Chromatografické metody základní rozdělení a instrumentace

Transkript

1 Chromatografické metody základní rozdělení a instrumentace

2 Plynová chromatografie separace organických látek s bodem varu do 400 C není vhodná k separaci biomakromolekul detekce produktů enzymových reakcí

3 nosný plyn: inertní plyn helium, argon, dusík, vodík kolony: nejčastěji kapilární tloušťka vrstvy - 0,1 až 2,5 µm vliv teploty na průběh GC a. při 45 C b. při 145 C c. od 30 C do 180 C

4 ADSORBENTY v GC aktivní uhlí, grafitizované uhlí - dělení plynů a lehkých uhlovodíků silikagel - dělení anorganických plynů a nízkovroucích kapalin molekulová síta (krystalické hlinitokřemičitany) - dělení plynů a lehčích uhlovodíků porézní polymery (vinylbenzenové kopolymery), komerčně tzv. Porapaky dělení nízkomolekulárních uhlovodíků,anorganických plynů, alkoholů, esterů a ketonů KAPALNÉ STACIONÁRNÍ FÁZE v GC Carbowaxy (polyethylenglykoly) Ucony (polypropylenglykoly) - polární stacionární fáze, s rostoucí Mr klesá polarita Polyestery (např. polyethylenglykoladipáty, polypropylenglykoladipáty, polyethylenglykolsukcináty) - polární stacionární fáze Silikonové stacionární fáze (polysiloxany) - často používané, široký rozsah polarity

5 Detektory a) tepelně vodivostní detektor, TCD - univerzální, nedestruktivní, středně citlivý všechny látky lišící se tepelnou vodivostí od nosného plynu eluát b) plamenový ionizační detektor, FID - selektivní, destruktivní velmi citlivý, uhlovodíky odporové vlákno zapalování + elektrody - vzduch vodík c) detektor elektronového záchytu, ECD - selektivní, nedestruktivní, středně citlivý, halogenderiváty (pesticidy) a nitroderiváty eluát + anoda d) hmotnostní spektrometr, MS - vysoce specifický, destruktivní, velmi citlivý Ni eluát zářič katoda

6 Kapalinová chromatografie A. sloupcová B. na tenké vrstvě A. nízkotlaká B. střednětlaká (FPLC) C. vysokotlaká (HPLC) D. UPLC Instrumentace zásobník mobilní fáze pumpa mísič gradientu dávkovač kolona detektor vyhodnocování zapisovač sběrač frakcí

7 1. QuadTec UV/Vis detector 2. SV5-4 select valve 3. BioLogic Maximizer mixer 4. AVR9-8 switching valves 5. BioLogic Maximizer buffer blending systém 6. ph monitor 7. F40 workstation 8. BioFrac fraction collector 9. AVR 7-3 sample inject valve 10. UNO Q1 column 11. BioLogic rack 12. BioLogic DuoFlow software 13. USB bitbus communicator 14. Dell controller

8

9 Mobilní fáze požadavky na mobilní fázi: vhodné složení čistota odvzdušnění zahřátím vakuové odsátí ultrazvuk inertní plyn (Ar, He)

10 Čerpadla Tlak: gravitace, spojené nádoby pneumatická čerpadla peristaltická čerpadla pístová čerpadla 100 MPa 14503,8 Psi 1000 Bar 986,923 Atm 1019,716 kg/cm mm Hg UPLC tlak ~100 MPa složitější pístová čerpadla HPLC tlak ~40 MPa složitější pístová čerpadla FPLC tlak až 25 MPa peristaltická nebo pístová čerpadla nízkotlaká chromatografie tlak menší než 0,1 MPa peristaltická čerpadla gravitační tok

11 pneumatické čerpadlo výhody: nevýhoda: jednoduchá a levná konstrukce může docházet k rozpuštění plynu v kapalině nízký tlak 0,1 8 ml/min peristaltické čerpadlo výhody: nevýhoda: jednoduchá konstrukce možnost pracovat sterilně nedochází ke styku MF s kovem nízký tlak 0,1 8 ml/min tlakové rázy

12 pístové čerpadlo dvojpístové čerpadlo dva ventily sací, výtlačný výhody: nevýhoda: malý vnitřní objem dávkovače vyšší pracovní tlak tlakové rázy Tlumení tlakových pulsů zařazení dalšího čerpadla pracujícího v opačné fázi možnost použití více čerpacích hlav s koordinovaným sáním a výtlakem často se používají čerpadla s programovaným pohybem pístu

13

14 pístové čerpadlo dvojpístové čerpadlo dva ventily sací, výtlačný výhody: nevýhoda: malý vnitřní objem dávkovače vyšší pracovní tlak tlakové rázy Tlumení tlakových pulsů zařazení dalšího čerpadla pracujícího v opačné fázi možnost použití více čerpacích hlav s koordinovaným sáním a výtlakem často se používají čerpadla s programovaným pohybem pístu

15 Gradientový mixér gradient skokový spojitý lineární konvexní konkávní vodivost vodivost vodivost vodivost 0 0 V [ml] 0 0 V [ml] 0 0 V [ml] 0 0 V [ml] možno kombinovat obecně: nejdříve lineární

16 gradientové mixery!!! u gradientu ph smíchat 2 pufry není lineární závislost!!!

17 Dávkovače přímo na kolonu = pipeta, stříkačka pomocí pumpy nástřikový ventil

18 analytické preparativní Kolony připravené komerční materiál inertní, nereaguje se složkami vzorku (skleněné, kovové, plastové) nerozpustný v H 2 O pórovitý minimální nespecifická sorpce pevnost, vhodný tvar částic chemicky a mechanicky stabilní levný Nosič celulosa + její deriváty polyakrylamid agarosa dextrany silikagely

19 objem kolony rozměry vazebná kapacita kolik mg proteinu se naváže na ml kolony velikost částic maximální tlak a průtok chemická stabilita ph stabilita teplotní stabilita skladovací podmínky

20 Chromatografické metody pro separaci proteinů Ion exchange Reverse phase / Size exclusion Affinity hydrophobic interaction

21 HPLC vysokotlaká chromatografie (high pressure) vysokorychlostní chromatografie (high performance) velmi drahá chromatografie (high-priced) 1 kovový plášť 2 porézní kovová frita 3 stacionární fáze 4 převlečný ochranný kroužek 5 koncová hlavice 6 vstup pro kapiláru se šroubem

22 Silikagely nejrozšířenější polární sorbent široké komerční využití lze připravit ve velmi čisté formě velký specifický povrch (100 až 150 m 2 /g) velký objemem pórů (0,7 ml/g) střední průměr pórů je asi 8-15 nm nejčastější velikost náplně 3, 5 a 10 µm

23 Chemicky vázané nepolární stacionární fáze vhodné pro separaci nasycených a nenasycených sloučenin

24 UPLC technologie "Hybrid (Silicon-Carbon) Particle Technology"

25 UPLC kolony

26 UPLC x HPLC kratší doba analýzy = vyšší průchodnost vzorků (vyšší produktivita) snížení nákladů (menší spotřeba HPLC rozpouštědel) zvýšení separační účinnosti snížení meze detekce - zvýšení citlivosti více kvalitativních informací

27

28 Detektory monitoruje složení eluátu, zaznamenává ho graficky - chromatogram detektor musí poskytovat odezvu dostatečně rychle detektor může být univerzální nebo selektivní univerzální detektor reaguje na vlastnosti systému jako celku (refraktometrický) selektivní detektor reaguje na určitou selektivní vlastnost analytu (fluorescenční) detektor může být destruktivní (AAS, AES) nebo nedestruktivní (UV/VIS) detektory lze vhodně kombinovat (vícenásobná detekce) detektor by měl mít co nejmenší vnitřní objem

29 Charekteristiky detektoru vysokofrekvenční šum (krátkodobý) náhlá změna signálu nízkofrekvenční šum (dlouhodobý) chvění kolem nulové linie (baseline) posun nulové (základní) linie (drift) kontinuální stoupání nebo klesání baseline detekční limit nejmenší pás (pík), který může být ještě považován za pás S/N 3 limit kvantifikace nejmenší pás, jehož plocha může být změřena s požadovanou přesností S/N 10 šum (N) S drift 0 0 reprodukovatelnost odezvy detektoru směrodatná odchylka odezvy na stále stejnou koncentraci analytu při opakovaném měření linearita odezvy detektoru oblast koncentrací, kdy je odezva přímo úměrná koncentraci analytu odezva ještě použitelná oblast předávkování lineární oblast R = citlivost detektoru C 0 0 koncentrace analytu

30 UV/Vis detekce pevná vlnová délka - standardní monochromatický spektrofotometr, vlnová délka se mění otočením hranolu nebo mřížky, v daném okamžiku pouze jedna vlnová délka, deuteriová lampa měnitelná vlnová délka kontinuální sledování celého spektra UV i Vis: a) několik standardních spektrofotometrů za sebou b) DAD - Diode Array detektor simultánní měření celé oblasti, data okamžitě, možnost tvorby 3D chromatogramu

31 Fluorescenční detektor velice citlivý selektivní detektor použitelný pouze pro látky přímo floreskující nebo fluoreskující po derivatizaci mobilní fáze nesmí obsahovat zhášeč fluorescence zdroj excitace prochází průtokovou celou do fotodetektoru, měříme vlnovou délku emitovaného světla ve směru kolmém k paprsku primárního záření citlivost 10-9 až g/ml Využití fluorescenční detekce DNA/RNA fluoreskující látky drogy, hormony, vitamíny,

32 Refraktometr měření indexu lomu diferencíální porovnání analytu a rozpouštědla nelze použít při gradientové eluci spolehlivý, málo ovlivnitelný průtokem mobilní fáze použitelný na téměř všechna rozpouštědla málo citlivý k nečistotám a vzduchovým bublinám citlivý na teplotu mění se index lomu + termostat +/- 0,001 C citlivost detektoru je až o tři řády nižší než UV/Vis drahý výchylkový refraktometr

33 Konduktometr měření vodivosti jednoduchý, neselektivní a universální ionexová chromatografie při analýzách v průběhu zpracování vody Ampérometrický detektor nejobvyklejší druh elektrochemického detektoru měření limitních proudů velmi citlivý

34 Odpařovací light-scattering detector (ELSD) nespecifický kompatibilní s gradientem teplotně nezávislý

35 Hmotnostní spektrometr spojení MS s HPLC HPLC separace se provádí za vysokých tlaků, MS měření v hlubokém vakuu nutný převodník

36 Dynamický rozptyl světla - DLS měření rozložení velikosti částic na principu dynamického rozptylu světla výkyvy jsou výsledkem Brownova pohybu částic a jsou úměrné difusi a velikosti částic Stokes-Einstein R H = kt 6πηD D difusní koeficient R H poloměr k - Boltzmannova konstanta T teplota η viskozita rozpouštědla

37 DLS

38 Statický rozptyl světla - SLS Tato metoda na rozdíl od DLS neměří výkyvy intenzity rozptýleného světla v čase, ale využívá průměrnou intenzitu rozptýleného světla v určitém časovém úseku. Zimm-Rayleigh KC R θ 1 M + 2A C P = 2 θ R θ - Rayleigh poměr rozptýleného světla k náhodnému světlu C - koncentrace M - molekulová hmotnost P - úhlová závislost rozptylu světla částicí K - optická konstanta A 2 virální koeficient

39 Použití A 2 k predikci stability A 2 koreluje s rozpustností vzorku

40 Viskozimetr viskozita je nepřímo úměrná hustotě molekuly v roztoku 1. Konformace sbalení molekuly vysoká hustota malá viskozita menší hydrodynamický objem při stejné molekulové hmotnosti 2. Větvení větvení vyšší hustota a menší viskozita víc kompaktní, vyšší hustota nižší viskozita 3. Délka řetězce zvyšující se délka klesající hustota, stoupající viskozita

41 Použití více detektorů zároveň detektory mají rozdílnou odezvu

42 Derivatizace zvýšení citlivosti nebo umožnění detekce vůbec zvýšení rozlišení nebo umožnění separace vůbec zamezení nežádoucí sorpce látek na koloně Požadavky na deriváty chemické individuum stabilní reakce kvantitativní rychlá selektivní bez vedlejších produktů za mírných reakčních podmínek (ph, teplota) činidlo musí být dobře separovatelné od svých produktů na koloně jiné fyzikálně-chemické vlastnosti

43

44 Derivatizační činidla 5-N,N -dimethylaminonaftalen-1-sulfonylchlorid (Dns-Cl) ninhydrin enacylbromid naftacylbromid acylchloridy reakce s fenyisothiokyanátem 2,4-dinitrofenylhydrazin(DNPH) p-nitrobenzylhydroxylamin (NBHA) O OH 2 + OH COOH R CH NH 2 O Ruhemannuv purpur O O N + + R CHO CO 2 ONH 4 O

45 Chromatografický proces K dělení dochází v separační koloně, která obsahuje stacionární fázi (sorbent) a mobilní fázi (eluent). Rozdílné analyty (dělené látky) mají rozdílnou afinitu ke stacionární fázi. Rozdílné analyty podléhají různé distribuci (rozdělování) mezi mobilní a stacionární fází. Rozdílné analyty jsou rozdílně zadržovány a rozdílně zpožďovány (retardovány).

46 Vznik elučního pásu (píku) kolona příčina: thermodynamická porušování a ustanovování rovnováhy kinetická všechny ostatní děje (průtok MF, difuse ) Teoretické patro KOLONA teoretické patro počet teoretických pater výška teoretického patra V N = 5,55. w H=L/N r 0,5 2 Vr = 16. w 2

47 Difusní teorie K celkovému výškovému ekvivalentu teoretického patra přispívá: 1. difuse molekul mezi mobilní a stacionární fází - přenos hmot H velikost částic náplně kolony velké molekulová hmotnost vysoká malé nízká průtok 2. difuse molekul podél kolony malé molekuly difundují rychleji než velké H malé molekuly velké molekuly průtok

48 3. vířivá difuse závisí na velikosti a homogenitě náplně kolony H nehomogenní homogenní průtok

49 čím je větší molekulová hmotnost, tím nižší je optimální průtok čím menší jsou částice náplně, tím ostřejší jsou píky

50 Dělení více látek R 1,2 = Vr Vr 2 1 0,5. 2 b1 ( w b + w )

51 Co ovlivňuje rozlišení? faktor selektivity R 1,2 = F selektivity. F kapacity. F účinnosti lze ovlivnit: - změnou stacionární fáze, - změnou mobilní fáze, - současnou změnou obou fází, - změnou rychlosti toku mobilní fáze faktor kapacity - hodnota retence separované složky k = K D. V s /V m faktor účinnosti - ~N lze ovlivnit: - množstvím stacionární fáze v koloně, - změnou stacionární nebo mobilní fáze - změnou teploty kolony lze ovlivnit: - délkou kolony, - rychlostí průtoku mobilní fáze, - velikostí částic sorbentu, - teplotou, viskozitou mobilní i stacionární fáze apod.

52 R s <1- nedokonalá separace, R s = 1- u sebe, R s >1- dobrá separace

53 Symetrie píku A s = B A w T f = 2 0,05 f Faktor asymetrie A s míra souměrnosti chromatografického píku, určuje se v 10% výšky. Tailing faktor T f obdobná veličina jako faktor asymetrie používaná ve farmaceutické analýze. Určuje se v 5% výšky píku. T f >1 pro píky asymetrické v sestupné části ( tailing píky) T f <1 pro píky asymetrické ve vzestupné části ( fronting píky)

54 vzorek je rozpuštěn v prostředí o vyšší iontové síle než mobilní fáze špatná rozpustnost v mobilní fázi kanálky ve stacionární fázi sedlá náplň kolony nespecifické interakce silná retence vzorku přetížení kolony snížit nástřik poškozená kolona nečistoty v koloně nerozdělené píky kanálky v koloně nečistoty na koloně nástřik ve dvou podílech

55 1. MANUÁLNÍ Vyhodnocování chromatogramu stříhání a vážení co nejmenší chyba co největší chromatogram (chyba 2 %) planimetrie plocha pásu je úměrná obrysu (chyba 4 %) čtvercová síť plocha plných čtverců + odhad zbytku (chyba 3 %) 2. INTEGRÁTORY (integrační software) Peak RT(min) Height Area W1/

56 Pufry ~ směsi slabých kyselin a jejich solí nebo směsi slabých bazí a jejich solí ~ ph pufru se po přidání silné kyseliny nebo zásady mění jen málo pro slabou kyselinu platí: ph 1 pk log A c pro slabou zásadu platí: ph pk 1 pk log c W B +

57 Jak vypočítat ph pufru??? Přídavek silné kyseliny do pufru (A - + HA) + A + H3 O HA + H2O Přídavek silné zásady do pufru (A - + HA) HA + OH A - + H2O Hendersonova-Hasselbalchova rovnice ph = pk A [ A ] + log [ HA ]

58

59 Příklady: Jaké je ph roztoku, který je připraven z 250 ml 1 M kys. octové a z 250 ml 1,6 M octanu sodného? Hodnota K A kyseliny octové je 1, ph = pk + A pk A [ báze] [ kyseliny] = log1,8.10 = 0,25.1,6 0,5 = [ báze] log [ kyselina ] = 0,25.1 0,5 5 4,74 0,8 mol/l = = 0,5 mol/l ph = 4,74 + 0,8 log 0,5 = 4,94

60 Jaký poměr mravenčanu sodného a kyseliny mravenčí je nutný pro přípravu pufru o ph 3,85? Hodnota K A pro kyselinu mravenčí je 1, ph = pk + A [ báze] log [ kyselina ] pk A = log1, = 3,74 3,85 = 3,74 + log [ báze] [ kyseliny] [ báze] [ kyseliny] = 1,3 př: 0,1M HCOOH + 0,13M HCOONa

61 Příklady pufrů Nejpoužívanější pufry: acetátový, fosfátový, citrátový, Tris (tris(hydroxymethyl)methylamin) Název ph rozsah pk A (25 o C) Acetátový 3,8-5,8 4,76 MES 5,5-6,7 6,10 fosfátový 5,7-8,0 7,20 Bis-Tris 5,8-7,2 6,50 PIPES 6,1-7,5 6,76 MOPS 6,5-7,9 7,20 TES 6,8-8,2 7,40 HEPES 6,8-8,2 7,48 Trizma 7,0-9,0 8,06 TEA 7,3-8,3 7,80 EPPS 7,3-8,7 8,00 Tricine 7,4-8,8 8,05 Gly-Gly 7,5-8,9 8,20 Tris/HCl 7,5-9,0 8,06 Bicine 7,6-9,0 8,26 CHES 8,6-10,0 9,49

62 0,2 M fosfátový pufr Na 2 HPO 4 g/l NaH 2 PO 4.7H 2 O g/l ph 23 C Na 2 HPO 4 g/l NaH 2 PO 4.7H 2 O g/l ph 23 C 22,4 3,49 5,7 10,80 29,51 6,9 22,08 4,29 5,8 9,36 32,73 7,0 21,60 5,37 5,9 7,92 35,95 7,1 21,05 6,60 6,0 6,72 38,63 7,2 20,40 8,05 6,1 5,52 41,31 7,3 19,56 9,93 6,2 4,56 43,46 7,4 18,60 12,07 6,3 3,84 45,07 7,5 17,64 14,22 6,4 3,12 46,68 7,6 16,44 16,90 6,5 2,52 48,55 7,7 15,00 20,12 6,6 2,04 49,09 7,8 13,56 23,34 6,7 1,68 49,89 7,9 12,24 26,29 6,8 1,27 50,81 8,0

63 Britton-Robinsonův pufr ph 2 až ph 12 Složení: 0,04 M H 3 BO 3 0,04 M H 3 PO 4 0,04 M CH 3 COOH 1:1:1 na požadované ph upraveno pomocí NaOH A 420 nm 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Britton-Robinson McIlvain fosfátový pufr Tris/HCl ph