Teoretické základy chromatografie, plynová chromatografie

Chromatografie

- základní fyzikální děje, na kterých je založena chromatografie jsou známé již velmi dlouho ( např.: sorpční schopnosti některých hornin). Praktické využití těchto jevů je však otázkou posledních 60-ti let. V poslední době se okruhy využití chromatografů rozšiřuje, jedná se zejména o HPLC ( vysoce účinná kapalinová chromatografie) a využití kapilárních kolon.

- princip - během průchodu kolonou se jednotlivé složky vzorku opakovaně rozdělují mezi dvě fáze, z nichž jedna je pohyblivá ( mobilní ) a druhá je nepohyblivá ( stacionární). Po určité době jsou oddělené složky mobilní fází vyplaveny z kolony ven a detegovány. Cílem chromatografie je rozdělit látky na základě jejich odlišných chemických, fyzikálních a fyzikálně chemických vlastností pomocí vhodné dvojice stacionární a mobilní fáze.

- rozdělení chromatografie -

a) podle mobilní fáze - plynová ( mob.f. je plyn), kapalinová (mob. f. je kapalina),

b) podle stacionární fáze - adsorpční chormat. ( stac. f. je adsorbent), rozdělovací chrom. ( stac. f. je kapalina nanesená na nosiči), iontově výměnná ( stac. f. je iontoměnič), gelová chrom. ( stas. f. je gel s definovanými póry), afinitní ( stac. f. je organický materiál schopný reverzibilně vázat jiné látky)

 c) podle uspořádání - kolonová ( stac. f. je v chromatografické koloně), chromatografie plošná - stac. f. je rovnoměrně nanesena na podložce

d) podle uspořádání pokusu - způsob nanesení vzorku

- eluční způsob - vzorek dávkujeme bodově do proudu mobilní fáze, vzorek projde kolonou, unášen mobilní fází, a protože jednotlivé složky jsou různou silou zachycovány stacionární fází, prochází kolonou různou rychlostí a vyjdou z kolony postupně. Tr - retenční čas = doba pohybu látky v koloně, nástřik = čas 0, Tr_A - doba, jakou pobývá v koloně látka A - retenční čas nám udává kvalitu, kvantitu nám udává velikost píku.

Graf dodám

- frontální způsob - analyzovanou směs přivádíme do kolony kontinuálně, ta prochází kolonou a jednotlivé složky z ní postupně vycházejí a jsou detegovány. Záznamem tohoto měření je schodovitá křivka, kdy vzdálenost inflexního bodu od nástřiku je Tr - kvalita, a  výškou příslušného schodu je dáno množství - kvantita

Graf dodám 

- vytěsňovací způsob - vzorek je dávkován do proudu mobilní fáze a poté je do kolony vnesena složka, která se absorbuje na stacionární fázi lépe, než kterákoliv složka ze vzorku. Toto vytěsňovací činidlo pak tlačí tyto složky před sebou a z kolony putuje postupně: a) nejméně sorbující složka, b) více sorbující složka, c) vytěsňovací činidlo. Kvalitu nám udává pořadí zóny, kvantitu potom délka zóny.

Graf dodám

- teoretické základy chromatografie - cílem chromatografie je rozdělit směs látek. Provedeme to tak, že látka při průchodu kolonou je neustále zadržována stacionární fází a vymývána fází mobilní. Čím je složka pevněji poutaná ke stacionární fázi, tím je její pohyb pomalejší.

- retenční poměr - Během průchodu látky kolonou dochází k jejímu zpoždění - retardaci, retenci. Důležitou jednotkou je retenční, retardační poměr, který je dán R = tm/tr kdy tm = doba pohybu látky v mob. f., tr = celková doba pohybu látky v koloně. Rozdílná hodnota R je rozhodující pro vzájemné oddělení jednotlivých složek ze směsi. Protože se tm špatně měří, vyjadřujeme R jako: R = Vm/ K_D . Vs +Vm. Retenční poměr může nabývat hodnot od 0 do 1, přičemž je-li R = 0, tm = 0 => látka neprojde kolonou, stacionární fáze ji zachytila pevně, je-li R = 1, tm = tr => látka celou dobu pobývala v mobilní fázi a stacionární fáze ji vůbec nezachytila.

- účinnost kolony - připodobňuje chromatografické dělení extrakčním stupňům, eventuelně k rektifikační koloně. Účinnost kolony nám potom udává počet teoretických pater rektifikační kolony, které by musela mít, aby došlo ke stejně kvalitnímu oddělení složek. n = 5,53 . (x / y_1,2)² kdy x je vzdálenost píku od nástřiku a y_1,2 je šířka píku v polovině výšky

- rozlišení - hodnota retenčního poměru nám říká, zda - li dojde k oddělení jednotlivých složek ze směsi. Neříká nám však, jak kvalitně se tato směs rozdělí
- rozdělení - nám udává rozlišení ( jednotlivých píků)

Δt = vzdálenost píků na záznamu, y₁/2 + y₂/2 = šířka píků v polovině. Má-li být rozlišení dobré R_1,2 > 1, použitelné je rozlišení nad 0,6. Rozlišení píků je dáno účinností kolony.

Graf dodám

- účinnost kolony - však závisí nejen na použití mobilní a stacionární fáze, nebo na kvalitě stac. f., ale také závisí na rychlosti průtoku mobilní fáze kolonou. Během průchodu fáze kolonou se uplatňují 3 základní jevy:

a) turbulentní difuze - Ha

- molekuly vzorku a mobilní fáze protékající kolem částeček stacionární fáze neurazí stejnou dráhu a dorazí na konec kolony za jiný čas. Tento vliv není závislý na rychlosti průtoku mobilní fáze a snížíme jej pouze tím, že zajistíme, aby částečky stacionární fáze měřili stejnou velikost

b) molekulární difuze - Hb

- samovolný pohyb částic hmoty do místa o nižší koncentraci. Difuze se zvyšuje s klesající rychlostí

c) odpor proti pohybu hmoty - Hc

- kdy molekuly jsou bržděny stac. f. Vliv tohoto faktoru roste lineárně s rostoucí rychlostí pohybu mobilní fáze

Graf dodám

- závěr - chceme - li získat optimální rychlost průchodu mob. f. kolonou, sečteme všechny tyto 3 vlivy a volíme vždy rychlost o něco vyšší, než je minimum součtové křivky.

Plynová chromatografie

- princip -  mobilní fází je plyn. Touto metodou analyzujeme všechny plynné látky a látky, které lze do plynného skupenství převést, protože pracujeme při teplotě do 400°C, lze analyzovat organické látky do Mr = 1000g/mol. a) k analytickým účelům, b) k separaci látek před analýzou

- základní pojmy -

- mobilní fáze - inertní plyn minimální viskozity a molekulové hmotnosti, ideální vlastnosti má helium, dusík. Při průchodu kolonou dochází vlivem stlačitelnosti k tlakovému spádu plynu.

- stacionární fáze - a) povrchově aktivní látka, nejčastěji se využívá silikagel, alumina, aktivní uhlí, b) kapalina nanesená na nosiči, nejčastěji se využívají vysokomolekulární alkoholy, nebo silikony

- analyzovaná látka je průchodem kolonou zadržována stacionární fází, takže prochází kolonou pomaleji, než nosný plyn

- schéma - tl = tlaková lahev, R = redukční ventil, Č = čištění plynu, RT = regulace tlaku plynu na vstupu do kolony, DZ = dávkovací zařízení, K = kolona, D = detektor, Z,I,P = zapisovač, integrátor, počítač

- kolony - v plynové chromatografii používáme 2 typy kolon:

a) náplňové - trubice o průměru 2-5mm, délky 0,5 - 3 m zhotovená z plastu, nebo nerezu. Naplněna stacionární fází je v celém svém objemu, v co nejtěsnějším uspořádání - plní se podtlakem.

b) kapilární - skleněná nebo plastová kapilára o průměru 0,2 -0,4 mm a délky 1 - 100 m. Naplněna stacionární fází je pouze po obvodu stěnách kapiláry.

- detektory -

1) plameno ionizační detektory - značí se FID - U tohoto detektoru dochází k ionizaci vzorku plamenem. V detektoru hoří kyslíko-vodíkový plamen mezi dvěma vysokonapěťovými elektrodami. Vstoupí-li do detektoru vzorek, pak plamen má takovou energii, že dojde k ionizaci vzorku, kationt putuje ke katodě, aniont k anodě a mezi elektrodami začne procházet proud, který zaznamenáme. Výhody - jednoduchý, univerzální

2) tepelně vodivostní detektor - analyzovanou látku deteguje na základě změny vodivosti nosného plynu s analyzovanou látkou. Měření je poměrové, kdy do 1 větve detektoru zavádíme pouze nosný plyn a do druhé je vývod z kolony. V okamžiku, prochází-li nějaká analyzovaná složka komůrkou, dojde ke změně tepelné vodivosti plynu, tím se změní teplota drátku a současně jeho odpor a my registrujeme výchylku.

- 2 komůrky s žhavným, odporovým drátkem, kterým prochází plyn. Registrujeme změnu odporu drátku

3) hmotnostní spektrometr - založen na tom, že analyzovanou látku rozloží na ionty a vytvoří hmotnostní spektrum, na jehož základě určíme nejen kvantitu, ale i kvalitu

4) fotoionizační - k ionizaci vzorku dochází pomocí UV světla

5) detektor elektronového záchytu - dochází k ionizaci vzorku radioaktivním zářením

- kvalita -  založena na tom, že při určitém uspořádání má každá látka charakteristický čas, po který pobývá v koloně. Pro obecné uspořádání používáme standardy, kdy současně s látkou dávkujeme do kolony standard o známém retenčním čase. Protože by měl být standard co nejblíže analyzované látce, používáme standalkanovou řadu a látku umístíme do řady mezi 2 standardy - Kovaczovy indexy - např.: propan - vzorek - butan.

- kvantita - Obsah látky je úměrný velikosti píku. Plochu pod píkem nejčastěji měříme a) jako h*v/2 ( plocha rovnoměrného trojúhelníka), b) jsou li píky úzké, měříme pouze výšku, c) integrátory - měří plochu pod křivkou, d) metoda vážení píku, kdy je vystřižen a zvážen

- Z plochy pod píkem určíme množství látky a) jsou-li si látky velmi podobné chemicky, určíme ze vztahu obsah látky v % Xi = (Ai²/ Σi Ai)*100 b) nejsou li si látky chemicky podobné, volíme metodu vnitřních standardů, kdy ke stan. látce přidáme známé množství známé látky a její obsah pak vypočítáme ze vzorce mi/m_A = Ai/ A_A

- použití - analýza plynů a pevných látek, dělení látek kvůli jejich identifikaci - provádí se především na kapilárních kolonách