Vedelikkromatograafia ja massispektromeetria

Transcript

1 Vedelkkromatograafa ja massspektromeetra LOT (4 AP) 1 Ülevaade Vaadeldakse süvendatult analüütlse keema sesukohalt vedelkkromatograafat ja massspektromeetrat ursuse põhtähelepanu on praktlstel aspektdel Rakendusnäted ursusel antakse ülevaade: Olulsematest kromatograafaga seotud mudeltest romatograafde ja massspektromeetrte sõlmede ehtusest ja tommsprntspdest Proovde ettevalmstusest ja ssestusmeetodtest olonnde tüüpdest etoodkate väljatöötamsest ja valdeermsest Seos teste analüütlse keema kursustega Psava aluse annab: Analüütlne keema I (LOT ) asuks tulevad ka: Analüütlne keema II (LOT ) Spektroskooplsed analüüsmeetodd (LOT ) valteet keemalabors (LOT ) romatograafa (LOT.09.01) 3 ursuse nfo Õppejõud: Ivo Leto, vo.leto@ut.ee ot Herodes, kot.herodes@ut.ee Annel ruve, annel.kruve@ut.ee arn pper, karn.kpper@ut.ee Töövormd: Loengud Semnard/arutelud Isesesev õppmne Praktkum 4 Töökorraldus Aneprogramm e läbta toodud järjestuses ja programms on võmalkud muudatused On võmalk, et mõn teema jääb sesesvalt õppda Tulenevalt ernevate lektorte vabadest aegadest on võmalk teemade mõnngane fragmenteertus Infovahetus: s loengus/semnars öeldud, see eeldatakse olema kõgl kuuldud ÕIS- kaudu e-mal: hooltsege, et Tel oleks ÕIS-s töötav e-mal Eksam ursus lõpeb eksamga rjalk aterjalde kasutamseta Eksamküsmused täpsustuvad semestr lõpul vastavalt läbtud ja sesesvaks õppmseks antud teemadele Võmalk, et tulevad ka probleemküsmused Eksamle pääsemseks peab olema läbtud praktkum ja estatud selle kohta juhendaja poolt heaks kdetud protokoll

2 Vedelkkromatograafa (L) Eraldusmehansmd vedelkkromatograafas Normaal- ja pöördfaaskromatograafa Suuruseralduskromatograafa Ioonkromatograafa Afnsuskromatograafa Statsonaarsed faasd ja kolonnd Aparatuur Pumbad, detektord Vedelk-kromatograaflne meetod Väljatöötamne ja optmeermne Proov ettevalmstus 7 assspektromeetra (S) assspektromeetrte ehtus assanalüsaatord Ioonlõks, kvadrupool, lennuaja S Ioonde detektord Vaakum, selle saamne ja mõõtmne Ionsatsoonmeetodd S ühendamne L-ga: L-S Rakendused eemlne analüüs Identftseermne Struktuuranalüüs romatograaflse protsess matemaatlsed mudeld - ks on kromatograaflsed pgd sagel asümmeetrlsed? - ks on jaotuskromatograafa märksa populaarsem ku orptsoonkromatograafa? romatograafa matemaatlne modelleermne Vaatleme kromatograaflse protsess er aspektde matemaatlst krjeldamst omponend (ane) retentsoonaeg Pg laus Pg kuju 9 10 Jaotus- ja orptsoonkromatograafa Jaotuskromatograafa: Vedelk-vedelk-kromatograafa Jaotumne kahe vedela faas vahel Gaas-vedelk-kromatograafa Jaotumne vedelku ja gaas vahel Jaotus- ja orptsoonkromatograafa Adsorptsoonkromatograafa: Vedelk-tahks-kromatograafa Adsorptsoon vedelkus tahkse pnnale Gaas-tahks-kromatograafa Adsorptsoon gaasfaasst tahkse pnnale 11 1

3 Jaotumne gaaslse ja vedela faas vahel Jaotuskromatograafa Vedelk-gaas: Henry seadus ane molaarne kontsentratsoon vedelkus P ane partsaalrõhk gaasfaass k H, ane Henry konstant Sõltub anest, vedelkust, temperatuurst = k H, P 13 Jaotumne kahe vedela faas vahel Vedelk-vedelk: Jaotusseadus v v v1 d, = v1 = d, v1 ane molaarne kontsentratsoon vedelkus 1 v ane molaarne kontsentratsoon vedelkus d, ane jaotuskoeftsent d, Sõltub anest, vedelkest, vähemal määral temperatuurst 14 Lneaarne sõltuvus õlemad seaduspärasused annavad samasuguse lneaarse sõltuvuse - lneaarse sorptsoonsoterm (Henry soterm): ststoraarses faass lses faass 15 Lneaarne kromatograafa romatograafa mudelt, kus analüüd molekulde jaotumst faasde vahel krjeldab lneaarne sõltuvus nmetatakse lneaarseks kromatograafaks u võmalk, ss on kasulk töötada lneaarse kromatograafa tngmustes See on märksa lhtsam saavutada jaotuskromatograafas ku orptsoonkromatograafas 16 ehtvustngmused Jaotusseadus kromatograafas N onaarne ku ka lne faas on homogeensed Puudub võmalus, et ernevad ane molekuld saavad emmas kummas faass erneva ntensvsusega knn hotud N onaarse ku ka lse faas maht on väga palju suuremad võrreldes ane hulgaga Ane molekuld e ole omavahel vastasmõjus ja e konkureer Reaalsuses on need tngmused tädetud vad osalselt Vedelk-vedelk-kromatograafas: d, = ane kontsentratsoon faass ane kontsentratsoon faass d, ane jaotuskoeftsent Sõltub anest, vedelkest, vähemal määral temperatuurst

4 Jaotusseadus kromatograafas ahtuvusfaktor tesendades: n V d, = n V n ane moolde hulk faass n ane moolde hulk faass V faas ruumala V faas ruumala tesendades: V d, = = k' V n k ane mahtuvusfaktor Sõltub anest, jaotuskoeftsendst nng faasde ruumaladest n 19 0 kuna: ss: t R, t ahtuvusfaktor d, k ' V V t = R, t ane retentsoonaeg süsteem surnud aeg t t = R, t t 1 Ane retentsoonaeg tesendades: V t = + 1 R, t d, V Elueerumse põhvõrrand Ane elueerub seda aeglasemalt, mda aeglasem on eluend vool (t ) mda pkem on kolonn mda rohkem on jaotustasakaal nhutatud onaarse faas poole mda suurem on onaarse faas ruumala mda madalam on lse faas ruumala Pg laus Pgd elueerumsel laenevad Seda krjeldab van Deemter võrrand van Deemter võrrand H A B u S u u H teoreerlse taldrku kõrgus (HETP) u eluend lneaarne voolukrus A eddy dfusoon (mtu vooluteed) B pksuunalse dfusoon koeftsent S, massülekande koeftsent onaarses ja lses faass H H S u u 3 u B/u A 4 4

5 Tädseosakese keskmne dameeter γd fs( k') d f H = λdp + + u + u D Tädse takstus dfusoonle Tädseosakeste suuruse ühtluse koeftsent Analüüd dfusoonkoeftsent lses faass S ahtuvusfaktor funktsoond Statsonaarse faas kh paksus tädseosakese peal f ( k') d p D u Dfusoonkoeftsent faass 5 da veel saab järeldada van Deemter võrrandst? udas mõjutab efektvsust faas osakeste kuju? faas osakeste suurus? lfaas vskoossus? lahutatavate molekulde suurus? olonn temperatuur? 6 Pg kuju u Sorptsoonsoterm on lneaarne (nn Henry soterm) Pg laenemse faktored on palju Need faktord tomvad mõlemas suunas, n pkvoolu ku ka vastuvoolu Need faktord mõjutavad kõk analüüdmolekule võrdse tõenäosusega, tegemata vahet pg er osades olevatel molekuldel Ss on pk Gauss kõvera kujulne St pg laenemne allub Gauss- ehk Normaaljaotusele 7 Detektor sgnaal Gauss kõvera kujulne pk t R 3.5 Analüüd pk Pg kõrgus: Pg pndala:.0 h w S y = h e ( t tr ) w Retentsoonaeg, mn 8 Pgd enamast e ole sümmeetrlsed Enamast on pkdel sabad taga Detektor sgnaal Asümmeetrafaktor Pg asümmeetrafaktor: w A s = w 1 = w 1 w 10% Retentsoonaeg, mn 30 5

6 Parameetrte optmaalsed väärtused Sabatamne (talng) on probleemne väheneb lahutusvõme Halveneb avastamspr Asümmeetrafaktor: Normaalseteks väärtusteks loetakse: A s < ttelneaarne sorptsoonsoterm a jaotuskromatograafas on sorptoonsoterm sagel mttelneaarne Tavalsm põhjus Vedelk-vedelkkromatograafas pöördfaas korral: Adsorptsoon Adsorptsoon tomub Jääk-slanoolrühmadel Slkageels lsandna olevatel metallkatoondel 31 3 Adsorptsoontsentrd L-s Enamus faase on slkageel baasl Slanoolrühmad Need pöördfaas tootmsel dervatseertakse: H 3 H 3 S OH + l S R S O S R + Hl H 3 H 3 da teha, ku pgd sabatavad? End-cappng Lsatakse peale l-s(h 3 ) -R veel mõnd väksema molekulga reagent Sheldng l-s(h 3 ) -R asemel kasutatakse nt l-s(t-bu) -R da täelkum see dervatseermne on, seda parem ng osa jääb alat dervatseermata: jääkslanool-rühmad Slanoolrühmad Slanoolrühm on kolme tüüp (lhtsustatult): a) b) c) Domneervad a ja c Jääk-slanoolrühm on seda tugevamate orptsoonomadustega, mda happelsem ta on a-tüüp: p a ca 5 (ca 0%) c-tüüp: p a 8-9 (ca 80%) OH S HO OH S OH S OH S 35 etall-katoond Ert orbeervaks muudavad slanoolrühma metallde lsandd Need võvad olla vabana (d) võ Võres sees (e) Tänu oma valents-omadustele on metall-aatomd slkageel võres enamast + laenguga: metall-katoond + + d) e) OH S 36 6

7 Adsorptsoon sõltuvus anest Sellne aktvsetel tsentrtel orptsoon mõjutab eeskätt Polaarsed ühended Iseärans aluselste omadustega ühended Vedelk-kromatograafas lsatakse sagel eluendle mõnda alust, ms se orptsoontsentrte külge knntub ja seega analüüdmolekule sealt eemale hoab Samut sellsed, ms annavad tugevad metallkomplekse 37 Füüskalne taust? Paralleelselt tomuvad kaks sorptsoonprotsess: 1. Jaotumne Faasde mahud on suured õk analüüd molekuld mahuvad faas külge Isoterm on lneaarne. Adsorptsoon Adsorptsoontsentred on vähe Ned jätkub vad väga väkesele osale analüüdmolekuldest nnhodmne orptsoonga on märksa tugevam, ku jaotumse kaudu 38 Adsorptsoon Eeldused (1): olekulde orptsoon tomub vad tsentrtel onomolekulaarne orptsoon olekuld ükstest e mõjuta Tsentred on pratud hulgal õk tsentrd on energeetlselt võrdväärsed Adsorptsoon Eeldused (): Paralleelselt tomub kaks protsess: orptsoon ja desorptsoon Nende omavahelne vahekord paneb paka orptsoontasakaalu Adsorptsoonprotsess krus on võrdelne vabade tsentrte hulgaga ja orbeerumata molekulde hulgaga vedelfaass Desorptsoonprotsess krus on võrdelne hõvatud tsentrte hulgaga Adsorptsoon krus Desorptsoon krus v = k ( _max ) v des = k des Adsorptsoon krus Adsorptsoonprotsess kruskonstant olekulde kontsentratsoon lses faass olekulde maksmaalne pndkontsentratsoon olekulde pndkontsentratsoon Desorptsoon krus Desorptsoon kruskonstant olekulde pndkontsentratsoon Pnna tätumsaste: θ = _max

8 Tasakaal Tasakaal esneb, ku Seega: v = v des Tesendades: ontsentratsoon pnnal = _max + des Asendades orptsoon tasakaalukonstand: k k k _max des k ( ) k = 0 k = k des Langmur soterm... Saame Langmur soterm: = _max + 1 ontsentratsoon pnnal Langmur soterm kuju = 10 = = _max + 1 _max = 10 _max = ontsentratsoon faass 46 Langmur soterm kuju u tsentrte arv on lses faass olevate molekulde arvuga võrreldes väga suur, ss on kuju enam vähem Henry soterm kujuga u tsentrte arv on väga väke võrreldes lses faass olevate molekulde arvuga, ss on enam vähem kõk orptsoontsentrd tädetud Langmur mudel puudused Adsorptsoontsentrd pole energeetlselt samaväärsed olekuld mõjutavad ükstest Adsorptsoon tomub ka juba orbeerunud molekuldel st e keht monomolekulaarne orptsoon

9 Sorptsoon-soterm kuju Tekb segasoterm, ms on mttelneaarne: ontsentratsoon faass Adsorptsoon Jaotumne ontsentratsoon faass Segasoterm 49 Detektor sgnaal Pg kuju mttelneaarse sorptsoonsoterm korral 500 orptsoondesorptsoonprotsess 100 orptsoondesorptsoonprotsess Gauss kõvera kujulne pk Retentsoonaeg, mn 50 Järeldused On hea, ku kromatograaflne protsess on puhtalt jaotuskromatograaflne, lneaarse sorptsoonsotermga Pgd on sümmeetrlsed Selleks peavad orptsoontsentrd puuduma võ olema kõk tädetud oblsele faasle võb lsada mõnda anet, ms orbeerub ert tugevast ja e lase analüüdmolekuldel Statsonaarne faas, peab olema väga kvalteetne, jääkslanoole peab olema vähe ja nende happelsus madal: - endcappng 51 - happega pesemne Järeldused Adsorptsoonkromatograafa puhul on olulne, et saaks töötada orptsoonsoterm Henry alas : Erpnd suur Pnnal oleks palju orptsoontsentred Et need oleksd energeetlselt sarnased a sellest alat e psa, sest Henry ala esnemne eeldab Langmur soterm, aga reaalsuses see pärs e keht Seda on raske saavutada ja seega on orptsoonkromatograafas sabatamne sagedane See on ka üks põhjus, ms jaotuskromatograafa on märksa populaarsem ku orptsoonkromatograafa orbeeruda 5 Järeldused Sabatavad rohkem nende anete pgd, ms rohkem orbeeruvad Eeskätt polaarsed ühendd Iseärans aluselste omadustega ühendd Nendega on gaaskromatograafas just selle tõttu probleemd, sagel e saadag mõstlkke pke Vedelk-kromatograafas lsatakse sagel eluendle mõnda alust, ms se orptsoontsentrte külge knntub ja seega analüüdmolekule sealt eemale hoab Samut sellsed, ms annavad tugevad metallkomplekse 53 Palju orptsoonmudeled Freundlch soterm onomolekulaarne orptsoon tsentrd pole mtte energeetlselt samaväärsed Tsentrte aktvsus (ja seega ka orptsoonentalpa) langeb logartmlselt pnna tätumsastme kasvades Tjomkn soterm Analoogne, anult et aktvsuse langus on lneaarne BET soterm Polümolekulaarne orptsoon 54 9

10 Pg kuju emprlsed mudeld On pakutud ca 90 ernevat emprlst avaldst pkde kuju krjeldamseks Praktlselt kõk nad võmaldavad krjeldada asümmeetrls pke. õned võmaldavad krjeldada ka mtmetpuls õk nad töötavad mngtes prdes, kud pärs deaalsed pole nad üksk Emprlste funktsoonde rakendused Sügavam mõstmne Pkde dekonvolutsoon romatograaflsed smulatsoond V.B. D arco, G.G. Bomb J. hrom. A 001, 931,