Plynová chromatografie

Transkript

1 Plynová chromatografie Základní řednáška - teorie RNDr. Radomír Čabala, Dr. Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 1

2 Úvod Plynová chromatografie: odíl na trhu Univerzity, státní instituce 19% Chemie, etrochemie, lyn, roa 18% Zemědělské, otravinářské 14% Nezávislé testovací 7% Ostatní 9% Farmaceutické 33% Zdroj: The Column, February 2008, Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 2

3 Searace Úvod oerace, ři které se vzorek rozdělí alesoň na dva odíly odlišného složení dochází ke zvyšování molárního zlomku alesoň jedné složky ůvodního vzorku oroti ostatním odlišují se selektivitou rozsahem oužitelnosti frakcionační kaacitou Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 3

4 Selektivita kvalitativní vlastnost Úvod Vlastnosti searací selektivní searace: rozdělení na základě struktury nebo tvaru molekuly neselektivní searace: rozdělení na základě b.v., těkavosti či jiné vlastnosti odvozené od M r Rozsah oužitelnosti jaké látky či jaké tyy vzorků mohou být searovány Frakcionační kaacita maximální očet složek, které mohou být searovány v jedné oeraci nař. sublimace - 2, lynová chromatografie > 1000 Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 4

5 Úvod - Princiy searace (1) 1. Searace jako rovnovážná distribuce mezi dvě fáze Rovnováha lyn-kaalina lyn-tuhá látka kaalina-kaalina kaalina-tuhá látka destilace sublimace extrakce ásmové tavení GLC GSC GPC krystalizace ěnové dělení molekulová síta LLC srážení LSC IEC molekulová síta Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 5

6 Úvod - Princiy searace (2) 2. Searace jako roces s rozdílnými rychlostmi ohybu složek Membránové searace ultrafiltrace reverzní osmóza dialýza elektrodialýza Searace v silovém oli elektroforéza teelná difuze hmotnostní sektrometrie ultracentrifugace Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 6

7 Úvod - Princiy searace (3) Použitelnost chromatografických metod odle M r analytů Metoda Rozsah GC (1000) HPLC PC + TLC GPC Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 7

8 Úvod - Definice lynové chromatografie Plynová chromatografie fyzikálně-chemická metoda searace směsi látek na základě jejich rozdělování mezi dvě fáze, z nichž jedna je lynná a ohybuje se a druhá je evná nebo kaalná a je neohyblivá lze ji oužít na searaci lynných látek nebo látek, které lze definovaným zůsobem řevést do lynného stavu (rakt. do 400 C) rvní komerčně vyvinutá řístrojová chromatografická technika Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 8

9 Úvod - Využití lynové chromatografie Analytická metoda kvalitativní a kvantitativní analýza lynů a látek, které lze definovaným zůsobem řevést do lynné fáze Metoda sledování fyzikálně chemických ochodů a vlastností sorční děje katalytické rocesy termodynamické veličiny mechanismy a kinertika reakcí difuzní děje Prearativní metoda izolace čistých látek (gramová množství) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 9

10 Úvod - Výhody GC nízké nároky na rovedení konstantní růtok/tlak mobilní fáze stlačený nosný lyn tlakové regulátory ventily termostaty vysoká robustnost a citlivost Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 10

11 Úvod - Nevýhody GC nelze římo analyzovat vysoce olární, netěkavé látky ionty olymery vodné roztoky nelze analyzovat termolabilní látky Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 11

12 Základní rinciy chromatografického rocesu Dávkování Rovnováha mf sf Rozdělení c mf c sf Dávkování Rovnováha Tok mf Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 12

13 Základní rinciy chromatografického rocesu Vzorek je o nadávkování na chromatografickou kolonu odroben rozdělení mezi mobilní a stacionární fázi Míra rozdělení analytů řítomných ve vzorku mezi fáze je dána hodnotami jejich rovnovážných rozdělovacích (distribučních) konstant K D Hodnota K D je dána ouze druhem analytu, druhem stacionární fáze a telotou klesá s rostoucí telotou v rámci homologické řady látek roste s molekulovou hmotností Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 13

14 Základní rinciy chromatografického rocesu Rozdělovací rovnováha rovnost chemických otenciálů kde l a m jsou stacionární a mobilní fáze µ l µ m µ ro γ 1 l l m m i µ 0 + RT ln a i i 0 µ 0 + RT ln c µ + RT ln c rozdělovací koeficient K D c c l m 0 0 µ m µ l ex RT Čas nezbytný k růchodu těžiště zóny solutu kolonou (retenční čas t r ) je funkcí oměru času stráveného v mobilní a stacionární fázi, tj. funkcí K D.

15 Základní rinciy chromatografického rocesu Distribuční (rozdělovací) konstanta K T D - termodynamicá, K D - koncentrační a - aktivita, γ - aktivitní koeficient, [A] - koncentrace Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 15 [ ] [ ] ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( A m A s A D A m A s m s A m A s T A D K A A a a K γ γ γ γ ), ( sf T f K D R H T d K d D 0 ) (1 ln

16 Sorce Sorce - Adsorce vs. Absorce Adsorce Absorce (rozouštění) Chemisorce Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 16

17 Adsorce Látka A je sorbována z lynné fáze na aktivních centrech ovrchu sorbentu S A(g) + S AS(s) Rozdělovací konstanta adsorce: K D ( A ) c ( AS ) γ ( AS ) c( A) γ ( A) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 17

18 Adsorce Henryho izoterma Pro velké zředění (aktivitní koeficienty jednotkové): Platí: V nrt a c( AS) K c( A) D( AS ) otom c n V A A A RT c( AS) K D( AS ) RT konst A Henryho adsorční izoterma Adsorční izotermy ar benzenu (1) a tetrachlormetanu (2) na grafitizovaných sazích Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 18

19 Langmuirova izoterma Počet aktivních míst na ovrchu sorbentu je omezený za vyšších koncentrací může dojít k jeho úlnému okrytí dosažení maximální ovrchové koncentrace a max (mol/m 2, g/m 2, mol/g) a a max K 1+ K D( A) D( A) a... množství látky (adsorbátu) sorbovaného na 1g adsorbentu (mol/g) a max... množství adsorbátu na 1g adsorbentu odovídající lnému okrytí ovrchu adsorbentu monomolekulární vrstvou Možnosti za nízkého tlaku sorbované složky latí K D(A) * << 1, tj. dostáváme Henryho izotermu - a a max * K D(A) * okud K D(A) * >> 1, otom a a max - dochází k saturaci ovrchu adsorbentu Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 19

20 Langmuirova izoterma 10 Langmuirova izoterma a max 8 Saturace a [ mmol/m 2 ] Lineární část aa max K D /(1+K D ) [ Pa ] Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 20

21 Polymolekulární adsorce Izoterma BET adsorbent okryt monomolekulární vrstvou analytu tlak sorbující se složky v lynné fázi roste nad hodnotu ři níž dochází k vytváření dalších adsorčních molekulárních vrstev na adsorbentu ři tlaku rovnému tlaku nasycených ar 0 dané sorbující se složky dojde k její objemové kondenzaci a tudíž k neomezenému smáčení ovrchu adsorbentu kondenzující kaalinou Brunauer, Emmet a Teller (BET): 0 a (1 0 ) a max 1 C + C a max 1 C 0 je tenze adsorbátu, 0 je tenze nasycených ar adsorbátu ři dané telotě, a je adsorbované množství, a max je množství adsorbátu ři lném okrytí adsorbentu monomolekulární vrstvou, C je konstanta Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 21

22 Izoterma BET Klasifikace izoterem odle Brunauera Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 22

23 Raoultův zákon Rozouštění A arciální tlak složky A nad směsí kaalin, x A molární zlomek složky A v roztoku, A0 tenze nasycených ar čisté látky A Henryho zákon: A ve zředěném roztoku římo úměrný molárnímu zlomku x A : zředěné roztoky: A molekuly rozuštěné látky jsou v řevážné míře obkloeny molekulami rozouštědla a nemohou tudíž vzájemně interagovat ro ideální roztoky jsou vzájemné interakce mezi molekulami rozuštěné látky stejné jako interakce mezi molekulami rozuštěné látky a molekulami rozouštědla a γ A 1 neideální chování složek - odchylky od Raoultova zákona vzájemné interakce mezi molekulami rozuštěné látky větší než interakce mezi molekulami rozuštěné látky a rozouštědla - γ A > 1 - ozitivní odchylka vzájemné interakce mezi molekulami rozuštěné látky menší než interakce mezi molekulami rozuštěné látky a rozouštědla - γ A < 1 - negativní odchylka A x A k x γ A A 0 A x A Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 23

24 Rozouštění Pozitivní a negativní odchylky od Raoultova zákona A, B Henryho zákon 1 Raoultův zákon, ideální chování 2 Raoultův zákon, ozitivní odchylka, γ A > 1 3 Raoultův zákon, negativní odchylka, γ A < 1 Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 24

25 Úvod - Klasifikace chromatografie (1) Rozdělení chromatografických metod odle fází a technik Mobilní fáze Stacionární fáze Technika Zkratka Tuhá látka Plynová adsorční chromatografie GSC Plyn Kaalina Plynová rozdělovací chromatografie GLC Suerkritická kaalina Tuhá látka Suerkritická fluidní chromatografie SFC Adsorční kaalinová chromatografie LSC Vylučovací chromatografie SEC Iontově výmněnná chromatografie IEC Kaalina Tuhá látka Afinitní chromatografie AC Reverzní chromatografie RPC Kailární elektrochromatografie CEC Kaalina Chromatografie kaalina-kaalina Micelární elektrokinetická chromatografie LLC MEKC Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 25

26 Úvod - Klasifikace chromatografie (2) Klasifikace odle růběhu chromatografického děje Lineární Nelineární Ideální abstraktní model abstraktní model Neideální řevážně GLC řevážně GSC Lineární vs. nelineární závislost rozdělovacího koeficientu na koncentraci látky v mobilní fázi Ideální vs. neideální dle chování jako ideální lyn Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 26

27 Úvod - Klasifikace chromatografie (3) Klasifikace odle růběhu chromatografického děje Neideální lineární GC (GLC) c m, c s koncentrace v mobilní a ve stacionární fázi Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 27

28 Úvod - Klasifikace chromatografie (4) Klasifikace odle růběhu chromatografického děje Neideální nelineární GC (GLC) c m, c s koncentrace v mobilní a ve stacionární fázi Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 28

29 Úvod - Klasifikace chromatografie (5) Vliv tvaru sorční izotermy na tvar íku Koncentrace ve stacionární fázi Koncentrace v lynné fázi Signál Čas Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 29

30 Teorie chromatografického rocesu Searace za otimálních odmínek Exerimentální faktory ovlivňující tento děj: interakce mezi stacionární fází a searovanými složkami - srávná volba stacionární fáze dynamika lynově chromatografického děje - rozšiřování zóny - účinnost kolony Teorie chromatografického děje teorie ater (Martin a Synge) rychlostní teorie (van Deemter) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 30

31 Předoklady teorie Teorie ater Chromatografická kolona je složena z mnoha identických objemových elementů ater Na atře dochází k okamžitému jednotkovému rovnovážnému rozdělení, které je dáno říslušnou distribuční konstantou Hodnota distribuční konstanty je stejná v celé koloně a nezávisí na koncentraci Axiální difuze v koloně je zanedbatelná Tok mobilní fáze je diskontinuální a děje se o malých objemových řírůstcích Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 31

32 Teoretické atro Teorie ater úsek kolony, v němž dochází k rávě jednomu rovnovážnému rozdělení dělené složky mezi mf a sf lynná fáze složky je z jednoho elementu transortována nosným lynem do druhého řevod z jednoho atra do druhého je umožněn řidáním vždy dalšího objemového množství nosného lynu oakované ustavování rovnováhy vede: v říadě jedné složky k rozšiřování zóny v říadě dvou a více složek s rozdílnými distribučními konstantami k jejich rozdělení Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 32

33 Teorie ater Počet teoretických ater n kolony ro složku w... šířka íku ři základně, w 0,5... šířka íku v olovině výšky w i šířka íku v inflexním bodě Výškový ekvivalent teoretického atra (HETP) l... délka kolony Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy , , i r r r w t w t w t n 2 16 t R w L n L H HETP

34 Teorie ater Významné body Gaussovy křivky Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 34

35 Teorie ater HETP - udává rozšíření zóny n - charakterizuje účinnost kolony Hodnoty H i n - vztahují se ouze k jedné složce směsi Veličiny ouze statické - neumožňují zahrnout i kinetické rocesy, vyskytující se v reálných systémech Eluční křivka má tvar Poissonova rozdělení - ři velkkém očtu ater může být nahrazeno rozdělením Gaussovým Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 35

36 Rovnice kontinuity Proudění a tok lynu Pois ohybující se tekutiny vyjadřuje zákon zachování hmoty v je rychlost toku, res. její tři složky ve směrech x, y a z Tok laminární: vrstvy tekutiny se ohybují aralelně vůči sobě různou rychlostí, aniž dochází k jejich míšení; rychlostní rofil je arabolický Re < turbulentní: dochází k míšení vrstev; jde o stochastický roces a dráha určité částice v tekutině řiomíná dráhu molekuly v roudu lynu; rychlostní rofil je logaritmický Re > δv x div v δx + δv y δy + δv z δz 0 Reynoldsovo číslo (l je růměr trubice, v 0 je rychlost roudění tekutiny) Čím je Re vyšší, tím nižší je vliv třecích sil částic tekutiny na celkový odor. ρ v 0 l Re η Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 36

37 Laminární roudění Proudění a tok lynu Turbulentní roudění Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 37

38 Proudění a tok lynu Laminární tok Parabolický rofil vektorů u r odélné rychlosti laminárního toku růřezem v místě z 1 trubicí kruhového růřezu a růměru d velikost vektoru u r je neřímo úměrná radiální vzdálenosti r od odélné osy trubice Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 38

39 Tok lynu trubicí Třecí síla F Proudění a tok lynu brzdí relativní ohyb dvou k sobě řiléhajících vrstviček úměrná velikosti jejich stykové lochy S a gradientu rychlosti dv/dr Newtonův zákon viskózního toku (ouze ro laminární tok) F η S dv dr Poisseuillova rovnice Vztah mezi rychlostí růtoku tekutiny v v trubicí o oloměru R a délce l a viskozitou η (roste s telotou a je rakticky nezávislá na tlaku) ro stlačitelný lyn v v dv dt π R 4 ( 2 2 ) 1 16η l 0 2 Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 39

40 Proudění a tok lynu orézním ložem Darcyho zákon (emirický vztah) roudění mf nálňovou kolonou je laminární za nevelkých růtokových rychlostí kde u je rychlost roudění v bodě x, k je ermeabilita kolony, η je viskozita mf, d/dx je tlakový gradient v bodě x za ředokladu ideálního lynu: k η d dx kde i a 0 je vstuní a výstuní tlak, L délka kolony u u 0 k 0 i 1 2η L 0 Permeabilita kolony Nálňová 2 d k 1000 Kailární 2 d c k 32

41 Proudění a tok lynu orézním ložem Kozenyho-Carmanova rovnice v 0 d 2 2 ε 180η L (1 ε ) 2 vztah mezi růtokovou rychlostí v 0, tlakovým sádem, orozitou ε a velikostí částic nálně d Porozita ε odíl volného objemu mezi zrny nálně řiadající na jednotku objemu kolony koule v nejhustším rostorovém usořádání - 0,26 v usořádání krychlovém - 0,476 náhodné uložení koulí - 0,38. Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 41

42 Rychlostní teorie chromatografie Předoklady teorie nehomogenita nálně kolony ůsobí vířivou difuzi v toku nosného lynu (A) zóna látky v lynné fázi je rozšiřována odélnou difuzí (B) difuze do stacionární fáze je natolik omalá, že nelze ředokládat okamžité ustavení rovnováhy (C) uvedené jevy jsou aditivní a řisívají v různé míře k velikosti hodnoty výšky teoretického atra H jejich řísěvky jsou vyjádřeny tzv. van Deemterovou rovnicí H u je růtoková rychlost mf A + B u + C u Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 42

43 Rychlostní teorie chromatografie Parametr A Vliv geometrie lože charakteristický ro evné částice nálňové kolony nezávislý na vlastnostech zakotvené fáze zahrnuje neravidelnost kanálků mezi zrny zůsobenou neravidelným uložením zrn v koloně efekty řiomínající turbulentní tok lynu - vířivou difuzi některé molekuly sorbátu rocházejí užšími kanálky sorbentu omaleji, zatímco jiné molekuly kanálky širšími rychleji zožďování jedněch molekul vůči druhým molekuly sorbátu utují rozdílnými cestami - odélný roztyl Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 43

44 Rychlostní teorie chromatografie Parametr A Vliv geometrie lože A 2 λ d kde λ vyjadřuje zůsob uložení nálně d je růměr zrn oužitého sorbentu Vliv odélné difuze Parametr B vliv odélné difuze v lynné fázi na rozšiřování zóny Podélná difuze robíhá ouze v lynné fázi římo úměrná době obytu analyzované látky v nosném lynu, tj. neřímo úměrná růtokové rychlosti molekuly vzorku difundují z místa o vyšší koncentraci do místa s nižší koncentraci robíhá jak ve směru toku mobilní fáze, tak i roti němu Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 44

45 Rychlostní teorie chromatografie Parametr B vliv odélné difuze v lynné fázi na rozšiřování zóny B 2 γ kde γ je koeficient křivolakosti (labyrintový faktor, faktor tortuozity) D g vyjadřuje vliv neravidelného růměru mezizrnných a vnitřních kailár nálně kolony na zomalení rychlosti difuze (γ 0,7); γ 1 ro kailáry D g je difuzní koeficient analyzované látky v nosném lynu 5,0E-07 Concentration (mol/l) 4,0E-07 3,0E-07 2,0E-07 1,0E-07 0,1s 0,5s 1s 5s m l 2 l 2 4 Dt 4 Dt c e c e 2 πdt max 0,0E Distance (cm) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 45

46 Rychlostní teorie chromatografie Vliv odélné difuze a) Koncentrační rofil látky v koloně vyvolaný arabolickým rychlostním rofilem mf; šiky ukazují směr difuze látky b) a(z) ředstavuje celkový axiální koncentrační rofil látky Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 46

47 Parametr C Rychlostní teorie chromatografie Vliv odoru roti řevodu hmoty ve sf vlivy ůsobící ři řevodu hmoty mezi stacionární a mobilní fází molekuly vzorku difundují z roudu mobilní fáze do vrstvy stacionární fáze a zět molekula jenž ronikne do hloubky, stráví více času ve stacionární fázi a oozdí se za molekulou, která ronikne ouze od ovrch ohyb mf zůsobí ředbíhání zóny vzorku v mobilní fázi - rozšíření íku zůsobuje odklon koncentrací v sf a mf od rovnovážného stavu C 2 3 ( k k + 1) kde k je searační faktor, d f je tloušťka filmu sf, D L je difuzní koeficint látky ve sf 2 d D 2 f L Odor lynné fáze roti řevodu hmoty je odstatně menší než u kaaliny. Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 47

48 Parametr C Rychlostní teorie chromatografie Vliv odoru roti řevodu hmoty ve sf mf sf E... bez toku mf, K... s tokem mf Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 48

49 Rychlostní teorie chromatografie Van Deemterova rovnice H 2λ d + 2γ D u g + 2k 3( k + 1) 2 d D 2 f L u Minimum křivky otimální u u ot B C u ot Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 49

50 Rychlostní teorie chromatografie Van Deemterova rovnice nízké růtokové rychlosti - H neřímo úměrné u (oblast řízená odélnou difuzí) vyšší růtokové rychlosti - H římo úměrné u (oblast řízená odorem roti řevodu hmoty) minimum ři u ot - hodnota H minimální Vliv druhu mf na u ot Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 50

51 Rychlostní teorie chromatografie Změny tlaku a růtokové rychlosti mf v důsledku dekomrese Tlakové,, a rychlostní, u, rofily ři konstantním hmotnostním toku lynu: (a) malá dekomrese ( i - o ) (b) střední dekomrese ( i - o ) (c) velká dekomrese ( i - o ) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 51

52 Základní rinciy chromatografického rocesu Průběh lineární růtokové rychlosti v závislosti na ozici v koloně u x i 0 2 u x L 0 i u(x) 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 i/0 1, Změna lineární rychlosti mf se vzdáleností od začátku kolony nezávisí na: druhu nosného lynu růměru kolony délce kolony 0,200 0,100 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 x/l x u 0 0 u x Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 52

53 Základní rinciy chromatografického rocesu Průběh tlaku v závislosti na ozici v koloně x 2 2 i x i L 0 12,000 (x) 10,000 8,000 6,000 4,000 i/0 1, ,000 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 x/l Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 53

54 Rychlostní teorie chromatografie Úravy van Deemterovy rovnice V důsledku stlačitelnosti lynu je vhodné místo lineární růtokové rychlosti u oužívat růměrnou lineární růtokovou rychlost kde j je korekční faktor stlačitelnosti nosného lynu i a o jsou vstuní a výstuní tlak mf faktory s vyšší řesností Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy j i i j i i i j i i i j j u u 0 0 u

55 Rychlostní teorie chromatografie Úravy Van Deemterovy rovnice odor roti řevodu hmoty v mobilní fázi není zcela zanedbatelný a v malé míře řisívá k hodnotě H kailární kolony kailáry nejsou lněny žádným nosičem - rvní člen A zcela odadá Golay ro kailární kolony odvodil modifikovanou van Deemterovu rovnici, která má ve zjednodušeném stavu tvar H B u 0 + C L u + C G u 0 kde C G je řísěvek řevodu hmoty v mf Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 55

56 Rychlostní teorie chromatografie Praktické důsledky van Deemterovy rovnice dávkovat malá množství vzorků, kdy je zaručena ráce v lineární oblasti searační izotermy oužívat kailární kolony malých růměrů a u nálňových kolon oužívat kolony rovnoměrně lněné nosičem s malými částicemi stejné velikosti ro nižší růtokové rychlosti je lée volit lyn s vyšší molekulovou hmotností (N 2 ), ro rychlé analýzy s vyšší růtokovou rychlostí jsou výhodné H 2 a He jako nosný lyn ro ráci s malými množstvími vzorku nebo analýzu málo těkavých složek a rychlou analýzu oužívat tenké filmy stacionární fáze, ro větší množství vzorku nebo ro analýzu velmi těkavých látek oužívat silnější filmy racovat ři nejnižší vhodné telotě kolony Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 56

57 Klasifikace chromatografie Rozdělení chromatografických metod odle racovních odmínek Telota kolony izotermální, za konstantní teloty ro říbuzné, strukturně odobné látky a látky s blízkými b.v. rogramovaná telota, nárůst teloty dle zvoleného rogramu ro látky s velkými rozdíly b.v. res. tenze ar, velkými rozdíly v olaritě a struktuře Tlak a růtoková rychlost nosného lynu konstantní tlak mění se růtoková rychlost se změnou teloty (viskozita lynu) rogramovaný tlak, nárůst tlaku dle zvoleného rogramu ro termolabilní látky, kdy nelze oužít telotní rogram konstantní objemová u v (ml/min) a lineární u l (cm/s) růtoková rychlost komenzace změn viskozity nosného lynu; hlavně ve sojení s MS Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 57

58 Klasifikace chromatografie Telotní závislost viskozity lynů Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 58

59 Úvod - Klasifikace chromatografie (4) A B C Rozdělení chromatografických metod odle racovní techniky A. Eluční (elution chromatograhy) B. Frontální (frontal analysis) C. Vytěsňovací (dislacement chromatograhy) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 59

60 Struktura chromatografické kolony Rozdílné ohledy na chromatografickou kolonu Termodynamické fáze Mobilní (mf) Stacionární Sektory Proudící mf (v rostoru mezi zrny) Stagnantní mf (uvnitř órů částic nálně) sf (na ovrchu nosiče) Nosič - stěna kolony Kinetické zóny Pohyblivá Statická Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 60

61 Searační kolona nalněna dvěma fázemi 1. Mobilní fáze ohyblivá lyn (GC) kaalina (HPLC) 2. Stacionární fáze Vzorek neohyblivá Chromatografie - ojmy kaalina (GLC, HPLC) tuhá látka (GSC, HPLC) směs látek, která má být dělena obsahuje jednotlivé látky (složky, analyty) a říadně rozouštědlo Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 61

62 Základní rinciy chromatografického rocesu Retenční čas, t r čas strávený analytem v searačním systému (měřený od doby nástřiku do maxima íku analytu); obsahuje mimokolonové řísěvky ři zanedbání mimokolonových řísěvků ho lze rozdělit na: čas strávený obytem v mobilní fázi, t M (mrtvý retenční čas) okud jsou částice jakékoliv látky v mobilní fázi ohybují se stejnou rychlostí jako nosný lyn > hodnota t M je ro všechny látky stejná čas strávený obytem ve stacionární fázi, t r (redukovaný retenční čas) je římo úměrný hodnotě K D latí: t r t r + t M > t r t r - t M Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 62

63 Základní rinciy chromatografického rocesu Retenční čas, t r je funkcí: tlaku, růtokové rychlosti mobilní fáze, u teloty, T druhu stacionární fáze rozměrů searační kolony Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 63

64 Základní rinciy chromatografického rocesu Závislost t r na telotě a tlaku mrtvý retenční čas je roven odílu délky searační kolony L a růměrné lineární rychlosti nosného lynu ū t M L u růměrná lineární růtoková rychlost nosného lynu ū u j ( ) i 0 d 32 Lη 2 c kde i a 0 jsou vstuní a výstuní tlak, d c je růměr kolony, η je viskozita nosného lynu a j je korekční faktor stlačitelnosti nosného lynu Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 64

65 Prostorová (a) a časová (b) závislost arametrů toku mf ro i 2. 0 Čárkované křivky jsou rozšířením ro vakuum Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 65

66 Základní rinciy chromatografického rocesu Retenční faktor, k udává kolik násobků mrtvého retenčního času (objemu) je zaotřebí k eluci daného analytu k t r t M V r V M t r k t M ; V r k V M t r t + t k t + t t k r M M M M ( +1) (1) Rozdělení faktorů určujících t r na dvě skuiny, které ovlivňují: t M (druh řístroje, telota, vstuní a výstuní tlak a rozměry searační kolony) k (chemické faktory, telota) Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - Teorie 66

67 Fázový oměr kolony Fázový oměr udává oměr objemu mobilní a stacionární fáze v koloně V K D β m V k L ro kailární kolony β V V m L rc 4d f r c je oloměr kailáry, d f je tloušťka filmu sf Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 67

68 Závislost retenčního oměru k na fázovém oměru β a tloušťce filmu sf ϕ Tloušťka filmu sf ϕ vyjádřena jako bezrozměrná, K C rozdělovací konstanty Kat.anal.chem. PřF UK Praha Plynová chromatografie - základy 68