1.1. Folyadékkromatográfia
1.1.3. Kromatográfiás alapfogalmak
A dolgozatban többször el˝oforduló, a kromatográfiában általánosságban használt alapfogal-makat igyekszem tisztázni ebben a fejezetben.
Retenciós id˝o, -térfogat, -tényez˝o
Egy komponens visszatartásának mértéke jellemz˝o az adott vegyületre, így annak min˝oségi azonosítására is szolgálhat. A legegyszer˝ubb módszer a visszatartás (retenció) számszer˝usí-tésére az injektálás kezdete és az adott komponens detektorban történ˝o megjelenése közti id˝o mérése. Utóbbit célszer˝uen a detektor maximális válaszjeléhez szokás társítani. Ezt a mér˝oszámot a kromatográfiában retenciós id˝onek (tR) hívjuk [1]. A retenciós id˝o arányos a komponens visszatartásával és fordítottan arányos az eluens térfogatáramával.
A retenciós id˝o és az eluens térfogatáramának szorzata a retenciós térfogat (VR), ami a retenciós id˝onél egy sokkal inkább általános, retenciót jellemz˝o mér˝oszám, ugyanis nem függ az eluens térfogatáramától, csak a komponens visszatartásától és az elválasztó oszlop geometriai méreteit˝ol, tulajdonságaitól. A retenciós térfogat azt a mozgófázis térfogatot je-lenti, amely ahhoz szükséges, hogy az adott komponenst az oszlopról eluáljuk. A retenciós térfogat két részb˝ol tev˝odik össze:
1. Holttérfogat: az az eluens térfogat, amely az id˝o alatt áramlik keresztül az oszlopon, amíg a mintakomponens a mozgófázisban tartózkodik. A holttérfogat megegyezik az elválasz-tó oszlop térfogatának azon részével, melyet a mozgófázis tölt ki (V0), értéke ennélfogva
minden mintakomponensre nézve állandó.
2. Korrigált retenciós térfogat: a mozgófázis azon térfogata, mely az id˝o alatt áramlik keresz-tül az oszlopon, amíg a mintakomponens az állófázison tartózkodik. Értéke a különböz˝o mintamolekulák esetén más és más.
A leguniverzálisabb retenciót jellemz˝o mér˝oszám a retenciós tényez˝o (k). A retenciós tényez˝o a komponens álló- és mozgófázisbeli mennyiségének hányadosa [1]:
k = ns
nm, (1.1)
aholnsa vizsgált komponens állófázison,nma mozgófázisban lev˝o móljainak száma.
Az 1.1 egyenlet átrendezésével a következ˝o egyenletet írhatjuk fel:
k+1= ns nm+nm
nm =ns+nm
nm . (1.2)
Legyen a mozgófázis áramlási sebessége az oszlopbanu(cm/sec), a vizsgáltAminta ré-szecskéinek (molekula, ion stb.) átlagos vándorlási sebessége pediguA, melynek értéke attól függ, hogy azAionok mekkoraRhányada van a mozgófázisban, és mekkora a mozgófázis uáramlási sebessége, azaz:
uA=uR (1.3)
és
R= nm
ns+nm = 1
1+k. (1.4)
Ha az Aionok mozgófázisban lev˝o hányada zérus (R= 0), akkoruA is zérus, az ionok nem jutnak el˝ore az oszlopban. Ha mindenAion az eluensben van (R= 1), akkoruA=u, az ionok ugyanakkora sebességgel áramlanak, mint a mozgófázis, nincs visszatartásuk az oszlopban.
Az (1.2) és az (1.4) összefüggésekb˝ol következik, hogy:
uA= u
1+k. (1.5)
AzuA, az oszlopL hossza és az elválasztás id˝oszükséglete között kapcsolat teremthet˝o, ha figyelembe vesszük, hogy az id˝o az út és a sebesség hányadosa. Esetünkben azA kom-ponensnektRid˝ore van szüksége ahhoz, hogy azL hosszúságú oszlopon áthaladjon. AzA
1.1. Folyadékkromatográfia 7
sáv áthaladási ideje ezek alapján:
tR = L
uA. (1.6)
Ehhez hasonlóan az oldószer vagy más vissza nem tartott komponens
t0= L
u (1.7)
id˝o alatt halad át az oszlopon. Ha az (1.6) és (1.7) összefüggésekb˝ol kiejtjük L-t, akkor a következ˝o egyenlethez jutunk:
tR = u t0
uA, (1.8)
amib˝ol, az (1.5) egyenletet figyelembe véve adódik, hogy:
tR=t0(1+k) . (1.9)
Az (1.9) összefüggés átrendezésével akszámítását lehet˝ové tev˝o egyenlethez jutunk:
k = tR−t0
t0 . (1.10)
Látható, hogy a retenciós tényez˝o a vissza nem tartott és a vizsgált komponens csúcsa közti távolság és az injektálás, valamint a vissza nem tartott komponens csúcsa közötti távol-ság hányadosával egyenl˝o. Adott oszlop, eluens, elválasztási h˝omérséklet ésXkomponens esetén, kis mintamennyiséget alkalmazvakállandó, így az adott mintakomponens min˝osé-gi azonosítását lehet˝ové teszi.
Megoszlási hányados
Az el˝oz˝o fejezetben láthattuk, hogy az elválasztóoszlopban a komponensek vándorlási se-bessége azok álló- és mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlásától függ:
µdx dv
¶
A
= 1
DA, (1.11)
ahol dxaz állófázis infinitezimálisan kis mennyisége, amelyen a megoszló anyag dv térfo-gatú fluid fázis bejuttatásának hatására el˝orehalad. DA a megoszlási hányados. Az
elvá-lasztandó komponensek oldódnak a mozgófázisban, ill. megköt˝odnek az állófázison. Ezt a folyamatot a megoszlási hányadossal jellemezhetjük [1]:
DA= (A)
[A], (1.12)
ahol (A) a minta állófázisbeli, [A] pedig a mozgófázisbeli koncentrációja. DA értéke a két fázis kémiai tulajdonságaitól függ, így általában egyt˝ol különböz˝o értékeket vesz fel. DA nagy, ha nagy a komponens affinitása az állófázishoz, és kicsi, ha az inkább a mozgó fázisban tartózkodik.
HaDAállandó az elúció folyamán, akkor aVNnettó retenciós térfogat az alábbiak szerint számítható kiVStérfogatú állófázist tartalmazó oszlop esetén:
VN=VSDA. (1.13)
ÁllandóDAesetén tehátVNtérfogatú fluid fázis szükséges ahhoz, hogy a minta aVS térfo-gatú állófázist tartalmazó oszlopon áthaladjon.
A megoszlási hányados és az el˝oz˝o fejezetben ismertetett retenciós tényez˝o (DA) között az (1.1) és az (1.12) összefüggések alapján a következ˝o kapcsolat állítható fel:
k = VS(A) V0[A] = VS
V0DA. (1.14)
Elválasztás hatékonysága
Az elválasztás hatékonysága a komponens retenciójától és kromatográfiás csúcsának szé-lességét˝ol függ. Egy mintakomponens retenciója a molekula és az állófázis közötti kölcsön-hatás er˝osségére, valamint az állófázis fajlagos felületére utal. A komponens sávjának szé-lesedése ellenben alapvet˝oen kinetika által szabályzott, és az állófázis részecskéinek átmé-r˝ojét˝ol, porozitásától, pórus méretét˝ol és az oszlop mérett˝ol függ. A kromatográfiás oszlop hatékonyságára jellemz˝o, igen fontos mér˝oszám az elméleti tányérszám, mely a kromato-gráfia tányérelméletéb˝ol eredeztethet˝o [4, 5]. Értéke a következ˝o összefüggés segítségével számítható ki [6]:
N = tR2
σ2, (1.15)
aholtRésσa komponens retenciós ideje ill. varianciája.
Minél nagyobb egy szeparációs rendszer hatékonysága, annál keskenyebb csúcsokat
1.1. Folyadékkromatográfia 9
kaphatunk adott retenciós id˝o esetén, azaz annál több komponens kromatográfiás csúcsát tudjuk megkülönböztetni egy adott retenciós id˝o tartományban.
Szelektivitás
A két különböz˝o komponens szelektivitásán azok retenciós tényez˝oinek vagy korrigált reten-ciós id˝oinek hányadosát értjük [2, 3]. A szelektivitás egy kromatográfiás rendszer elválasztási erejét mutatja meg adott komponensekre vonatkozóan. Értéke nagyobb 1-nél, mivel mindig a nagyobb retencióval rendelkez˝o komponens retenciós tényez˝ojét osztjuk a kisebbével.
α=kB kA =tB
tA. (1.16)
Ez a paraméter független az oszlop hatékonyságától, értéke csak az elválasztott kompo-nensek természetét˝ol, az eluens fajtájától és összetételét˝ol, valamint az állófázis tulajdonsá-gaitól függ. Ha két komponens szelektivitása 1, akkor az adott kromatográfiás rendszerben nincs mód azok elválasztására, még az oszlop hatékonyságának növelésével sem.
Felbontás
A folyadékkromatográfiás elválasztások, s így az ionkromatográfiás elválasztások célja álta-lában a minta komponenseinek kielégít˝o mérték˝u szétválasztása. E cél eléréséhez a relatív elválasztást, más néven megfelel˝o felbontást kell biztosítanunk. Két szomszédos A és B sáv felbontása definíciószer˝uen a két sáv középpontja közti távolság és az átlagos sávszélesség hányadosával egyenl˝o [1]:
RS=2|tRA−tRB|
(twA+twB), (1.17)
aholtRAéstRBazAésBsávtRértéke,twAéstwBpedig a sávok alaplapi szélessége ugyan-abban az id˝o egységben, mint atRértékek.
Ha RS=1, akkor ez azt jelenti, hogy a két sáv jól elválik egymástól, maximum 2%-ban fednek át. Nagyobb felbontás érték jobb, kisebb pedig kevésbé hatékony elválasztást jelent.
AdottRSesetén az átfedés nagyobb mérték˝uvé válik, ha a két sáv közül az egyik sokkal ki-sebb, mint a másik.