Презентация на тему: Теория тарелок. Хроматографические идентификация. Количественный анализ

Раздел курса: ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Тема лекции: ТЕОРИЯ ТАРЕЛОК. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ План лекции: Прогнозирование возможности разделения веществ. Характеристики удерживания как идентификационные признаки. Другие способы опознания веществ. Понятие о хромато-масс-спектрометрии. Аналитические сигналы в хроматографии. Расчет результатов анализа по способу абсолютной калибровки. Способ внутреннего стандарта. Способ нормализации. Лекция 41-42

Позволяет ответить на следующие вопросы: какую форму должен иметь хроматографический пик, насколько он будет размыт при использовании данной колонки? как зависит скорость движения компонента в колонке (W) от коэффициента его распределения (Г) между ПФ и НЖФ? насколько должны различаться свойства компонентов, чтобы в данной колонке произошло их полное разделение? какой минимальной длины должна быть хроматографическая колонка, чтобы компоненты с заданными свойствами в ней разделились? Создана А.Мартином и Р.Синджем в конце 1940-х годов Основана на линейной равновесной модели хроматографического процесса. Теория тарелок (1)

Теория тарелок (2) ВЭТТ определяется природой сорбата, качеством сорбента, способом заполнения колонки и условиями хроматографирования (температура, скорость газа носителя и т.п.). Число тарелок (N) зависит от длины колонки. N = L / H ВЭТТ где L – длина колонки НВЭТТ Высота, эквивалентная теоретической тарелке. Соответствует высоте слоя сорбента, при прохождении которой акт сорбции—десорбции данной молекулы успевает совершиться один раз.

Число тарелок в колонке можно оценить эмпирически, измерив на хроматограмме время удерживания и ширину любого пика у его основания (μ) или на половине его высоты (μ0,5) Из теории тарелок следует, что форма любого хроматографического пика при линейной изотерме сорбции должна описываться функцией Гаусса (кривой нормального распределения). y = , = f (N) Пусть для некоторого пика tr = 100 и μ = 1. Значит, N = 160 000 ! Форма хроматографического пика

Для веществ одного класса данная колонка имеет приблизительно одинаковое число теоретических тарелок (N1 N2 N3 ....). Это объясняет, почему при изотермическом режиме разделения пики разных веществ имеют разную ширину, прямо пропорциональную времени удерживания (tr ) . Пусть для пика 1 tr1 = 100 и μ1 = 1. Если вещества 1 и 2 однотипны, N1 N2. Тогда для пика 2, у которого tr2 = 400, μ2 = 4 Обычно на хроматограмме смеси пики тем шире, чем больше время удерживания компонента. Почему?

U – скорость движения газа-носителя. (1), Как связаны скорость движения компонента в колонке (W) и коэффициент его распределения (Г) между ПФ и НЖФ? Из теории тарелок следует, что (2) (3) Относительные времена удерживания не зависят от длины колонки и скорости газа-носителя ! tr Г

Связь разрешения и перекрывания пиков Rs При количественном (100%) разрешении пиков Rs > 1.5

Прогнозирование разрешения пиков μ1 μ2 Rs 0.7 Величина Rs зависит от природы компонентов, условий их разделения и характеристик колонки (эффективности и селективности) μ1 + μ2 Величину Rs можно предсказать по известным коэффициентам распределения (Г1 и Г2) и числу тарелок в данной колонке (N) RS = 0,424 = 0,212 ∆Г

Эффективность колонки определяется числом теоретических тарелок. Селективность колонки определяется относительным различием коэффициентов распределения разделяемых веществ.

Влияние селективности и эффективности колонки на разрешение пиков N = 10 000 N = 400 N = 10 000 Высокая селективность, низкая эффективность Высокая селективность, высокая эффективность Низкая селективность, высокая эффективность

Увеличение длины колонки (переход к капиллярным колонкам), изменение скорости движения ПФ, изменение температуры колонки, замена НЖФ или носителя. Способы повышения эффективности: Замена НЖФ, изменение температуры колонки. Способы повышения селективности:

Влияние длины колонки на разрешение пиков L = 1 м L = 5 м L = 25 м Состав смеси, природа НЖФ и условия разделения во всех случаях одинаковы

Влияние скорости газа-носителя на разрешение пиков ВЭТТ = A + B/u + Cu U (линейная скорость) ВЭТТ uопт А – Вихревая диффузия B/u – Молекулярная диффузия Cu – Сопротивление массопереносу Уравнение Ван-Деемтера

Кинетическая теория размывания Скорость перемещения по колонке отдельных молекул отличается от средней скорости, характерной для данного соединения Учитываются следующие процессы: неоднородность потока подвижной фазы. продольная диффузия в НЖФ и ПФ кинетика массопередачи в НЖФ и ПФ неравновесность процесса внутри застойных зон

СПОСОБЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ в хроматографическом анализе 1. По совпадению характеристик удерживания для пробы (t) и эталона (tx), где Х – предполагаемый компонент пробы. При этом значения tx получают: 1) опытным путем, 2) из справочников, 3) по значениям tx структурных аналогов. 2. По совпадению спектра компонента пробы (после хроматографического разделения) и эталонного спектра Х. 3. По результатам сопоставления хроматограмм пробы, полученных в разных условиях (до и после химической обработки, при разных способах детектирования и т.п.). 2

Сходимость времен и индексов удерживания толуола при анализе модельной смеси 0,15 1,0 0,001 0,07 0,6 0,01 0,08 0,6 10 Режим программирования 0,45 4,1 0,001 0,09 2,0 0,01 0,10 1,6 10 Изотермический режим WI, % Wt, % Содержание, % Режим разделения 5 Надо использовать индексы Ковача!

Логарифмический индекс удерживания (индекс Ковача) где t`R ( n) и t`R (n+1)— исправленные времена удерживания н-алканов с n и n+1 атомами углерода, выходящих из колонки до и после Х, а t`R (x) - исправленное время удерживания Х. Индекс Ковача определяется природой Х и типом НЖФ, слабо зависит от температуры и практически не зависит от скорости газа-носителя, концентрации Х и состава пробы.

На хроматограмме бензина t`R некоторого пика - 189 с. Пик Х лежит между пиками н-гептана и н-октана, для которых t`R равны 172 и 218 с. Предполагают, что Х - это 2,2,4-триметилпентан, у которого t`R = 739,0 ( для той же НЖФ и той же температуры). Верно ли это предположение? Решение. Подстановка дает: Ix = 100 ( ) = 739,2 Полученное значение Ix почти не отличается от табличного t`R (погрешность измерения индексов обычно не превышает 0,5 единицы). Следовательно, Х может быть 2,2,4-триметилпентаном. Пример расчета

Пример выдачи на печать результатов работы системы компьютерной идентификации (СКИ) при хроматографическом анализе бензина 0,078 3- ethyl - 2 - methylpentane 762,1 762,0 36,541 41 0,319 2,3 - dimethylhexane 760,2 760,6 36,367 40 0 ,018 unidentified ? 756,4 35,944 39 11,066 Toluene 755,3 755,3 35,718 38 0,109 3,3 - dimethylhexane 741,3 741,1 33,975 37 % Name Ix I t Peak t – время удерживания, минуты I – индекс Ковача для опознаваемого пика пробы, Ix - индекс Ковача для пика Xi в БД, d - критерий совпадения пиков, здесь - 0,5 единицы индекса % - содержание компонента ( в % масс.).

Количественный анализ в хроматографии h S Аналитическим сигналом является не сигнал детектора, а высота или площадь пика. Высоту пика можно использовать в качестве аналитического сигнала, если все пики узкие и симметричные. В любом случае содержание компонента можно рассчитывать по площади его пика. В случае широких или несимметричных пиков расчет возможен только по площади пика.

Чувствительность и предел обнаружения H пика С, мг/л ) S = dH/dC Чувствительность – определяется наклоном градуировочного графика Предел обнаружения – наименьшее содержание, при котором компонент можно обнаружить с заданной вероятностью по данной методике H шума H пика H пика = 3 * H шума

Способы расчета результатов в хроматографии - + Способ Не нужны стандартные образцы Абсолютная калибровка (метод добавок) Экспрессность, отсутствие градуировки Высокая точность Простота, возможность автоматизации Трудоемкость Внутренний стандарт При вводе пробы с помощью шприца - низкая точность Трудоемкость Абсолютная калибровка (внешний стандарт) Ограниченная применимость Нормировка

Способ абсолютной калибровки (с применением внешнего стандарта) S пика С, мг/л S1 S2 S3 Sx

Способ внутреннего стандарта S вн.ст. S x

Способ нормировки Sx Sy Sz В общем случае: При работе с ДИПом: Способ нельзя применять, если: проба не полностью испаряется; в испарителе или в колонке идут какие-либо химические реакции; некоторые компоненты остаются в колонке или их пики не регистрируются; нет полного разделения пиков на хроматограмме; детектор дает нелинейный отклик. неизвестны значения ki (требуется предварительное отнесение всех пиков на хроматограмме и градуировка детектора по эталону).

Спасибо за внимание!