KROMATOGRÁFIÁS FOGALMAK DEFINICIÓJA

• RETENCIÓS IDŐ (tR)• Az az idő, mely a minta adagolásától az adott alkotónak

a detektorban maximális koncentrációban való meg-jelenéséig eltelik.

• HOLT IDŐ (t0)• Az inert eluens rendszeren való áthaladásához szükséges

idő.• REDUKÁLT RETENCIÓS IDŐ (t’R) t’R = tR-t0

• RETENCIÓS TÉRFOGAT (VR) VR = tRF F = eluens térfogati áramlási sebessége

(ml/min)

Redukált retenciós idő t’R = tR(retenciós idő)-t0(holt idő)

Csúcs elúciós profil

KKii = = cci,si,s cci,mi,m

• Elválasztás hajtóerje: μi,s # μi,m s = állófázis, m = mozgó fázis• Kváziegyensúly jellemzése: Ki = ci,s ci = mi mi = niMi

ci,m V Ki = ni,sMiVm = ki Vm

ni,m MiVs Vs ki = i-edik alkotó retenciós tényezője (kapacítás faktor) Vm = mozgófázis térfogata Vs = állófázis térfogata

• FÁZISARÁNY (β) β = Vm

Vs

Ki= kiβ ki = ni,s = tR,i - t0 = t’Ri

ni,m t0 t0

• Ideális elválasztás: 1 < ki < 5

• SZELEKTIVITÁSI TÉNYEZŐ (α) α = K2 = k2 = t’R2

K1 k1 t’R1

α › 1,05, feltéve, hogy t’R2 > t’R1

A szelektivitási tényezőt az álló- és mozgó fázis anyagi minősége, összetétele és az elválasztás hőmérséklete határozza meg elsődlegesen. Ezek változtatásának döntő befolyása van a felbontásra!

A retenciós tényezőt az állófázis filmvastag-ságával tudjuk növelni (Vs!), ennek hatása azonban nem jelentős.

α1 = α2

??

Kromatogram kialakulása

TÁNYÉRELMÉLET

• Az elválasztás akkor hatékony, ha a csúcsok szélessége nagyon kicsi → ezt jellemezzük az ELMÉLETI TÁNYÉR-SZÁMMAL: N = tR 2 = 16 tR 2

σ ω• Minél nagyobb N, annál hatékonyabb az elválasztás

N = 103 - 105 • N növelhető: - oszlophossz↑; - szemcseméret↓; - hőmérséklet↑; - belső átmérő↓; - áramlási sebesség↓↑.

Gauss görbe alakú elúciós görbe

ttRR

22σσ

ωω = 4 = 4 σσ

Félérték szélességFélérték szélesség

ELMÉLETI TÁNYÉRMAGASSÁG (H)

H = L = L ω 2 L = oszlophossz N 16 tR

ω/ tR = relatív csúcsszélesség

Minél kisebb H, annál hatékonyabb az elválasztás.

FELBONTÓKÉPESSÉG (Rs)

Rs = tR2 - tR1 = 2 (tR2 - tR1) ≥ 1,5 2 (σ2 + σ1) ω2 + ω1

Rs = √N (α-1) k 4 α (1+k)

Felbontóképesség (R) egymás melletti csúcsokra

Rs = tR2 - tR1 = 1,52 (σ2 + σ1)

ha σ2 = σ1→ Rs = 6σ/4 σ

Csúcspárok közötti távolságCsúcspárok közötti távolság

N α k √N/4 (α-1)/α k/(1+k) Rs

20×103 1,05 5 35,35 0,05 0,83 1,47

40×103 1,05 5 50,00 0,05 0,83 2,08

60×103 1,05 5 61,23 0,05 0,83 2,54

80×103 1,05 5 70,70 0,05 0,83 2,93

20×103 1,10 5 35,35 0,09 0,83 2,61

20×103 1,15 5 35,35 0,13 0,83 3,81

20×103 1,20 5 35,35 0,17 0,83 4,89

20×103 1,05 10 35,35 0,05 0,90 1,60

20×103 1,05 15 35,35 0,05 0,94 1,66

20×103 1,05 20 35,35 0,05 0,95 1,68

Rs = √N (α-1) k 4 α (1+k)

A hatékonyság és a szelektívitás hatása az elválasztásra

Csúcs szimmetria

Af = B A

1952 James és Martin

-gáz-folyadék kromatográfia;

-Nobel díj a megoszlási kromatográfia kidolgozásáért.

GÁZKROMATOGRÁFIA

típus állófázis mozgófázis mechanizmus

gáz-szilárd

GSCszilárd gáz adszorpció

gáz-folyadék

GLC

folyadék gáz megoszlás

A gázkromatográfiás készülék

A gázkromatográfia bomlás nélkül gázzá alakítható, illékony vegyületek elválasztására alkalmas

mintabemérő egységmintabemérő egység

detektordetektor

rekorderrekorder

gázpalackgázpalack

oszloposzlop

Vívőgázrendszer

• Biztosítja a minta komponenseinek áthaladását az oszlopon

Részei:• Gázpalack (nyomáscsökkentő reduktor), N2,

Ar (FID), H2, He• Gáztisztító (aktív szenes, molekulaszűrős)• Áramlásszabályozó - állandó áramlási sebesség

kell, 10-100 cm3/perc hőmérséklet nő → gáz viszkozítása nő →

nyomásprogramozás oszlop töltet „öregszik” → ellenállása nő

Gáztisztítók (víz, oxigén, szénhidrogének)

• Feladata: gázból, vagy folyadékból gyorsan és dugószerűen, kis mennyiségeket (100- 1000 μl gázoknál, 1-10 μl folyadékoknál) az oszlopra injektálni.

• Folyadékminta esetén biztosítani kell a gyors és teljes elgőzölögtetést → fűthető mintakamra (30-50 0C > oszlop T, 350 0C véghőmérséklet).

• Egyöntetű és bomlás nélküli elpárologtatás.

Mintaadagoló

Liner, insert – injektor betét

Injektálási technikák

• 1, Direkt az oszlopra – Flash injection

• Töltetes és wide bore (makrokapilláris)

oszlopoknál

• Teljes minta mennyisége pillanatszerűen az oszlopra kerül.

• Kapilláris oszlopoknak kisebb a kapacitása.

• Split: Minta elgőzölögteté-se, vivőgázba adagolása, majd elágaztatása (pl. 1/100-1/1000 arányban → 0,01 μl és 0,001 μl injektálásának felel meg.

LinerLiner

2, Split injektálás – lefuvatás, megosztás

Split arány

Septum purge

3, Split-splitless (Grob) injektálás

• Cél: nagyobb mintamennyiségek injektálása a kapil-láris oszlopra, a hatékonyság csökkenésének mini-malizálásával.

Feltételek:

• Oldószer forráspontja legyen a legkisebb az elválasztandó anyagok között.

• Injektor T-je > a legnagyobb fp-ú anyag fp-jánál.

• Oszlop T-je az oldószer fp-jánál 10-20 fokkal – kondenzáció az oszlop elején, állófázis telítődése.

• Ezek teljesülésével csak egy kis része az oldószernek kerül be az oszlopra és így koncentrálódik a minta!

Kivitelezés: Split ág 0,5 - 1 percig zárva (= splitless idő, vagy purge time), utána

indul a lefuvatás, miközben az oszloptermosztát felfűtési programja is

elindul és fp-juknak megfelelően eluálódnak a komponensek.

Forráspont diszkriminációSplitless technika diszkriminál – splitless idő ( purge time)

alapján

4, Programozható hőmérsékletű injektor (Programable Temperature Vaporization- PTV)

• Olyan split/splitless injektor, melyben a hőmér-séklet is programozható.

• Alacsony T-ről gyors felfűtés, mely hatására a komponensek fp-juknak megfelelő sorrendben párolognak el.

• Nagy mennyiségű minta injektálása lassan (100-200 μl ).

Oldószer lefuvatása az injektálás elején.• Hő hatására bomló anyagok elválasztására is jó.

Kriogén hűtés

Liq. N2 -1500CLiq. CO2 – 500CPeltier hűtő hő-cserélő: etil-alkohol+víz – szoba T-200C

Kolonna• Fajtái:• 2-6 mm belső d-s, töltetes. • 0,1-0,5 mm belső d-s kapilláris.

1, Töltetes kolonna (1-5 m)Anyaga: üvegcső, vagy saválló acél.

Hordozója: diatomaföld (nagy mechanikai szilárdság, nagy fajlagos felület, kémiailag inert anyag)

Megosztófolyadék + alacsony forráspontú oldószer + szilárd hordozó (0,1-0,3 mm-es átlagos szemcseméret) → oldószer elpárologtatása

Kapacitásuk nagy (pár μl injektálható).

2, Kapilláris kolonna• Hossza: 10-100 m, átmérője:• 1, <0,15 mm mikrokapilláris• 2, 0,15-0,50 mm standard kapilláris• 3, > 0,50 makrokapilláris (wide bore)• Hordozó nincs. Anyaga kvarc. Poliamid

bevonattal.• A megosztófolyadékot közvetlenül a cső belső

falára viszik fel (d = 0,1-10 μm), nyomás alatt préselik át.

• Élettartama növelhető, ha a megosztó-folyadékot valamilyen kémiai kötéssel (szilanizálással) rögzítik.

• Kapacitásuk kicsi (μl törtrésze).

Megosztó (nedvesítő) folyadék = állófázis• Olyan makromolekuláris anyag, amely az

elemzési T-n folyékony, de kellően hőstabil és gőztenziója is elhanyagolható.

T max. 350 0C < oszlop „vérzés” (bleeding)• Hasonlóság elve: • Apoláris komponensekhez apoláris• Poláris komponensekhez poláris

Töltetes és kapilláris kolonna

PLOTPLOT WCOTWCOT

Gáz-szilárd kromatográfia (GSC) állófázisai

1) Szilikagél

2) Aluminium-oxid

3) Aktív szén

4) Sztirol-divinil-benzol kopolimer

Gáz-folyadék kromatográfia (GLC)

1) Polisziloxán vázuak (szilikonok)

Apoláris és poláris csoportokkal

szubsztituált változatai mind apoláris,

mind poláris vegyületek elválasztására alkalmasak. Szubsztituensek: alkil-, aril-, nitril-, vinil csoportok, vagy ezek keveréke.

Si

CH3

CH3

O* *n

Fenilezett polisziloxán

2, Polietilén-glikolok

Carbowax. Poláris álló-fázis. Polaritásuk a

lánchossz növekedésével csökken.

3, Poliglikol-észterek Előbbiek észterezett változatai, észterek

elválasztására.

H

H

H

H

OOH Hn

Si O* Sin O *

C6H5

C6H5

m

CH3

CH3

http://ull.chemistry.uakron.edu/chemsep/http://ull.chemistry.uakron.edu/chemsep/animations/animations/

Split injektálásSplit injektálásSplit ág végig nyitva, arány: 25-200Split ág végig nyitva, arány: 25-200

GC_1.avi

Termosztát

• Az elválasztás hatékonyságát a megfelelő hőmérséklet program biztosítja.

• Célunk a minél jobb elválasztás (Rf > 1,5), minél gyorsabban. Komponensek növekvő forráspontjuk szerint eluálódnak.

• Fűtési tartomány: 0-400 0C • Fűtési sebesség: 0,5-40 0C /perc

Hőmérséklet programozás

a, kezdeti Tb, T ugrásc, végső T

T nő → gázok oldhatósága csökken

T nő → gázok viszkozítása nő → u csökken

Ennek kompenzálására nyomásprogramozást kell alkalmazni a felfűtés során.

Ez növeli a vivőgáz lineáris áramlási sebességét, és gyorsabb retenciós időket eredményez.

Analízis idejének csökkentése a gyors elválasztás érdekében

• Illékony minta

• Vékony állófázis (minőség!)

• Kis oszlop átmérő

• Rövidebb oszlop

• Hidrogén vívőgáz, nagy áramlási sebesség

• Meredek hőmérséklet gradiens

Detektorok

Feladatuk a kolonnából kilépő vívőgáz-áramban megjelenő komponensek folya-matos, gyors és érzékeny észlelése, az anyagmennyiséggel, vagy a koncentráció-val arányos jel szolgáltatása.

Többféle, vagy egyszerre több detektor is alkalmazható!

Szabályozott fűtés 400C-ig.

Detektorok jellemzése

1, Linearitási tartomány

Lineáris tartomány

Mennyiség vagy koncentráció

Vál

aszj

el

Dinamikus tartomány

2, Érzékenység

• Kalibrációs görbe meredeksége = d (válaszjel) d (koncentráció)• Közhasználatban a mérhető legkisebb koncentrációt is

jelentheti!

• Kimutatási határ (limit of detection = LOD)

• A kimutatási határ a mért alkotónak az a legkisebb mennyisége, amely az adott módszerrel megbízhatóan megkülönböztethető a vak mintától.

• Megállapodás szerint, egy adott komponens:

J LOD = J vak + 3 s vak

J = válaszjel

S vak = vakminta válaszjelének tapasztalati szórása

alapvonal zaj

Kimutatási határ- LOD > 3×zaj

alapvonal emelkedés

Gyakorlatban

3, Szelektivítás

• Szelektivitás ill. specifikusság alatt értjük az adott detektor kiemelkedő érzékenységét a vegyületek bizonyos csoportjára.

• Specifikus detektorok azok, amelyek elemekre, elemek bizonyos csoportjára, funkciós csoportokra, vagy egyéb tulajdonságokra szelektíven adnak értékelhető jelet.

Mátrix hatás csökkentése!

• Univerzális detektorok azok, amelyek minden, az oszlopról eluálódó komponensre értékelhető jelet szolgáltatnak. Ilyen a tömegspektrométer (MS Mass Spectormeter).

Lángionizációs detektor FLAME IONIZATION DETECTOR (FID)

Kollektor elektród

Mikroégő - jet

• A lángionizációs detektor egy kisméretű H2/levegő gáz-eleggyel táplált láng, amely fölé elektródpárt kapcsolnak. Az égés során a lángba bejutó szerves anyag először termikusan bomlik (pirolízis), utána oxidálódik, majd ionizálódik, mely lépésben a molekulák C atomszámával arányos számú e- keletkezik.

1. Pirolízis: CnHm → n CH. + (m-n) H.

2. Oxidáció: n CH. + n O. → n CHO.

3. Ionizáció: n CHO. → n CHO+ + n e-

Az ionok és e- képződése → gyenge áram, mely erősítés után mérhető és a komponens koncentrációjával (C atom-számával) arányos jelet szolgáltat.

Érzékeny – 10-12 g/anyag

Széles linearitási tartomány: 107

• Kapilláris oszlopok esetén make-up gázt kell keverni a hidrogénhez (vivőgáz), hogy nagyobb jelet kapjunk, ez általában N2.

• Ideális esetben - hidrogén:(vivőgáz+make-up gáz) = 1:1

• Nagyon széleskörben alkalmazott detektor.

• Majdnem univerzális, kivételek:

• Formaldehid, hangyasav, N2, O2, nemesgá-zok, CO, CO2, SO2, SO3, H2S, NO, NO2, NH3, HX és H2O.

Elektronbefogási detektor

ELECTRON CAPTURE DETECTOR (ECD)

• Specifikus ionszelektiv detektor, mely a halogéntartalmú (F, Cl, Br) növényvédő- és rovarirtószer maradványok meghatározásában nélkülözhetetlen.

• Negatív pólus: 63 Ni természetes β-sugárzó izotópot tartalmazó fólia az elektródba építve = sugárforrás.

• Pozítiv pólus: kollektor elektród, melynek irányába haladnak az e- -ok. Az így létrejött polarizációs feszültség csak néhány volt (1-10V) → 10-12 A állandó alapionáramot hoz létre.

• Ha nagy elektronegativitású elemeket (F, Cl, Br, ,O) tartalmazó molekulák jutnak a detektorba → abszorbeálják az e- -okat → alapionáram csökken, mivel nagy tömegű és kis mozgékonyságú anionok képződnek.

• Leggyakrabban nitrogén vivőgázzal használják.

• Lehetővé teszi a halogéntartalmú gázkromatográ-fiásan vizsgálható vegyületek mérését 10‑12‑10‑15 g‑ig. A detektor szénhidrogénekre gyakorlatilag érzéketlen, nagy elektronvonzó‑képességű csopor-tot (pl. -NO2, konjugált rendszerek) tartalmazó vegyületek specifikus mérésére alkalmas.

• Linearitási tartománya 3‑4 nagyságrend fluor és klór tartalmú vegyületekre.

• Make-up gáz használata szükséges, hogy gyorsabban kiürüljön a detektor tér (N2,Ar+CH4).

• Halogénmentes oldószerek használata kötelező!

8.8.

Organochloride insecticidesOrganochloride insecticides

DDTDDT