NyomáskülönbségKényszeráramlást okozóerı

A kromatográfia elméleti alapjai

Kromatográfiás elválasztás

1. A különbözı fizikai-kémiai tulajdonságú komponensek megoszlása az álló- és mozgófázis között eltérı (kvázi

egyensúly)

2. A töltéssel rendelkezı részecskék töltésüknek, méretüknek megfelelıen, elektromos erıtérben, eltérı sebességgel

mozognak (Elektroforézis)

1. Mozgó- és állófázis minısége

2. Kényszeráramot létrehozó erı: nyomáskülönbség

elektromos erıtér

Kromatográfia felosztása

folyadék

Folyadék kromatográfia

LC

CE GEL ELFO

Elektromoserıtér

Reversed phase (HPLC-RP) Normal

phase (HPLC-NP)

PC TLC

IC GPC,SEC folyadék

Folyadék kromatográfia

LC

SFC SFC

szuperkritikus fluid

Szuperkritikus kromatográfia

SFC

GLC GSC

gáz

Gáz kromatográfia GC

Folyadék Szilárd

Álló fázis Mozgó fázis

N y o m á s k ü lö n b s é g

K é n y s z e rá ra m lá s t o k o z ó e r ı

A kromatográfiás elválasztások

• Frontális kromatográfia

• Kiszorításos kromatográfia

• Elúciós kromatográfia

Kölcsönhatások a kromatográfiában

1. Fizikai kölcsönhatások

-szorpciós: adszorpciós

abszorpciós (oldódás, megoszlás) kemiszorpció

-hidrofil- kölcsönhatások -hidrofób- kölcsönhatások

-méret szerinti kölcsönhatások 2. Kémiai kölcsönhatások

-sav-bázis kölcsönhatás -komplex képzıdés

-H-hidas kölcsönhatások 3. Biokémiai kölcsönhatások

-biokémiai affinitás

KROMATOGRÁFIÁS

ALAPFOGALMAK

A kromatográfiás folyamat

Következmény:

• A komponensek eltérı sebességgel vándorolnak (differenciális migráció)

• A kromatográfiás folyamat elırehaladtával a sávok kiszélesednek (band broadening)

Retenciós adatok

Redukált retenciós idı:

Retenciós térfogat:

V

= t

F

Redukált retenciós térfogat:

V

′ = t

′ F = ( t

− t

) F = V

− V

Nettó retenciós térfogat: (GC)

V

= jV

′ = j ( t

− t

) F = jV

− jV

Fajlagos retenciós térfogat: (GC)

T m

273 V V

L N

g

= m

:

Retenciós idı:

t

Holt idı: t_M (t₀)

t_R’ = t_R - t_M

Retenciós faktor (k’)

• A komponens az elválasztás során mennyi idıt tartózkodott az állófázison viszonyítva a mozgófázisban eltöltött idıhöz képest.

k’: a kvázi egyensúly megoszlási hánya- dosa, ha az anyag- mennyiséget mólban adjuk meg

k’ = n

/n

M s

n

k ′ = n k ′

n : x móljainak száma

=

′ + 1 k

M M s

M M M

s

n n n

n n n

n + = +

k n

n R n

M s

M

= + ′

= +

1 1

u R = u

k u

u

+ ′

= 1

R X

X

R

t

u L u

t = L ← =

L u t

u

t = L → =

( ^k )

u t t

t u

x M

R

= → 1 + ′

M M R

t t

k ′ = t − ^t

^{= t}

: retenciós faktor

Retenciós faktor (k’):

F t V

=

F t

V

=

V

= t

F ^V ( ^k )

t t V

V

M M R

R

= = 1 + ′

min /

: cm

F

Figyelembe véve: állófázis térfogatát

mozgófázis térfogatát V_S

M S

n k ′ = n

V

s s

s

x V

n = ^x

^{: mol / dm}

M M

M

x V

n = x

: mol / dm

M M

s s

V x

V k′ = x

M S

x K = x

M s

V K V

k ′ =

β K

s M

V

= V

β

M s

V

K V

k ′ =

k’ értékét a komponens megoszlására jellemzı

termodinamikai folyamat szabja meg

Több komponens elválasztása esetén a szelektivitási tényezı (elválasztási faktor) αααα az a paraméter, mely termodinamikai alapon megmutatja, hogy lehetséges-e az elválasztás

' k

' α k

1

=

A megfelelı szelektivitási tényezıhöz megfelelı kinetikai

hatékonyságnak kell párosulni

Az elúciós folyamat feltételei:

1. „Dugószerő” mintabevitel

2. A mozgófázis a kromatogram kifejlesztése alatt állandóan áramlik az állófázis felett

3. A mozgófázis szorpciója kisebb mértékő, mint a legkevésbé kötıdı minta komponensé

A kromatográfiában arra törekszünk, hogy a megoszlási hányados független legyen a koncentrációtól és a csak a hımérséklettıl függjön. A megoszlási izotermák lineáris szakaszain dolgozunk.

Egy mólnyi anyag mozgó fázisból az álló fázisba való kerülésére érvényes:

∆G_i = -RT ln K_i

Az egyensúlyi elmélet alapján megadható:

1. A kromatográfia általános egyenlete, mellyel a retenció jellemezhetı 2. Kvalitatíve értelmezi a csúcstorzulásokat

3. Értelmezi a megoszlási hányadost

4. Értelmezi a két komponens elválasztásához szükséges termodinamikai kritériumot.

Nem ad választ:

• Milyen a koncentráció eloszlás a kolonnában való elırehaladás során

• Milyen tényezık befolyásolják ezt

• Milyen tényleges kölcsönhatások vezetnek az elválasztáshoz

Az elúciós kromatográfiás folyamat

Következmény:

• A komponensek eltérı sebességgel vándorolnak (differenciális migráció)

• A kromatográfiás folyamat elırehaladtával a sávok kiszélesednek (band broadening)

A sávszélesedés szemléltetése

Sávszélesedés (Band broadening) magyarázata

⇐⇐ mozgófázis haladásának iránya

w 5,54 16 t

N

2 R  =



 



=  ²

1/2 R

w t 



 





A különbözı kromatográfiás rendszerek összevetéséhez relatív zónaszélesedést adunk meg amit elméleti tányérszámmal (N) fejezünk ki.

Elméleti tányér a kolonna azon szakasza, ahol a kvázi-egyensúly létrejön.

= =

σ_t²: idıben kifejezett variancia négyzet σ_L²: hosszúságban kifejezett variancia

négyzet

A számolásoknál a variancia (σσσσ) helyett a pontosabb, csúcsalapon mért 4σσσσ értéket (w) használata

Tányérelmélet

• A tányérelmélet feltételezései:

• Az elméleti tányérokon pillanatszerően beáll az egyensúly

• A megoszlási hányados független a koncentrációtól

• A mozgófázis szakaszosan megy egyik tányérról a másikra

• A kolonna hossztengelye irányában a diffúzió elhanyagolható

• Ezek a feltételek nem mindig teljesíthetık

Sebességi elmélet

A sebességi elméletek feltételezései:

• Az állófázisból a mozgófázisba való anyagátmenet gátolt

• A kolonnán az áramlási sebesség sugárirányban változik az eltérı keresztmetszető csatornák miatt (Eddy diffúzió)

• Longitudinális (hosszirányú) diffúzió történik, melynek

zónaszélesítı hatása annál nagyobb, minél tovább

tartózkodik a komponens a kolonnán

A sebességi elmélet szerint a csúcsszélesedés oka:

1. Áramlási - nem egyensúlyi- folyamatok 2. Diffúziós folyamatok

3. Anyagátadási folyamatok

Gátolt anyagátmenet, Eddy – és longitudnális diffúzió

Porózus töltet

A sebességi elmélettel számolt csúcsszélesedési adatok akkor igazak, ha teljesülnek a gázokra és folyadékokra jellemzı fiz.-kém. paraméterek

10

..

Reynolds szám

10

10

10

– 10

10

Viszkozitás (poise)

1 0,3 – 0,8

10

Sőrőség (g cm^-3)

10

10

– 10

10

Diffúziós koefficiens (cm² sec^-1)

folyadék Szuperkrit.

fluid gáz

paraméter

Sebességi elméletek (Van Deemter, Giddings, Knox) Zónaszélesedést kiváltó folyamatok H értékei additívek:

• Örvénydiffuzió

p e d C

N

H = L

• Anyagátadási gátlás a mozgófázisban

M 2 p M

D

u d

C

• Anyagátadási gátlás a mozgófázis álló részében

M 2 M p S

D

u d C

•Anyagátadási gátlás az állófázisban

s 2 f S

D

u d

C

• Longitudinális diffúzió

u

D

C

Az állófázis, mozgófázis és a komponens

kölcsönhatása

H additivitása

M 2 p p M

e

D u d C

1 d

C 1 H 1

= +

M 2 M p

S

D

u d C

s 2 f S

D

u d C u

D C

+ + +

1. - kicsi a szemcseátmérı

2. - kicsi az áramlási sebesség 3. - kicsi az eluens viszkozitás

4. - nagy az elválasztás hımérséklete 5. - kicsi az elválasztandó molekula Általában H kicsi, ha:

u

T

D_M és D_S

H függése a lineáris áramlási sebességtıl (u)

(Van Deemter) gázkromatográfiás töltet esetén

H függése a lineáris áramlási sebességtıl (u)

folyadékkromatográfiás töltet esetén

H –u görbék különbözı szemcseátmérıjő (d

) töltetekre

H

u

H függése a viszkozitástól ( ηηηη ⁾

0.6

1/2 2 2 15

M ηV

T ) (ψ M

7,4x10 D

= −

H függése a hımérséklettıl (T)

0.6

1/2 2 2 15

M ηV

T ) M (ψ 7,4x10 D

= −

A sebességi egyenlet különbözı alakjai

1/2

1/2

Cν Dν

ν B E/ν

1

h A + + +

= +

ν Cν B 1 E/ν

h A + +

= +

ν Cν Aν B

h =

+ +

Horváth

3/2

1/3

Cν Dν

ν B E/ν

1

h A + + +

= +

Knox

A kromatográfia kinetikus elmélete

A van Deemter, Knox elmélet hátrányai:

1. Nem veszi figyelembe mekkora nyomásesés kell egy adott N eléréséhez

2. Különbözı morfológiájú töltetek összevetése nehéz:

Szemcsés töltet: d_p

Monolit töltet: pórusátmérı, váz szélesség

3. Nem tartalmazza azt az ellenállást, melyet a nyomásesés (∆p) és a viszkozitás (ηηηη) változása okoz adott elméleti tányérszám elérésekor

Ezt egy új paraméter, az elválasztási ellenállás (E) adja meg

Szabályos (gömb) és szabálytalan (irreguláris)

töltetek

Monolit töltet

Polimer töltet. Karakterisztikus paraméter : pórúsátmérı és falvastagság összege

Szilikagél töltet. Karakterisztikus paraméter : pórúsátmérı és falvastagság összege

2 M

η N

∆p t E =

Az új összefüggés alapot teremt a kolonnák összehasonlítására

Az összehasonlításhoz rögziteni kell a ∆ p/ η értékét, mert D

az η függvénye és az η függ a mozgó fázis összetételétıl.

Másrészrıl E a d

vagyis a szemcseátmérı illetve struktúra

függvénye (monolit oszlop)

A Knox összefüggés szemcsés és monolit kolonnákra

ν ν

ν ^{B C}

A + +

=

H

5 µm monolit

3 µm

Az ábra nem mutatja mekkora az E értéke a három kolonnára

Szemcsés és monolit töltető kolonnák

összehasonlítása elválasztási ellenállás (E) alapján

Áramlási ellenállás oldalról nézve: monolit jobb mint a szemcsés

monolit

5 µµµµm

Szemcsés és monolit töltető kolonnák

összehasonlítása ∆ p – F összefüggés alapján

Nyomásesés ( ∆ p) szempontjából a monolit elınyösebb,

mint a szemcsés. De redukált elméleti tányérmagasság (h)

szempontjából nem egyértelmő.

A kinetikus görbe végleges transzformációja t

/N

(t

) – N összefüggés

Zónaszélesedés:

minimumtól balra: a hosszirányú diffúzió szabja meg (B tag) minimumtól jobbra: anyagátadási ellenállás (C tag)

E

és N

szerepe

monolit 5µ^m

Kinetikus görbéknél

együtt kell megadni Bonyolult elválasztások: monolit (nagy N

)

Gyors elválasztások: szemcsés (nagy E

)

Oszlopon kívüli sávszélesedés

A komponens V_x térfogata

Az oszlopon V_B (V_B=t_BF) Összekötı vezetékekben V_i

Detektorcellában V_j

Egyéb csatlakozóelemekben V_k térfogatúra szélesedik V_i: térfogategységben kifejezett sávszélesedés

Detektorban V

sávszélesség

+K +

+ +

′ = ²

j 2

i 2 x 2

B 2

B V V V V

V

Cél: V_B ≈V_B′

F) 1/3(t V_X = _w Ehhez:

F= 2 ml / min (u = 0,03 ml / s) V_p= 20 x 0,03 = 600 µl

V_x=1/3 x 600= 200 µl

A felbontás

A felbontás (R

) definiciója

) w 2 (w

1

t R t

2 1

R1 R2

s

+

= −

( )

' k 1

' 1 k

α 4 N

R 1

1 1 1

S

= − +

' k 1

' k α

α 1 4 N

R 1

2 2 2

S

+

= −

Ha a 2. csúcsra vonatkoztatunk:

Ha az 1. csúcsra vonatkoztatunk:

Két komponens felbontásának grafikus ábrázolása

Csúcsarány: 1:1

Csúcsarány: 2:1

A felbontás növelésének lehetıségei

' k 1

' k α

α 1 4 N

R 1

2 2 2

S

+

= −

A felbontás függése a retenciós faktortól

' k 1

' k α

1 N α

4 R 1

2 2 2

S

+

= −

A felbontás függése a szelektivitástól

' k 1

' k α

α 1 4 N

R 1

2 2 2

S

+

= −

A felbontás függése az elméleti tányérszámtól

' k 1

' k α

1 N α

4 R 1

2 2 2

S

+

= −

Gázkromatográfia

Kromatográfia felosztása

folyadék

Folyadék kromatográfia

LC

CE GEL ELFO

Elektromoserıtér

Reversed phase (HPLC-RP) Normal

phase (HPLC-NP)

PC TLC

IC GPC,SEC folyadék

Folyadék kromatográfia

LC

SFC SFC

szuperkritikus fluid

Szuperkritikus kromatográfia

SFC

GLC GSC

gáz

Gáz kromatográfia GC

Folyadék Szilárd

Álló fázis Mozgó fázis

N y o m á s k ü lö n b s é g

K é n y s z e rá ra m lá s t o k o z ó e r ı

Gázkromatográfia

• Gas chromatography-GC

– Gáz-folyadék (GLC) – Gáz-szilárd (GSC)

• Gázkromatográfiával vizsgálható anyagok

– Bomlás nélkül elpárologtatható (származékképzés) – Szilárd-folyadék-gáz

– 600 móltömegig (közvetlenül 200-300)

• Analitikai módszerek 50-70%-a kromatográfiás

(20-30% ebbıl kb. a GC)

Gázkromatográfia története

• M. Tswett

Folyadék-szilárd kromatográfia 1903

(fejlıdése a lassú anyagátmenet problémája miatt nem dinamikus) GC – dinamikus fejlıdés

• E. Cremer

gáz-szilárd kromatográfia 1951

• A. T. James, A. J. P. Martin → gáz-folyadék kromatográfia 1952

• van Deemter sebességi elmélet 1956

• M. Golay

kapilláris kolonnák kifejlesztése

• Schay Géza → gázkromatográfiás könyv 1961

• Szepesy László

gázkromatográfiás könyv magyar (1961) és

angol (1971) nyelven

Gázkromatográf (GC)

gázpalack

PC

áramlás-szabályozók oszlop

injektor detektor

tisztító patron

nyomásmérı termosztát

Részei:

1. Eluensforrás, a gázáramlást biztosító és szabályozó rendszerrel, tisztítóval 2. Mintabeviteli rendszer

3. Kolonna a termosztáttal 4. Detektor

5. Detektorjel erısítésére szolgáló erısítı

6. Jelátviteli rendszer számítógéppel (jelrögzítés, tárolás, feldolgozás)

Gázkromatográfiás készülékek

Típusai:

Rutin elemzést szolgáló készülékek (reporting) Kutató készülékek (analitikai)

Hordozható (portable) készülékek Preparatív

Folyamat (process) Analitikai készülékek:

Töltött kolonnás

Vegyes kolonnás

Kapilláris GC

Vivıgázáram

0,1 99,99999

ultra 7.0

1 99,9999

6.0

10 99,999

5.0

50 99,995

4.5

100 99,99

4.0

500 99,95

nagy 3.5

tisztaságú

1000 99,9

3.0

5000 99,5

tiszta 2.5

ppm

% jelölés

elnevezés Vivıgáz minıségét megszabja:

-Kolonna:

-töltetes: N₂, Ar D_M kicsi -kapilláris: He, H₂

-Detektor:

-TCD: H₂, He -FID: He, Ar, N₂ -ECD: N₂, Ar+CH₄

Acél, alumínium palackok, 100-150 bar nyomással, max. 0,15 m³ térfogattal Reduktor: nyomáscsökkentı (a gáz anyagi minıségének és a nyomásnak

megfelelıt választani) 100-150 bar-t kell 1-5 bar-ra lecsökkenteni 2 lépésben 1 membránszelep → nyomásmérı: 100-150 bar

2 tőszelep → nyomásmérı: 1-5 bar

Áramlási sebesség szabályozása

Tőszelep → áramlási sebesség finom szabályozása Membrános áramlásszabályozó

T növekedés hatására az áramlási sebesség csökken

Tőszelep: T növekedésébıl eredı áramláscsökkenést nem kompenzálja Membrános áramlásszabályozó, integrált áramkörös nyomásérzékelı fixen tartja az áramlást

Mintabemérı (Injektor)

A mintabemérés kritikus pont

– Pillanatszerő, kvantitatív és reprodukálható legyen

– Minta gáz/gız halmazállapotba kerüljön (főthetı)

– Eluenssel való elkeveredés – Oldószer fókuszálás

viszonylag kicsiny térfogat 0,1 µ l-1 ml

folyadék elpárologtatva:

100-10000 X térfogatnövekedés

→

Gáz halmazállapotú minták bemérése

- mintahurok 5-10-szeresét átengedve a mintából biztosítható, hogy a csap elfordításával valóban minta kerüljön a gázkromatográfba - különbözı térfogatú mérıhurkok (0,25 ; 0,5 ; 1 ml)

- bemérıhurok főthetı is, de nem szükséges

Gázmintabemérı csap

Gáz halmazállapotú minták bemérése

Fluidisztor

- nagysebességő gázkromatográfiában használatos - gyors mintabevitel

- számítógépes vezérléssel mőködtethetı

Mikromennyiségő gáz halmazállapotú minták bevitele teflon

dugattyús mikrofecskendıkkel történik

Folyadék halmazállapotú minták bemérése

Mintabevitel két fı eleme:

- mikrofecskendı

- gázkromatográf mintabemérı, elpárologtató része

Általában 5-50 µl térfogatúak

Teflon végő rozsdamentes acél dugattyú, üvegtest, kalibrált térfogat Hamilton, SGE a leggyakoribb gyártmány

Mikrofecskendık

Gázkromatográf mintabemérı része

Flash elpárologtató

- pillanatszerő elpárologtatás, ha injektor T = 50-70˚C + Fp - belsı rész üvegbetét korrózió ellen

- injektor V kellıen nagy, hogy az elpárologtatás ne okozzon p növekedést, de ne túl nagy

mert csökken a hatékonyság

- fıleg kapilláris kolonnáknál

használják, ahol nagyobb az

injektált minta mennyisége

Gázkromatográf mintabemérı része

On-column injektor

- adagolás közvetlenül a kolonna töltetére

- kolonna elsı 5-10 cm-es része csak töltetet megosztófolyadékot nem tartalmaz

- elpárolgással egyidejőleg az elválasztás is elkezdıdik

- expanziós tér lecsökkenthetı - fıleg kapilláris kolonnáknál

használják, ahol nagyobb az injektált

minta mennyisége

Gázkromatográf mintabemérı része

Mintaáram elosztó (splitter)

- kis mintamennyiség (0,1-0,01

l) bevitele → kapilláris kolonnáknál alkalmazzák

- az injektált mennyiség nagyobb (1-2

l) de a splitter csak 1/10-

1/100-ad részét engedi a kolonnára - expanziós tér szükséges

- split és splitless üzemmód

„Splittelés” hátrányai

1. A minta alkotói közötti diszkrimináció

2. A splitarány mérés közbeni ellenırizhetetlen megváltozása

3. A flash párologtatás okozta drasztikus termikus

hatásra bekövetkezı esetleges termikus degradáció

Gázkromatográf mintabemérı része

Cold on-column

- hideg injektor, hideg kolonna - illékony, kevésbé hıálló

vegyületek injektálására

- kolonna elsı része hideg (hőtés) majd fokozatosan melegszik

- nincs lehetıség splittelésre

Gázkromatográfiás kolonnák

Kapilláriskolonnák csoportosítása

• mikrokapillárisok: d < 150 µ m

• standard kapillárisok: 150 µ m < d < 500 µ m

• makrokapillárisok: d < 0,5 mm

Kapilláriskolonnák típusai

PLOT, WCOT, SCOT kolonna

Adszorpciós

Abszorpciós

Hordozók

kívánalmak:

a hordozó szemcsék egységes mérete a szemcsék geometriája

a hordozó termikus és mechanikai stabilitása kémiai inertség

típusai:

diatómaföld alapúak üveg alapúak

aktívszén alapúak

Megosztófolyadék

kívánalmak:

hıstabilitás

folyékony hallmazállapot

jól definiált kémiai szerkezet kémiai inertség

kellı nedvesítı képesség oldhatóság

mérsékelt ár

Megosztófolyadék

típusai:

szénhidrogén típusú megosztófolyadékok ftálok

glikol-észterek

poliglikolok (poliéterek)

polietilén-glikol származékok nitrilek

szilikon fázisok

HETP függése a töltet szemcseméretétıl

HETP függése a megosztófolyadék

mennyiségétıl

HETP függése a kolonna átmérıtıl

HETP függése a nyomástól

HETP függése az eluens minıségétıl

Gázkromatográfiás detektorok

univerzális: minden molekulára ad jelet

szelektív: bizonyos vegyülettípusokra ad jelet specifikus: csak bizonyos molekulákra ad jelet

dinamikus tartomány: az a koncentráció tartomány amelyben a

koncentráció változása detektorjel változást eredményez

lineáris tartomány: T= mc (eltérés < 5 %)

érzékenység: m (egységnyi koncentrációváltozás hatására

bekövetkezı jelváltozás)

kimutatási határ: az a koncentráció, melynek mérésénél a detektor

válaszjele egyértelmően megkülönböztethetı a háttértıl (LOD)

meghatározási határ: az a legkisebb koncentráció, amely megfelelı

precizitással és pontossággal meghatározható (LOQ)

Gázkromatográfiás detektorok

• FID (flame ionization detector – lángionizációs detektor)

• ECD (electron capture detector – elektron befogási detektor)

• FPD (flame photometric detector – lángfotometriás detektor)

• PID (photo-ionization detector – foto-ionizációs detektor)

• MS(D) ( loecule selective detector – tömegspektrometriás detektor)

• TCD (thermal conductivity detector – hıvezetıképességi

detektor)

Hıvezetıképességi detektorok

hıvezetés: idıegység alatt, 1 m hosszon, 1K

hımérsékletkülönbség hatására átszármaztatott hımennyiség. Anyagi minıségtıl függ.

- állandó eluensáram → állandó hıvezetés → főtött szál ellenállása állandó

- mintával „szennyezett” eluens → változó hıvezetés → főtött szál T változik → változik az ellenállás →

detektorjel

áramlás ingadozásából adódó hıelszármaztatás

kivédése hídkapcsolással

Hıvezetıképességi detektorok

Hıvezetıképességi detektorok

• konvencionális: 0,5-3 cm

cellatérfogat (töltött kolonna)

• félmikrocellás: 25-100 mm

cellatérfogat (wide bore kolonna)

• mikrocellás: 5-10 mm

cellatérfogat

• rétegcellás: 1-10 nl cellatérfogat (integrált

mikoráramkörökhöz hasonló, LOD = 10

-10

g)

Ionizációs detektorok

elektródok között akkor folyik áram, ha ionokat hozunk létre a

mintából

Ionizációs detektorok

Az ionizációhoz használt energia tipusa:

- termikus energia (FID)

- kinetikus energia (ECD, MS) - fényenergia (PID)

- elektromos energia (kisülési ionizációs

detektor –DID)

Ionizációs detektorok

Lángionizációs

detektor

Ionizációs detektorok

Elektronbefogási

detektor

Minıségi analízis

- Összehasonlítás elızıleg mért, ismert anyagok retenciós idejével

- Relatív retenció alkalmazása - Addíció

- Retenciós indexek

- Tömegspektrométer

KOVÁTS-féle retenciós index

• Alapja:

– Szénhidrogén származékok homológ sorában a retenciós idık a C-atom számmal exponenciálisan növekednek

⇓ – Lg t

’ ábrázolva

– C-atom szám függvényében egyenest ad

– N alkán homológok retenciójához viszonyít

KOVÁTS-féle retenciós index

I

-ismeretlen komponens retenciós indexe

t

> t

(ismeretlen) > t

– n-páros szénatomszámú parafin szénatomszáma

Jelentıssége:

– Ismeretlen komponens azonosítása

lgt 100n lgt

lgt

* lgt 200

I

n 2

n

n X

R' R'

R' R'

x

+

−

= −

+

Mennyiségi analízis

A detektor érzékeli az oszlopból kilépı gázáram valamilyen fizikai v. kémiai tulajdonságának megváltozását → jelfeldolgozás

Az elektromos jel

– Függhet:

• koncentrációtól (konc. érzékeny)

• idıegység alatt a detektorba jutó minta mennyiségtıl (tömegáram érzékeny)

– A jel és a konc. ill. a tömegsebesség közötti

függvénykapcsolat keressük a mennyiségi elemzés

során

Mennyiségi analízis

- Csúcsterülethez (A) keressük az anyagmennyiséget (m)

- Csúcsterület meghatározás integrálással

(ma elektronikus integrátorokkal)

Mennyiségi értékelés

Módszerek:

– Kalibrációs görbék felvétele – Belsı standardok

– Addíciós módszer

Kalibrációs módszer

Ismert koncentrációjú

mintasorozat mérésével kalibrálva, azaz

kalibrációs görbe felvétele után az ismertelen

koncentrációja(tömege) a görbérıl visszaolvasva meghatározható

A₁ A₂ A₃ A_ism

m₁ m₂ m_ism m₃

Addíciós módszer

Belsı standard módszer

Relatív

érzékenység f=Ai/As*ms/mi

a vizsgálandó mintához olyan anyagot (belsı standardot) adunk, amelyet a minta nem tartalmaz, de jól elváló jelet ad, és ehhez viszonyítjuk a minta- komponensek által szolgáltatott jeleket.

Elızetesen meg kell határozni a minta-komponensek belsı standardra vonatkozó relatív érzékenységét.

Ipari oldószerek GC analízise

Speciális feladatra tervezett állófázisokat is árulnak

A folyadékktomatográf (HPLC)

A folyadékkromatográfiás rendszerek felépítése I.

A folyadékkromatográfiás rendszerek felépítése II.

A folyadékkromatográf felépítése

Eluens tárolók

Üvegedény (vizes rendszereknél: ionok oldódnak ki)

Mőanyag edény (szerves eluensek lágyítókat, adalékokat oldanak ki)

Eluensek gázmentesítése

• Forralás (differenciális párolgás)

• Vákuum alkalmazása (differenciális párolgás)

• Ultrahang alkalmazása

• He alkalmazása (leghatásosabb)

Szivattyúk

Szivattyúkkal szemben támasztott követelmények:

1. Nagy nyomáson szállítson akár kis, akár nagy térfogati áramlási sebességgel 2. Pulzálás csökkentés akár mechanikusan akár elektronikusan

3. Cserélhetı nagynyomású szivattyúfej (analitikai-preparativ; acél-titán-teflon:

biológiai minták)

4. Automatikus kompresszibilitás kompenzáció 5. Kompatibilis kis forráspontú oldószerekkel 6. Kompatibilis pufferolt eluensekkel

7. Kompatibilis ionpár-képzı anyagokkal 8. Gyors eluens csere biztosított legyen 9. Kis „hold-up” térfogat

10.Számítógépes vezérlés (mozgófázis összetétel, gradiens vezérlés, áramlási sebesség, stb)

Állandó nyomáson szállító szivattyúk

1. Pneumatikus szivattyú

Elıny: - olcsó - egyszerő

- pulzálás mentes

Hátrány: - térfogat és végnyomás korlátozott

- térfogati sebesség a viszkozitás és permeabilitás függvénye

2. Pneumatikus erısítéső szivattyú (Haskel type)

Elıny: - olcsó

- oldószercsere egyszerő - nagy térfogati sebesség

érhetı el

- szállítási nyomás gyorsan beáll

Hátrány: - térfogati sebesség a viszkozitás és permeabilitás függvénye

Állandó áramlási sebességgel szállító szivattyúk

1. Fecskendı típusú szivattyú (Syringe-type

- térfogati sebesség független a

viszkozitástól és a permeabilitástól - térfogati sebesség könnyen

szabályozható

- szállítási nyomás gyorsan beáll

Hátrány: -drága

- kapacitás korlátozott - oldószercsere bonyolult

2. Alternáló dugattyús szivattyú (Reciprocating piston pump)

Alternáló dugattyús szivattyúk szállítóteljesítmény görbéi

Alternáló dugattyús szivattyúk

Elıny: - térfogati sebesség független a viszkozitástól és a permeabilitástól

- térfogati sebesség könnyen szabályozható - a belsı szivattyú térfogata kicsi

Hátrány: - pulzáló folyadékszállítás

- a szállított folyadékmennyiségi tartomány korlátozott - a szállítási nyomást lassan éri el

A kompresszibilitás hatása a szállítóteljesítményre

Szívóütem után:

- folyadék térfogata:

V = m / ρρρρ (ρρρρ = g/cm³)

- nyomás növelésével ρρρρ változik - Darcy:

- a térfogatcsökkenés a folyadék- kromatográfiás körülmények függvénye

- A kolonna bemenetnél a térfogati áramlási sebesség csökken

- kompresszibilitás kompenzáció:

-mechanikus -elektronikus

Lε

∆P η

u K

= o

3. Membrán szivattyú (membrane piston pump)

Elıny: az eluens nem érintkezik a tömítésekkel Pulzálás csökkentés:

- több szivattyúfej alkalmazása - 500 1/min frekvencia alkalmazás -400 bar nyomás az acélmembránon

4. Egydugattyús gyors feltöltéső szivattyú

szállítás Feltöltés 200 ms

ko m pr es sz ibi lit ás

szállítás

5. Sorba kötött két dugattyúfejes szivattyú

Csak a szívófejen van szívó és nyomószelep

Pulzálás mentesítés: elektronikusan: egyik ágban állandó nyomás

másik ágban állandó áramlási sebesség

A nagynyomású szivattyúk mőködését befolyásoló tényezık

1. Szilárd részecskék hatása

2. Oldott gázok hatása

3. Korróziós hatás

1. Szilárd részecskék hatása

a. eltömi az eluens szőrıt és a szelepek védı szőrıit b. rárakódik a szelepülésekre

c. eltömi a nyomásmérı egységet d. eltömi a kapillárisokat

e. Eltömi a mintaadagolót Következmény:

- szállítóteljesítmény változása - pulzálás

- nyomásnövekedés Kiküszöbölés:

-eluens szőrése 0,4 – 0,5 µm pórusú szőrın

-oldószer gyárilag szőrve: 0,2 – 0,4 µm pórusú szőrın

Szilárd részecskék eredete:

a. Eluensbıl válik ki

- kristálykiválás pufferekbıl

eluensek elıre elkészítése izokratikus módban

- algák, baktériumok elszaporodása: nagy víztartalmú eluensekben

b. Szivattyú tömítések morzsolódása

- dugattyúk mőködés közbeni mosása

2. Oldott gázok hatása

1. Oxigén oldódása vízben és szerves oldószerekben

2. Pulzálás: a szívóütem után

addig nincs

folyadékszállítás amíg a gázbuborék nyomása el nem éri a kolonna belépı nyomását

3. Oxigénbuborékok

keletkezése víz-meteanol (exoterm), víz-acetonitril (endoterm) oldószer párok keverésekor.

4. Levegımentesítés (lásd: eluenstárolók)

3. Korróziós hatás

HPLC technika: rozsdamentes acél (SS 316) használata Haloid ion (Cl^-, Br^-) korrózió

Korróziós folyamatok víz-metanol, víz-acetonitril eluens rendszerekben:

0,1 ppm feletti Oxigén koncentráció jelenlétében az O₂ redukálódik:

O₂ + 2 H₂O + 4e^- ⇔⇔⇔⇔ 4 OH^- A vas anódos oxidációval oldódik:

Fe →→→→ Fe²⁺ + e^- Katódos és anódos reakciótermék reagál:

Fe²⁺ + 2 OH^- →→→→ Fe(OH)₂ Oxigén jelenlétében:

4 Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O →→→→ 4 Fe(OH)₃ →→→→ 2 Fe₂O₃ + 6 H₂O Megjelennek a vasoxid különbözı formái: zöld, vörös, barna

Passziválás: foszfát puffer, idınként salétromsav használata

Adagolók

1. Kézi adagolók

2. Automata adagolók

<2 3-5

5-10 10-20

20-40

Töltet szemcse

átmérı (µm)

2-4 2-4

4-6 4-6

Oszlop belsı

5-10

átmérı (mm)

2-5 5-10

10-15 10-20

20-50

Oszlophossz (cm)

Oszlopok

Anyaga:

-acél

-PEEK (poliéter-éter keton) -üveg

Mérete:

Oszlop csatlakozók

Oszlop- és összekötı csatlakozók

Folyadékkromatográfiás

detektorok

Folyadékkromatográfiás detektorok felosztása és alkalmazásuk gyakorisága

•UV-Vis (80%)

•Fluoreszcens (5%)

•Elektrokémiai (5%)

•Törésmutató mérı (RI) (2-3%)

•Vezetıképességi (2-3%)

•Fényszórásos (ELSD) (2-3%)

Folyadékkromatográfiás detektorok

összehasonlításához használt paraméterek

•Detektor zaj

•Dinamikus tartomány

•Lineáris tartomány

•Detektálás alsó határa

•Cella térfogat és kialakítása

•Idıállandó

•Nyomásváltozás hatása a jel/zaj viszonyra

•Áramlási sebesség hatása a jel/zaj viszonyra

•Hımérséklet hatása a jel/zaj viszonyra

Rövid távú zaj

Statikus: 0.5-1.5x10-4 AU / perc Dinamikus: 0.5-1.0x10-4 AU / perc

Hosszú távú zaj

Statikus: 1.0-4.0x10-4 AU / 10 perc Dinamikus: 1.0-5.0x10-4 AU / 10 perc

Alapvonal mászás (drift)

Statikus: 5.0-10.0x10-4 AU / óra Dinamikus: 2.0-6.0x10-4 AU / óra

A jel és zaj viszonyának (s/n) szemléltetése

Folyadékkromatográfiás detektorok jelleggörbéje

Dinamikus tartomány: a jel arányos az anyag mennyiséggel Lineáris tartomány: a jel lineárisan arányos az anyagmennyiséggel (5%)

Detektálás alsó határa (DAH, LOD): a jel 3x nagyobb, mint a zajszint

Mennyiségi mérés alsó határa (LOQ): a jel 10x nagyobb mint a zajszint

Lineáris tartomány: a jel lineárisan arányos az anyagmennyiséggel (5% eltérésig)

Dinamikus tartomány: a jel arányos az anyag mennyiséggel Magában foglalja a lineáris tartományt

s = a c ^{ahol: s} detektorjel

a detektor érzékenysége c a minta koncentrációja Fowlis és Scott:

s = a c

^{ahol: r} válasz index (0.98 < r < 1.02) r függ a készülék felépítésétıl

Lineáris tartomány: a legnagyobb koncentráció és a DAH közti

szakasz

A detektor érzékenysége

a = ∆ ^{s /} ∆ ^c illetve a = ds / dc

A detektor érzékenysége: az analitikai egyenes meredeksége illetve nem lineáris tartományban a jel koncentráció szerinti deriváltja

Az érzékenység alapján nem lehetséges a detektorok összehasonlítása:

Uv-Vis: AU / (mol dm

) Elektrokémiai: nA / (moldm

) Gyakorlatban:

Kimenı jel: mV/ koncentráció vagy

Detektálás alsó határa (DAH, LOD)