112
TRM TECHNIKI i METODY, SORPCJI-DESORPCJI i CHROMATOGRAFII -- adsorpcji-desorpcji, absorpcji-desorpcji, wymiany jonowej, wykluczania sterycznego, jonowego, wymiany ligandów, powinowactwa, … -- w układach dwufazowych - płyn (gaz (G), ciecz (L), płyn nadkrytyczny (SF), płyn podkrytyczny (UC)) // ciało stałe (o porowatych w przekroju, lub powierzchniowo - ziarnach) // ciecz „immobilizowana” wewnątrz przestrzeni porów wewnątrz-ziarnowych / na powierzchni porów stałego sorbentu / na powierzchni wypełnienia prof. M. Kamioski GDAOSK 2017

TRM TECHNIKI i METODY, SORPCJI-DESORPCJI i … W - TECHNIKI i... · • - przenikanie ciepła/ powierzchnia wymiany ciepła/ geometria wymiennikówciepła •-zatężanie roztworów

  • Upload
    buinhi

  • View
    239

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

TRM TECHNIKI i METODY, SORPCJI-DESORPCJI i

CHROMATOGRAFII-- adsorpcji-desorpcji, absorpcji-desorpcji, wymiany jonowej,

wykluczania sterycznego, jonowego, wymiany ligandów, powinowactwa, … --

w układach dwufazowych - płyn (gaz (G), ciecz (L), płyn nadkrytyczny (SF), płyn

podkrytyczny (UC)) // ciało stałe (o porowatych w przekroju, lub powierzchniowo - ziarnach) //

ciecz – „immobilizowana” wewnątrz przestrzeni porów wewnątrz-ziarnowych / na powierzchni porów stałego

sorbentu / na powierzchni wypełnienia

prof. M. Kamioski

GDAOSK 2017

Klasyfikacja operacji jednostkowych – IChiBp – I-szy / II-gi sem/ TRM1. Operacje dynamiczne – zachodzące na skutek działania sił mechanicznych / ciśnienia, przenoszenie pędu

• - przepływ płynów doskonałych / rzeczywistych przez przewody / warstwy porowate -oporyprzepływu

• - opadanie cząstek ciał stałych w płynach, sedymentacja, fluidyzacja, elutriacja• - cyklony, hydro-cyklony• - filtracja• - mieszanie• - wirowanie2. Operacje cieplne – związane z ruchem / wymianą ciepła

• - ruch ciepła przez przewodzenie, wnikanie i promieniowanie• - przenikanie ciepła / powierzchnia wymiany ciepła / geometria wymienników ciepła• - zatężanie roztworów w aparatach wyparnych / wyparkach próżniowych3. Operacje dyfuzyjne – dyfuzyjny ruch masy

• - prawa dyfuzyjnego / konwekcyjnego ruchu masy• - destylacja i rektyfikacja – okresowa / ciągła

• - absorpcja / desorpcja• - nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów / liofilizacja• - krystalizacja / rekrystalizacja

- dyspersja w warstwach porowatych / prawa dyspersyjnego ruchu masy- adsorpcja / desorpcja (NP, RP, HILIC, HIC, AC, …)

• - wykluczanie steryczne (GPC-SEC – w warunkach lipofilowych / hydrofilowych)• - wymiana jonowa - IExch/ wykluczanie jonowe - IExcl,• - ekstrakcja / ługowanie - Soxleta oraz elucyjna ekstrakcja przeciwprądowa - CCC• - operacje membranowe membran stałych (D, MF, UF, NF, RO) + ciekłe membrany• - elucyjne rozdzielanie w polu sił (FFF)• - elektroforeza, elektrochromatografia

UKŁADY / WARUNKI SORPCJI DESORPCJIGaz – Ciało stałe (G-S) : adsorpcja – desorpcja w układach … , adsorpcyjna

chromatografia elucyjna w układach … *S-GC]

Gaz – Ciecz (G-L) : absorpcja – desorpcja w układach … , podziałowa chromatografia gazowa w układach … *L-GC]

Ciecz - Ciało stałe (L-S) : adsorpcja – desorpcja w układach … *NP - Normal Phase, RP -Reversed Phase, HILIC - Hydrofilic Interaction, IExch – Ion Exchange, IExcl – Ion Exclusion, LExch – Ligand Exchange, AC – Affinity Chromatography, …]

Ciecz – Ciecz (L-L) (immobilizowana na powierzchni porów wypełnienia ziarnistego, niemieszająca się z … : ekstrakcja ciecz – ciecz niemieszająca się z … , w tym, *CCC –Counter Current Chromatography], ekstrakcja ciecz – ciecz Płyn nadkrytyczny -Ciecz (SF-L) : ekstrakcja z cieczy do płynu nadkrytycznego (SFE Superfluid Extraction)

Płyn nadkrytyczny – Ciało stałe (SF-S) : ekstrakcja z fazy stałej do płynu nadkrytycznego (SFE – Superfluid Extraction) / podkrytycznego (UCE Under Critical Extraction), chromatografia z nadkrytycznym eluentem (SFC – Superfluid Chromatography) / podkrytycznym eluentem (UCC)

oraz

Wykluczanie jonowe (IExcl Ion Exclusion)/ wymiana ligandów (Lexch – Ligand Exchange) – w układach płyn – płyn modyfikowany przez powierzchnię ciała stałego

Wykluczanie steryczne – (GPC / SEC ) – (Gel Permeation / Size Exclusion -Chromatography) – wewnątrz porów o zróżnicowanych średnicach zbliżonych do wymiarów rozdzielanych cząsteczek / cząstek.

OPERACJE SORPCJI DESORPCJI i CHROMATOGRAFII w UKŁADACH CIECZ – CAŁO STAŁE . CICZ - CIECZ

– MECHANIZMY FIZYKO-CHEMICZNE -

- Polarna / hydrofobowa adsorpcja - desorpcja – płyn / powierzchnia sorpcyjna porów

- Podział między ciągłą fazę płynną / warstewkę cieczy na powierzchni lub wewnątrz porów

- Wymiana jonowa- Zróżnicowanie drogi dyfuzji - Wykluczanie jonowe, wymiana ligandów, powinowactwo, …------------------------------------- Chromatografia elucyjna, w warunkach:-- GPC/SEC, NP, RP, HILIC, I-Exch, I-Excl, L-Exch, …

UKŁADY / WARUNKI SORPCJI DESORPCJI - cd

Skala stosowania

- od mikro … , „analityczną”, „modelową”, preparatywną, wielkolaboratoryjną, do – procesowej (przemysłowej)

Warunki stosowania

- Okresowe - elucyjne – [np. GC, LC, HPLC, UPLC, SFC, SFE, …+ ,

- Półciągłe - pseudo – ciągłe – np. sorpcja – desorpcja w dwóch / większej liczbie na przemian pracujących kolumn wypełnionych - [np. procesy PSA oczyszczanie gazu wodorowego / odwadniania etanolu z wykorzystaniem zeolitów, jonowymienne oczyszczanie wody, …] ,

- Ciągłe – [np. SMB Simulated Moving Bed, z rotacją złoża o kształcie ściany walca, … ]

Oddziaływania

- na powierzchni sorpcyjnej [adsorpcyjnej, jonowymiennej, … ] – prawa adsorpcji, wymiany jonowej / w przestrzeni nieruchomej ciekłej fazy stacjonarnej w warunkach podziału *prawo Nernsta]

- w przestrzeni gazowej / płynnej fazy ciekłej

Oddziaływania - GC / SFC / LC

Fazastacjonarna

Substancjerozdzielane

Substancje rozdzielane

Składniki

eluentu

Faza stacjonarna

GC

LC

(HPLC, TLC)

SFC

Pojęcia podstawowe• Układ chromatograficzny: faza stacjonarna (w LC z reguły stała powierzchnia

sorpcyjna, rzadko ciekła – inaczej niż w GC) - składniki rozdzielanej mieszaniny -faza ruchoma (konkurencja oddziaływao na powierzchni sorpcyjnej między molekułami substancji rozdzielanych i molekułami eluentu) + oddziaływania w przestrzeni eluentu - między cząsteczkami (jonami, solwatami) eluentu, a cząsteczkami (jonami, solwatami) będącymi składnikami rozdzielanej mieszaniny.

• Retencja (k) - spowolnienie elucji względem prędkości przepływu eluentu -„u” (prędkośd ruchu eluentu, obliczana inaczej niż w Inżynierii – prędkośd poruszania się pasma barwnego, niesorbowanego i wnikającego do wszystkich porów składnika mieszaniny - widoczny przez szklaną ścianę kolumny);

• Selektywnośd (α) - zróżnicowanie retencji;• Sprawnośd wypełnienia (H) - miara dyspersji stref w warstwie wypełnienia;• Prędkośd przepływu eluentu „u” *mm/s] (, natężenie przepływu eluentu „w”

[mL/min]• Opór przepływu w kolumnie ΔP [MPa] = K (u*Lc*η / dp2)• Kolumna o długości (Lc), średnicy (dc), z wypełnieniem ziarnistym (dp, d, A)

/ monolityczna (dm, d, A)• Wypełnienie kolumny / Sorbent - pory wewnątrz-ziarnowe i między-

ziarnowe;• Porowatośd wewnątrz-ziarnowa, między-ziarnowa, całkowita (εwz , εmz ,

εT), powierzchnia sorpcyjna (nawet do 750 m2/g)

Mechanizmy retencji i selektywności –rozdzielania w układach ciecz – ciało

stałe (ciecz – ciecz)

• GPC/SEC - wykluczania („żelowa”, sita molekularnego) -zróżnicowanie czasu / drogi dyfuzji

• RP – hydrofobowośd (głównie) – oddziaływania van der Waalsa

• NP – polarnośd, polaryzacja, dyspersja, wiązania wodorowe (oraz niskoenergetyczne oddziaływania van der Waalsa – w przypadku bardzo nisko polarnych eluentów i substancji rozdzielanych);

• HILIC – oddziaływania hydrofilowe;

• IExC – wymiana jonów („ion exchange” – „cation …”, „anion …”);

• Inne: HIC, IPC, LEC, AC, EC,...

SPE (Solide Phase Extraction)

z elucją stopniową, albo wzbogacaniem i elucją

SPE

Technika czołowa

• Eluent ze składnikami rozdzielanymi wprowadza się do kolumny w roztworze ;

• Najsłabiej sorbowane składniki wypływają z kolumny jako pierwsze;

• Są jedynym składnikiem / składnikami otrzymywanym / otrzymywanymi w czystej postaci (po rozdzieleniu z

eluentem)

Schemat przebiegu oczyszczania płynu na sposób czołowy

Chromatogram „analizy czołowej”

Ta sama zasada ma miejsce w procesie demineralizacji wody z zastosowaniem wymieniaczy jonowych kationitu / anionitu oraz do regeneracji wymieniaczy.

Technika elucyjnanajczęściej – prawie wyłącznie – wykorzystywana w praktyce

• W technice tej, składniki mieszaniny rozdzielanej są wprowadzane do kolumny / na płytkę TLC w postaci wąskiego lub pasma „punktowo” (najkorzystniej w roztworze eluentu) i poruszają się wzdłuż kolumny, z szybkością określoną przez ich retencją (energię swobodną powinowactwa do powierzchni sorpcyjnej ΔG) oraz przez prędkośd przepływu eluentu (u);

• Jeżeli różnice energii sorpcji składników rozdzielanych są znaczne, albo kolumna jest dostatecznie długa, możliwe jest całkowite rozdzielenie wszystkich składników mieszaniny wprowadzonej do kolumny / na płytkę TLC; Często, zwłaszcza dla rozdzielania mieszanin o złożonym składzie należy stosowad tzw. elucję gradientową, tzn. programowane zmiany „siły elucyjnej” eluentu w f. czasu rozdzielania:

• Eluent, podawany w sposób ciągły do kolumny, wypływa z w mieszaninie z poszczególnymi składnikami rozdzielonymi i dla ich wydzielenia musi zostad od nich oddzielony (np. na drodze odparowania, liofilizacji, często po uprzednim wzbogaceniu frakcji eluatu w rozdzielane składniki

Technika elucyjna, substancja B sjest silniej sorbowana niż substancja A

Chromatogram analizy elucyjnej

„Klasyczna” elucyjna technika kolumnowa (LC)

1) przygotowanie kolumny i wypełnienia, wypełnienie, kondycjonowanie, 2) dozowanie, elucja, detekcja, kolekcja frakcji, 3) re-kondycjonowanie, 2’) dozowanie, … ,albo rozładowanie, 1’ ) …

Widok pasm rozdzielania kilku składników ekstraktu acetonowego trawy - przez szklaną ścianę kolumny HPLC typu CN (faza stacjonarna alkilonitryl związany na powierzchni porów wewnątrz ziaren żelu krzemionkowego, eluent – heksan – MTBE - THF; kolejność pasm - od dołu: caroteny, produkt rozkładu chlorofilu, chlorofil A, carotenoidy-I, chlorofil B, carotenoidy-II

kierunek

przepływu

eluentu

Warunki rozdzielania

– Kolumna 150x3mm, Separon CN 5 um ,eluent: heksan:MTBE:THF=55:8:6,4 (v/v/v), próbka 30 uL ekstraktu acetonowego z trawy, temperatura pokojowa

Natężenie przepływu eluentu w=0.8 mL/min

Najczęściej HPLC

Tu – NP HPLC – warunki bezwodne !

produkt utleniania chlorofili

chlorofil A

chlorofil B

carotenoidy I

carotenoidy II

Thin Layer Chromatography (TLC) Chromatografia cienkowarstwowa (planarna), odkryta jako bibułowa 1889 (PC -

Paper Chromatography)

Tu: wynik rozdzielania mieszaniny kilku nisko i średnio polarnych barwników na żelu krzemionkowym na płytce szklanej; Widad także, że „na starcie” pozostaje składnik / mieszanina polarnych składników ; Dla tych składników mieszaniny - eluent o zbyt niskiej sile elucyjnej

ZIARNISTA / MONOLITYCZNA WARSTWA POROWATA PAKOWANEJ MONOLITYCZNEJ KOLUMNY ADSORPCYJNEJ /

CHROMATOGRAFICZNEJ

Pojęcia / definicja : średnica ziaren (dp – [μm+), średnica porów (d – *nm, A+), rozkład średnic / wielkości porów f(d), średnica kolumny (dc – *mm+), długośd warstwy wypełnienia kolumny (Lc – *mm, m+), liniowa prędkośd przepływu płynu (u –[mm/sek], [m/sek+), lepkośd dynamiczna eluentu (η – [Pa sek+), natężenie przepływu cieczy (eluentu) (w), (V) – [mL/min, m3/sek], liczba Reynoldsa (Re – *1+)porowatośd międzyziarnowa – (εm/z), porowatośd wewnątrz-ziarnowa (εw/z), porowatośd całkowita (εt), opór przepływu (∆P), przepuszczalnośd kolumn (K - [m-2]), zredukowana przepuszczalnośd wypełnienia (Φ – *1+), …

Zjawiska : wykluczanie molekularne (permeacja), adsorpcja polarna, hydrofobowa, hydrofilowa, wymiana jonowa –anionów (AX)/ kationów (CX), wymiana ligandów (LE) …

DYSPERSJA MASY

Wiele zjawisk przyczynia się do dyspersji stref rozdzielanych substancji Wzrost dyspersji = spadek sprawności kolumny – wzrasta H i spada NIm niższa wartość wysokości równoważnej półce teoretycznej (HETP, H),tym wyższa wartość liczby półek teoretycznych – tym wyższa sprawnośćrozdzielania - także - kolumny

C

BAH min

BCAH min

C

Buopt

Zależności najprostsze, aktualne dla CGC – w przypadku HPLC –aktualne co do zasady

Dyspersja strefzjawisko niekorzystne, jednak, nieuniknione

• Zjawiska powodujące dyspersję- Dyfuzja „wirowa” (A);- Dyfuzja molekularna (B);- Opory przenoszenia masy (C)1. w fazie ruchomej (Cm),2. w fazie stacjonarnej (Cs)

Równanie Van Deemter’a,

H = B/u + A + Cu C = (Cm + Cs) u

bardziej adekwatne dla LC – równania: Knox’a :

h = B/v + A v 0.33 + Cv B=0.5; A=2 (1); C=0.1 (0.05) h=H/dp v=udp/Dm

ν - tzw. zredukowana prędkośd przepływu eluentu (Pe) [1]DM – współczynnik dyfuzji molekularnej substancji rozdzielanej w eluencie [m2/sek] dp – średnica ziaren wypełnienia kolumny; wielkośd ziaren wypełnienia kolumny [m]

u - liniowa prędkośd fazy ruchomej

Modification of the van Deemter Equation: the Giddings Equation

Giddings realized that the eddy diffusion and resistance to mass transfer in the mobile phase must be treated dependently:

ems

i

HuCuCu

B

uCA

H

5

1

1

11

1

22/1 )(54,5 l

SLH C

2

2/1

)(54,5S

l

H

LN C

a

bAs 1,0

0t

Lu C

H= Lc (μ2 / (M1)2)

N= Lc/H = (μ2 / (M1)2)-1

tR – czas retencji

M

MR

t

ttk

MR

MR

tt

tt

k

k

1

2

1

2

2

54,5

h

R

w

tN

k –współczynnik retencji

-współczynnik rozdzielenia

N-liczba półek teoretycznych

2

2

2

1

1

4

1N

k

kRS

Rs -rozdzielczośd pików -zależnośd „teoretyczna”

tM – czas martwy kolumny –retencja substancji niesorbowanej, wnikającejdo porów wypełnienia kolumny

Informacje „niesione” z chromatogramem i podstawowe zależności

Rs=(tRn+1 – tRn) / ½(Sn+1 + Sn)

- zależnośd „obliczeniowa”

F. Steiner, THERMO FISHER SCIENTIFIC, Technical Informations

(Rs) R-rozdzielczośd pików zależnośd „teoretyczna”

2

2

2

1

1

4

1N

k

kRS

selektywność współczynnik retencji sprawność

Wpływa : rodzaj fazy

stacjonarnej, skład

fazy ruchomej,

temperatura, pH,

dodatek do eluentu

substancji

solwatujących /

tworzących pary

jonowe

moc / siła elucyjna

zastosowanego

eluentu, w RP także:

pH - dodatki „cofające”

dysocjację

elektrolityczną, dodatki

solwatujące, zwłaszcza,

jeśli zmieniają

hydrofobowość

średnica ziaren

wypełnienia, prędkość

przepływu eluentu i w

mniejszym stopniu, ale

nie bez znaczenia -

lepkość fazy ruchomej

oraz współczynnik

dyfuzji, a więc, także

temperatura

k opt = 0.5 – 5.0 (7.0)

Vo = Vc ּ εt

u = w / (Fc ּ εt )

Φ = (dp)2 / Kobliczana na podstawie wartości przepuszczalności

„K”

K = u Lc η / ΔP

Opór przepływu w kolumnie wypełnionejwypełnieniem ziarnistym

CHROMATOGRAFIA

WYKLUCZANIA(dawniej – żelowa – GPC/SEC)

Rozdzielanie mieszanin pod względem zróżnicowania

wielkości (wymiarów) cząsteczek / cząstek

Wykluczanie steryczne - permeacja porów wypełnienia ziarnistego, albo

„monolitycznego” kolumny, o różnych wartościach średnich średnic porów

oraz o określonym stopniu zróżnicowania rozkładu średnic porów w

wypełnieniu kolumny, korzystnie - z eliminacją wszystkich oddziaływań

sorpcyjnych na powierzchni porów wypełnienia.

Rozdzielanie ma miejsce dzięki zróżnicowaniu wymiarów porów wypełnienia –

dzięki zróżnicowaniu drogi dyfuzji cząsteczek (m,olekuł) / cząsteczek o różnej

wielkości (zróżnicowaniu wartości ich tzw. średnic hydrodynamiczmnych

Dzięki regulacji rozmiarów porów, które działają niczym sito, ale „odwrotne”, możliwe staje się rozdzielenie mieszanin różniących się wielkością cząsteczek / cząstek

Chromatografia wykluczania (żelowa) GPC/SEC – mechanizm rozdzielania

Wykluczanie

Częściowe wykluczanie

Brak wykluczania

Technika rozdzielania pod

względem wielkości

cząsteczek / cząstek w

warunkach eliminacji, albo

co najmniej - minimalizacji

sorpcji. O rozdzielaniu

powinna decydować tylko

różnica czasu dyfuzji

molekuł / cząstek

koloidalnych w przestrzeni

porów wypełnienia

kolumny. Idea niemożliwa

do realizacji z

zastosowaniem TLC –

wymaga długiej kolumny.

Technika wykorzystywana dla substancji lipofilowych, (THF, CH2Cl2, …) albo

hydrofilowych (bufory z dodatkiem EDTA, …). Nie wolno skokowo zmienić polarności !!!

Gel Permeation: 1958

min5 10 15 20 25

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

Kalibracja w zakresie

rozkładu masy molekular-

nej i postępowanie w celu

określenia

polidyspersyjności

kopolimeru o bimodalnej

charakterystyce

polidyspersyjności

Kolumny o różnych zakresach / porowatości średnic / wielkości porów

Układy chromatograficzne typu GPC / SEC

W warunkach nie-wodnych liofilowych / lipofilowych

Eluenty: THF, dioksan, czterochloroetylen, chlorobenzen, toluen, ksylen,

…;

Fazy stacjonarne: kopolimer styren-diwinylobenzen; do badań rozkładu

masy cząsteczkowej polimerów nisko i średnio polarnych, a także

lipidów, fosfolipidów itp..

W warunkach wodnych

Eluenty: dimetyloformamid, metanol, acetonitryl i ich mieszaniny z

wodą i z wodnymi roztworami soli, kwasów i zasad, roztwory

buforowe bez dodatku składników organicznych:

Fazy stacjonarne: polidekstrany, policukry, poliwęglany, szkła

porowate, silanizowany żel krzemionkowy, diole związane z pow.

„nośninka”, ….

Zakres zastosowań chromatografii wykluczania GPC/SEC

- Badanie rozkładu masy molekularnej różnego typu materiałów –

polimerów / biopolimerów

-Otrzymywanie frakcji polimerów o mało zróżnicowanej wielkości masy

molekularnej (nisko dyspersyjnych) ,

-Wstępne frakcjonowanie złożonych mieszanin pod względem wielkości

cząsteczek / cząstek - najczęściej rozdzielanie wstępne materiałów w

badaniach biochemicznych, mikrobiologicznych oraz w biotechnologii, biologii

molekularnej, medycynie …

- Oznaczanie składników różniących się znacznie masą molekularną

(wielkością cząsteczek / cząstek), np. oznaczanie zawartości pektyn,

antyutleniacza w olejach i smarach, wiskozatora, składu grupowego środków

myjących itp.,

- Przygotowanie próbki / wsadu do badań / rozdzielania w innych

warunkach (zwłaszcza wyodrębnianie frakcji nisko-molekularnej z materiału o

wyższej masie cząsteczkowej, np.. WWA, pestycydów, niektórych witamin, ... –

z tłuszczów, osadów itp.)

-Odsalanie białek

Zasady doboru fazy stacjonarnej dla GPC/SEC

Rozkład wielkości (szczególnie – średnic hydrodynamicznych) porów wewnątrz ziaren wypełnienia kolumny chromatograficznej / w strukturze mikroporowatego wypełnienia monolitycznego kolumny, powinien byd dostosowany do rozkładu wartości hydrodynamicznych średnic cząsteczek rozdzielanych, a więc do rozkładu masy cząsteczkowej badanej / rozdzielanej mieszaniny.

Powinien mied miejsce brak oddziaływao sorpcyjnych między składnikami rozdzielanej mieszaniny i powierzchnią porów wypełnienia kolumny.

Faza stacjonarna musi byd odporna na składniki eluentu i na składniki rozdzielanej mieszaniny - nie może się w nich rozpuszczad, ani złoże nie powinno pęcznied po wypełnieniu kolumny. Jeżeli ma miejsce pęcznienie ziaren wypełnienia, powinno zostad zakooczone przed wypełnieniem kolumny ziarnistym materiałem porowatym „fazą stacjonarną”.

Kolumna ochronna (tzw. „prekolumna”)

stosowana rzadko w celu nasycania eluentu fazą stacjonarną

Dozowanie

Schemat ideowy najprostszego układu aparatu chromatograficznego - HPLC do

chromatografii GPC/SEC – warunki z reguły izokratyczne, detekcja – RID / LLSD

Termostat

APARAT GPC/SEC

POLIDYSPERSYJNOŚC POLIMERU

PCV i plastyfikatory PCV - oznaczanie rozkładu masy molekularnej oraz zawartości plastyfikatorów

olejBHT

H2O

Fosfo-gliko-lipidy

Odsalanie

Chromatografia sorpcyjnaadsorpcyjna / podziałowa / „mieszana”

-- mechanizmy sorpcji i retencji, porównanie --

• Układy RP / N P

• Układy NP / NP-w / HILIC

Mechanizmy sorpcji i oddziaływania

między-cząsteczkowe

M. Kamioski

WCh-PG-Gdaosk

2013

RP // NP

Żel krzemionkowy jako adsorbent / „baza” do wytwarzania sorbentów z chemicznie związanymi adsorbentami typu – DIOL, CN, NH2, AMID, … /

C18, C8, C4, PHENYL, CN, … / SCX (SA), SAX (SB), ….

Korzystne - stosowanie wysokiej czystości sorbentów wolnych od metali ciężkich Purospher®, Chromolith®.

SiO H

Si O H

wicynalne

Si

O H

O Hgeminalne

SiO H

wolneNa

+

Si

O-

-Fe

2+SiO

-

SiO

SiMe

OSi

OOO O O

OH

OH OH

OH

Si SiO O SiOSi

O

OH

Grupy silanoloweZanieczyszczenia jonami metalu

SiO

Pomimo endcapping’u wolne grupy silanolowe są wciąż dostępne – nieporządaneoddziaływania (asymetria)

OH

SiO

Si

O

Si

OSiO

OH

OH

OH

OH

X Si

CH3

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C6H13

OH

SiO

Si

O

Si

O

SiO

O

OH

O

OH

SiCH3

CH3

Si

CH3

CH3

SiCH3 CH3

CH3

OH

SiO

Si

O

Si

O

SiO

O

O

O

O

Si

CH3

CH3

Si

CH3

CH3

Si

CH3

CH3

CH3

Endcapping

OH

OH

OH

Mechanizm wiązania różnych grup funkcyjnych z żelem krzemionkowym z zastosowaniem tworzenia wiązano siloksanowych z wykorzystaniem chloro – trialkilo – silanów w warunkach bezwodnych – na przykładzie C18

S i C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C 6H 13OS i

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C 6H 13

O

S iOS i

O

O

S iOS i

O

S iOS i

O

CH3

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C H 2

C 6H 13

OH

OH

Purospher® STAR RP-18 charakteryzuje się prawie całkowitym pokryciem powierzchni. Zapobiega to polarnym oddziaływaniom

o- m- p-

N+ OHO

NH2

N+ OHO

NH2

N+ O

HO

NH

H

OH

OOCH3

OH

OOCH3

etylowy propylowy

Si OH

O

O

Si

O

OH

Si

O

Si

O

OH

OH

O

O

O

O

Si

O

OH

OHO

SiH2

SiH3

Si

O

OH

Si

O

OH

OH

O

O

SiH2

SiH2

CH3 CH3

NP

faza stacjonarna: SiO2

faza ruchoma: Heksan- C6H14

Si OH

O

O

Si

O

OH

Si

O

Si

O

OH

OH

O

O

O

O

Si

O

OH

OHO

SiH2

SiH3

Si

O

OH

Si

O

OH

OH

O

O

SiH2

SiH2

CH3 CH3

NP

faza stacjonarna: SiO2

faza ruchoma: C6H14: C4H8O2

heksan: dioksan 8:2 v/v

CH3

OH

OH2OH2

CH3

OH

faza stacjonarna: SiO2/C4

faza ruchoma: MeOH/ H2O, 1:1

Si

O

O

Si

O

Si

O

Si

O

O

O

O

O

Si

O

OH

O

SiH2

SiH3

Si

O

Si

O

OH

O

O

SiH2

SiH2

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

RP

NPRP

polarnośd

polarnośd

hydrofobowośd

hydrofobowośd

Porównanie różnych warunków rozdzielania

bez przeładowania i z przeładowaniem

NP

NP

RP

NP

RP

9,0

1,6

6,0

3,01,5

1,4

2,4

1,8

1,2

0,2

0,0

0,4

0,8

0,6

0,3

0,0

0,6

1,0

A

B

C

D

E

F

Pojemnośd adsorpcyjna (A)

Pojemnośd silanolowa (D)

Pojemnośd wymiany jonowej (E,F)

A: k‘ (Pentylobenzen) 9.59B: (Pentyl-/ Butylobenzen) 1.51C: (Trifenylene/ o-Terfenyl) 1.63D: (Caffeine/ Phenol) 1.44E: (Benzyloamina/Fenol; pH7.6) 1.23F: (Benzyloamina/Fenol; pH2.7) 1.12

Test Tanaka

Hydrofobowośd(B)

Selektywnośd (C)

W celu charakterystyki różnego typu adsorbentów trzeba uwzględniad różnego rodzaju oddziaływania powierzchniowe

Niekiedy ten sam sorbent może służyć

w warunkach RP i NP., lub RP i HILIC

Abstract Hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) provides an alternative

approach to effectively separate small polar compounds on polar stationary phases.

The purpose of this work was to review the options for the characterization of HILIC stationary phases and their applications for separations of polar compounds in complex matrices. The characteristics of the hydrophilic stationary phase may affect and in some cases limit the choices of mobile

phase composition, ion strength or buffer pH value available, sincemechanisms other than hydrophilic partitioning could potentially occur. Enhancing our understanding of retention behavior in HILIC increases the scope of possible applications of liquid chromatography. One interesting option may also be to use HILIC in orthogonal and/or two-dimensional separations.

Bioapplications of HILIC systems are also presented.

Keywords Hydrophilic interaction liquid chromatography .Stationary phase . Separation mechanism . Bioapplication

Hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC)—apowerfulseparation techniqueBogusław Buszewski & Sylwia Noga

HILICHydrophilic Interaction Chromatography

(Hydrophilic Interaction Liphophilic Interaction Chromatography)

UKŁAD ROZDZIELCZY : Polarna, lub względnie polarna

faza stacjonarna (typu „NP” : NH2, DIOL, CN, Si-H,

Amid, wymieniacze jonowe // eluent zawierający

wodę, wodny roztwór buforowy w znacznym udziale

oraz rozpuszczalne w wodzie składniki organiczne,

zwłaszcza AcCN. Ze wzrostem polarności eluentu

rośnie jego siła elucyjna // substancje rozdzielane

polarne, ale niejonowe, np. cukry, a także dysocjujące

elektrolitycznie, ale jako słabe kwasy lub zasady org.

-- wzrost zawartości wody / buforu / soli nieorganicznej w eluencie powoduje wzrost jego siły elucyjnej - odwrotnie niż w RP !!!

Faza stacjonarna - polarna

Faza ruchoma – polarna, z zawartością rozpuszczalnika organicznego i substancji zdolnej do dysocjacji elektrolitycznej

np. H2O – CH3CN + CH3COOH, lub TEA, lub NH4COO,

Niekiedy bez dodatku do eluentu innych substancji dysocjujących elektrolitycznie niż woda

np. w przypadku rozdzielania cukrów, glikoli, amin – z zastosowaniem NH2, lub CN, lub SiO2 itp. sorbentów

Jak to działa?

ZIC HILIC

Chromatografia jonowa (IC)

Eluenty o małej sile jonowej: 0,1 – 1 mM

Żywice rozdzielające o małej pojemności jonowej

Konieczne „tłumienie” tła: supresja jonów eluentu, lub elektroniczna korekta tła – dla bardzo małej siły jonowej eluentu !

Uniwersalna detekcja konduktometryczna po „supresji” jonów eluentu

Próg detekcji (LOD) ogranicza poziom przewodnictwa oznaczanych jonów

Detektory przydatne w szczególnych przypadkach: UV-VIS (np. azotany -5 i -3, siarczki), RID (wyższe stężenia), ELD (reduktory)

Żywice kationo-wymienne

– w postaci pierwotnej, grupy kwasowe odszczepiające proton - H+ „wymienialny” na inne kationy

Grupy funkcyjne związane na powierzchni sorpcyjnej:

-Sulfonowe: -SO3H – mocny

-Karboksylowe: -COOH – średnio mocny, albo słaby

-Amino-di-octanowe: -N(CH2COOH)2 – słaby

-Fenolowe: -C6H4OH – bardzo słaby

-Fosfonowe: -PO3H2 – mocny

-Fosfinowe: -PO2H – słaby

Żywice aniono-wymienne – grupy funkcyjne o charakterze zasadowym związane na powierzchni sorpcyjnej:

-czwartorzędowe grupy amoniowe: -NR3+, -

N+(CH3)2C2H4OH – mocny

-Aminy, amidy, protonowane aminy II i III rzędowe: -NH2, =NH, -NR2H+, -NRH2

+ NH 3+ - średni, słaby, b.

słaby

-dialkilosulfoniowe: -SR2+ - słaby do b. słaby

Przykłady rozdzielao IC – elucja izokratyczna

Chromatografia jonowa w warunkach elucji gradientowej - detektor konduktometryczny z tzw. auto-supresorem mikro-membranowym

2D-HPLC / UPLC

Rozdzielanie grupowe- ważny obszar zastosowao chromatografii cieczowej- realizowane zazwyczaj dotychczas techniką kolumnową z „klasyczną” preparatywną kolumną szklaną, z elucją stopniową i oznaczaniem grawimetrycznym,- coraz częściej warunkach wysokosprawnej chromatografii kolumnowej w skali semi-preparatywnej (P-HPLC) z przepływem zwrotnym eluentu w kolumnie, albo z systemem kliku kolumn z elucją izokratyczną i z przepływem zwrotnym eluentu w kolumnie - niekiedy, z wykorzystaniem do rozdzielania wielokolumnowego układu kolumn i różnych sorbentów w każdej z kolumn, w tym, wypełnieo do chromatografii jonowymiennej, ze związanym - dodatkowo – jonem metalu, np,. Ag+ (możliwośd

rozdzielania izomerów cis/trans); -- w normalnych układach faz (NP), oraz detekcją RID, lub LLSD, lub z elucją gradientową i detektorem LLSD, albo oznaczeniem grawimetrycznym- do rozdzielania grupowego stosowana też bywa technika planarna (TLC), albo technika TLC-FID.

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

Low volatile petroleum fractions and products - vacuum distillates and their reffining products, vacuum resudue and vacuum residue extracts

- new grouop - type separation and group – type determination procedures

Rozdzielanie grupowe benzyn z przepływem zwrotnym eluentu

UV 260 nm

RID

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

RID

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

UV-VIS / DADStyren

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

Chromatogramy oleju napędowego: A – zastosowano kolumnę Spherisorb S5 NH2 spełniającą

wymagania normy, ale o niekorzystnej selektywności, i w konsekwencji nie przydatną do

wykonywania oznaczeń składu grupowego, B – zastosowano kolumnę spełniającą wymagania

normy i o poprawnej selektywności grupowej (Spherisorb S3 NH2 – szarża produkcyjna sprzed

kilku lat). Warunki rozdzielania i detekcji zgodne z normą IP-391-EN-12916; BF – czas

przełączania zaworu elucji wstecznej wyznaczony zgodnie z formułą podaną w normie.

EN 12916 – the column is „to

selective” for Grupe-Type Sep.

EN 12916 – the column has optimal

selectivity for G-T S ep.

ON

RID

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

ON

150

ON

500

ON UV-VIS DD

pirenes

chrysenes

olephines

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

Przykład chromatogramu rozdzielania grupowego i identyfikacji grup składników oleju bazopwego z zastosowaniem detektora UV-VIS/DAD

Setki, a nawet

tysiące substancji

w każdej grupie

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

Chromatograms of group-type separation of base oil SAE 10 – use of multicolumn arrangement no 1: CN+NH2+Cu(NH3)2 columns, reverse eluent

flow, UV – 265 nm and RI detector

TR-TCh - prof M. Kamoski - 2013

POWTÓRZENIENAJWAŻNIEJSZE UKŁADY ROZDZIELCZE

• GPC / SEC

• RP / HIC

• NP , NP-w, HILIC

• IExC – C_exch, A_exch

ROZDZIELANIE - oznaczanie składu / przygotowanie wsadu, próbki / oczyszczanie / otrzymywanie czystych składników mieszanin

- Skala analityczna / modelowa – semi-preparatywna / preparatywna / procesowa

Mechanizmy rozdzielania

• Warunki wykluczania (chromatografii żelowej) – zróżnicowanie dróg i czasu dyfuzji składników próbki

• Warunki RP – hydrofobowośd

• Warunki NP – polarnośd, polaryzacja, dyspersja, wiązania wodorowe;

• Warunki IExC – wymiana jonów

• Inne: HIC,HILIC,NP-w,LEC,AC,EC,...

Oddziaływania - GC / SFC / LC

Fazastacjonarna

Substancje

rozdzielane

Substancje rozdzielane

Składniki

eluentu

Faza stacjonarna

GC

LC

(HPLC, TLC)

SFC

tR – czas retencji

M

MR

t

ttk

MR

MR

tt

tt

k

k

1

2

1

2

2

54,5

h

R

w

tN

k –współczynnik retencji

-współczynnik rozdzielenia

N-liczba półek teoretycznych

2

2

2

1

1

4

1N

k

kRS

Rs -rozdzielczośd pików -zależnośd „teoretyczna”

tM – czas martwy kolumny –retencja substancji niesorbowanej, wnikającejdo porów wypełnienia kolumny

Informacje „niesione” z chromatogramem i podstawowe zależności

Rs=(tRn+1 – tRn) / ½(Sn+1 + Sn)

- zależnośd „obliczeniowa”

FAZA RUCHOMA

a

b

cd

d

aRf 1

d

bRf 2

d

cRf 3

k= ( 1/Rf ) - 1

Chromatografia adsorpcyjna Chromatografia podziałowa

Chromatografia jonowymienna Chromatografia wykluczania