Лекция Хроматография. Введение · 17.10.2015 1 Лекция 7 Хроматография. Введение г. Долгопрудный, 10 октября
Post on 25-Aug-2020
10 Views
Preview:
Transcript
17.10.2015
1
Лекция 7
Хроматография. Введениег. Долгопрудный, 10 октября 2015г.
Московский физико-технический институт
Кафедра молекулярной физики
Физические методы исследования
1
План1. История возникновения и развития хроматографии
2. Принцип хроматографического анализа
3. Физические явления, происходящие в хроматографической
колонке. Сорбция и десорбция
4. Основные уравнения теории удерживания на примере газовой
хроматографии
5. Эффективность разделения и разрешение хроматографического
анализа
6. Техника эксперимента в газовой хроматографии
7. Детекторы в газовой хроматографии
8. Принципы жидкостной хроматографии
9. Градиентная жидкостная хроматография. Аффинная жидкостная
хроматография
10.Двумерная хроматография
11.Применения жидкостной и газовой хроматографии
17.10.2015
2
Литература
• Франкевич Е.Л. Физические методы исследования.
Учебное пособие /М.: МФТИ ч.1 (1986), ч.2 (1978), ч.3
(1980).
• Д.В. Сивухин. Общий курс физики, т.2
• Высокоэффективная жидкостная хроматография в
биохимии. Под. Ред. А. Хеншен, К.-П. Хупе, Ф. Лотшпайх,
В. Вёльтер, М.: Мир, 1988
• Максимычев А.В. Адсорбционная газовая хроматография.
Учебно-методическое пособие. М.: МФТИ, 2009г.
• В.А. Винарский. Хроматография. Курс лекций. Минск,
2003г.
Михаил Семенович ЦветMihail Tsvet
( 14.05.1872 - 26.06.1919)
Родился М. С. Цвет 14 мая 1872 года в небольшом итальянском
городе Асти.
Мать – итальянка Мария Де Дороцца – приемная дочь в семье
известных русских писателей Жемчужниковых (участников группы
русских писателей, публиковавшихся под псевдонимом Козьма Прутков).
Отец – Семен Николаевич Цвет, уроженец г. Чернигова – видный
государственный служащий.
Окончил Женевский университет (физико-математический
факультет, диссертация «Исследование физиологии клетки. Материалы к
познанию движения протоплазмы, плазматических мембран и
хлоропластов»), в нем начал свои научные исследования и в 24-летнем
возрасте, в 1896 году, получил степень доктора ботаники.
С 1900 года М. С. Цвет в России:
в Петербурге в Ботанической лаборатории Академии Наук
в Казанском университете (1901 – магистерская диссертация)
в Варшавском университете
1903 г. доклад «О новой категории адсорбционных явлений и о
применении их к биохимическому анализу»
в Варшавском политехническом институте.
в Московском университете
в Нижнем Новгороде
в Тартусском университете.
Умер М. С. Цвет в Воронеже 26 июня 1919 года
17.10.2015
3
С.Э. Шноль про эксперимент М.С. Цвета: «Он взял
стеклянную трубку, наполнил ее порошком мела и
на верхний слой налил немного спиртового
экстракта листьев
Экстракт был буро-зеленого цвета, и такого же
цвета стал верхний слой меловой колонки. А затем
М.С. начал по каплям лить сверху в трубку с мелом
чистый спирт. Капля за каплей очередная порция растворителя элюировала пигменты с
крупинок мела, которые перемещались вниз по трубке. Там свежие крупинки мела
адсорбировали пигменты и в свою очередь отдавали их новым порциям растворителя. В
силу несколько разной прочности адсорбции (легкости элюции) увлекаемые подвижным
растворителем разные пигменты двигались по меловой колонке с разной скоростью и
образовывали однородные окрашенные полосы чистых веществ в столбике мела. Это
было прекрасно. Ярко-зеленая полоса, полоса чуть желтее зеленого — это два вида
хлорофиллов — и яркая желто-оранжевая полоса каротиноидов. М.С. назвал эту картину
хроматограммой».
Хроматография – физический метод анализа и
исследования веществ и смесей, основанный на
разделении компонентов за счет распределения
их при перемещении через слой неподвижной
фазы потоком подвижной фазы
Основа хроматографии – дифференциальная
миграция, т.е. разделение за счет различных
скоростей перемещения различных молекул
17.10.2015
4
Хроматограмма
Хроматографическая
колонка
Детектор
Поток носителя
Устройство хроматографаВвод пробы
инжектор
Хроматографическаяколонка
ДетекторЭлемент, реагирующий на изменение состава
носителя
Система регистрацииПреобразует
сигнал детектора в электрическое
напряжение или в визуальную
форму
Подача носителяЖидкость: резервуар, насосГаз: баллон, дозатор потока
17.10.2015
5
Виды хроматографииАдсорбционная (молекулярная) хроматография
На различии сорбируемости на сорбенте различных компонент разделяемой смеси
Хемосорбционная хроматография За счет образования водородной связи, проявления химического сродства и др.
Распределительная хроматография На разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе
Ионообменная хроматографияНа различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой и компонентами разделяемой смеси
Лигандообменная хроматография
За счет образования координационных связей разделяемых органических молекул с катионами металлов в привитых на поверхности адсорбента группах (лигандах)
Ситовая (эксклюзионная)хроматография
По размеру молекул
Аффинная хроматография За счет образования прочного комплекса только одним из разделяемых компонентов с привитой специфической группой неподвижной фазы
Процесс адсорбции. Определения
а сорбцияд
а сорбцияб
Сорбция - поглощение вещества через границу раздела двух фаз
а сорбцияд - прилипание“ ”
а сорбцияб - растворение“ ”
17.10.2015
6
Физическая и химическая адсорбция
3 A 1 Ar r
T<q<Uch
q - теплота адсорбции 1-й молекулы
kU U
0.3 eV
2 eV
0. эВ адсорбция1-1 - физическая >2 - эВ адсорбцияхимическая
Время пребывания молекулы на поверхности
S
aдес
RT
EAk exp
s
a
RT
Eexp0
M·Sur M + Sur
c
TT
cA
молькДжE
комн
a
8
112
10~
10~
/25
17.10.2015
7
Критерии адсорбции
• 1. Молекула успела термализоваться на поверхности. Термализация: около 1000 колебаний
• 2. Термализованная молекула должна быть исключена из газового ансамбля молекул
ta>
t >ta vib
Изотерма адсорбции Ленгмюра: условия
• 1. Мономолекулярный адсорбированный слой
• 2. Равновесие между фазами
• 3. Степень заполнения поверхности
Q<<1
a
n
17.10.2015
8
Изотерма адсорбции Ленгмюра
0N
N хзаполненныQ )(?
pfQ
SurASurA
d
a
k
kK
d
a
dдeс
Aaадс
k
kK
Nkf
NPkf
Q
Q
0
0 )1(
bc
bcnn
KP
KP
NkNPk
ff
A
A
dAa
дeсадс
Q
1
1
)1( 00
SurASurA
d
a
k
kK
0N
N хзаполненныQ)(
?
pfQ
17.10.2015
9
Изотерма адсорбции Ленгмюра
0 10 20 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0Q
, a
rb.u
n.
bP, arb.un.
a
a
KP
KP
Q
1
Реальный вид изотермы адсорбции
Q
PA
Изотерма Ленгмюра
Изотерма Генри
Изотерма
полислойной
адсорбции
17.10.2015
10
Устройство газового
хроматографа
v0
LВремя движения молекулы газа по колонке:
адсttt 01
0
0v
Lt
0t
tадс
)1(01 tt
µ зависит от свойств молекул газа (аналита) и сорбента
Таким образом, время прибытия молекул разных газов к концу колонки будет разным
17.10.2015
11
Хроматографические параметры
• Stationary – неподвижный
• Mobile – подвижный
• To retain – удерживать
• Закон распределения Нернста:
• Вещество распределяется между двумя несмешивающимися фазами таким образом, что отношение его концентраций в обеих фазах есть величина постоянная при постоянной температуре
• Коэффициент распределения (константа межфазного равновесия):
K=CS/CM
Хроматографические параметры
U
0t
LVM
)( 0tt
Lv
R
MV
17.10.2015
12
Переход от времени к плотности
• Эргодическая гипотеза:
• Каждая молекула с течением времени повторяет все состояния, которые в данный момент времени имеют все молекулы ансамбля
M
s
MM
ss
M
sR
V
VK
Vc
Vc
m
m
t
t
0
M
s
MM
ss
M
sR
V
VK
Vc
Vc
m
m
t
t
0
Концепция теоретических тарелок
17.10.2015
13
Определение
• Теоретическая тарелка – условный участокхроматографической колонки, в пределах которогоустанавливается равновесие частиц между подвижной инеподвижной фазами.
1952 г. – Мартин, Сидж. Теория теоретических тарелок.Нобелевская премия по химии
Изменение обозначений:
• Было (адсорбция):
• P – давление, r – радиус, n - плотность
• Стало (теория теоретических тарелок):
• P – вероятность, r – номер тарелки,
• n – номер (число) порций газа-носителя
17.10.2015
14
t
t
time
R
M
signal
Концепция теоретических тарелок
1 r2 3 ........
• - В момент времени t=0 в первую тарелку (r=1) вводится единичная проба газа-носителя и исследуемого вещества
• - Далее (при n>1) вводится только газ-носитель
• - В следующую тарелку (r+1) переходят только молекулы, которые были в газовой фазе в предыдущей тарелке (r)
• - Молекулы, бывшие на поверхности в тарелке r, при переходе к тарелке (r+1) – при впрыске еще одной порции газа-носителя (n+1) –рассматриваются как десорбированные
17.10.2015
15
Физическая трактовка биномиального распределения
p
p
p2
p p(1- )
Вр
ем
я (
чи
сл
о о
бъ
ем
ов
га
за-н
оси
тел
я)
Расстояние (номер теоретической тарелки)
(1- )p
(1- )p
(1- )p2 (1- )p p
p p(1- )
p p(1- )2
p p(1- )3
p2
p3
p43p p
3(1- )
2p (1-p)2
3p (1-p)2 2
(1- )p2
(1- )p3
(1- )p4
(1- )p p
(1- )p p2
(1- )p p3
3(1- )p p2 2
2(1- )p p2
3(1- )p p3
P( , ) = p (1-p)-
rr r
nn
2n
( - )!1n
n r>> >> 1
n! = ( ) n/e n
( - )! ( - )!1r rn
P( , ) = exp(- )r n1
2r 2r
2(p - )n r
Переход к временной зависимости
• tМ – “мертвое” время (выход газа-носителя)
1 r2 3 ........
t = t rM 1r
t M
n = tt1
t
t
time
R
M
signal
17.10.2015
16
l
x0
x
2
2
0max
2
0max
2exp
2exp
VVcc
Hl
xxcc
σ – ½ ширины при H – ВЭТТ
eC
Cmax
2
2
ln
lH
H
ln
lkkV
tt
t
lV
kkttt
kV
V
t
tk
ttt
RR
M
M
MRR
M
X
M
R
RMR
)(1
)(
1
1
1212
1212
Определение положения хроматографических пиков
- Коэффициент извлечения компонента
top related