2 ] a [ mmol/m

Plynová chromatografie

RNDr. Radomír Č abala, Dr.

Univerzita Karlova v Praze

Přírodovědecká fakulta

Katedra analytické chemie

Základní p ř ednáška - teorie

Úvod

Ostatní 9%

Nezávislé testovací 7%

Zemědělské, potravinářské 14%

Chemie, petrochemie, plyn, ropa

18%

Univerzity,

státní instituce 19%

Farmaceutické 33%

Zdroj: The Column, February 2008, www.thecolumn.com

Plynová chromatografie: podíl na trhu

Úvod

Separace

– operace, p ř i které se vzorek rozd ě lí alespo ň na dva podíly odlišného složení

– dochází ke zvyšování molárního zlomku alespo ň jedné složky p ů vodního vzorku oproti ostatním – odlišují se

• selektivitou

• rozsahem použitelnosti

• frakciona č ní kapacitou

Úvod

Vlastnosti separací Selektivita

– kvalitativní vlastnost

– selektivní separace: rozd ě lení na základ ě struktury nebo tvaru molekuly

– neselektivní separace: rozd ě lení na základ ě b.v., t ě kavosti č i jiné vlastnosti odvozené od M

Rozsah použitelnosti

– jaké látky č i jaké typy vzork ů mohou být separovány

Frakciona č ní kapacita

– maximální po č et složek, které mohou být separovány v jedné operaci

– nap ř . sublimace - 2, plynová chromatografie > 1000

Úvod - Principy separace (1)

1. Separace jako rovnovážná distribuce mezi dv ě fáze

Rovnováha

plyn-kapalina plyn-tuhá látka kapalina-kapalina kapalina-tuhá látka

destilace sublimace extrakce pásmové tavení

GLC GSC GPC krystalizace

pěnové dělení molekulová síta LLC srážení

LSC IEC

molekulová síta

Úvod - Principy separace (2)

2. Separace jako proces s rozdílnými rychlostmi pohybu složek

Membránové separace Separace v silovém poli

ultrafiltrace elektroforéza

reverzní osmóza tepelná difuze

dialýza hmotnostní spektrometrie

elektrodialýza ultracentrifugace

Úvod - Principy separace (3)

Použitelnost chromatografických metod podle M

analyt ů

Metoda Rozsah

GC 0 - 300 (1000)

HPLC 50 - 10 000

PC + TLC 100 - 50 000

GPC 100 - 5.10

Úvod - Definice plynové chromatografie

Plynová chromatografie

– fyzikáln ě -chemická metoda separace sm ě si látek na základ ě jejich rozd ě lování mezi dv ě fáze, z nichž jedna je plynná a pohybuje se a druhá je pevná nebo kapalná a je nepohyblivá

– lze ji použít na separaci plynných látek nebo

látek, které lze definovaným zp ů sobem p ř evést do plynného stavu (prakt. do 400°C)

– první komer č n ě vyvinutá p ř ístrojová

chromatografická technika

Úvod - Využití plynové chromatografie

• Analytická metoda

– kvalitativní a kvantitativní analýza plyn ů a látek, které lze definovaným zp ů sobem p ř evést do plynné fáze

• Metoda sledování fyzikáln ě chemických pochod ů a vlastností

– sorp č ní d ě je

– katalytické procesy

– termodynamické veli č iny

– mechanismy a kinertika reakcí – difuzní d ě je

• Preparativní metoda

– izolace č istých látek (gramová množství)

Úvod - Výhody GC

• nízké nároky na provedení

– konstantní pr ů tok/tlak mobilní fáze – stla č ený nosný plyn

– tlakové regulátory – ventily

– termostaty

• vysoká robustnost a citlivost

Úvod - Nevýhody GC

• nelze p ř ímo analyzovat vysoce polární, net ě kavé látky

– ionty

– polymery

– vodné roztoky

• nelze analyzovat termolabilní látky

Základní principy chromatografického procesu

Dávkování Rovnováha

mf sf

Rozd ě lení

Dávkování Rovnováha Tok mf

c

c

Základní principy chromatografického procesu

• Vzorek je po nadávkování na chromatografickou kolonu podroben rozd ě lení mezi mobilní a

stacionární fázi

• Míra rozd ě lení analyt ů p ř ítomných ve vzorku mezi fáze je dána hodnotami jejich rovnovážných

rozd ě lovacích (distribu č ních) konstant K

• Hodnota K

– je dána pouze druhem analytu, druhem stacionární fáze a teplotou

– klesá s rostoucí teplotou

– v rámci homologické ř ady látek roste s molekulovou

hmotností

Základní principy chromatografického procesu

Rozd ě lovací rovnováha

– rovnost chemických potenciál ů

kde l a m jsou stacionární a mobilní fáze pro γ = 1

rozdělovací koeficient

Čas nezbytný k průchodu těžiště zóny solutu kolonou (retenční čas t_r) je funkcí poměru času stráveného v mobilní a stacionární fázi, tj. funkcí K_D .

m

l

µ

µ =

i i

i

= µ

+ RT ln a

µ µ

^{+ RT ln c}

⁼ µ

^{+ RT ln c}

 

 



 −

=

= c RT

K c

m l D

0 0

exp µ µ

Základní principy chromatografického procesu

Distribu č ní (rozd ě lovací) konstanta

K

- termodynamicá, K

- koncentra č ní

a - aktivita, γ - aktivitní koeficient, [A] - koncentrace

[ ] [ ]

) (

) ( )

(

A m

A s A

D A

m A s m

s A

m A T s

A

D

K

A A a

K a

γ γ γ

γ = ⋅

⋅

=

=

) ,

( T sf f

K _D = ^d _d ^ln _{( 1} ^K _T

₎ ^{= − ∆} _R ^H

Sorpce - Adsorpce vs. Absorpce

Sorpce

• Adsorpce

• Absorpce (rozpoušt ě ní)

• Chemisorpce

Adsorpce

Látka A je sorbována z plynné fáze na aktivních centrech povrchu sorbentu S

A(g) + S ↔ ^AS(s)

Rozd ě lovací konstanta adsorpce:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ^{A A}

c

AS AS

K

c

γ γ

⋅

= ⋅

Adsorpce – Henryho izoterma

Pro velké z ř ed ě ní (aktivitní koeficienty jednotkové):

Platí: pV = nRT a

potom

Henryho adsorp č ní izoterma

) (

)

( AS K

c A

c =

⋅

RT p V

c

= n

=

A AS

D

p konst p RT

AS K

c ( ) =

⋅ = ⋅

Adsorpční izotermy par benzenu (1)

a tetrachlormetanu (2) na grafitizovaných sazích

Langmuirova izoterma

Po č et aktivních míst na povrchu sorbentu je omezený

• za vyšších koncentrací může dojít k jeho úplnému pokrytí

• dosažení maximální povrchové koncentrace a_max(mol/m², g/m², mol/g)

a ... množství látky (adsorbátu) sorbovaného na 1g adsorbentu (mol/g) a_max ... množství adsorbátu na 1g adsorbentu odpovídající plnému pokrytí povrchu adsorbentu monomolekulární vrstvou

Možnosti

• za nízkého tlaku sorbované složky platí K_{D(A) *} p << 1, tj. dostáváme Henryho izotermu - a ≈ a_{max *} K_{D(A) *} p

• pokud K_{D(A) *} p >> 1, potom a ≈ a_max - dochází k saturaci povrchu adsorbentu

p K

p a K

a

A D

A D

⋅ +

⋅ ⋅

=

) ( ) (

max

1

Langmuirova izoterma

0 200 400 600 800 1000

0 2 4 6 8 10

a_max

a=a_maxK_Dp/(1+K_Dp)

Saturace

Lineární část

Langmuirova izoterma

a [ mmol/m2 ]

p [ Pa ]

Izoterma BET

Polymolekulární adsorpce

• adsorbent pokryt monomolekulární vrstvou analytu

• tlak sorbující se složky v plynné fázi roste nad hodnotu při níž dochází k vytváření dalších adsorpčních molekulárních vrstev na adsorbentu

• při tlaku rovnému tlaku nasycených par p⁰ dané sorbující se složky dojde k její objemové kondenzaci a tudíž k neomezenému smáčení povrchu adsorbentu kondenzující kapalinou

Brunauer, Emmet a Teller (BET):

p je tenze adsorbátu, p⁰ je tenze nasycených par adsorbátu při dané teplotě, a je adsorbované množství, a_max je množství adsorbátu při plném pokrytí adsorbentu monomolekulární vrstvou, C je konstanta

0 max

max 0

0

1 1

) 1

( p

p C

a C C

a p

a p

p p

⋅ ⋅ + −

= ⋅

−

Izoterma BET

Klasifikace izoterem podle Brunauera

Rozpoušt ě ní

Raoult ů v zákon

– p_A parciální tlak složky A nad směsí kapalin, x_A molární zlomek složky A v roztoku, p_A⁰ tenze nasycených par čisté látky A

– Henryho zákon: p_A ve zředěném roztoku přímo úměrný molárnímu zlomku x_A :

– zředěné roztoky:

• molekuly rozpuštěné látky jsou v převážné míře obklopeny molekulami rozpouštědla a nemohou tudíž vzájemně interagovat

• pro ideální roztoky jsou vzájemné interakce mezi molekulami rozpuštěné látky

stejné jako interakce mezi molekulami rozpuštěné látky a molekulami rozpouštědla a γ_A ^{= 1}

• neideální chování složek - odchylky od Raoultova zákona

– vzájemné interakce mezi molekulami rozpuštěné látky větší než interakce mezi molekulami rozpuštěné látky a rozpouštědla - γA > 1 - pozitivní odchylka

– vzájemné interakce mezi molekulami rozpuštěné látky menší než interakce mezi molekulami rozpuštěné látky a rozpouštědla - γ_A < 1 - negativní odchylka

0 A A

A

x p

p = ⋅

p x

x k

p

= ⋅

= γ

⋅

⋅

Rozpoušt ě ní

Pozitivní a negativní odchylky od Raoultova zákona

A, B – Henryho zákon 1 – Raoultův zákon, ideální chování

2 – Raoultův zákon,

pozitivní odchylka, γ_A ^{> 1} 3 – Raoultův zákon,

negativní odchylka, γ_A ^{< 1}

Úvod - Klasifikace chromatografie (1)

Mobilní fáze Stacionární fáze Technika Zkratka

Plyn

Tuhá látka Plynová adsorpční chromatografie GSC Kapalina Plynová rozdělovací chromatografie GLC Superkritická kapalina Tuhá látka Superkritická fluidní chromatografie SFC

Kapalina Tuhá látka

Adsorpční kapalinová chromatografie LSC

Vylučovací chromatografie SEC

Iontově výmněnná chromatografie IEC

Afinitní chromatografie AC

Reverzní chromatografie RPC

Kapilární elektrochromatografie CEC

Kapalina

Chromatografie kapalina-kapalina LLC Micelární elektrokinetická chromatografie MEKC

Rozd ě lení chromatografických metod podle fází a technik

Úvod - Klasifikace chromatografie (2)

Klasifikace podle pr ů b ě hu chromatografického d ě je

Lineární Nelineární

Ideální abstraktní model abstraktní model

Neideální p ř evážn ě GLC p ř evážn ě GSC

Lineární vs. nelineární – závislost rozdělovacího koeficientu na koncentraci látky v mobilní fázi

Ideální vs. neideální – dle chování jako ideální plyn

Úvod - Klasifikace chromatografie (3)

Klasifikace podle pr ů b ě hu chromatografického d ě je Neideální lineární GC (GLC)

c

, c

…koncentrace v mobilní

a ve stacionární fázi

Úvod - Klasifikace chromatografie (4)

Klasifikace podle pr ů b ě hu chromatografického d ě je Neideální nelineární GC (GLC)

c

, c

…koncentrace v mobilní

a ve stacionární fázi

Úvod - Klasifikace chromatografie (5) Vliv tvaru sorp č ní izotermy na tvar píku

Koncentrace ve stacionární fáziSignál

Koncentrace v plynné fázi

Čas

Teorie chromatografického procesu Separace za optimálních podmínek

Experimentální faktory ovliv ň ující tento d ě j:

• interakce mezi stacionární fází a separovanými složkami

- správná volba stacionární fáze

• dynamika plynov ě chromatografického d ě je

- rozšiřování zóny - účinnost kolony

Teorie chromatografického d ě je

– teorie pater (Martin a Synge)

– rychlostní teorie (van Deemter)

Teorie pater

P ř edpoklady teorie

– Chromatografická kolona je složena z mnoha identických objemových element ů – pater

– Na pat ř e dochází k okamžitému jednotkovému rovnovážnému rozd ě lení, které je dáno

p ř íslušnou distribu č ní konstantou

– Hodnota distribu č ní konstanty je stejná v celé kolon ě a nezávisí na koncentraci

– Axiální difuze v kolon ě je zanedbatelná

– Tok mobilní fáze je diskontinuální a d ě je se po

malých objemových p ř ír ů stcích

Teorie pater

Teoretické patro

– úsek kolony, v n ě mž dochází k práv ě jednomu

rovnovážnému rozd ě lení d ě lené složky mezi mf a sf

– plynná fáze složky je z jednoho elementu transportována nosným plynem do druhého

– p ř evod z jednoho patra do druhého je umožn ě n p ř idáním vždy dalšího objemového množství nosného plynu

– opakované ustavování rovnováhy vede:

• v případě jedné složky k rozšiřování zóny

• v případě dvou a více složek s rozdílnými distribučními konstantami k jejich rozdělení

Teorie pater

Po č et teoretických pater n kolony pro složku

w ... šířka píku při základně, w_0,5 ... šířka píku v polovině výšky w_i … šířka píku v inflexním bodě

Výškový ekvivalent teoretického patra (HETP)

l ... délka kolony

2 2

5 , 0 2

4 545

, 5

16 





 

⋅ 

 =







 



⋅ 

=

 

 



⋅ 

=

i r r

r

w t w

t w

n t

2

16 





 

= 

=

=

t

w L

n H L

HETP

Teorie pater

Významné body Gaussovy k ř ivky

Teorie pater

HETP - udává rozší ř ení zóny

n - charakterizuje ú č innost kolony

Hodnoty H i n - vztahují se pouze k jedné složce sm ě si Veli č iny pouze statické - neumož ň ují zahrnout i kinetické

procesy, vyskytující se v reálných systémech

Elu č ní k ř ivka má tvar Poissonova rozd ě lení - p ř i velkkém

po č tu pater m ů že být nahrazeno rozd ě lením Gaussovým

Proud ě ní a tok plynu

Popis pohybující se tekutiny Rovnice kontinuity

– vyjadřuje zákon zachování hmoty

v je rychlost toku, resp. její tři složky ve směrech x, y a z

Tok

– laminární: vrstvy tekutiny se pohybují paralelně vůči sobě různou rychlostí, aniž dochází k jejich míšení; rychlostní profil je parabolický

• Re < 2000 – 2500

– turbulentní: dochází k míšení vrstev; jde o stochastický proces a dráha

určité částice v tekutině připomíná dráhu molekuly v proudu plynu; rychlostní profil je logaritmický

• Re > 2000 – 2500

Reynoldsovo číslo ^{(l je průmě}r trubice, v⁰je rychlost proudění tekutiny) Čím je Re vyšší, tím nižší je vliv třecích sil částic tekutiny na celkový odpor

.

= 0 +

+

= z

v y

v x

v v

div

δ δ δ

δ δ

δ

η ρ ^v0l Re =

Proud ě ní a tok plynu

Laminární proud ě ní

Turbulentní proud ě ní

Proud ě ní a tok plynu Laminární tok

Parabolický profil vektorů u_r podélné rychlosti laminárního toku průřezem v místě z₁ trubicí kruhového průřezu a průměru d

– velikost vektoru u_r je nepřímo úměrná radiální vzdálenosti r od podélné osy trubice

Proud ě ní a tok plynu

Tok plynu trubicí

T ř ecí síla F

– brzdí relativní pohyb dvou k sobě přiléhajících vrstviček

– úměrná velikosti jejich stykové plochy S a gradientu rychlosti dv/dr – Newtonův zákon viskózního toku (pouze pro laminární tok)

Poisseuillova rovnice

Vztah mezi rychlostí průtoku tekutiny v_v trubicí o poloměru R a délce l a viskozitou η (roste s teplotou a je prakticky nezávislá na tlaku)

pro stlačitelný plyn

( )

0 2 2 2

1 4

16 l p p p

R dt

v

dV

η

π −

=

=

dr

S dv

F = η

Proud ě ní a tok plynu porézním ložem

Darcyho zákon

– proudění mf náplňovou kolonou je laminární za nevelkých průtokových rychlostí

– kde u je rychlost proudění v bodě x, k je permeabilita kolony, η ^je viskozita mf, dp/dx je tlakový gradient v bodě x

– za předpokladu ideálního plynu:

– kde p_i a p₀ je vstupní a výstupní tlak, L délka kolony

Permeabilita kolony

Nálňová Kapilární

dx dp u = − k ⋅

η

 



 

 −

= 1

2

0

0

p

p L p

u k

η

1000

2

dp

k ≈

32

2

dc

k =

Proud ě ní a tok plynu porézním ložem

Kozenyho-Carmanova rovnice

vztah mezi průtokovou rychlostí v₀, tlakovým spádem ∆p, porozitou ε ^a velikostí částic náplně d_p

Porozita ε ε ε ε

– podíl volného objemu mezi zrny náplně připadající na jednotku objemu kolony

• koule v nejhustším prostorovém uspořádání - 0,26

• v uspořádání krychlovém - 0,476

• náhodné uložení koulí - 0,38.

2 2

2

0

180 η ( 1 ε ) ε

−

= ∆

L

p

v d

Rychlostní teorie chromatografie

P ř edpoklady teorie

• nehomogenita nápln ě kolony p ů sobí ví ř ivou difuzi v toku nosného plynu (A)

• zóna látky v plynné fázi je rozši ř ována podélnou difuzí (B)

• difuze do stacionární fáze je natolik pomalá, že nelze p ř edpokládat okamžité ustavení rovnováhy (C)

• uvedené jevy jsou aditivní a p ř ispívají v r ů zné mí ř e k velikosti hodnoty výšky teoretického patra H

• jejich p ř ísp ě vky jsou vyjád ř eny tzv. van Deemterovou rovnicí

u je průtoková rychlost mf

u u C

A B

H = + + ⋅

Rychlostní teorie chromatografie

Vliv geometrie lože

Parametr A

– charakteristický pro pevné částice náplňové kolony – nezávislý na vlastnostech zakotvené fáze

– zahrnuje nepravidelnost kanálků mezi zrny způsobenou nepravidelným uložením zrn v koloně

• efekty připomínající turbulentní tok plynu - vířivou difuzi

• některé molekuly sorbátu procházejí užšími kanálky sorbentu pomaleji, zatímco jiné molekuly kanálky širšími rychleji

• zpožďování jedněch molekul vůči druhým

• molekuly sorbátu putují rozdílnými cestami - podélný rozptyl

Rychlostní teorie chromatografie

Vliv geometrie lože

Parametr A

– kde λ vyjadřuje způsob uložení náplně – d_p je průměr zrn použitého sorbentu

Vliv podélné difuze

Parametr B

– probíhá pouze v plynné fázi

– přímo úměrná době pobytu analyzované látky v nosném plynu, tj. nepřímo úměrná průtokové rychlosti – molekuly vzorku difundují z místa o vyšší koncentraci do místa s nižší koncentraci

– probíhá jak ve směru toku mobilní fáze, tak i proti němu

d

A = ² ⋅ λ ⋅

Rychlostní teorie chromatografie

Parametr B

– kde γ je koeficient křivolakosti (labyrintový faktor, faktor tortuozity)

– vyjadřuje vliv nepravidelného průměru mezizrnných a vnitřních kapilár náplně kolony na zpomalení rychlosti difuze (γ ≈ 0,7); γ = 1 pro kapiláry

– D_g je difuzní koeficient analyzované látky v nosném plynu

D

B = ² ⋅ γ ⋅

0,0E+00 1,0E-07 2,0E-07 3,0E-07 4,0E-07 5,0E-07

-20 -10 0 10 20

Distance (cm)

Concentration (mol/L)

0,1s 0,5s 1s 5s

Dt l Dt

l

e c

e Dt

c m ⁴

2 4

2

2 max

−

− = ⋅

⋅

= π

Rychlostní teorie chromatografie Vliv podélné difuze

a) Koncentrační profil látky v koloně vyvolaný parabolickým rychlostním profilem mf; šipky ukazují směr difuze látky

b) a(z) představuje celkový axiální koncentrační profil látky

Rychlostní teorie chromatografie

Vliv odporu proti p ř evodu hmoty ve sf

Parametr C

– vlivy působící při převodu hmoty mezi stacionární a mobilní fází

– molekuly vzorku difundují z proudu mobilní fáze do vrstvy stacionární fáze a zpět – molekula jenž pronikne do hloubky, stráví více času ve stacionární fázi a opozdí

se za molekulou, která pronikne pouze pod povrch

– pohyb mf způsobí předbíhání zóny vzorku v mobilní fázi - rozšíření píku – způsobuje odklon koncentrací v sf a mf od rovnovážného stavu

kde k je separační faktor, d_f je tloušťka filmu sf, D_L je difuzní koeficint látky ve sf

Odpor plynné fáze proti převodu hmoty je podstatně menší než u kapaliny.

L f

D d k

C k

2

)

1 3 (

2 ⋅

⋅ +

=

Rychlostní teorie chromatografie

Vliv odporu proti p ř evodu hmoty ve sf

Parametr C

E ... bez toku mf, K ... s tokem mf

mf

sf

Rychlostní teorie chromatografie

Van Deemterova rovnice

D u d k

k u

d D H

L f g

p

⋅ ⋅

+ + +

=

2

)

1 (

3 2 2

2 γ

λ

Minimum k ř ivky

• optimální u

u_opt

C

u

= B

Rychlostní teorie chromatografie

Van Deemterova rovnice

• nízké průtokové rychlosti - H nepřímo úměrné u (oblast řízená podélnou difuzí)

• vyšší průtokové rychlosti - H přímo úměrné u (oblast řízená odporem proti převodu hmoty)

• minimum při u_opt - hodnota H minimální

Vliv druhu mf na u_opt

Rychlostní teorie chromatografie

Tlakové, p, a rychlostní, u, profily při konstantním hmotnostním toku plynu:

(a) malá dekomprese (p_i - p_o) (b) střední dekomprese (p_i - p_o) (c) velká dekomprese (p_i - p_o)

Zm ě ny tlaku a pr ů tokové rychlosti mf v d ů sledku

dekomprese

Základní principy chromatografického procesu

Pr ů b ě h lineární pr ů tokové rychlosti v závislosti na pozici v kolon ě

Změna lineární rychlosti mf se vzdáleností od začátku kolony nezávisí na:

• druhu nosného plynu

• průměru kolony

• délce kolony











  −







− 









=

1

2

0 2

0

0

p p L

x p

p u u

i i

x ^pi/p0

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

x/L

u(x)

1,1 2 3 4 5 10

x x

u u p

p

0

=

Základní principy chromatografického procesu

Pr ů b ě h tlaku v závislosti na pozici v kolon ě











  −







− 







=  1

2

0 2

0

0 p

p L

x p

p p

p_x ^{i i}

pi/p0

0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

x/L

p(x)

1,1 2 3 4 5 10

Rychlostní teorie chromatografie

Úpravy van Deemterovy rovnice

V d ů sledku stla č itelnosti plynu je vhodné místo lineární pr ů tokové rychlosti u používat pr ů m ě rnou lineární pr ů tokovou rychlost

kde j je k orek č ní faktor stla č itelnosti nosného plynu

p_i a p_o jsou vstupní a výstupní tlak mf

– faktory s vyšší přesností 1

1 2

3

3

0 2

0

 −









 −









=

p p p p j

i i

1 1 1

4 3

3

0

0 2

0

 −















 +











  −









′=

p p

p p p

p j

i

i i

3 2

0

2

0 4

0

1 1 1

8 9















  −



















  −



















  −









′=

p p

p p p

p j

i i i

j p p

j u

u =

⋅ =

u

Rychlostní teorie chromatografie

Úpravy Van Deemterovy rovnice

– odpor proti převodu hmoty v mobilní fázi není zcela zanedbatelný a v malé míře přispívá k hodnotě H

– kapilární kolony

• kapiláry nejsou plněny žádným nosičem - první člen A zcela odpadá

• Golay pro kapilární kolony odvodil modifikovanou van Deemterovu rovnici, která má ve zjednodušeném stavu tvar

kde C_G je příspěvek převodu hmoty v mf

0 0

u C

u u C

H = B +

⋅ +

⋅

Rychlostní teorie chromatografie

Praktické d ů sledky van Deemterovy rovnice

– dávkovat malá množství vzorků, kdy je zaručena práce v lineární oblasti separační izotermy

– používat kapilární kolony malých průměrů a u náplňových kolon používat kolony rovnoměrně plněné nosičem s malými částicemi stejné velikosti

– pro nižší průtokové rychlosti je lépe volit plyn s vyšší molekulovou hmotností (N₂), pro rychlé analýzy s vyšší průtokovou rychlostí jsou výhodné H₂ a He jako nosný plyn

– pro práci s malými množstvími vzorku nebo analýzu málo těkavých složek a rychlou analýzu používat tenké filmy stacionární fáze, pro větší množství vzorku nebo pro analýzu velmi těkavých látek používat silnější filmy

– pracovat při nejnižší vhodné teplotě kolony

Klasifikace chromatografie

Rozd ě lení chromatografických metod podle pracovních podmínek

– Teplota kolony

• izotermální, za konstantní teploty

– pro příbuzné, strukturně podobné látky a látky s blízkými b.v.

• programovaná teplota, nárůst teploty dle zvoleného programu

– pro látky s velkými rozdíly b.v. resp. tenze par, velkými rozdíly v polaritě a struktuře

– Tlak a pr ů toková rychlost nosného plynu

• konstantní tlak

– mění se průtoková rychlost se změnou teploty (viskozita plynu)

• programovaný tlak, nárůst tlaku dle zvoleného programu

– pro termolabilní látky, kdy nelze použít teplotní program

• konstantní objemová u_v (ml/min) a lineární u_l (cm/s) průtoková rychlost

– kompenzace změn viskozity nosného plynu; hlavně ve spojení s MS

Klasifikace chromatografie

Teplotní závislost viskozity plyn ů

Úvod - Klasifikace chromatografie (4)

A. Eluční

(elution chromatography)

B. Frontální

(frontal analysis)

C. Vytěsňovací

(displacement

chromatography)

Rozd ě lení

chromatografických metod podle pracovní techniky

A B C

Struktura chromatografické kolony

Termodynamické fáze

Sektory Kinetické zóny

Mobilní (mf)

Proudící mf

(v prostoru mezi zrny)

Pohyblivá Stagnantní mf

(uvnitř pórů částic náplně)

Statická

Stacionární sf

(na povrchu nosiče)

Nosič - stěna kolony

Rozdílné pohledy na chromatografickou kolonu

Chromatografie - pojmy

Separa č ní kolona

– napln ě na dv ě ma fázemi 1. Mobilní fáze

• pohyblivá

– plyn (GC)

– kapalina (HPLC)

2. Stacionární fáze

• nepohyblivá

– kapalina (GLC, HPLC) – tuhá látka (GSC, HPLC)

Vzorek

– sm ě s látek, která má být d ě lena

– obsahuje jednotlivé látky (složky, analyty) a p ř ípadn ě

rozpoušt ě dlo

Základní principy chromatografického procesu

Reten č ní č as, t

– č as strávený analytem v separa č ním systému (m ěř ený od doby nást ř iku do maxima píku analytu); obsahuje

mimokolonové p ř ísp ě vky

– p ř i zanedbání mimokolonových p ř ísp ě vk ů ho lze rozd ě lit na:

• čas strávený pobytem v mobilní fázi, t_M (mrtvý retenční čas)

– pokud jsou částice jakékoliv látky v mobilní fázi pohybují se stejnou rychlostí jako nosný plyn => hodnota t_M je pro všechny látky

stejná

• čas strávený pobytem ve stacionární fázi, t_r´ (redukovaný retenční čas)

– je přímo úměrný hodnotě K_D

platí: t

= t

´+ t

=> t

´ = t

- t

Základní principy chromatografického procesu

Reten č ní č as, t

je funkcí:

– tlaku, p

– pr ů tokové rychlosti mobilní fáze, u – teploty, T

– druhu stacionární fáze

– rozm ě r ů separa č ní kolony

Základní principy chromatografického procesu

Závislost t

na teplot ě a tlaku

– mrtvý reten č ní č as je roven podílu délky separa č ní kolony L a pr ů m ě rné lineární rychlosti nosného plynu ū

– pr ů m ě rná lineární pr ů toková rychlost nosného plynu ū

kde p

a p

jsou vstupní a výstupní tlak, d

je pr ů m ě r kolony,

η je viskozita nosného plynu a j je korek č ní faktor stla č itelnosti nosného plynu

u t

= L

( )

η L

d p

j p

u

32

2

−

⋅

=

Prostorová (a) a časová (b) závislost parametrů toku mf pro p_i = 2.p₀ Čárkované křivky jsou rozšířením pro vakuum

Základní principy chromatografického procesu

Reten č ní faktor, k

– udává kolik násobků mrtvého retenčního času (objemu) je zapotřebí k eluci daného analytu

(1)

Rozdělení faktorů určujících t_r na dvě skupiny, které ovlivňují:

• t_M (druh přístroje, teplota, vstupní a výstupní tlak a rozměry separační kolony)

• k (chemické faktory, teplota)

M r

M r

M r M

r

t k t V k V

V V t

k t ′ ⇒ ′ = ⋅ ′ = ⋅

′ =

= ;

( ^{+ 1} )

= +

⋅

=

′ +

= t t k t t t k

t

Fázový pom ě r

Fázový pom ě r kolony

– udává pom ě r objemu mobilní a stacionární fáze v kolon ě

– pro kapilární kolony

• r

je polom ě r kapiláry, d

je tlouš ť ka filmu sf

k K V

V

L m

= β =

f c L

m

d r V

V

= 4

β =

Tloušťka filmu sf ϕ vyjádřena jako bezrozměrná, K_C rozdělovací konstanty

Závislost reten č ního pom ě ru k na fázovém

pom ě ru ββββ ^{a tlouš ť} ce filmu sf ϕϕϕϕ