Reakciókinetika és analitikai kémia

alprojektvezető: Dr. Kalmár József

I. Alprojekt felépítése:

1. Környezetkémiai reakciómechanizmusok munkacsoport

vezető: Prof. Dr. Fábián István (http://inorg.unideb.hu/oktatok/10)

2. Határfelületi folyamatok munkacsoport

vezető: Dr. Kalmár József (http://inorg.unideb.hu/oktatok/99)

3. Bioanalitikai munkacsoport

vezető: Dr. Gáspár Attila (http://inorg.unideb.hu/oktatok/1)

4. Környezetanalitikai munkacsoport

vezető: Dr. Baranyai Edina (http://inorg.unideb.hu/oktatok/67)

II. Célkitűzések:

  • A környezeti kémiában fontos redoxireakciók mechanizmuskutatása

Gyorskinetikai (stopped-flow, villanófény fotolízis, szekvenciális stopped-flow és quenched stopped-fow) módszerekkel kívánjuk vizsgálni kulcsfontosságú reaktív köztitermékek képződését és további reakcióit. Emellett klasszikus kinetikai módszereket fogunk alkalmazni a reakciók időbeli lefutásának követésére.

  • Hibrid és funkcionalizált aerogélek biológiai, illetve katalitikus felhasználása

Különböző szerkezetű szilícium-dioxid alapvázú hibrid, illetve tisztán biopolimer (zselatin, alginát, keményítő) aerogéleket fogunk előállítani és környezeti kémiai, illetve orvosbiológia alkalmazásokban tesztelni. 

  • Analitikai vizsgálatok (kapilláris elektroforézis, atomspektrometria)

Célunk a kutatási projekt megvalósítása során felmerülő analitikai feladatok megoldása: a kapilláris elektroforézis jól egyesíti a nagy elválasztási hatékonyság, a gyors elemzés, kis mennyiségű minta- és vegyszerfelhasználás, illetve poláros és nem-poláros anyagok elemzésének lehetőségét. Az atomspektrometriai technikák nagy érzékenységű elemanalízist tesznek lehetővé, akár egészen kis térfogatú mintákból. 

  • Mikrofluidikai csipek fejlesztése és alkalmazása

A mikrofluidikai analitikai kutatások célja, hogy mikro- és nanofabrikációs eljárások segítségével a számítógép csipek méretével összevethető, integrált, laboratóriumokat (lab-on-a-chip) tervezzünk és készítsünk. Tanulmányozni fogjuk baktériumsejtek elválasztásának és izotachoforetikus koncentrálásának mikrocsipben történő megvalósíthatóságát. 

  • Mintaelőkészítési és mérési módszerek kidolgozása komplex mátrixok elemanalíziséhez

A kutatás célja, hogy az elemanalitika fő célterületeiről származó minták (környezeti, élelmiszer- és gyógyszeripar) mintaelőkészítésére és elemspeciációs analitikai vizsgálatára dolgozzunk ki olyan eljárásokat, amelyek segítségével a mátrixhatások felderíthetőek és az általuk okozott mérési hibák csökkenthetőek.

III. Várható eredmények:

  • A környezeti kémiában fontos redoxireakciók mechanizmusának felderítése

A folyamatok részleteinek feltárása hatékonyabb és gazdaságosabb ipari alkalmazások és technológiák kidolgozásához vezet.  Az eredmények elsősorban a vízkezelési eljárásokban (ivóvíz, szennyvíz, ipari vizek), illetve nagyhatékonyságú környezetbarát oxidációs technológiákban hasznosulhatnak.

  • Hibrid és funkcionalizált aerogélek biológiai, illetve katalitikus felhasználása

Az eredmények hatékony és jól hangolható tulajdonságú gyógyszerhordozó mátrixok, szövetregenerációt elősegítő anyagok, biokompatibilis szerkezeti anyagok, illetve környezeti adszorbensek és környezetkémiai katalizátorok kifejlesztéséhez vezetnek.

  • Analitikai vizsgálatok (kapilláris elektroforézis, atomspektrometria)

Elektroforetikus (CZE, MEKC, CGE, CITP) módszerek kidolgozása, validálása és alkalmazása környezeti, biológiai, gyógyszerészeti minták elemzésére. Fehérjék meghatározása és tanulmányozása peptidtérkép vizsgálatok, tömegspektrometriás elemzések segítségével. Biomarkerek meghatározása klinikai mintákból. Környezeti-, élelmiszer- és gyógyszerminták mintaelőkészítése, valamint komplex elemanalitikai vizsgálata (FAAS, GFAAS, ICP-OES, MP-AES).

  • Mikrofluidikai csipek kifejlesztése és alkalmazása

Új csatornamintázatú mikrofluidikai csipek tervezése és kialakítása PDMS-ből elválasztástechnikai és mintaelőkészítési feladatok elvégzésére. Mikrofluidikai enzimreaktorok fejlesztése. Mikrocsipek kapcsolása atomspektrométerekhez, tömegspektrométerhez. A kifejlesztett mikrocsipek alkalmazása gyógyszerészeti, klinikai, környezeti minták elemzésére.

  • Mintaelőkészítési és mérési módszerek kidolgozása komplex mátrixok elemanalíziséhez

Bonyolult mintamátrixokra fókuszáló (ásványi és motorolajok, zsírok, elektrolitfürdők, gyógyszeralapanyagok, szerves talajextraktumok) atomspektrometriai mérési folyamatok fejlesztése.

IV. Infrastruktúra:

Stopped-flow spektrométer

A tanulmányozni kívánt redoxireakciók és komplexképződési folyamatok jellemzője a reaktív köztitermékek jelenléte, melyek gyors reakciólépésekben képződnek és alakulnak tovább. Számos esetben ezek a folyamatok néhány másodperc, vagy annál is rövidebb idő alatt játszódnak le. A beszerezni kívánt stopped-flow készülék alkalmas néhány milliszekundumos félidejű kémiai folyamatok követésére. A készülék szekvenciális üzemmódban is alkalmazható, melynek során reaktív köztitermékek állíthatók elő és azok további reakciói követhetők. Ugyanezen üzemmód kémiai befagyasztás elvén működő kinetikai vizsgálatokra is megteremti a lehetőséget. A készülék az egyes folyamatokat kísérő fényemisszió időbeli változásának követésére is alkalmas. 

Kétcsatornás ionkromatográf (IC)

A tervezett kutatások során számos, ionos komponenst tartalmazó minta pontos összetételének meghatározására van szükség. Például környezetkémiai kutatások során ionkromatográfiás módszerrel kívánjuk követni az erélyes oxidálószerek és belőlük képződő szervetlen ionok koncentrációváltozását a lejátszódó reakciók során. Különösen komoly szakmai feladatot jelent az esetenként számos nagyságrenddel eltérő koncentrációban jelen lévő komponensek egymás mellett történő pontos meghatározása. A beszerezni kívánt modulrendszerű ionkromatográf flexibilis, de ugyanakkor robosztus megoldásokat tesz lehetővé ezen komoly kihívást jelentő analitikai kémiai feladatok megoldására. A készülék egyaránt alkalmas anionok és kationok mérésére, valamint gradiens elúcióra, ami különösen fontos hasonló tulajdonságú komponensek meghatározása során.

UV fényforrás

A tervezett fotokémiai kutatások során a reakciók kinetikájának és mechanizmusának vizsgálatához elengedhetetlen egy megfelelő spektrális tulajdonságokkal rendelkező gerjesztő fényforrás. Célunk a készülékkel homogén és heterogén, direkt fotokémiai és fotokatalitikus folyamatok vizsgálata. A kinetikai vizsgálatok mellett a készülék alkalmas preparatív célokra is, így a spektrofotometriás detektálás eredményeit olyan mérésekkel bővíthetjük, mint a tömegspektrometria, NMR spektroszkópia vagy folyadékkromatográfia. A készülék így lehetőséget ad újabb környezetkémiai kutatási irányok elindítására, amelyekre eddig nem volt lehetőségünk.

LED indukált fluoreszcens spektrométer

A kapilláris elektroforézis esetén a detektálás leggyakrabban a kapillárison keresztül történik, de a kapilláris kis átmérője (25 µm-75 µm) miatt a kimutatási határ nem olyan jó, mint más elválasztástechnikai módszerek esetén. A legjobb kimutatási határok (LED) indukált fluoreszcencia detektálással érhetők el (pl. 10–13 mol/dm3). A modern orvostudományban és a gyógyszeriparban a biomarkerek egyre nagyobb teret kapnak. A biomarker molekulák analitikája nagy kihívást jelent, mivel igen kis koncentrációban képződnek, és vannak jelen az emberi szervezetben, ezért fontos az érzékeny detektálás. Mindezek mellett a LED-IF detektorral felszerelt a kapilláris elektroforézis szerepe a nukleinsavak, fehérjék és terápiás monoklonális antitestek analitikájában is vitathatatlan.