεση και δημιουργείται ένα πλάσμα αερίου. Η κατάσταση πλάσματος δημιουργείται λόγω της εφαρμογής μιας τάσεως ανάμεσα στον στόχο (κάθοδος) και στο υπόστρωμα (άνοδος). Έτσι εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια που προέρχονται κυρίως απ’τον στόχο αλληλεπιδρούν με τα άτομα του Ar και σχηματίζονται ιόντα. Έχοντας τοποθετήσει μαγνήτες κάτω από τον στόχο εξασφαλίζουμε τον εντοπισμό των ηλεκτρονίων κοντά στον στόχο με τα ανάλογα ευεργετικά αποτελέσματα. Στην συνέχεια λόγω της αρνητικής τάσης στον στόχο τα θετικά ιόντα Ar οδηγούνται σε αυτόν με υψηλές κινητικές ενέργειες και τον βομβαρδίζουν εξαναγκάζοντας άτομα του να αποκοληθούν και να δημιουργήσουν ένα νέφος. Το νέφος αυτό των ατόμων του στόχου (ουδέτερα κατά 90%) μεταναστεύει προς την περιοχή του υποστρώματος και επικάθονται σε αυτό σχηματίζοντας ένα ομοιόμορφο φιλμ.
Βιβλιογραφία
Plummer, J.D., Deal, M.D., Griffin, P.B., Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, New Jersey, 2000.
Παραλαβή αιθερίων ελαίων
Τα αιθέρια έλαια παραλαμβάνονται από τα αρωματικά φυτά με διάφορες μεθόδους όπως απόσταξη, εκχύλιση και μηχανική παραλαβή καθώς και με νέες τεχνικές όπως εκχύλιση με υπέρηχους και με μικροκύματα.
1.ΑΠΟΣΤΑΞΗ
Η μέθοδος της απόσταξης είναι η πιο διαδεδομένη και οικονομική μέθοδος.
1.1. Υδροαπόσταξη (water distillation)
Στην υδροαπόσταξη, το προς απόσταξη φυτικό υλικό, τοποθετείται σε σφαιρική φιάλη με νερό, η οποία συνδέεται με ψυκτήρα και με θερμαντική συσκευή. Το χαρακτηριστικό της μεθόδου αυτής είναι ότι το νερό και το φυτικό υλικό είναι σε άμεση επαφή. Στην υδροαπόσταξη πρέπει να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του φυτικού υλικού, ώστε να μην συμβαίνει θερμική διάσπαση διαφόρων συστατικών του αιθερίου ελαίου. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι: μεγάλος χρόνος, μικρή απόδοση σε αιθέριο έλαιο, παραλαβή κατώτερης ποιότητας αιθερίου ελαίου.
1.2.Υδροατμοαπόσταξη (water and steam distillation)
Στην υδροατμοαπόσταξη το φυτικό υλικό δεν έρχεται σε άμεση επαφή με το νερό, αλλά τοποθετείται σε πλέγμα που βρίσκεται πιο ψηλά από την επιφάνεια του νερού. Ο ατμός που σχηματίζεται από την θέρμανση του νερού, έρχεται σε επαφή με τη μάζα του φυτικού υλικού και παρασύρει το αιθέριο έλαιο.
1.3. Απόσταξη με υδρατμούς (steam distillation)
Στην απόσταξη με υδρατμούς εισάγεται ατμός, ο οποίος παράγεται σε ειδικό ατμολέβητα, που περιέχει το φυτικό υλικό και ο ατμός παρασύρει το αιθέριο έλαιο. Στην απόσταξη με υδρατμούς ανήκει η συσκευή μικροαπόσταξης- εκχύλισης Likens- Nickerson. Η συσκευή αποτελείται από το κύριο σώμα, διαμορφωμένο για οργανικούς διαλύτες ελαφρύτερους του νερού, έναν ψυκτήρα και δύο φιάλες, μια σφαιρική και μια απιοειδή. Το δείγμα τοποθετείται μαζί με νερό (σε αναλογία 1/10) στη σφαιρική φιάλη και ο οργανικός διαλύτης (κυρίως διαιθυλαιθέρας) στην απιοειδή και θερμαίνεται με υδατόλουτρο. Οι σχηματιζόμενοι ατμοί από την σφαιρική φιάλη, που περιέχουν τα πτητικά συστατικά του αιθερίου ελαίου, φθάνουν στο ψυκτήρα, υγροποιούνται και κυλούν στον κύριο χώρο της συσκευής, όπου υπάρχει σε ισορροπία η οργανική και η υδατική φάση. Εκεί τα πτητικά συστατικά εκχυλίζονται από τον οργανικό διαλύτη. Στο τέλος της διαδικασίας (μετά από 1 ώρα τουλάχιστον) όλα τα συστατικά του αιθερίου ελαίου έχουν συγκεντρωθεί στην απιοειδή φιάλη.
2. ΕΚΧΥΛΙΣΗ
Η συνήθης περίπτωση διαχωρισμού με εκχύλιση, είναι η υγρό- υγρό εκχύλιση. Η εκχύλιση αυτή με υγρούς διαλύτες
(συνήθως νερό – οργανικός διαλύτης) βασίζεται στην κατανομή της διαλυμένης ουσίας μεταξύ δύο υγρών, τα οποία είναι πρακτικώς μη αναμίξιμα ( υδατική – οργανική φάση). Στην υδατική φάση κατά κύριο λόγο συλλέγονται οι πολικές ουσίες και τα ανόργανα συστατικά, ενώ στην οργανική οι μη πολικές ουσίες.
Η μέθοδος της εκχύλισης χρησιμοποιείται για την παραλαβή του αιθερίου ελαίου από φυτικά υλικά , τα οποία είναι ευπαθή στην απόσταξη, όπως άνθη και φύλλα. Ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο εκχυλιστικό υλικό, διακρίνεται σε εκχύλιση με ψυχρό λίπος, εκχύλιση με θερμό λίπος, με πτητικούς διαλύτες και σε υπερκρίσιμη εκχύλιση.
2.1. Εκχύλιση με πτητικούς διαλύτες
Ως διαλύτες χρησιμοποιούνται κυρίως ο πετρελαϊκός αιθέρας, το βενζόλιο, η αιθυλική αλκοόλη. Το προϊόν που λαμβάνεται κατά την εκχύλιση, μετά την απομάκρυνση του πτητικού διαλύτη, εκτός από το αιθέριο έλαιο περιέχει και άλλες ουσίες, όπως κύρους και χρωστικές. Μετά από επεξεργασία με αιθυλική αλκοόλη λαμβάνεται τελικά το αιθέριο έλαιο.
2.2. Εκχύλιση με ψυχρό λίπος
Η εκχύλιση με ψυχρό λίπος αποτελεί βελτίωση του τρόπου παρασκευής αρωματικών αλοιφών. Το λίπος που χρησιμοποιείται πρέπει να είναι καθαρό και ημίσκληρο. Το λίπος έχει την ικανότητα να απορροφά και να συγκρατεί τις πτητικές ουσίες με τις οποίες έρχεται σε επαφή. Η εκχύλιση διαρκεί 24-30 h, ενώ το λαμβανόμενο λίπος μαζί με το αιθέριο έλαιο ή διατίθεται ως έχει ή επεξεργάζεται με αλκοόλη .
2.3. Εκχύλιση με θερμό λίπος
Η εκχύλιση αυτή ομοιάζει με την εκχύλιση με ψυχρό λίπος, με τη διαφορά ότι τα άνθη και το λίπος τοποθετούνται σε δοχεία που θερμαίνονται στους 800C. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την παραλαβή των αιθερίων ελαίων από εσπεριδοειδή και τριαντάφυλλα.
2.4. Εκχύλιση με υδρόφιλους διαλύτες
Τελευταία χρησιμοποιούνται υδατοδιαλυτοί διαλύτες ως εκχυλιστικά μέσα ή σε ανάμιξη με το νερό, για την παραλαβή των περισσοτέρων φυτικών συστατικών , που χρησιμοποιούνται στην κοσμετολογία. Τέτοιοι διαλύτες είναι η αιθυλενογλυκόλη, προπυλενογλυκόλη, η βουτεενογλυκόλη.
2.5. Υπερκρίσιμη Εκχύλιση (SFE)
Κάθε συστατικό σε θερμοκρασία και πίεση πάνω από το κρίσιμο σημείο (το σημείο που αλλάζει φάση) βρίσκεται σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία ένα συστατικό που είναι αέριο δεν μπορεί να υγροποιηθεί παρόλη την εφαρμογή υψηλής πίεσης. Η κρίσιμη πίεση είναι των ατμών του αερίου σε κρίσιμη θερμοκρασία. Το ρευστό σε υπερκρίσιμο περιβάλλον διατηρεί τις ιδιότητες τόσο της υγρής όσο και της αέριας φάσης. Η υπερκρίσιμη εκχύλιση είναι μια ραγδαία αναπτυσσόμενη μέθοδος διαχωρισμού, χρησιμοποιώντας διαλύτες όπως το διοξείδιο του άνθρακα CO2 σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη απομάκρυνση του CO2 από το εκχύλισμα, με μια απλή εκτόνωση σε ατμοσφαιρική πίεση. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η μεγάλες πιέσεις λειτουργίας, που συνεπάγεται μεγάλο κόστος, καθώς επίσης και η πολυπλοκότητά της.
3. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΠΑΡΑΛΑΒΗ
Εδώ τα αιθέρια έλαια παραλαμβάνονται με μηχανικά μέσα (πιεστήρια). Χρησιμοποιούνται στους ξηρούς καρπούς και στους φλοιούς των εσπεριδοειδών. Τα μηχανήματα για τους ξηρούς καρπούς είναι πιεστήρια, που μοιάζουν με αυτά που χρησιμοποιούνται στα ελαιοτριβεία. Τα μηχανήματα για τους φλοιούς των εσπεριδοειδών, είτε ξύνουν είτε τρυπούν τους φλοιούς με αποτέλεσμα την απελευθέρωση των αιθερίων ελαίων, που στη συνέχεια διαχωρίζονται από το στερεό υπόλειμμα.
3.1. ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΥΠΕΡΗΧΟΥΣ
Στην εκχύλιση με υπέρηχους, το δείγμα τοποθετείται με κατάλληλο οργανικό διαλύτη σε λουτρό υπερήχων. Η διάδοση των υπερήχων χαρακτηρίζεται από ελάχιστη συχνότητα 16kHz και προκαλεί κίνηση του υγρού λόγω συμπίεσης και αραίωσης. Με την αύξηση της πίεσης επιτυγχάνονται φαινόμενα διείσδυσης και μεταφοράς, ενώ με την αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνονται φαινόμενα διάχυσης και διαλυτοποίησης. Με την χρήση των υπερήχων μειώνεται ο χρόνος εκχύλισης, χρησιμοποιούνται μικρότεροι όγκοι διαλυτών και εκχυλίζονται ταυτόχρονα πολλά δείγματα. Η εκχύλιση με υπέρηχους εφαρμόζεται στον προσδιορισμό ενώσεων που είναι θερμικά ασταθείς.
4.ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΑ (MAE: microwave assisted extraction)
Τις τελευταίες δεκαετίες υπήρχε έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων τεχνικών παραλαβής των αιθερίων ελαίων, με την χρήση των οποίων έχει τελικά επέλθει σημαντική μείωση στο χρόνο εκχύλισης και στον όγκο δείγματος διαλύτη. Έτσι άρχισε η χρήση των μικροκυμάτων (MW) στην εκχύλιση. Με τα μικροκύματα υπάρχει σημαντική μείωση στο χρόνο εκχύλισης, σε σχέση με τις κλασσικές μεθόδους (Soxhlet). Με τις συμβατικές μεθόδους η θερμότητα μεταδίδεται από την θερμαντική πλάκα στο δοχείο θέρμανσης και από εκεί στο διάλυμα. Αντίθετα με τα μικροκύματα η θέρμανση ξεκινάει από το δείγμα, μιας και το δοχείο δεν απορροφά την ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Όπως φαίνεται παρακάτω, η θερμότητα, που παράγεται από τα MW, είναι εξάρτηση του διαλύματος. Αυτό συμβαίνει μιας και υπάρχουν διαλύτες που απορροφούν τα MW (π.χ μεθανόλη) και άλλοι που δεν την απορροφούν και επομένως δεν θερμαίνονται (π.χ εξάνιο).Με την ΜΑΕ υπάρχει επίσης και σημαντική μείωση στον όγκο δείγματος και διαλύτη, σε σχέση με την Soxhlet, λόγω της αποδοτικότερης εκχύλισης.
4.1.Solvent Free Microwave Extraction (SFME)
H SFME είναι μια τεχνική που συνδυάζει την ακτινοβολία των μικροκυμάτων και την ξηρή απόσταξη. Με την τεχνική αυτή το φυτικό μέρος τοποθετείται σε δοχείο, μέσα σε φούρνο μικροκυμάτων, χωρίς την προσθήκη νερού ή κάποιου οργανικού διαλύτη. Τα μικροκύματα αλληλεπιδρούν με το εγκλωβισμένο (εσωτερικό) νερό, που υπάρχει στο φυτό, προκαλώντας την θέρμανσή του. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διαστολή των κυττάρων του φυτού, τη ρήξη των αδένων των ελαιοφόρων υποδοχέων και τελικά την απελευθέρωση του αιθέριου ελαίου. Το αιθέριο έλαιο, στη συνέχεια εξατμίζεται μαζί με το ‘εσωτερικό’ νερό και παραλαμβάνεται με την βοήθεια ψυκτήρα.
Βιβλιογραφία :
Σκουμπρής, Β., Αρωματικά Φυτά και Αιθέρια Έλαια, Θεσσαλονίκη 1985.
Man, J., Users Manual, Micro – Steam – Distillation – Extraction of Biosynthesis, 2001.
Caverio, A.A., Matos, F.J.A., Alena, J.W., and Plumel. M.M., Flavor and Fragrance J., 1989, 4, 43-44.
Υπουργείο Εθνικής Οικονομίας Γ.Π.Α, Επενδυτικές δυνατότητες στους τομείς αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών στην Ελλάδα, 1999.
Ozer E.O., Can. J. Chem. Eng., 1996, 74, 920-928.
Βουτσά, Δ., Εργαστηριακές Σημειώσεις, Τοξικές Οργανικές Ενώσεις σε Περιβαλλοντικά Δείγματα, Α.Π.Θ., 2001-2002, σελ. 27.
Eskilsson, G.S., Bjorklund, E., (Review), Analytical –Scale Microwave – Assisted Extraction, J. Chrom. A., 2000, 902, 227-250.
Letellier, Μ., and Budzinski, Η., Analusis, 1999, 27, 259-271.
Raman, G., and Gaikar, V.G., Ind. Eng. Chem. Res., 2002, 41, 2521-2528.
1.ΑΠΟΣΤΑΞΗ
Η μέθοδος της απόσταξης είναι η πιο διαδεδομένη και οικονομική μέθοδος.
1.1. Υδροαπόσταξη (water distillation)
Στην υδροαπόσταξη, το προς απόσταξη φυτικό υλικό, τοποθετείται σε σφαιρική φιάλη με νερό, η οποία συνδέεται με ψυκτήρα και με θερμαντική συσκευή. Το χαρακτηριστικό της μεθόδου αυτής είναι ότι το νερό και το φυτικό υλικό είναι σε άμεση επαφή. Στην υδροαπόσταξη πρέπει να αποφεύγεται η υπερθέρμανση του φυτικού υλικού, ώστε να μην συμβαίνει θερμική διάσπαση διαφόρων συστατικών του αιθερίου ελαίου. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι: μεγάλος χρόνος, μικρή απόδοση σε αιθέριο έλαιο, παραλαβή κατώτερης ποιότητας αιθερίου ελαίου.
1.2.Υδροατμοαπόσταξη (water and steam distillation)
Στην υδροατμοαπόσταξη το φυτικό υλικό δεν έρχεται σε άμεση επαφή με το νερό, αλλά τοποθετείται σε πλέγμα που βρίσκεται πιο ψηλά από την επιφάνεια του νερού. Ο ατμός που σχηματίζεται από την θέρμανση του νερού, έρχεται σε επαφή με τη μάζα του φυτικού υλικού και παρασύρει το αιθέριο έλαιο.
1.3. Απόσταξη με υδρατμούς (steam distillation)
Στην απόσταξη με υδρατμούς εισάγεται ατμός, ο οποίος παράγεται σε ειδικό ατμολέβητα, που περιέχει το φυτικό υλικό και ο ατμός παρασύρει το αιθέριο έλαιο. Στην απόσταξη με υδρατμούς ανήκει η συσκευή μικροαπόσταξης- εκχύλισης Likens- Nickerson. Η συσκευή αποτελείται από το κύριο σώμα, διαμορφωμένο για οργανικούς διαλύτες ελαφρύτερους του νερού, έναν ψυκτήρα και δύο φιάλες, μια σφαιρική και μια απιοειδή. Το δείγμα τοποθετείται μαζί με νερό (σε αναλογία 1/10) στη σφαιρική φιάλη και ο οργανικός διαλύτης (κυρίως διαιθυλαιθέρας) στην απιοειδή και θερμαίνεται με υδατόλουτρο. Οι σχηματιζόμενοι ατμοί από την σφαιρική φιάλη, που περιέχουν τα πτητικά συστατικά του αιθερίου ελαίου, φθάνουν στο ψυκτήρα, υγροποιούνται και κυλούν στον κύριο χώρο της συσκευής, όπου υπάρχει σε ισορροπία η οργανική και η υδατική φάση. Εκεί τα πτητικά συστατικά εκχυλίζονται από τον οργανικό διαλύτη. Στο τέλος της διαδικασίας (μετά από 1 ώρα τουλάχιστον) όλα τα συστατικά του αιθερίου ελαίου έχουν συγκεντρωθεί στην απιοειδή φιάλη.
2. ΕΚΧΥΛΙΣΗ
Η συνήθης περίπτωση διαχωρισμού με εκχύλιση, είναι η υγρό- υγρό εκχύλιση. Η εκχύλιση αυτή με υγρούς διαλύτες
(συνήθως νερό – οργανικός διαλύτης) βασίζεται στην κατανομή της διαλυμένης ουσίας μεταξύ δύο υγρών, τα οποία είναι πρακτικώς μη αναμίξιμα ( υδατική – οργανική φάση). Στην υδατική φάση κατά κύριο λόγο συλλέγονται οι πολικές ουσίες και τα ανόργανα συστατικά, ενώ στην οργανική οι μη πολικές ουσίες.
Η μέθοδος της εκχύλισης χρησιμοποιείται για την παραλαβή του αιθερίου ελαίου από φυτικά υλικά , τα οποία είναι ευπαθή στην απόσταξη, όπως άνθη και φύλλα. Ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο εκχυλιστικό υλικό, διακρίνεται σε εκχύλιση με ψυχρό λίπος, εκχύλιση με θερμό λίπος, με πτητικούς διαλύτες και σε υπερκρίσιμη εκχύλιση.
2.1. Εκχύλιση με πτητικούς διαλύτες
Ως διαλύτες χρησιμοποιούνται κυρίως ο πετρελαϊκός αιθέρας, το βενζόλιο, η αιθυλική αλκοόλη. Το προϊόν που λαμβάνεται κατά την εκχύλιση, μετά την απομάκρυνση του πτητικού διαλύτη, εκτός από το αιθέριο έλαιο περιέχει και άλλες ουσίες, όπως κύρους και χρωστικές. Μετά από επεξεργασία με αιθυλική αλκοόλη λαμβάνεται τελικά το αιθέριο έλαιο.
2.2. Εκχύλιση με ψυχρό λίπος
Η εκχύλιση με ψυχρό λίπος αποτελεί βελτίωση του τρόπου παρασκευής αρωματικών αλοιφών. Το λίπος που χρησιμοποιείται πρέπει να είναι καθαρό και ημίσκληρο. Το λίπος έχει την ικανότητα να απορροφά και να συγκρατεί τις πτητικές ουσίες με τις οποίες έρχεται σε επαφή. Η εκχύλιση διαρκεί 24-30 h, ενώ το λαμβανόμενο λίπος μαζί με το αιθέριο έλαιο ή διατίθεται ως έχει ή επεξεργάζεται με αλκοόλη .
2.3. Εκχύλιση με θερμό λίπος
Η εκχύλιση αυτή ομοιάζει με την εκχύλιση με ψυχρό λίπος, με τη διαφορά ότι τα άνθη και το λίπος τοποθετούνται σε δοχεία που θερμαίνονται στους 800C. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την παραλαβή των αιθερίων ελαίων από εσπεριδοειδή και τριαντάφυλλα.
2.4. Εκχύλιση με υδρόφιλους διαλύτες
Τελευταία χρησιμοποιούνται υδατοδιαλυτοί διαλύτες ως εκχυλιστικά μέσα ή σε ανάμιξη με το νερό, για την παραλαβή των περισσοτέρων φυτικών συστατικών , που χρησιμοποιούνται στην κοσμετολογία. Τέτοιοι διαλύτες είναι η αιθυλενογλυκόλη, προπυλενογλυκόλη, η βουτεενογλυκόλη.
2.5. Υπερκρίσιμη Εκχύλιση (SFE)
Κάθε συστατικό σε θερμοκρασία και πίεση πάνω από το κρίσιμο σημείο (το σημείο που αλλάζει φάση) βρίσκεται σε υπερκρίσιμη κατάσταση. Πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία ένα συστατικό που είναι αέριο δεν μπορεί να υγροποιηθεί παρόλη την εφαρμογή υψηλής πίεσης. Η κρίσιμη πίεση είναι των ατμών του αερίου σε κρίσιμη θερμοκρασία. Το ρευστό σε υπερκρίσιμο περιβάλλον διατηρεί τις ιδιότητες τόσο της υγρής όσο και της αέριας φάσης. Η υπερκρίσιμη εκχύλιση είναι μια ραγδαία αναπτυσσόμενη μέθοδος διαχωρισμού, χρησιμοποιώντας διαλύτες όπως το διοξείδιο του άνθρακα CO2 σε υπερκρίσιμες συνθήκες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη απομάκρυνση του CO2 από το εκχύλισμα, με μια απλή εκτόνωση σε ατμοσφαιρική πίεση. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η μεγάλες πιέσεις λειτουργίας, που συνεπάγεται μεγάλο κόστος, καθώς επίσης και η πολυπλοκότητά της.
3. ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΠΑΡΑΛΑΒΗ
Εδώ τα αιθέρια έλαια παραλαμβάνονται με μηχανικά μέσα (πιεστήρια). Χρησιμοποιούνται στους ξηρούς καρπούς και στους φλοιούς των εσπεριδοειδών. Τα μηχανήματα για τους ξηρούς καρπούς είναι πιεστήρια, που μοιάζουν με αυτά που χρησιμοποιούνται στα ελαιοτριβεία. Τα μηχανήματα για τους φλοιούς των εσπεριδοειδών, είτε ξύνουν είτε τρυπούν τους φλοιούς με αποτέλεσμα την απελευθέρωση των αιθερίων ελαίων, που στη συνέχεια διαχωρίζονται από το στερεό υπόλειμμα.
3.1. ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΥΠΕΡΗΧΟΥΣ
Στην εκχύλιση με υπέρηχους, το δείγμα τοποθετείται με κατάλληλο οργανικό διαλύτη σε λουτρό υπερήχων. Η διάδοση των υπερήχων χαρακτηρίζεται από ελάχιστη συχνότητα 16kHz και προκαλεί κίνηση του υγρού λόγω συμπίεσης και αραίωσης. Με την αύξηση της πίεσης επιτυγχάνονται φαινόμενα διείσδυσης και μεταφοράς, ενώ με την αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνονται φαινόμενα διάχυσης και διαλυτοποίησης. Με την χρήση των υπερήχων μειώνεται ο χρόνος εκχύλισης, χρησιμοποιούνται μικρότεροι όγκοι διαλυτών και εκχυλίζονται ταυτόχρονα πολλά δείγματα. Η εκχύλιση με υπέρηχους εφαρμόζεται στον προσδιορισμό ενώσεων που είναι θερμικά ασταθείς.
4.ΕΚΧΥΛΙΣΗ ΜΕ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΑ (MAE: microwave assisted extraction)
Τις τελευταίες δεκαετίες υπήρχε έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων τεχνικών παραλαβής των αιθερίων ελαίων, με την χρήση των οποίων έχει τελικά επέλθει σημαντική μείωση στο χρόνο εκχύλισης και στον όγκο δείγματος διαλύτη. Έτσι άρχισε η χρήση των μικροκυμάτων (MW) στην εκχύλιση. Με τα μικροκύματα υπάρχει σημαντική μείωση στο χρόνο εκχύλισης, σε σχέση με τις κλασσικές μεθόδους (Soxhlet). Με τις συμβατικές μεθόδους η θερμότητα μεταδίδεται από την θερμαντική πλάκα στο δοχείο θέρμανσης και από εκεί στο διάλυμα. Αντίθετα με τα μικροκύματα η θέρμανση ξεκινάει από το δείγμα, μιας και το δοχείο δεν απορροφά την ακτινοβολία των μικροκυμάτων. Όπως φαίνεται παρακάτω, η θερμότητα, που παράγεται από τα MW, είναι εξάρτηση του διαλύματος. Αυτό συμβαίνει μιας και υπάρχουν διαλύτες που απορροφούν τα MW (π.χ μεθανόλη) και άλλοι που δεν την απορροφούν και επομένως δεν θερμαίνονται (π.χ εξάνιο).Με την ΜΑΕ υπάρχει επίσης και σημαντική μείωση στον όγκο δείγματος και διαλύτη, σε σχέση με την Soxhlet, λόγω της αποδοτικότερης εκχύλισης.
4.1.Solvent Free Microwave Extraction (SFME)
H SFME είναι μια τεχνική που συνδυάζει την ακτινοβολία των μικροκυμάτων και την ξηρή απόσταξη. Με την τεχνική αυτή το φυτικό μέρος τοποθετείται σε δοχείο, μέσα σε φούρνο μικροκυμάτων, χωρίς την προσθήκη νερού ή κάποιου οργανικού διαλύτη. Τα μικροκύματα αλληλεπιδρούν με το εγκλωβισμένο (εσωτερικό) νερό, που υπάρχει στο φυτό, προκαλώντας την θέρμανσή του. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διαστολή των κυττάρων του φυτού, τη ρήξη των αδένων των ελαιοφόρων υποδοχέων και τελικά την απελευθέρωση του αιθέριου ελαίου. Το αιθέριο έλαιο, στη συνέχεια εξατμίζεται μαζί με το ‘εσωτερικό’ νερό και παραλαμβάνεται με την βοήθεια ψυκτήρα.
Βιβλιογραφία :
Σκουμπρής, Β., Αρωματικά Φυτά και Αιθέρια Έλαια, Θεσσαλονίκη 1985.
Man, J., Users Manual, Micro – Steam – Distillation – Extraction of Biosynthesis, 2001.
Caverio, A.A., Matos, F.J.A., Alena, J.W., and Plumel. M.M., Flavor and Fragrance J., 1989, 4, 43-44.
Υπουργείο Εθνικής Οικονομίας Γ.Π.Α, Επενδυτικές δυνατότητες στους τομείς αρωματικών και φαρμακευτικών φυτών στην Ελλάδα, 1999.
Ozer E.O., Can. J. Chem. Eng., 1996, 74, 920-928.
Βουτσά, Δ., Εργαστηριακές Σημειώσεις, Τοξικές Οργανικές Ενώσεις σε Περιβαλλοντικά Δείγματα, Α.Π.Θ., 2001-2002, σελ. 27.
Eskilsson, G.S., Bjorklund, E., (Review), Analytical –Scale Microwave – Assisted Extraction, J. Chrom. A., 2000, 902, 227-250.
Letellier, Μ., and Budzinski, Η., Analusis, 1999, 27, 259-271.
Raman, G., and Gaikar, V.G., Ind. Eng. Chem. Res., 2002, 41, 2521-2528.
Αρχές μικροβιολογίας - τεχνική επιφανειακής επίστρωσης (spread plate)
Στην πράξη η μικροβιολογία τροφίμων και ειδικά εκείνο το τμήμα που αναφέρεται στην συντήρηση των τροφίμων, είναι η μελέτη των μέσων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, έτσι ώστε να αποκλείσουν ή να εμποδίσουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών και ιδιαίτερα εκείνων που έχουν τη δυνατότητα να προκαλέσουν αλλοιώσεις ή άλλα προβλήματα όπως τροφικές δηλητηριάσεις.
μικροβιολογία
Υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (HPLC)
Η χρωματογραφία υψηλής πίεσης ανήκει στις χρωματογραφικές τεχνικές, άρα ο διαχωρισμός είναι αποτέλεσμα της συνδυαστικής δράσης μιας στατικής και μιας κινητής φάσης. Στην HPLC, το δείγμα εισάγεται στη κορυφή της στήλης και με τη βοήθεια της κινητής φάσης, τα συστατικά του μετακινούνται με τη μορφή ζωνών και τελικά εκλούονται το ένα μετά το άλλο. Οι αναλυόμενες ουσίες κατανέμονται μεταξύ της στατικής και της κινητής φάσης, με αποτέλεσμα να μετακινούνται με διαφορετικές ταχύτητες κατά μήκος της στήλης.
Μηχανισμοί και είδη HPLC
Στην HPLC μπορούν να συμπεριληφθούν και να εφαρμοστούν όλα τα είδη που λαμβάνουν χώρα στους χρωματογραφικούς διαχωρισμούς, με την κατάλληλη χρήση υλικού πληρώσεως της στήλης και του διαλύτη έκλουσης.
Χρωματογραφία Προσρόφησης.
Ο διαχωρισμός των διαφόρων ουσιών βασίζεται στο διαφορετικό βαθμό προσρόφησης στη στατική φάση. Οι κυριότερες αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι ηλεκτροστατικής φύσης. Η χρωματογραφία προσρόφησης βρίσκει εφαρμογή στο διαχωρισμό ουσιών με παρόμοια δομή, αλλά με διαφορετική πολικότητα.
Ανάλογα με τη σχέση πολικότητας μεταξύ της στατικής και της κινητής φάσης διακρίνονται δύο είδη χρωματογραφίας προσρόφησης:
Χρωματογραφία Κανονικής Φάσης
Εδώ, η στατική φάση (συνήθως SiO2 ή Al2O3) είναι πολικότερη από την κινητή, η οποία αποτελείται από μη πολικούς διαλύτες όπως εξάνιο, χλωροφόρμιο
Χρωματογραφία Αντίστροφης Φάσης
Εδώ, η στατική φάση, η οποία είναι λιγότερο πολική της κινητής, αποτελείται από οξείδιο πυριτίου συζευγμένο με διάφορες ομάδες όπως αλκύλια (ακετύλιο, δεκαοκτύλιο), φαινύλιο, διόλες, αμινομάδες, κυανομάδες κ.ά., ενώ η κινητή φάση αποτελείται από μείγματα οργανικών διαλυτών (μεθανόλη ,ακετονιτρίλιο, κ.ά.) με υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα και νερό.
Χρωματογραφία Κατανομής
Ο διαχωρισμός στηρίζεται στη διαφορετική κατανομή των συστατικών ενός μείγματος μεταξύ της κινητής και της υγρής στατικής φάσης και εφαρμόζεται στην ανάλυση ομόλογων, μη ιονικών ενώσεων.
Χρωματογραφία Ιοντοανταλλαγής
Ο διαχωρισμός οφείλεται στις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αναλυόμενων ιόντων και των φορτισμένων ομάδων της στατικής φάσης. Οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν τη συγκράτηση στη χρωματογραφία ιοντοανταλλαγής είναι το αντίθετο ιόν της δραστικής ομάδας της στατικής φάσης ,η ιονική ισχύς, το pΗ, ο τροποποιητής της κινητής φάσης και η θερμοκρασία.
Χρωματογραφία Συγγένειας
Για την επίτευξη του διαχωρισμού , οι προσδιοριζόμενες ενώσεις δεσμεύονται εκλεκτικά σε υποκαταστάτες, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι στην επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου. Στη κατηγορία αυτή ανήκει η Χρωματογραφία Εναντιομερών, η οποία αποκτά αυξανόμενο ενδιαφέρον και με την οποία διαχωρίζονται εναντιομερείς μορφές ενώσεων που παρουσιάζουν χειρομορφία
Χρωματογραφία Αποκλεισμού Μεγέθους ή Διάχυσης Πηκτής
Ο διαχωρισμός γίνεται με βάση το σχήμα και το μέγεθος των μορίων των αναλυόμενων ενώσεων και βρίσκει εφαρμογές στην ανάλυση και το χαρακτηρισμό των πολυμερών.
Τα μεγάλα μόρια εξέρχονται πρώτα από τη στήλη, ενώ τα μικρά μόρια, καθώς εισέρχονται στους πόρους των σωματιδίων της στατικής φάσης, καθυστερούν και βγαίνουν αργότερα.
Οργανολογία Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Πίεσης
Ένα σύστημα HPLC περιλαμβάνει:
-Φιάλες αποθήκευσης διαλυτών
-Αντλία (σταθερής ροής ,σταθερής πίεσης)
-Μονάδα εισαγωγής δείγματος (βαλβίδα εισαγωγής δείγματος, αυτόματος δειγματολήπτης)
-Χρωματογραφική στήλη
-Ανιχνευτή
-Καταγραφικό
Στην αναλυτική στήλη γίνεται ο διαχωρισμός των συστατικών του δείγματος, ενώ η προώθηση της κινητής φάσης διαμέσου της στήλης γίνεται με την αντλία. Η διεργασία του χρωματογραφικού διαχωρισμού αρχίζει με την εισαγωγή του δείγματος στη στήλη.
Ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στην HPLC
Οι ανιχνευτές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην HPLC είναι οι παρακάτω:
- Ανιχνευτές ορατού-υπεριώδους
- Παράταξης φωτοδιόδων
-Αγωγιμομετρικοί
-Δείκτου διάθλασης
-Φασματογράφοι μάζας
-Ηλεκτροχημικοί
-Φθορισμομετρικοί
-Ραδιενέργειας
-Σκεδασμού φωτός
-Φλόγας (ιονισμού φλόγας, εκπομπής, φωτομετρικοί ανιχνευτές)
Ανιχνευτές Ορατού-Υπεριώδους
Η απορρόφηση ακτινοβολίας από μια χημική ένωση εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και τις ομάδες της χημικής ένωσης. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ανάλογα με την ενέργεια (συχνότητα) που αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια, προκαλεί τη διέγερση και μεταφορά τους σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, ή ακόμα προκαλεί δόνηση ή περιστροφή μοριακών δεσμών ορισμένων ομάδων της ένωσης.
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα χωρίζεται στις περιοχές:
Υπερύθρου (IR) 2500-50000 nm
Έγγυς IR 800-2500 nm
Ορατό Vis 400-800 nm (λάμπα W)
Υπεριώδους UV 190-400 nm (λάμπα D2 ή Hg)
Σύμφωνα με το νόμο του Lambert-Beer, η απορρόφηση της ακτινοβολίας (A) είναι ανάλογη της συγκέντρωσης (C) της ένωσης στη κυψελίδα και του της κυψελίδα (d) A= εCd, όπου (ε) ο μοριακός συντελεστής απορρόφησης
Η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή UV-Vis αντιστοιχεί στη διέγερση χαμηλών ενεργειακά ηλεκτρονίων όπως π ηλεκτρόνια ή μη συζευγμένα ηλεκτρόνια ορισμένων ομάδων.
Επιλογή Κινητής Φάσης
Είναι γνωστό από τη χρωματογραφική θεωρία ότι η διαχωριστική ικανότητα Rs εξαρτάται από τον αριθμό των θεωρητικών πλακών Ν, τον παράγοντα συγκράτησης k΄ και τον παράγοντα διαχωρισμού. Η βελτιστοποίηση των παραμέτρων k΄ και α γίνεται κυρίως με αλλαγές στη σύσταση της κινητής φάσης . Έτσι, μετά την επιλογή της στατικής φάσης (βελτιστοποίηση του Ν), η οποία πρέπει να έχει παρόμοια πολικότητα με τις προσδιοριζόμενες ενώσεις, επιλέγεται η κινητή φάση έτσι ώστε k'(1,10).
Επιλογή Στατικής Φάσης
Η επιλογή της στατικής φάσης και της κατάλληλης αναλυτικής στήλης είναι σημαντικά για την ανάπτυξη μιας αναλυτικής μεθόδου και καθορίζεται από τις επιμέρους παραμέτρους:
i. Το μέγεθος των μορίων του υλικού πληρώσεως και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της στήλης
ii. Η φύση της ομάδας που είναι δεσμευμένη στο υπόστρωμα, η οποία καθορίζει και την εκλεκτικότητα της στατικής φάσης
iii. Η διάμετρος των πόρων του υλικού πληρώσεως
iv. Ο τύπος του υποστρώματος το οποίο πρέπει να είναι χημικά αδρανές.
v. Η περιεκτικότητα της στήλης σε ελεύθερα σιλανολικά υδροξύλια. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό τους , τόσο πιο πολική (όξινη) είναι η στήλη και τόσο ασθενέστερη είναι η συγκράτηση των μη πολικών ενώσεων.
Βιβλιογραφία
Ενόργανη Χημική Ανάλυση, Ι. Παπαδογιάννης, Β. Σαμανίδου, Θεσσαλονίκη (2000)
Ποσοτική Χημική Ανάλυση, Ι.Α Στράτης, Α.Ν Βουλγαρόπουλος, Ι.Α. Ζαχαριάδης, Θεσσαλονικη 1999
Μηχανισμοί και είδη HPLC
Στην HPLC μπορούν να συμπεριληφθούν και να εφαρμοστούν όλα τα είδη που λαμβάνουν χώρα στους χρωματογραφικούς διαχωρισμούς, με την κατάλληλη χρήση υλικού πληρώσεως της στήλης και του διαλύτη έκλουσης.
Χρωματογραφία Προσρόφησης.
Ο διαχωρισμός των διαφόρων ουσιών βασίζεται στο διαφορετικό βαθμό προσρόφησης στη στατική φάση. Οι κυριότερες αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι ηλεκτροστατικής φύσης. Η χρωματογραφία προσρόφησης βρίσκει εφαρμογή στο διαχωρισμό ουσιών με παρόμοια δομή, αλλά με διαφορετική πολικότητα.
Ανάλογα με τη σχέση πολικότητας μεταξύ της στατικής και της κινητής φάσης διακρίνονται δύο είδη χρωματογραφίας προσρόφησης:
Χρωματογραφία Κανονικής Φάσης
Εδώ, η στατική φάση (συνήθως SiO2 ή Al2O3) είναι πολικότερη από την κινητή, η οποία αποτελείται από μη πολικούς διαλύτες όπως εξάνιο, χλωροφόρμιο
Χρωματογραφία Αντίστροφης Φάσης
Εδώ, η στατική φάση, η οποία είναι λιγότερο πολική της κινητής, αποτελείται από οξείδιο πυριτίου συζευγμένο με διάφορες ομάδες όπως αλκύλια (ακετύλιο, δεκαοκτύλιο), φαινύλιο, διόλες, αμινομάδες, κυανομάδες κ.ά., ενώ η κινητή φάση αποτελείται από μείγματα οργανικών διαλυτών (μεθανόλη ,ακετονιτρίλιο, κ.ά.) με υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα και νερό.
Χρωματογραφία Κατανομής
Ο διαχωρισμός στηρίζεται στη διαφορετική κατανομή των συστατικών ενός μείγματος μεταξύ της κινητής και της υγρής στατικής φάσης και εφαρμόζεται στην ανάλυση ομόλογων, μη ιονικών ενώσεων.
Χρωματογραφία Ιοντοανταλλαγής
Ο διαχωρισμός οφείλεται στις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αναλυόμενων ιόντων και των φορτισμένων ομάδων της στατικής φάσης. Οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν τη συγκράτηση στη χρωματογραφία ιοντοανταλλαγής είναι το αντίθετο ιόν της δραστικής ομάδας της στατικής φάσης ,η ιονική ισχύς, το pΗ, ο τροποποιητής της κινητής φάσης και η θερμοκρασία.
Χρωματογραφία Συγγένειας
Για την επίτευξη του διαχωρισμού , οι προσδιοριζόμενες ενώσεις δεσμεύονται εκλεκτικά σε υποκαταστάτες, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι στην επιφάνεια του διοξειδίου του πυριτίου. Στη κατηγορία αυτή ανήκει η Χρωματογραφία Εναντιομερών, η οποία αποκτά αυξανόμενο ενδιαφέρον και με την οποία διαχωρίζονται εναντιομερείς μορφές ενώσεων που παρουσιάζουν χειρομορφία
Χρωματογραφία Αποκλεισμού Μεγέθους ή Διάχυσης Πηκτής
Ο διαχωρισμός γίνεται με βάση το σχήμα και το μέγεθος των μορίων των αναλυόμενων ενώσεων και βρίσκει εφαρμογές στην ανάλυση και το χαρακτηρισμό των πολυμερών.
Τα μεγάλα μόρια εξέρχονται πρώτα από τη στήλη, ενώ τα μικρά μόρια, καθώς εισέρχονται στους πόρους των σωματιδίων της στατικής φάσης, καθυστερούν και βγαίνουν αργότερα.
Οργανολογία Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Πίεσης
Ένα σύστημα HPLC περιλαμβάνει:
-Φιάλες αποθήκευσης διαλυτών
-Αντλία (σταθερής ροής ,σταθερής πίεσης)
-Μονάδα εισαγωγής δείγματος (βαλβίδα εισαγωγής δείγματος, αυτόματος δειγματολήπτης)
-Χρωματογραφική στήλη
-Ανιχνευτή
-Καταγραφικό
Στην αναλυτική στήλη γίνεται ο διαχωρισμός των συστατικών του δείγματος, ενώ η προώθηση της κινητής φάσης διαμέσου της στήλης γίνεται με την αντλία. Η διεργασία του χρωματογραφικού διαχωρισμού αρχίζει με την εισαγωγή του δείγματος στη στήλη.
Ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στην HPLC
Οι ανιχνευτές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην HPLC είναι οι παρακάτω:
- Ανιχνευτές ορατού-υπεριώδους
- Παράταξης φωτοδιόδων
-Αγωγιμομετρικοί
-Δείκτου διάθλασης
-Φασματογράφοι μάζας
-Ηλεκτροχημικοί
-Φθορισμομετρικοί
-Ραδιενέργειας
-Σκεδασμού φωτός
-Φλόγας (ιονισμού φλόγας, εκπομπής, φωτομετρικοί ανιχνευτές)
Ανιχνευτές Ορατού-Υπεριώδους
Η απορρόφηση ακτινοβολίας από μια χημική ένωση εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και τις ομάδες της χημικής ένωσης. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, ανάλογα με την ενέργεια (συχνότητα) που αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια, προκαλεί τη διέγερση και μεταφορά τους σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα, ή ακόμα προκαλεί δόνηση ή περιστροφή μοριακών δεσμών ορισμένων ομάδων της ένωσης.
Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα χωρίζεται στις περιοχές:
Υπερύθρου (IR) 2500-50000 nm
Έγγυς IR 800-2500 nm
Ορατό Vis 400-800 nm (λάμπα W)
Υπεριώδους UV 190-400 nm (λάμπα D2 ή Hg)
Σύμφωνα με το νόμο του Lambert-Beer, η απορρόφηση της ακτινοβολίας (A) είναι ανάλογη της συγκέντρωσης (C) της ένωσης στη κυψελίδα και του της κυψελίδα (d) A= εCd, όπου (ε) ο μοριακός συντελεστής απορρόφησης
Η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή UV-Vis αντιστοιχεί στη διέγερση χαμηλών ενεργειακά ηλεκτρονίων όπως π ηλεκτρόνια ή μη συζευγμένα ηλεκτρόνια ορισμένων ομάδων.
Επιλογή Κινητής Φάσης
Είναι γνωστό από τη χρωματογραφική θεωρία ότι η διαχωριστική ικανότητα Rs εξαρτάται από τον αριθμό των θεωρητικών πλακών Ν, τον παράγοντα συγκράτησης k΄ και τον παράγοντα διαχωρισμού. Η βελτιστοποίηση των παραμέτρων k΄ και α γίνεται κυρίως με αλλαγές στη σύσταση της κινητής φάσης . Έτσι, μετά την επιλογή της στατικής φάσης (βελτιστοποίηση του Ν), η οποία πρέπει να έχει παρόμοια πολικότητα με τις προσδιοριζόμενες ενώσεις, επιλέγεται η κινητή φάση έτσι ώστε k'(1,10).
Επιλογή Στατικής Φάσης
Η επιλογή της στατικής φάσης και της κατάλληλης αναλυτικής στήλης είναι σημαντικά για την ανάπτυξη μιας αναλυτικής μεθόδου και καθορίζεται από τις επιμέρους παραμέτρους:
i. Το μέγεθος των μορίων του υλικού πληρώσεως και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της στήλης
ii. Η φύση της ομάδας που είναι δεσμευμένη στο υπόστρωμα, η οποία καθορίζει και την εκλεκτικότητα της στατικής φάσης
iii. Η διάμετρος των πόρων του υλικού πληρώσεως
iv. Ο τύπος του υποστρώματος το οποίο πρέπει να είναι χημικά αδρανές.
v. Η περιεκτικότητα της στήλης σε ελεύθερα σιλανολικά υδροξύλια. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό τους , τόσο πιο πολική (όξινη) είναι η στήλη και τόσο ασθενέστερη είναι η συγκράτηση των μη πολικών ενώσεων.
Βιβλιογραφία
Ενόργανη Χημική Ανάλυση, Ι. Παπαδογιάννης, Β. Σαμανίδου, Θεσσαλονίκη (2000)
Ποσοτική Χημική Ανάλυση, Ι.Α Στράτης, Α.Ν Βουλγαρόπουλος, Ι.Α. Ζαχαριάδης, Θεσσαλονικη 1999
Μικροεκχύλιση στερεής φάσης (solid phase microextraction - SPME)
Η SPME είναι μια νέα τεχνική προετοιμασίας δείγματος. Είναι τεχνική, στην οποία δεν χρησιμοποιούνται οργανικοί διαλύτες για την εκχύλιση και την παραλαβή των αρωματικών συστατικών. Στηρίζεται στην κατανομή των πτητικών συστατικών μεταξύ του δείγματος και της στερεάς στατικής φάσης (πολυμερές υλικό), με το οποίο είναι επικαλυμμένη η ίνα πηκτής διοξειδίου πυριτίου (fused silica gel) της συσκευής. Η μέθοδος της SPME χρησιμοποιείται για υγρά, αέρια και στερεά δείγματα και απομονώνει πτητικά και ημιπτητικά συστατικά.
Η συσκευή, που χρησιμοποιείται, αποτελείται από μια τριχοειδή ίνα πηκτής τετηγμένου διοξειδίου πυριτίου 1 cm, η οποία επικαλύπτεται εξωτερικά από τη στατική φάση. Η ίνα είναι συνδεδεμένη με ένα ατσαλένιο έμβολο και μια συσκευή συγκράτησης που μοιάζει με μικροσύριγγα. Το δείγμα τοποθετείται σε φιαλίδιο, με διάτρητο πώμα, που σφραγίζεται με διάφραγμα (septum).
Πριν την ανάλυση η ίνα πρέπει να καθαριστεί, προς αποφυγή προσμείξεων που προκαλούν θορύβου στο χρωματογράφημα. Η εισαγωγή της ίνας στο δείγμα, γίνεται τρυπώντας το διάφραγμα του δοχείου και πιέζοντας το έμβολο προς τα κάτω, οπότε εκτίθεται η ίνα στον υπερκείμενο χώρο του δείγματος. Πραγματοποιείται, λοιπόν ισορροπία κατανομής μεταξύ της στατικής φάσης της ίνας και του δείγματος. Η συγκέντρωση της ουσίας που έχει προσροφηθεί από την ίνα είναι ανάλογη με την αρχική της ποσότητα, γεγονός το οποίο επιτρέπει τον ποσοτικό προσδιορισμό πριν επέλθει πλήρης ισορροπία στο σύστημα. Κατόπιν, η ίνα εκτίθεται στον εισαγωγέα του αεριοχρωματογράφου.
Oι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την απομόνωση των ουσιών είναι η στατική φάση της ίνας, η ανάδευση, η θερμοκρασία, η ιοντική ισχύς και το pH του δείγματος, καθώς επίσης και οι συνθήκες εκρόφησης της ίνας και ο όγκος του δείγματος.
Στο εμπόριο κυκλοφορούν πολλοί τύποι ινών, οι οποίοι διαφέρουν μεταξύ τους στο πάχος και στο υλικό της στατικής φάσης. Η επιλογή της στατικής φάσης εξαρτάται από το είδος των προς προσδιορισμό ουσιών. Γενικά για πολικές ουσίες χρησιμοποιούνται πολικές στατικές φάσεις, ενώ για μη πολικές ουσίες μη πολικές στατικές φάσεις.
Έτσι, μια μη πολική ίνα χρησιμοποιείται για την εκχύλιση μη πολικών συστατικών, όπως είναι τα περισσότερα πτητικά αρωματικά συστατικά. Καλύτερη απομόνωση πτητικών συστατικών γίνεται με μεγαλύτερα πάχη επίστρωσης, ενώ τα λεπτότερα προορίζονται για την απομόνωση ημιπτητικών συστατικών. Όταν χρησιμοποιούνται ίνες με μεγάλο πάχος στατικής φάσης, αυξάνεται ο χρόνος εκχύλισης, αφού αυξάνεται και ο χρόνος αποκατάστασης της ισορροπίας. Ταυτόχρονα όμως αυξάνεται και η ευαισθησία της ανάλυσης, καθώς εκχυλίζεται μεγαλύτερη μάζα δείγματος.
Βιβλιογραφία
www.supelco.com
Η συσκευή, που χρησιμοποιείται, αποτελείται από μια τριχοειδή ίνα πηκτής τετηγμένου διοξειδίου πυριτίου 1 cm, η οποία επικαλύπτεται εξωτερικά από τη στατική φάση. Η ίνα είναι συνδεδεμένη με ένα ατσαλένιο έμβολο και μια συσκευή συγκράτησης που μοιάζει με μικροσύριγγα. Το δείγμα τοποθετείται σε φιαλίδιο, με διάτρητο πώμα, που σφραγίζεται με διάφραγμα (septum).
Πριν την ανάλυση η ίνα πρέπει να καθαριστεί, προς αποφυγή προσμείξεων που προκαλούν θορύβου στο χρωματογράφημα. Η εισαγωγή της ίνας στο δείγμα, γίνεται τρυπώντας το διάφραγμα του δοχείου και πιέζοντας το έμβολο προς τα κάτω, οπότε εκτίθεται η ίνα στον υπερκείμενο χώρο του δείγματος. Πραγματοποιείται, λοιπόν ισορροπία κατανομής μεταξύ της στατικής φάσης της ίνας και του δείγματος. Η συγκέντρωση της ουσίας που έχει προσροφηθεί από την ίνα είναι ανάλογη με την αρχική της ποσότητα, γεγονός το οποίο επιτρέπει τον ποσοτικό προσδιορισμό πριν επέλθει πλήρης ισορροπία στο σύστημα. Κατόπιν, η ίνα εκτίθεται στον εισαγωγέα του αεριοχρωματογράφου.
Oι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την απομόνωση των ουσιών είναι η στατική φάση της ίνας, η ανάδευση, η θερμοκρασία, η ιοντική ισχύς και το pH του δείγματος, καθώς επίσης και οι συνθήκες εκρόφησης της ίνας και ο όγκος του δείγματος.
Στο εμπόριο κυκλοφορούν πολλοί τύποι ινών, οι οποίοι διαφέρουν μεταξύ τους στο πάχος και στο υλικό της στατικής φάσης. Η επιλογή της στατικής φάσης εξαρτάται από το είδος των προς προσδιορισμό ουσιών. Γενικά για πολικές ουσίες χρησιμοποιούνται πολικές στατικές φάσεις, ενώ για μη πολικές ουσίες μη πολικές στατικές φάσεις.
Έτσι, μια μη πολική ίνα χρησιμοποιείται για την εκχύλιση μη πολικών συστατικών, όπως είναι τα περισσότερα πτητικά αρωματικά συστατικά. Καλύτερη απομόνωση πτητικών συστατικών γίνεται με μεγαλύτερα πάχη επίστρωσης, ενώ τα λεπτότερα προορίζονται για την απομόνωση ημιπτητικών συστατικών. Όταν χρησιμοποιούνται ίνες με μεγάλο πάχος στατικής φάσης, αυξάνεται ο χρόνος εκχύλισης, αφού αυξάνεται και ο χρόνος αποκατάστασης της ισορροπίας. Ταυτόχρονα όμως αυξάνεται και η ευαισθησία της ανάλυσης, καθώς εκχυλίζεται μεγαλύτερη μάζα δείγματος.
Βιβλιογραφία
www.supelco.com
Αέριο Χρωματογραφία - Φασματομετρία μαζών (MS)
Η αέρια χρωματογραφία αναπτύχθηκε ως αναλυτική τεχνική τα τελευταία σαράντα χρόνια. Η τεχνική αυτή είναι σχετικά απλή και χρησιμοποιείται για την ανάλυση πτητικών ουσιών σε τρόφιμα, φάρμακα, προϊόντα πετρελαίου κ.λπ. Η διάταξη ενός αέριου χρωματογράφου δίνεται στο παρακάτω σχήμα:
Το φέρον αέριο (συνήθως Ν2, Ηe, H2, Ar) από τη φιάλη υψηλής πίεσης, μέσα από ρυθμιστές παροχής, οδηγείται στη στήλη. Η εισαγωγή του δείγματος γίνεται με μικροσύριγγα στη βαλβίδα εισαγωγής του δείγματος στην κορυφή της στήλης. Tα συστατικά του δείγματος συμπαρασύρονται από το φέρον αέριο κατά μήκος της στήλης και διαχωρίζονται. Τα κλάσματα στη συνέχεια ανιχνεύονται στον ανιχνευτή και τα σήματα ανίχνευσης καταγράφονται από καταγραφικό. Σε ορισμένες περιπτώσεις, στη συνέχεια υπάρχει μια διάταξη, όπου συλλέγονται τα διάφορα κλάσματα και ένα ροόμετρο για τον έλεγχο της ταχύτητας ροής του φέροντος αερίου.
Ως φέρον αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάθε αέριο σε υπερκάθαρη κατάσταση, το οποίο μπορεί να διαφοροποιηθεί στον ανιχνευτή, από τα διάφορα συστατικά του μίγματος. Το φέρον αέριο πρέπει να είναι αδρανές και απαλλαγμένο από προσμίξεις. Επίσης δεν πρέπει να περιέχει οξυγόνο, γιατί οξειδώνει τη στατική φάση και αυτό σημαίνει καταστροφή της στήλης, ιδιαίτερα όταν αυτή είναι τριχοειδής και η ποσότητα της στατικής φάσης είναι ελάχιστη. Ίχνη υγρασίας επίσης απενεργοποιούν τη στατική φάση, για αυτό το φέρον αέριο πρέπει να είναι απαλλαγμένο από υγρασία. Η επιλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του ανιχνευτή που χρησιμοποιείται.
Η καρδιά του χρωματογράφου είναι η στήλη. Υπάρχουν δύο είδη στηλών οι πληρωμένες στήλες και οι τριχοειδείς. Η στήλη αποτελείται από έναν επιμήκη σωλήνα, συνήθως με τη μορφή σπειράματος ή U, ώστε να καταλαμβάνει κατά το δυνατόν μικρότερο χώρο, από ανοξείδωτο χάλυβα, χαλκό, αργίλιο, ύαλο ή πλαστικό, μήκους 1-2 m για της πληρωμένες στήλες, μέχρις αρκετών εκατοντάδων μέτρων για τις τριχοειδείς, εσωτερικής διαμέτρου της τάξεως των mm στις αναλυτικές στήλες, πολλών δεκάδων cm στις παρασκευαστικές στήλες.
Το δείγμα, συνήθως όγκου 1μL εισάγεται στο ρεύμα του φέροντος αερίου στην αρχή της στήλης με μια μικροσύριγγα, διαμέσου μιας ελαστικής πλακέτας ή διαφράγματος (septum). H ταχύτητα και η ικανότητα του διαχωρισμού εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Για αυτό το λόγο η στήλη βρίσκεται σε φούρνο, του οποίου η θερμοκρασία ελέγχεται αυστηρά.
Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται εξαιτίας των διαφόρων δυνάμεων συγκράτησης και έκλουσης ανάμεσα στα συστατικά του μίγματος, το υλικό πλήρωσης της στήλης και της ροής του φέροντος αερίου.
Το δεύτερο μέρος του χρωματογράφου περιλαμβάνει τον ανιχνευτή, ο οποίος τοποθετείται στο τέλος της στήλης. Τα σήματα ενισχύονται και καταγράφονται στο καταγραφικό σύστημα.
Αρκετοί κατασκευαστές οργάνων προσφέρουν αεριοχρωματογράφους, που μπορούν να συζευχθούν άμεσα με φασματόμετρα μαζών (ΜS) ταχείας σάρωσης. Η αρχή λειτουργίας της φασματομετρίας μαζών στηρίζεται στη δημιουργία ιόντων (κυρίως θετικών) μιας ένωσης, το διαχωρισμό τους με βάση το λόγο της μάζας προς φορτίο (m/z) και την καταγραφή τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να προσδιοριστεί το μοριακό βάρος (ΜΒ) της ένωσης και ο τρόπος σύνδεσης των διαφόρων ομάδων μεταξύ τους.
Τα φασματόμετρα μαζών αποτελούνται από:
1.Το θάλαμο ιοντισμού, όπου μετατρέπεται η ένωση σε ιόντα, συνήθως κατιόντα με απόσπαση ενός ηλεκτρονίου,
2.Τον αναλυτή μαζών, όπου γίνεται διαχωρισμός των ιόντων με βάση το λόγω m/z,
3.Toν ανιχνευτή.
Ο χώρος όπου δημιουργούνται και επιταχύνονται τα ιόντα διατηρείται σε κατάσταση υψηλού κενού. Με το υψηλό κενό δημιουργούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες θέρμανσης ατμοί της προς προσδιορισμό ουσίας χωρίς τη διάσπασή της, που οδηγούνται στο θάλαμο ιοντισμού. Επίσης απομακρύνονται τα μόριά της και τα ουδέτερα προϊόντα της διάσπασης από το χώρο της ανάλυσης μετά από κάθε μέτρηση.
Ο αναλυτής αποτελείται από ένα σωλήνα σε σχήμα τόξου, που βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μεγάλης έντασης (3000-4000 gauss) και σε διεύθυνση κάθετη προς τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Με δύο κυκλικές οπές – διαφράγματα μεταβλητής ακτίνας στην αρχή και στο τέλος του σωλήνα ένα μέρος από τα ιόντα που δεν εστιάζονται στο κέντρο των διαφραγμάτων απορρίπτεται.
Ο συνηθέστερος τρόπος ιοντισμού είναι με βομβαρδισμό των αερίων μορίων της ένωσης με δέσμη ηλεκτρονίων (ΕΙ). Κατά τον ιοντισμό της ένωσης με ηλεκτρόνια, ο οποίος επιτυγχάνεται με βομβαρδισμό μορίων αυτής με δέσμη ηλεκτρονίων μεγάλης ενέργειας (συνήθως 70 eV), δημιουργείται με απώλεια ενός ηλεκτρονίου από μέρους της ένωσης μια κατιοντική ρίζα, που αντιστοιχεί στο μοριακό ιόν. Οι κατιοντικές αυτές ρίζες επιταχύνονται αρχικά με ηλεκτρικό πεδίο και στη συνέχεια κινούνται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, οπότε εκτρέπονται και διαχωρίζονται με βάση το m/z. Άλλοι τρόποι σχηματισμού ιόντων είναι : ο χημικός ιοντισμός (CI), η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου (FI), ο βομβαρδισμό με γρήγορα ουδέτερα άτομα Xe ή Ar ή ιόντα Cs (FIB).
Oι συνηθέστεροι αναλυτές είναι: αναλυτής τομέα, τετραπολικός αναλυτής, παγίδα ιόντων, αναλυτής χρόνου πτήσης.
Βιβλιογραφία:
Παπαδογιάννης, ΙΝ., Σαμανίδου, Β.Φ., Ενόργανη Χημική Ανάλυση, Θεσσαλονίκη 2001.
Χατζηιωάννου, Θ.Π, Κουππάρης, Μ.Α., Ενόργανη Ανάλυση, Αθήνα 2003.
Αργυρόπουλος, Ν., Βαρέλλα, κ.α. Σημειώσεις Πειραματικής Οργανικής Χημείας – Α΄, Α.Π.Θ., 1997.
Το φέρον αέριο (συνήθως Ν2, Ηe, H2, Ar) από τη φιάλη υψηλής πίεσης, μέσα από ρυθμιστές παροχής, οδηγείται στη στήλη. Η εισαγωγή του δείγματος γίνεται με μικροσύριγγα στη βαλβίδα εισαγωγής του δείγματος στην κορυφή της στήλης. Tα συστατικά του δείγματος συμπαρασύρονται από το φέρον αέριο κατά μήκος της στήλης και διαχωρίζονται. Τα κλάσματα στη συνέχεια ανιχνεύονται στον ανιχνευτή και τα σήματα ανίχνευσης καταγράφονται από καταγραφικό. Σε ορισμένες περιπτώσεις, στη συνέχεια υπάρχει μια διάταξη, όπου συλλέγονται τα διάφορα κλάσματα και ένα ροόμετρο για τον έλεγχο της ταχύτητας ροής του φέροντος αερίου.
Ως φέρον αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάθε αέριο σε υπερκάθαρη κατάσταση, το οποίο μπορεί να διαφοροποιηθεί στον ανιχνευτή, από τα διάφορα συστατικά του μίγματος. Το φέρον αέριο πρέπει να είναι αδρανές και απαλλαγμένο από προσμίξεις. Επίσης δεν πρέπει να περιέχει οξυγόνο, γιατί οξειδώνει τη στατική φάση και αυτό σημαίνει καταστροφή της στήλης, ιδιαίτερα όταν αυτή είναι τριχοειδής και η ποσότητα της στατικής φάσης είναι ελάχιστη. Ίχνη υγρασίας επίσης απενεργοποιούν τη στατική φάση, για αυτό το φέρον αέριο πρέπει να είναι απαλλαγμένο από υγρασία. Η επιλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται κυρίως από τον τύπο του ανιχνευτή που χρησιμοποιείται.
Η καρδιά του χρωματογράφου είναι η στήλη. Υπάρχουν δύο είδη στηλών οι πληρωμένες στήλες και οι τριχοειδείς. Η στήλη αποτελείται από έναν επιμήκη σωλήνα, συνήθως με τη μορφή σπειράματος ή U, ώστε να καταλαμβάνει κατά το δυνατόν μικρότερο χώρο, από ανοξείδωτο χάλυβα, χαλκό, αργίλιο, ύαλο ή πλαστικό, μήκους 1-2 m για της πληρωμένες στήλες, μέχρις αρκετών εκατοντάδων μέτρων για τις τριχοειδείς, εσωτερικής διαμέτρου της τάξεως των mm στις αναλυτικές στήλες, πολλών δεκάδων cm στις παρασκευαστικές στήλες.
Το δείγμα, συνήθως όγκου 1μL εισάγεται στο ρεύμα του φέροντος αερίου στην αρχή της στήλης με μια μικροσύριγγα, διαμέσου μιας ελαστικής πλακέτας ή διαφράγματος (septum). H ταχύτητα και η ικανότητα του διαχωρισμού εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Για αυτό το λόγο η στήλη βρίσκεται σε φούρνο, του οποίου η θερμοκρασία ελέγχεται αυστηρά.
Ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται εξαιτίας των διαφόρων δυνάμεων συγκράτησης και έκλουσης ανάμεσα στα συστατικά του μίγματος, το υλικό πλήρωσης της στήλης και της ροής του φέροντος αερίου.
Το δεύτερο μέρος του χρωματογράφου περιλαμβάνει τον ανιχνευτή, ο οποίος τοποθετείται στο τέλος της στήλης. Τα σήματα ενισχύονται και καταγράφονται στο καταγραφικό σύστημα.
Αρκετοί κατασκευαστές οργάνων προσφέρουν αεριοχρωματογράφους, που μπορούν να συζευχθούν άμεσα με φασματόμετρα μαζών (ΜS) ταχείας σάρωσης. Η αρχή λειτουργίας της φασματομετρίας μαζών στηρίζεται στη δημιουργία ιόντων (κυρίως θετικών) μιας ένωσης, το διαχωρισμό τους με βάση το λόγο της μάζας προς φορτίο (m/z) και την καταγραφή τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να προσδιοριστεί το μοριακό βάρος (ΜΒ) της ένωσης και ο τρόπος σύνδεσης των διαφόρων ομάδων μεταξύ τους.
Τα φασματόμετρα μαζών αποτελούνται από:
1.Το θάλαμο ιοντισμού, όπου μετατρέπεται η ένωση σε ιόντα, συνήθως κατιόντα με απόσπαση ενός ηλεκτρονίου,
2.Τον αναλυτή μαζών, όπου γίνεται διαχωρισμός των ιόντων με βάση το λόγω m/z,
3.Toν ανιχνευτή.
Ο χώρος όπου δημιουργούνται και επιταχύνονται τα ιόντα διατηρείται σε κατάσταση υψηλού κενού. Με το υψηλό κενό δημιουργούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες θέρμανσης ατμοί της προς προσδιορισμό ουσίας χωρίς τη διάσπασή της, που οδηγούνται στο θάλαμο ιοντισμού. Επίσης απομακρύνονται τα μόριά της και τα ουδέτερα προϊόντα της διάσπασης από το χώρο της ανάλυσης μετά από κάθε μέτρηση.
Ο αναλυτής αποτελείται από ένα σωλήνα σε σχήμα τόξου, που βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μεγάλης έντασης (3000-4000 gauss) και σε διεύθυνση κάθετη προς τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Με δύο κυκλικές οπές – διαφράγματα μεταβλητής ακτίνας στην αρχή και στο τέλος του σωλήνα ένα μέρος από τα ιόντα που δεν εστιάζονται στο κέντρο των διαφραγμάτων απορρίπτεται.
Ο συνηθέστερος τρόπος ιοντισμού είναι με βομβαρδισμό των αερίων μορίων της ένωσης με δέσμη ηλεκτρονίων (ΕΙ). Κατά τον ιοντισμό της ένωσης με ηλεκτρόνια, ο οποίος επιτυγχάνεται με βομβαρδισμό μορίων αυτής με δέσμη ηλεκτρονίων μεγάλης ενέργειας (συνήθως 70 eV), δημιουργείται με απώλεια ενός ηλεκτρονίου από μέρους της ένωσης μια κατιοντική ρίζα, που αντιστοιχεί στο μοριακό ιόν. Οι κατιοντικές αυτές ρίζες επιταχύνονται αρχικά με ηλεκτρικό πεδίο και στη συνέχεια κινούνται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, οπότε εκτρέπονται και διαχωρίζονται με βάση το m/z. Άλλοι τρόποι σχηματισμού ιόντων είναι : ο χημικός ιοντισμός (CI), η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου (FI), ο βομβαρδισμό με γρήγορα ουδέτερα άτομα Xe ή Ar ή ιόντα Cs (FIB).
Oι συνηθέστεροι αναλυτές είναι: αναλυτής τομέα, τετραπολικός αναλυτής, παγίδα ιόντων, αναλυτής χρόνου πτήσης.
Βιβλιογραφία:
Παπαδογιάννης, ΙΝ., Σαμανίδου, Β.Φ., Ενόργανη Χημική Ανάλυση, Θεσσαλονίκη 2001.
Χατζηιωάννου, Θ.Π, Κουππάρης, Μ.Α., Ενόργανη Ανάλυση, Αθήνα 2003.
Αργυρόπουλος, Ν., Βαρέλλα, κ.α. Σημειώσεις Πειραματικής Οργανικής Χημείας – Α΄, Α.Π.Θ., 1997.
Κλασματική απόσταξη
Η απόσταξη είναι μέθοδος διαχωρισμού των συστατικών ομογενούς μίγματος υγρού- υγρού ή υγρού στερεού και στηρίζεται στη διαφορά των σημείων βρασμού των συστατικών του μίγματος. Το μίγμα θερμαίνεται και αν τα σημεία βρασμού των συστατικών του διαφέρουν περισσότερο από 20 0, τότε ο ατμός που θα προκύψει, αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από το συστατικό με το χαμηλότερο σημείο βρασμού. Οι ατμοί αυτοί ψύχονται, υγροποιούνται και συλλέγονται σε δοχείο. Ανάλογα με το μίγμα που θέλουμε να αποστάξουμε και τις συνθήκες που εφαρμόζουμε η απόσταξη διακρίνεται σε απλή απόσταξη, κλασματική απόσταξη, απόσταξη με υδρατμούς και απόσταξη σε κενό ή σε ελαττωμένη πίεση. Η απλή απόσταξη χρησιμοποιείται συνήθως στο διαχωρισμό ενός συστατικού από ένα μίγμα.
Με την κλασματική απόσταξη επιχειρείται απόσταξη υγρών, (με διαφορετικά σημεία βρασμού), που βρίσκονται στο ίδιο μίγμα. Έτσι στην κλασματική απόσταξη κάθε υγρό βράζει σε διαφορετική θερμοκρασία γεγονός που επιτρέπει τη συγκέντρωση και αντίστοιχα συμπύκνωση ξεχωριστά των ατμών του. Ευνόητο είναι ότι η απομόνωση υγρών με κλασματική απόσταξη ξεκινάει από το υγρό που έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού.
Ογκομέτρηση
Ογκομέτρηση είναι η διαδικασία ποσοτικού προσδιορισμού μιας ουσίας με μέτρηση του ελάχιστου όγκου ενός διαλύματος γνωστής συγκέντρωσης άλλης ουσίας που απαιτείται για την πλήρη αντίδραση με την αρχική ουσία.
-Πρότυπο διάλυμα: ονομάζεται το διάλυμα της ουσίας με τη γνωστή συγκέντρωση και τοποθετείται στην προχΐδα.
-Ισοδύναμο σημείο: είναι το σημείο της ογκομέτρηση στο οποίο έχει αντίδρασει πλήρως (στοιχειομετρικά) η ογκομετρούμενη ουσία με το πρότυπο διάλυμα.
Φασματοφωτομετρία UV-VIS
Γενικά οι φασματοσκοπικές μέθοδοι χημικής ανάλυσης, όπου ανήκει και η φασματοφωτομετρία UV-VIS, χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την επίλυση διαφόρων χημικών προβλημάτων, που σχετίζονται με τη δομή, την κινητική, την ταυτοποίηση, την ποσοτική ανάλυση διαφόρων ενώσεων, κ.α. Τα πλεονεκτήματα αυτών των μεθόδων είναι:
-χρησιμοποιούμε μικρή ποσότητα δείγματος,
-δεν καταστρέφεται στα τέλος της ανάλυσης,
-μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία,
-μικρός χρόνος μέτρησης.
Οι περισσότερες από τις φασματοφωτομετρικές μεθόδους βασίζονται στην επίδραση κατάλληλης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μια ουσία, που δεσμεύεται από τα άτομα, ή τα μόρια της ύλης και προκαλεί ηλεκτρονικές διεγέρσεις, διεγέρσεις πυρήνων, αλλαγές στην περιστροφή και τη δόνηση των μορίων. Στη συνέχεια τα άτομα και τα μόρια επιστρέφουν συνήθως στην αρχική τους κατάσταση, αφού αποβάλλουν το ποσό της ενέργειας που απορρόφησαν. Η καταγραφή της έντασης της απορρόφησης σε συνάρτηση με το μήκος κύματος, ή τη συχνότητα της ακτινοβολίας αποτελεί το φάσμα απορρόφησης, που είναι γραμμικό στα άτομα και ταινίες στα μόρια.
ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ UV-VIS
Απορρόφηση υπεριώδους (UV : 190 - 400 nm), ή ορατής ακτινοβολίας (visual 400-800 nm), προκαλεί μόνο ηλεκτρονικές διεγέρσεις, δηλαδή διεγέρσεις ηλεκτρονίων της στοιβάδας σθένους, που μεταβαίνουν από μια δεσμική σε μια αντιδεσμική κατάσταση, χωρίς όμως να αλλάζουν τον κύριο κβαντικό αριθμό.
O μονοχρωμάτορας (πρίσμα, ή παραθλαστικό φράγμα), αναλύει τα λευκό φως στις διάφορες μονοχρωματικές περιοχές του και επιλέγει τα επιθυμητό μήκος κύματος, με μεγάλη ακρίβεια. Ο διαχωριστής δέσμης, χωρίζει την εξερχόμενη δέσμη σε δύο ίσα μέρη. Οι κυψελίδες που περιέχουν το τυφλό και το δείγμα μέτρησης, κατασκευάζονται από χαλαζία για την περιοχή UV, ή και από ύαλο για την περιοχή VIS. Οι ανιχνευτές 1 και 2 συνδυαζόμενοι βρίσκουν το σήμα που οφείλεται στην ουσία που θέλουμε να προσδιορίσουμε. Ο ενισχυτής, ενισχύει το εξερχόμενο σήμα. Η μέτρηση, ή και καταγραφή του σήματος γίνεται από ευπαθές φωτοκύτταρο και εκφράζεται σαν απορρόφηση, ή διαπερατότητα. Σήμερα τα χρησιμοποιούμενα όργανα είναι συνήθως αυτογραφικά διπλής δέσμης, (ο μηδενισμός του οργάνου γίνεται αυτόματα) και δίνουν τις μεταβολές της απορρόφησης, ή της διαπερατότητας σε συνάρτηση με το μήκος κύματος.
ΟΡΙΣΜΟΙ
α) Το μήκος κύματος όπου παρατηρείται το μεγαλύτερο ποσοστό απορρόφησης, καλείται μ.κ μέγιστης απορρόφησης και συμβολίζεται με λ. Σ'αυτό το μ.κ πραγματοποιούνται υποχρεωτικά όλες οι μετρήσεις.
β) Λευκό διάλυμα, ή τυφλό δείγμα (blank), είναι το διάλυμα που έχει υποστεί όλες ακριβώς τις επεξεργασίες όπως και το άγνωστο, αλλά δεν περιέχει την ουσία που εξετάζουμε. Η κυψελίδα που περιέχει το λευκό διάλυμα ονομάζεται και κυψελίδα αναφοράς. Είναι κατασκευασμένη από χαλαζία, ή γυαλί ανάλογα με την περιοχή μέτρησης.
γ) Καμπύλη αναφοράς, ή βαθμονόμησης (calibration curve), ονομάζεται η καμπύλη που προκύπτει από τη γραφική απεικόνιση των αριθμητικών τιμών μιας φυσικοχημικής ιδιότητας του δείγματος
( Α ή Τ% ), σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση της ουσίας. σε πρότυπα διαλύματα. Από την καμπύλη αναφοράς υπολογίζουμε αμέσως τη συγκέντρωση ενός άγνωστου διαλύματος. Σωστές μετρήσεις λαμβάνονται όταν η μικρότερη τιμή της °% Τ είναι 10% και η μέγιστη οριακή τιμή της απορρόφησης μονάδα, ( Α = 1 ).
-χρησιμοποιούμε μικρή ποσότητα δείγματος,
-δεν καταστρέφεται στα τέλος της ανάλυσης,
-μεγάλη ακρίβεια και ευαισθησία,
-μικρός χρόνος μέτρησης.
Οι περισσότερες από τις φασματοφωτομετρικές μεθόδους βασίζονται στην επίδραση κατάλληλης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μια ουσία, που δεσμεύεται από τα άτομα, ή τα μόρια της ύλης και προκαλεί ηλεκτρονικές διεγέρσεις, διεγέρσεις πυρήνων, αλλαγές στην περιστροφή και τη δόνηση των μορίων. Στη συνέχεια τα άτομα και τα μόρια επιστρέφουν συνήθως στην αρχική τους κατάσταση, αφού αποβάλλουν το ποσό της ενέργειας που απορρόφησαν. Η καταγραφή της έντασης της απορρόφησης σε συνάρτηση με το μήκος κύματος, ή τη συχνότητα της ακτινοβολίας αποτελεί το φάσμα απορρόφησης, που είναι γραμμικό στα άτομα και ταινίες στα μόρια.
ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ UV-VIS
Απορρόφηση υπεριώδους (UV : 190 - 400 nm), ή ορατής ακτινοβολίας (visual 400-800 nm), προκαλεί μόνο ηλεκτρονικές διεγέρσεις, δηλαδή διεγέρσεις ηλεκτρονίων της στοιβάδας σθένους, που μεταβαίνουν από μια δεσμική σε μια αντιδεσμική κατάσταση, χωρίς όμως να αλλάζουν τον κύριο κβαντικό αριθμό.
O μονοχρωμάτορας (πρίσμα, ή παραθλαστικό φράγμα), αναλύει τα λευκό φως στις διάφορες μονοχρωματικές περιοχές του και επιλέγει τα επιθυμητό μήκος κύματος, με μεγάλη ακρίβεια. Ο διαχωριστής δέσμης, χωρίζει την εξερχόμενη δέσμη σε δύο ίσα μέρη. Οι κυψελίδες που περιέχουν το τυφλό και το δείγμα μέτρησης, κατασκευάζονται από χαλαζία για την περιοχή UV, ή και από ύαλο για την περιοχή VIS. Οι ανιχνευτές 1 και 2 συνδυαζόμενοι βρίσκουν το σήμα που οφείλεται στην ουσία που θέλουμε να προσδιορίσουμε. Ο ενισχυτής, ενισχύει το εξερχόμενο σήμα. Η μέτρηση, ή και καταγραφή του σήματος γίνεται από ευπαθές φωτοκύτταρο και εκφράζεται σαν απορρόφηση, ή διαπερατότητα. Σήμερα τα χρησιμοποιούμενα όργανα είναι συνήθως αυτογραφικά διπλής δέσμης, (ο μηδενισμός του οργάνου γίνεται αυτόματα) και δίνουν τις μεταβολές της απορρόφησης, ή της διαπερατότητας σε συνάρτηση με το μήκος κύματος.
ΟΡΙΣΜΟΙ
α) Το μήκος κύματος όπου παρατηρείται το μεγαλύτερο ποσοστό απορρόφησης, καλείται μ.κ μέγιστης απορρόφησης και συμβολίζεται με λ. Σ'αυτό το μ.κ πραγματοποιούνται υποχρεωτικά όλες οι μετρήσεις.
β) Λευκό διάλυμα, ή τυφλό δείγμα (blank), είναι το διάλυμα που έχει υποστεί όλες ακριβώς τις επεξεργασίες όπως και το άγνωστο, αλλά δεν περιέχει την ουσία που εξετάζουμε. Η κυψελίδα που περιέχει το λευκό διάλυμα ονομάζεται και κυψελίδα αναφοράς. Είναι κατασκευασμένη από χαλαζία, ή γυαλί ανάλογα με την περιοχή μέτρησης.
γ) Καμπύλη αναφοράς, ή βαθμονόμησης (calibration curve), ονομάζεται η καμπύλη που προκύπτει από τη γραφική απεικόνιση των αριθμητικών τιμών μιας φυσικοχημικής ιδιότητας του δείγματος
( Α ή Τ% ), σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση της ουσίας. σε πρότυπα διαλύματα. Από την καμπύλη αναφοράς υπολογίζουμε αμέσως τη συγκέντρωση ενός άγνωστου διαλύματος. Σωστές μετρήσεις λαμβάνονται όταν η μικρότερη τιμή της °% Τ είναι 10% και η μέγιστη οριακή τιμή της απορρόφησης μονάδα, ( Α = 1 ).
Εκχύλιση
Εκχύλιση ονομάζεται η μεταφορά μιας ουσίας από μια φάση στην οποία βρίσκεται με τη μορφή διαλύματος ή αιωρήματος σε μια άλλη υγρή φάση. Η μεταφορά αυτή είναι δυνατή επειδή η ουσία κατανέμεται στις δύο φάσεις με ορισμένη αναλογία. Η εκχύλιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το διαχωρισμό μίγματος υγρών ή στερεών ουσιών.
Γενικότερα η παραλαβή οργανικών ουσιών από αιωρήματα, γίνεται με ανάμιξη του υδατικού μίγματος με ένα μη αμαμιγνυόμενο με το νερό οργανικό διαλύτη, το προϊόν μεταφέρεται στην οργανική στοιβάδα και μπορεί να ανακτηθεί με την απομάκρυνση του διαλύτη. Στις περισσότερες περιπτώσεις η ανάμιξη των δύο φάσεων γίνεται σε διαχωριστικό χωνί, όπου αναταράσσονται έτσι ώστε να έλθουν σε στενή επαφή και να αποκατασταθεί ισορροπία των διαλυμένων ουσιών στις δύο φάσεις οπότε και διαχωρίζονται.
Extract
Αρχές Χρωματογραφίας
Η χρωματογραφία βασίζεται στην κατανομή των προς διαχωρισμό ουσιών εντός δύο φάσεων, όπου η μία φάση διατηρείται ακίνητη (στατική φάση), ενώ η δεύτερη βρίσκεται υπό συνεχή ροή (κινητή φάση).
Το προς διαχωρισμό μίγμα εισάγεται με τη βοήθεια της κινητή φάσης στη στατική φάση. Οι δύο φάσεις επιλέγονται έτσι, ώστε τα συστατικά του δείγματος να κατανέμονται μεταξύ της κινητής και της στατικής φάσης σε διαφορετικό βαθμό. Τα συστατικά τα οποία κατακρατούνται ισχυρότερα από τη στατική φάση κινούνται αργά κατά τη ροή της κινητής φάσης. Αντίθετα, τα συστατικά τα οποία κατακρατούνται ασθενέστερα από τη στατική φάση, κινούνται ταχύτερα. Ως αποτέλεσμα αυτών των διαφορών στην ευκινησία, τα συστατικά διαχωρίζονται. Οι διάφορες χρωματογραφικές μέθοδοι διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη φύση της κινητής φάσης (υγρή ή αέρια) ή της στατικής (στερεό ή υγρό πάνω σε στερεό υπόστρωμα), ως προς το μηχανισμό στον οποίο οφείλεται ο διαχωρισμός (προσρόφηση, ιοντοανταλλαγή, κατανομή, μέγεθος μορίων) και ως προς το μέσο στο οποίο έχει τοποθετηθεί η στατική φάση (στήλη, λεπτή στοιβάδα πάνω σε γυάλινη πλάκα, χαρτί).
Το προς διαχωρισμό μίγμα εισάγεται με τη βοήθεια της κινητή φάσης στη στατική φάση. Οι δύο φάσεις επιλέγονται έτσι, ώστε τα συστατικά του δείγματος να κατανέμονται μεταξύ της κινητής και της στατικής φάσης σε διαφορετικό βαθμό. Τα συστατικά τα οποία κατακρατούνται ισχυρότερα από τη στατική φάση κινούνται αργά κατά τη ροή της κινητής φάσης. Αντίθετα, τα συστατικά τα οποία κατακρατούνται ασθενέστερα από τη στατική φάση, κινούνται ταχύτερα. Ως αποτέλεσμα αυτών των διαφορών στην ευκινησία, τα συστατικά διαχωρίζονται. Οι διάφορες χρωματογραφικές μέθοδοι διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη φύση της κινητής φάσης (υγρή ή αέρια) ή της στατικής (στερεό ή υγρό πάνω σε στερεό υπόστρωμα), ως προς το μηχανισμό στον οποίο οφείλεται ο διαχωρισμός (προσρόφηση, ιοντοανταλλαγή, κατανομή, μέγεθος μορίων) και ως προς το μέσο στο οποίο έχει τοποθετηθεί η στατική φάση (στήλη, λεπτή στοιβάδα πάνω σε γυάλινη πλάκα, χαρτί).
TLC (χρωματογραφία λεπτή στοιβάδας)
Σε αυτή τη χρωματογραφική τεχνική χρησιμοποιούνται γυάλινες ή αλουμινένιες πλάκες επιστρωμένες με μια λεπτή στοιβάδα στατικής φάσης.Η στατική φάση συνήθως είναι γέλη πυριτίου ή λιγότερο συχνά οξείδιο αργιλλίου, κυτταρίνη κτλ.
Το διάλυμα του υπο εξέταση δείγματος τοποθετείται υπο τη μορφή κηλίδας στην αρχή της πλάκας σε απόσταση περίπου 2 cm. Στη συνέχεια η πλάκα τοποθετείται όρθια εντός αεροστεγούς θαλάμου στον οποίο έχει ήδη εισαχθεί κατάλληλο σύστημα διαλυτών σε ύψος κάτω από αυτό της κηλίδας. Οι διαλύτες πρέπει να έχουν τοποθετηθεί εντός του θαλάμου τουλάχιστον 10 min πριν την τοποθέτηση της πλάκας ώστε να έχει κορεσθεί ο υπερκείμενος χώρος από τους ατμούς των διαλυτών.
Ακολούθως ο διαλύτης αφήνεται να ανέλθει με τη βοήθεια τριχοειδών φαινομένων (περίπου 10-20 min, ανάλογα με το ύψος της πλάκας) μέχρι το μέτωπο του διαλύτη να φθάσει λίγα εκατοστά πριν το τέλος της πλάκας. Ύστερα, η πλάκα αποσύρεται και στεγνώνεται με ρεύμα αέρα.
Οι διάφορες ουσίες που περιέχονται στο υπο εξέταση δείγμα μετακινούνται επι της πλάκας με διαφορετική ταχύτητα ανάλογα με την πολικότητα τους και εμφανίζονται με τη μορφή διακριτών κηλίδων. Η παρατήρηση των κηλίδων γίνεται με εξέταση στο υπεριώδες φως (254 ή 356 nm) ή μετά από ψεκασμό με ειδικά αντιδραστήρια.
Από το χρώμα των κηλίδων στο ορατό, από την απορρόφηση στο υπεριώδες και ανάλογα με το χρησιμοποιηθέν αντιδραστήριο μπορεί να εξαχθούν συμπεράσματα για την κατηγορία των ουσιών που παρατηρούμε (φλαβονοειδές, αλκαλοειδές, σάκχαρο κτλ).
Το διάλυμα του υπο εξέταση δείγματος τοποθετείται υπο τη μορφή κηλίδας στην αρχή της πλάκας σε απόσταση περίπου 2 cm. Στη συνέχεια η πλάκα τοποθετείται όρθια εντός αεροστεγούς θαλάμου στον οποίο έχει ήδη εισαχθεί κατάλληλο σύστημα διαλυτών σε ύψος κάτω από αυτό της κηλίδας. Οι διαλύτες πρέπει να έχουν τοποθετηθεί εντός του θαλάμου τουλάχιστον 10 min πριν την τοποθέτηση της πλάκας ώστε να έχει κορεσθεί ο υπερκείμενος χώρος από τους ατμούς των διαλυτών.
Ακολούθως ο διαλύτης αφήνεται να ανέλθει με τη βοήθεια τριχοειδών φαινομένων (περίπου 10-20 min, ανάλογα με το ύψος της πλάκας) μέχρι το μέτωπο του διαλύτη να φθάσει λίγα εκατοστά πριν το τέλος της πλάκας. Ύστερα, η πλάκα αποσύρεται και στεγνώνεται με ρεύμα αέρα.
Οι διάφορες ουσίες που περιέχονται στο υπο εξέταση δείγμα μετακινούνται επι της πλάκας με διαφορετική ταχύτητα ανάλογα με την πολικότητα τους και εμφανίζονται με τη μορφή διακριτών κηλίδων. Η παρατήρηση των κηλίδων γίνεται με εξέταση στο υπεριώδες φως (254 ή 356 nm) ή μετά από ψεκασμό με ειδικά αντιδραστήρια.
Από το χρώμα των κηλίδων στο ορατό, από την απορρόφηση στο υπεριώδες και ανάλογα με το χρησιμοποιηθέν αντιδραστήριο μπορεί να εξαχθούν συμπεράσματα για την κατηγορία των ουσιών που παρατηρούμε (φλαβονοειδές, αλκαλοειδές, σάκχαρο κτλ).
Εγγραφή σε:
Αναρτήσεις (Atom)