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,...
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)
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
„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”
(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
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 !!!
Kalibracja w zakresie
rozkładu masy molekular-
nej i postępowanie w celu
określenia
polidyspersyjności
kopolimeru o bimodalnej
charakterystyce
polidyspersyjności
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
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
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
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
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
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
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
Chromatografia jonowa w warunkach elucji gradientowej - detektor konduktometryczny z tzw. auto-supresorem mikro-membranowym
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
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
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”
Chromatografia adsorpcyjna Chromatografia podziałowa
Chromatografia jonowymienna Chromatografia wykluczania