Dr. Balla József KROMATOGRÁFIA

KROMATOGRÁFIA

Előadás BSc. hallgatóknak

Dr. Balla József

2016. őszi félév

A kromatográfia

felfedezője és névadója

Kromatográfia

Richard Kuhn (1900-1967)

1938 Nobel-díj abszorpciós kromatográfia

Zechmeiter László Cholnoky László

Karotinoidok

A megoszlási kromatográfia terén végzett munkásságukért 1952-ben Nobel-díj

kaptak.

Archer John Porter Martin

Richard Laurence Millington Synge

Kováts Ervin, Horváth Csaba

Történet

• 1897 D.T.Day fullerföld, nyersolaj

• 1906 M.Zwett. A kromatográfia felfedezője és névadója.

Chroma graphien, crm gro

• 1937 Zechmeister és Cholnoky (első könyv, angolul)

• 1937 Tiselius: Elektroforézis

• 1940 Ioncserélő kromatográfia Izmailov, Schreiber

• 1941 A.P.Matin és Synge. Megoszlási folyamatok

• 1944 Consden, Gordon, Martin: Papírkromatográfia

• 1952-58 E.Stahl: Rétegkromatográfia

• 1952 James, Martin: Gázkromatográfia

• 1961 G.Schay: A gázkromatográfia alapjai, Akadémiai Kiadó, 1961.

• 1963-66 Giddings: Egységes elmélet lehetősége

• 1965-68 Horváth, Huber, Snyder, Kirkland, Halász, SCOTT: HPLC

• 1978-79 Dandenau: kvarcüveg kapilláris

• 1976-80 Regnier, Horváth, Karger: biopolimerek elválasztása

• 1981-83 Jorgenson, Lukács: kapilláris elektroforézis (CE)

• 1982-85 Novotny, Lee: SCF

Mozgófázis Állófázis

szilárd folyadék

GÁZKROMATOG- RÁFIA (GC)

gáz GSzK (GSC)

gáz-szilárd

kromatográfia

GFK (GLC) gáz-folyadék

kromatográfia SZUPERKRITIKUS

FLUID

KROMATOGRÁFIA (SFC)

szuperkritikus fluidum

SFK (SFC)

FOLYADÉK- KROMATOGRÁFIA

(LC)

folyadék FSzk (LSC) VRK (TLC) vékonyréteg

kromatográfia IK (IC)

ionkromatográfia

FFK (LLC) PK (PC) Papír

kromatográfia

idő

A, A,B A+B

állandó mintaáram

A

B D

cA

cB



állófázis

Detektor jel



idő

A

A,B B A D

állófázis

Detektor jel

diszkrét

minta K

K

c A c_K c B



K

B A D

állófázis

Detektor jel

c c

A ^ cB E

E

A

idő Detektor jel

integrális

differenciális

10⁹

2 600 2000

GC

LC IC

SFC

HPLC Gél

300

a

c

rossz elválasztás: nem szelektív nem hatékony

szelektív

nem hatékony

hatékony

idő

idő

idő mV

mV

mV b

nem szelektív

GC

A gázkromatográfiás elválasztás leírásának alapkérdései

• -a mozgófázis áramlásával összefüggő problémák (áramlás szemcsés tölteten és üres csőben),

• -az anyagátmenetet leíró gázkromatográfiás elméleti megközelítések,

• -a jellemző molekulakölcsönhatások,

• -a koncentrációeloszlás, csúcsalak és az elválasztás

Retenció

• Retenciós idők

• Retenciós térfogatok

• Relatív retenció

A t_{R A},

B t_{R B},

C t_{R C},

a mintabemérés pillanata

idő mV

mintabemérő detektor

1 2

Kromatográfiás alapösszefüggések I.

• Bruttó retenciós idő t_R

• Holtidő t_M

• Redukált retenciós idő t’_R= t_R - t_M

• Kolonnahossz L

• Lineáris áramlási sebesség u

• Megoszlási hányados

• Retenciós tényező

• Csúcsszélesség w

• Relatív csúcsszélesség w/ t_R

• Tányérszám

m s

c K  c

m s M

M R

n n t

t k  t  

Gázkromatográfiás alapfogalmak

• Megoszlási hányados

• Szelektivitás

• Hatékonyság

• Felbontóképesség

h

h_1/2

w







₌w ^{ln 2} = 

2 2ln 2

A = h

= m cmax V

R

N 2 t_R

c_max

c(t) 0,607h

w =4

2 2



>

<

>

<

>

< < >

w₁ t_R2 t_R1

w₂

< >

alapvonal mV

idő t_R



Kromatográfiás alapösszefüggések II.

1. A szükséges, de elégséges felbotóképesség.

Általában:

2 2

16 , 









 

w

N t^R ( )

N H  L illetve

Nmax H_min

1

1 2 1

, 2 , 1

, 2

,  



 

 k

k t

t

t t

t t

M R

M R

R

 R

M M R

t t k  t 

2. Érzékenység: detektálás!

5 , 1 2

1 2

1 , 2

, 



 

w w

t R_s t^{R R}

k k R_s N



 

1 1

4 



hatékonyság

szelektivitás retenció

L, t

dx dp

x p,u,F

pi, ui,F_i p_o,u_o,F_o

u = ?

M

dx K dp

u ^p

 

pu u p_{o o} 

p u u p^{o o}

dx K dp p

u

po o p

   ^ ^o

i

p

p p L

o o

ou dx K pdp

p ^ ^^L

o L

o M

o ou p

pdx u

t dx

) 2 (

2 2

o i o

o K p p

L u

p  ^p 

 ^{( )}

3

3 3 2 2 2

2 2

o i o o L

o o o

M p p

u p dp K u p

K

t   p _^p  ^p _ 

L

F , co >

< >

dx dc_o

 ^{c x}_t ^dx

F  _o 



 





  dx

x c

v c

t v dx

x t

F c^o _{s s m m} 

 

 



 













v_s=V_s/L és v_m=V_m/L

t x c c x

c t x

c _m

m s

s 



 



 



 







 

















 ^{c c} _x ^állandó

K   _s  _m 

m m

s m

t

o v

t x v c

t x K c

x

F c 



 







 



 



 



 













1

 



 



 



 



 



 





c x t t c

x x t

c

m m

m 











 _{s m}

m m

v Kv

t x c

t c x t x c

F  



 



 



 







 

















 

z x t cm

u   

c

c_m Jel

c_0,1 c_0,2 c_0,3

a b c

s

c_0,1 c_0,2

c_0,3

c v

N - 1 N N + 1

v_m c v_m v_m

v_s v

c

c_{m( N-1 )}

c_{s( N-1 )}

m(N-1)

mN

c_sN

c_mN

c_m(N+1)

c_s(N+1)

s s

o

N , s s N

, m m

N , m )

N (

m c )dV v dc v dc

c

( _1   

N , m

N , s

c K  c







 )  m,N m m,N s m,N

N ( ,

m c )dV v dc v Kdc

c

( ₁ ^(v_m ^v_s^K)dc_m,N

eff s

m v K v

v  

eff N

, m )

N ( , m

N , m

v dV c

c

dc 

1 

o N , m

N c

y c veff

 V



A van Deemter egyenlet

  ^{D u}

d k

k u

d D H

s m f

p

2

1 2

3 2 2

2   

 g

 C u

u A B

H    _s

zónaszélesség kezdetben

zónaszélesség egyt idő után

HETP-u

C_s.^u

A H

( mm )

B/u

=0,409 Hmin

0,5 1

H - u

u u C

A B

H    _s

A Golay egyenlet

D u d ) k (

u k D

r )

k (

k k

u H D

s f m

c m

2 2 2

2 2

3 1 2 1

24

11 6

2 1

 





 



u C u

u C

H  B  _m  _s

0.4 0.6 0.8 1 1.2 H ( mm )

H u

H_min  2 B C( _m C_s) _u ^B

C C

opt

m s

 

df (m) Cm (%) Cs (%)

0,25 98 2

0,50 82 l8

1,00 67 33

2,00 45 55

5,00 15 85

D u r )

k (

k k

u H D

m c m

2 2

2

1 24

11 6

2 1





 



Vékonyfilmes: d_f< 1 C_m > C_s (  > 100 )

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

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

H

(mm)

u ^(cm/s)

B/u

C_mu C_su 40 mm/s² ; C_m =

B = 3.10^-4s

H_min.= 0,22 mm u_opt.= 36,5 cm/s

C_s

C_m >>

Vastagfilmes: d_f > 1 C_s > C_m (  < 100 )

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

H

(mm)

C_su

C_s>> C_m

Relatív retenció:

500 600 700 800 900 1000

100

_ _ lg t'_R

lg t'_{R n}

lg t'_{R n} lg t'_{R n}

+1

lg t'

R n+1

lg t'_{R x} lg t'_{R x}

lg t'_{R n}

_100

Ix n

A B'

B C

C'

r t

t

V V

k k

R R

R R 2 1

2 1

2 1

2 1 ,

, ,

, ,

 

  

   

Az elválasztás jellemzése

5 , 1 1

1

4 



 

k k R_s N





2

2 2 2

2 1

16 1 



 



 



 





 

k R k

N_{req s}





1 1 1

4  













 

f l s

p k

ln k R n N

SN TZ t_{R n} t_{R n}

n n

  

 





, 1 ,

1

  1

     

u H k

R k u k

k NH t

t

n n s

n n

o n

,

R 2

2 3

2 1

16 1 1

1 



 





 







 



N

20 10 ³ 40 10 ³ 60 10 ³ 80 10 ³

20 10 ³ 20 10 ³

20 10 ³ 20 10 ³ 20 10 ³ 20 10 ³



 1/

N  k /4 k/(1+k) R_s

1,05 5 35,35 0,05 0,83 1,47

1,05 5 50,00 0,05 0,83 2,08

1,05 5 61,23 0,05 0,83 2,54

1,05 5 70,70 0,05 0,83 2,93

1,10 5 35,35 0,09 0,83 2,64

1,15 5 35,35 0,13 0,83 3,81

1,20 5 35,35 0,17 0,83 4,99

1,05 10 35,35 0,05 0,90 1,60

1,05 15 35,35 0,05 0,94 1,66

1,05 20 35,35 0,05 0,95 1,68

1 2 3 4 5

1,05 1,10 1,15 1,20 

R_s

k) R_s=f(

R_s=f( )N R_s=f( )

GC-s kolonnák

Szemcsés töltetű kolonnák

makro töltetű

mikro töltetű adszorpciós megoszlásos adszorpciós

megoszlásos adszorpciós

megoszlásos kolonnák

PLOT

WCOT kapilláris méretű)

(

Kapilláris

Kapilláris kolonnák

PLOT

kapilláris cső fala porózus adszorbens réteg

 mm

kapilláris 2rc = 0,05 1 mm

WCOT

SCOT

hordozó, 0,1-3 mm

hordozó megosztófolyadék, 5-20 mm

megosztófolyadék, 0,01-5 mm

10

100

1000

5 2,5 0,5

1,5

200 400 500

NB

ST

WB belső átmérő, mm

mm

 fi lm va st ag ág s a

a a i im nt k p c tá s

ng 10⁴

Belső átmérő (mm)

Filmvastagság

(mm) Fázisarány

()

Mintakapacitás (ng)

0,2 0,1

0,2

500 250

10-20 30-40

0,25 0,1

0,25 1

625 250 63

30-40 100-150 400-500

0,32 0,1

0,25 1

800 320 80

50-70 100-200 400-500

0,53 0,1

0,25 1 5

1325 530 133 27

50-100 200-300 1000-1500 8000-10000

 

CP

 

I i F i

OV

 ^









1 5

5 275100

I I ax by cz du es

I I ax by cz du es

I I ax by cz du es

F sq

F sq

F sq

1 2

5

1 1 1 1 1

2 2 2 2 2

5 5 5 5 5

     

     

     

...

...

.

 

  sq,

 

²⁷⁵  ²⁷⁵  sq McReynolds (1970)

Rohrschneider

A megosztó-folyadék neve Min.

max.hôm.C

Oldó- szer

Benzol 1-Butanol 2-Pentanon 1-Nitro-propán Piridin Summa CP-index

Apiezon L 50/300 C,T 32 22 15 32 42 143 3

Butándiol-szukcinát 50/225 C 370 571 448 657 611 2657 63

Carbowax 1540 50/175 C 371 639 453 666 641 2770 66

Carbowax 4000 60/200 C 317 545 378 578 521 2339 55

Carbowax 4000 mono- sztearát

60/200 C 282 496 331 517 467 2093 50

Carbowax 20M 60/225 C 322 536 368 572 510 2308 55

Carbowax 20M-tereftálsav 60/225 C 321 537 367 573 520 2318 55

Dexsil 300 50/450 T 47 80 103 148 96 474 11

Dexsil 400 50/400 T 72 108 118 166 123 587 14

Dexsil 410 50/400 T 72 286 174 249 171 952 23

DEGA 0/200 A 378 603 460 665 658 2764 66

DEGS 20/200 A 496 746 590 837 835 3504 83

A megosztófolyadék neve Min.max.hôm.C Oldószer Benzol 1-Butanol 2-Pentanon 1-Nitropropán Piridin Summa CP-index

SE-30 50/300 C 15 53 44 64 41 217 5

SE-52 50/300 C,T 32 72 65 98 67 334 8

SE-54 50/300 C,T 33 72 66 99 67 337 8

XE-60 0/250 A 204 381 340 493 367 1785 42

OV-1 100/350 C,T 16 55 44 65 42 222 5

OV-3 0/350 C,T 44 86 81 124 88 423 10

OV-7 0/350 C,T 69 113 111 171 128 592 14

OV-11 0/350 C,T 102 142 145 219 178 786 19

OV-17 0/375 C,T 119 158 162 243 202 884 21

OV-22 0/350 C 160 188 191 283 253 1075 25

OV-25 0/350 C 178 204 208 305 280 1175 28

OV-73 0/325 T 40 86 76 114 85 401 10

SGE Restek Quad-rex JW HP Chrom-pack Allteck Supel-co Minõség

BP-1 Rtx-1 007-1 DB-1 HP-1

Ultra-1

CP-Sil 5CB AT-1 SPB-1 SE-30, OV-1,

OV-101, SP-2100

BP-5 Rtx-5 007-2 DB-5 HP-5

Ultra-2

CP-Sil 8CB AT-5 SPB-5 SE-54, SE-52,

OV-73

BP-10 Rtx-1701 007-1701 DB-1701 - CP-Sil

19CB

AT-1701 SPB-1701 OV-1701

- Rtx-50 007-17 DB-17 HP-50

HP-17

- AT-50 SPB-50 OV-17, OV-2250

BP-21 Stabilwax- DA

007-FFAP DB-FFAP HP-FFAP CP-Wax 58CB

AT-1000 Nukol SP-1000, FFAP

- Rtx-2340 - - - CP-Sil 88 - SP-2340 SP-2340, OV-275

PONA - 007-1-50-

0.5F

- PONA Squalane - Petro

col 50.2

Squala-ne BPX

624

Rtx-624 007-624 DB-624 HP-624 CP-Sil

13CB

AT-624 VOCOL -

- Stabil

wax-DB

- CAM - CP-Wax 51 - Carbowax

Amin

-

T,Sz.

Ny. Á

K

B D

minta

segédgázok

E A/D

C

1 2 3 4

vivőgáz forrás (2-3 bar)

make-up split

szeptum purge

GC általános felépítése

Mintabeviteli megoldások

kolonnára

minta be

vivőgáz

kolonnára mintahurok

minta be

vivőgáz

a) b)

mintahurok

Gázminta bemérés

Mintaáram elosztó: splitter elvi vázlata

vivőgáz

szeptum

"purge" gáz

üveg, kvarc betét (liner)

split mintaáram változtatható áramlási

ellenállások szeptum

áramlás szabályozó

fűtés

Splitless bemérés

vivőgáz

kapilláris vivőgáz

kapilláris mikrofecskendő

zárva

zárva

nyitva

nyitva

a) b)

adszorbens adszorbens

Oldószerhatás

idő Detektorjel

Detektorjel a

b

PTV injektor

vivőgáz

szeptum

"purge" gáz

(liner)

split mintaáram változtatható áramlási

ellenállások szeptum

áramlás

hűtés kvarc betét

fűtés szabályozó

programozott

programozott

kvarcgyapot

GC-s detektorok

• 1. hővezetőképességi detektorok,

• 2. ionizációs detektorok,

• 3. fotometriás detektorok

• 4. molekulaszelektív, vagy tömegspektrometriás detektorok (MSD)

• 5. elektromos vezetőképességi detektorok,

• 6. oxigén szelektív detektor,

Melyik előnyösebb detektorként?

Z DAH DFH linearitási típus

LOD LOQ tartomány 1. 2.

MSD -

10^-16A

10^-15 g 10^-10 g 10⁴-10⁵ Univerzális, specifikus

koncentráció FID 10^-14A 10^-12

g/s

10^-5 g/s 10⁷ szerves tömegáram érz.

ECD 10^-14V 10^-13 g 10^-9 g 10⁴ specifikus konc. érz.

FPD P - 10^-12

gP/s

10^-7 gP/s 10⁵ (lgA- lgc)

specifikus tömegáram érz.

FPD S - 10^-10

gS/s

10^-7 gS/s 10³ (lgA- lgc)

specifikus tömegá.

ramérz.

Követelmények a készülékekkel szemben:

ex R

D kol

R

telj

N

t F

V N

t

A 



 



 

 



 



 



2

12

 12

2 2

2

2

  

   

Fast GC k ∞





min B C C

H  2 

s m

opt C C

u B

 

D u r u

H D

m c m

24

2





H = 0,6r D^m

, u  6 9

GC-s detektorok

• 1. hővezetőképességi detektorok,

• 2. ionizációs detektorok,

• 3. fotometriás detektorok

• 4. molekulaszelektív, vagy tömegspektrometriás detektorok.

• 5. elektromos vezetőképességi detektorok,

• 6. oxigén szelektív detektor,

B K

M R

vivőgáz

B K

M R

vivőgáz

a) b)

K

vivőgáz

M R

K

B

HWD, TCD kapcsolás

vivőgáz B

M R

B

M R

vivőgáz

moduláló gázáram

moduláló gázáram

mérőszál mérőszál

szabadba szabadba

X X

a) b)

mikro-TCD

Az ionizációs detektorok működési elve

10¹⁰

vivőgáz

R U R >

V=1V-1kV

o o elektródok





FID elvi vázlata

anód (+)

katód (-) láng

tömítés hidrogén

levegő

A lángban lejátszódó folyamatok

2500 K

előmelegítő

zóna reakció zóna (pirolízis) 1500-2000 K

O2 O2

O2

O 2 O2

oxidációs zóna

2 2

1. H + O₂ HO + H. H₁ 230,3 kJ

H + +

2. O2 OH O H₂ 67,8kJ

+ H₂ kJ

3. OH H + H₂O H₃ -63,2

H O  +

+ H

H₂

4. O H₄ 4,4kJ

kJ Rekombinációs reakciók

H. + H₂O kJ

5. OH + X + X H₅ -500

H + X X

6. H + H₂ + H₆-436,3 kJ

O2 X

7. O + O + X + H₇-498,6 kJ

H



1 7

-1435



pirolízis

. .