Kromatografia

Kromatografialla (muinaiskreikkaa χρῶμα / khroma , "väri" ja γράφειν / graphein , "kirjoitus") on kemiallinen menetelmä erottamiseksi eri aineet aiheuttavat seoksessa ( näyte vaihe homogeeninen neste tai kaasu ).

Laitetta, jota käytetään tiettyjen kromatografioiden suorittamiseen, kutsutaan kromatografiksi . Kromatografialla saatua kuvaa tai kaaviota kutsutaan kromatogrammiksi . Kun käytetään kromatografiin ja kromatografisesti ohjelmisto , kromatogrammissa kestää yleensä muodossa kaavio , joka esittää vaihtelua liittyvä parametri on pitoisuus , että liukenevan aineen Pylvään ulostulokohdassa, koska ajan funktiona (tai tilavuus) eluoiden .

Yhtä tai useampaa lajia sisältävä näyte on mukana liikkuvassa faasivirrassa (neste, kaasu tai ylikriittinen neste ), joka on kosketuksessa kiinteän faasin (paperi, gelatiini , piidioksidi , polymeeri, oksastettu piidioksidi jne.) Kanssa . Kukin läsnä oleva laji vaeltaa nopeudella, joka riippuu sen ominaisuuksista ja kahden läsnä olevan vaiheen ominaisuuksista.

Kromatografia voi olla analyyttistä (jonka tarkoituksena on tunnistaa läsnä olevat aineet) tai preparatiivista (jonka tarkoituksena on erottaa seoksen ainesosat). Analyyttinen kromatografia on laajalti käytetty on laboratorio mittakaavassa on orgaanisen kemian . Se soveltuu hyvin pienentämiseen, ja se on aiheuttanut useita kemiallisia analyysitekniikoita , jotka koostuvat siitä, että samassa instrumentissa yhdistetään kiinnostuksen kohteena olevan yhdisteen ( analyyttien ) erottaminen, jota seuraa niiden tunnistaminen (ja / tai niiden kvantifiointi). , yleensä spektroskooppisella menetelmällä . Preparatiivista kromatografiaa käytetään harvoin suurina määrinä kustannusten ja hitauden vuoksi.

Historia

Venäläinen kasvitieteilijä Mikhail Tswett (Tsvett) käytti ensimmäisenä termiä "kromatografia" vuonna 1906 . Tämän jälkeen Tswett-tekniikkaa kutsutaan adsorptiokromatografiaksi sen erottamiseksi muista sitä seuranneista.

Tswett oli käyttänyt adsorptiota sarakkeita vuodesta 1903 erottaa pigmenttejä kasveista. Siksi spekuloimme sanan "kromatografia" etymologiaa antiikin Kreikan χρῶμα / khrôma , "väri" ja siten pigmentti. Tswett ei koskaan antanut tätä selitystä, mutta tswett on venäjänkielinen sana "väri".

Vuonna 1952 , Martin ja Synge sai Nobelin kemian niiden keksintö osion kromatografialla .

Periaate

Kromatografia perustuu liikkuvan faasin (tai eluentin) liuenneen näytteen ottamiseen kiinteän faasin (tai kiinteän faasin) läpi. Kiinteä vaihe, joka on kiinnitetty joko kolonnin sisäpintaan tai tasaiselle pinnalle, pidättää laimennetun näytteen aineet enemmän tai vähemmän voimakkaasti matalan energian vuorovaikutusvoimien (kuten Van derin voimien) voimakkuuden mukaan. Eri molekyylilajien ja paikallaan olevan faasin välillä muodostuvat Waals , vetysidokset jne.). Riippuen kyseessä olevasta kromatografiatekniikasta, liikkuvan faasin vetämät komponentit erottuvat joko niiden peräkkäisestä adsorptiosta ja desorptiosta paikallaan olevassa faasissa tai niiden erilaisesta liukoisuudesta kussakin faasissa.

Näytteen eri osilla on yleensä ominaisnopeus, joka mahdollistaa niiden erottamisen tai jopa tunnistamisen. Tämä erotusnopeus riippuu voimakkaasti liikkuvan vaiheen ja kiinteän vaiheen luonteesta. Kaikkien erotusolosuhteiden hallinta sallii tietyn yhdisteen migraatioajan täydellisen toistettavuuden.

Usein näyte analysoidaan vertaamalla näytteessä jo tunnettuja aineita tai vertaamalla standardiliuoksen (tunnettuja aineita sisältävä kaupallinen liuos tunnetuilla pitoisuuksilla) analyysin tuloksiin. Nämä aineet toimivat vertailukohteina ja mahdollistavat kunkin lajin tunnistamisen tai mittaamisen vertaamalla erotusasteita (ja mahdollisesti muita havaitsemisen antamia tietoja). Tämä on analyyttinen kromatografia .

Muissa tapauksissa olemme tyytyväisiä erottamaan fraktiot niiden tunnistamiseksi muilla tekniikoilla: tämä on preparatiivinen kromatografia .

Erilaiset kromatografiatyypit

Liikkuvan vaiheen luonteen mukaan

ohutkerroskromatografia (TLC tai TLC);
kaasukromatografia (CPG tai GC englanniksi), jota kutsutaan myös CPV: ksi (höyryfaasikromatografia);
nestekromatografia (CPL tai LC englanniksi);
korkean suorituskyvyn nestekromatografia (HPLC tai HPLC);
ylikriittinen faasikromatografia (CPS tai SFC englanniksi).

Vuorovaikutustyypin mukaan

adsorptio- / affiniteettikromatografia;
jakokromatografia ;
ioninvaihtokromatografia ;
kiraalikromatografia (joka on joko CPG tai CPL );
koon poissulkemiskromatografia (CES tai SEC);

Tukityypin mukaan

pylväskromatografia , jossa yhdistetään erityisesti korkeapaineinen nestefaasikromatografia (HPLC) ja kaasufaasikromatografia (GC): kiinteä faasi on kapeassa putkessa ja liikkuva faasi etenee painovoiman tai paine-eron avulla;
tasomainen kromatografia (joka kattaa TLC: n ja paperikromatografian ): kiinteä faasi on tasaisen alustan (TLC) pinnalla tai huokoisen selluloosalevyssä (paperikromatografia); liikkuva vaihe liikkuu kapillaaritoiminnalla tai painovoimalla.

Yhdistetyt menetelmät

Erottamisen ja tunnistamisen laadun parantamiseksi uudet laitteet mahdollistavat:

yhdistää kahden tyyppinen kromatografia ( kaksiulotteinen kromatografia );

yhdistää kromatografinen erotus toiseen analyyttiseen tekniikkaan, kuten massaspektrometriaan ( GC-MS ja LC-MS- menetelmät ).

Kvantitatiivisen analyysin vaiheet

Menetelmän valinta
- Tutkittavat analyytit: luonne ja määrä Analyytin luonteen tunteminen mahdollistaa detektorin sovittamisen kromatografisen analyysin ulostuloon (kaasu, neste jne.); tietäen sen lukumäärän, ts. sen pitoisuuden, voidaan välttää detektorin kyllästyminen. Kromatografiassa on erilaisia ilmaisimia (FID, Spectro ...)
- Analyysien lukumäärä
- Haettu tarkkuus
Näytteenotto
Näytteen valmistelu
- Liukeneminen
- Analyyttien uuttaminen näytteestä
- Keskittyminen
- Uuttotuotto
Poista häiriöt
- Matriisivaikutus
- Uutteen puhdistus
Kromatografinen analyysi
- Suoraan
- Käsittelyn jälkeen ( metylointi , silylointi jne.)
- Kalibrointi
- Lineaarisuus
Tulosten laskeminen
- Tarkkuus
- Epävarmuuden arviointi

Tyypilliset määrät pylväskromatografisessa analyysissä

Liuotettujen aineiden virtausnopeudet

Erotuskyky sarakkeen on funktio suhteellisen eluutionopeus. Nämä nopeudet ovat siis liuenneiden aineiden jakautumiskertoimen funktio kahden vaiheen välillä:

{\ displaystyle A_ {paikallaan} \ Longleftrightarrow A_ {mobile}}

Jakautumiskerroin :

{\ displaystyle K = {\ frac {C_ {S}} {C_ {M}}}}

jossa CS on liuenneen aineen pitoisuus kiinteässä faasissa ja C M liuenneen aineen pitoisuus liikkuvassa faasissa.

Retentioaika t R : aika, joka kuluu Näytteen injektoinnin ja ulkonäkö liuenneen aineen piikin ilmaisimen kromatografiapylvääseen.

Kuollut aika t M : aika, joka tarvitaan, jotta laji, jota paikallaan pysyvä vaihe ei pidä, menisi kolonnin läpi.

Liuotetun aineen keskimääräinen lineaarinen nopeus :

{\ displaystyle {\ overline {\ nu}} = {\ frac {L} {t_ {R}}}}

missä L on sarakkeen pituus.

Liikkuvan vaiheen keskimääräinen lineaarinen nopeus :

{\ displaystyle {\ overline {u}} = {\ frac {L} {t_ {M}}}}

Siirtymisnopeuden ja jakautumiskertoimen suhde:

{\ displaystyle {\ overline {\ nu}} = {\ frac {\ overline {u}} {1 + K {\ frac {V_ {S}} {V_ {M}}}}}}

jossa V S ja V M ovat tilavuudet liuotteiden vastaavasti kiinteän ja liikkuvan faasin (kutsutaan myös kuollut tilavuus ), mutta nämä määrät ovat verrannollisia tilavuudet 2 faasia, ne voidaan näin ollen arvioida, jos tiedetään geometrinen rakenne sarakkeen.

Lyhennetty aika t ' R :

{\ displaystyle t '_ {R} = t_ {R} -t_ {M}}

Alennettu tilavuus V ' R :

{\ displaystyle V '_ {R} = V_ {R} -V_ {M}}

Virta D :

{\ displaystyle D = {\ frac {V_ {M}} {t_ {M}}} = {\ frac {V_ {R}} {t_ {R}}}}

Joitakin parametreja, jotka vaikuttavat analyyttien suhteellisiin nopeuksiin, voidaan muuttaa:

Liikkuvan vaiheen lineaarinen nopeus $\ overline {u}$
Diffuusiokerroin liikkuvassa vaiheessa
Diffuusiokerroin kiinteässä vaiheessa
Kapasiteettikerroin k '
Tuki hiukkasten halkaisija
Nestekerroksen paksuus kiinteässä faasissa

Kapasiteettikerroin

Kapasiteettikerroin k ' : tärkeä kokeellinen parametri, jonka avulla voidaan kuvata liuenneiden aineiden etenemisnopeus sarakkeissa. Se on tasapainossa olevan analyytin määrien suhde vierekkäisen paikallaan olevan ja liikkuvan faasin 2 tilavuuteen. Kapasiteettikerroin riippuu lämpötilasta (CPG), pylvään pakkauksesta (CPG), liikkuvasta ja kiinteästä faasikoostumuksesta (HPLC) ...

{\ textstyle K '= (tR-tM) / tM}

k '<1: eluutio liian nopeasti
1 <k '<5: optimaalinen eluutio
5 <k ': eluutio liian hidas

Selektiivisyystekijä α : eniten säilyneen liuenneen aineen jakautumiskertoimen suhde vähiten säilyneen liuenneen aineen jakautumiskertoimeen. Kahden analyytin selektiivisyystekijää käytetään arvioimaan, kuinka hyvin sarake voi erottaa ne. Siksi sitä käytetään laskemaan sarakkeen erotteluvoima. α> 1 aina.

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {K_ {B}} {K_ {A}}} = {\ frac {k '_ {B}} {k' _ {A}}} = {\ frac {t ' _ {R} (B)} {t '_ {R} (A)}} = {\ frac {V' _ {B}} {V '_ {A}}}}

Nauhojen laajentaminen ja pylvään tehokkuus

Tehokkuus sarakkeen riippuu siitä, kuinka piikin leveneminen, joka tapahtuu, kun analyytti kulkee pylvään läpi. Tämä suurennus riippuu analyytin viipymäajasta kahdessa vaiheessa:

${\ displaystyle t_ {R}}$ suuri: leveät huiput;
${\ displaystyle t_ {R}}$ pieni: hienot huiput.

Tehokkuus sarakkeen arvioidaan yhdestä tai toinen näistä kahdesta ehdot:

H = teoreettisen tasangon vastaava korkeus
N = teoreettisten lokeroiden lukumäärä

Tehokkuus kasvaa, kun N kasvaa tai kun H laskee vakioon L. Ottaen huomioon varianssin, piikin leveyden keskikorkeudella ja leveyden huipun pohjalla, $\ sigma ^ {2}$ ${\ displaystyle \ delta \ noin 2,355 \ sigma}$ ${\ displaystyle \ omega \ noin 4 \ sigma}$

{\ displaystyle N = \ left ({\ frac {t_ {R}} {\ sigma}} \ right) ^ {2} \ noin 5.54 {\ left ({\ frac {t_ {R}} {\ delta}} \ oikea)} ^ {2} \ noin 16 {\ vasen ({\ frac {t_ {R}} {\ omega}} \ oikea)} ^ {2}}

{\ displaystyle H = {\ frac {L} {N}} = {\ frac {L \ sigma ^ {2}} {t_ {R} ^ {2}}}}

Kineettisten vaikutusten merkitys kolonnin tehokkuudelle riippuu olennaisesti liikkuvan vaiheen ja paikallaan olevan vaiheen välisen kosketuksen kestosta, itsestään riippuen liikkuvan vaiheen virtausnopeudesta. Huipun laajeneminen minimoidaan pienentämällä täytemateriaalin hiukkaskokoa ja kolonnin halkaisijaa. Itse asiassa kiinteä faasi rakeistetaan ja liuotin vie välipalojen tilavuuden, tätä tilavuutta kutsutaan liuottimen kuolleeksi tilavuudeksi. H kasvaa tämän tilavuuden mukana ja pienenee pylvään halkaisijan myötä.

Sarakkeen tarkkuus

Pylvään erottelukyky R S on kvantitatiivinen mitta sen kyvystä erottaa kaksi analyyttiä A ja B:

{\ displaystyle R_ {S} = 2 {\ frac {t_ {R} (B) -t_ {R} (A)} {\ omega _ {B} + \ omega _ {A}}}}

Si : A: n ja B: n täydellinen erottaminen ${\ displaystyle R_ {S}> 1,5}$
Jos : A: n ja B: n puutteellinen erottaminen ${\ displaystyle R_ {S} \ noin 1,0}$
Jos : huonosti erotetut analyytit A ja B ${\ displaystyle R_ {S} <0,75}$

Huomaa : erottelukyky 1,5 vastaa 1%: n piikin kattavuutta.

Resoluution ja teoreettisten levyjen lukumäärän välinen yhteys:

{\ displaystyle R_ {S} = {\ frac {1} {4}} {\ sqrt [{2}] {N}} \ vasen (1- \ alfa \ oikea) {\ frac {k '} {1- k '}}}

Tässä suhteessa on mahdollista ilmoittaa, että resoluutio R S- pylvään on verrannollinen neliöjuuren pituus, koska teoreettisten levyjen lukumäärä N on verrannollinen pituus L kolonnin. Annetulla paikallaan olevalla vaiheella pylvään erottelukykyä voidaan parantaa lisäämällä teoreettisten levyjen määrää ja siten pylvään pituutta. Mutta tämä pidentää analyysin kestoa, joten kompromissi on tarpeen.

Optimointimenetelmät

Teoreettisen levyn ekvivalentin korkeuden muuttaminen (pylvään halkaisija, raekoko jne.)
Kapasiteettikertoimen muuttaminen (liikkuvan faasin koostumus, lämpötila, liuotin jne.)
Selektiivisyystekijän muuttaminen (liikkuvan faasin koostumus, pylvään lämpötila, kiinteän faasin koostumus, kemialliset vaikutukset (kompleksit jne.)

Huomautuksia ja viitteitä

Mikhail Tswett , “ Adsorptioanalyysi ja kromatografinen menetelmä. Sovellus kloropyhllien kemiaan. », Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft , voi. 24,1906, s. 384-393.
Nobelin kemian palkinto 1952 .
(in) " Planar kromatografia " Compendium of Chemical Terminologia [ " Gold Book "], IUPAC 1997 korjattu versio verkossa (2006-), 2 th ed..

Katso myös

Ulkoiset linkit

Kromatografiakurssi (ei sisällä HPLC: tä)