12.04.2017

1

Лекция 8

Хроматография

г. Долгопрудный, 6 апреля 2017г.

Московский физико-технический институт

Департамент молекулярной и биологической

физики

Физические методы исследования

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

12.04.2017

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.

• В.Д. Ягодовский. Адсорбция. М.: Бином, 2015

Устройство хроматографа

Ввод пробы

инжектор

Хроматографическая

колонка

Детектор

Элемент, реагирующий

на изменение состава

носителя

Система

регистрации

Преобразует

сигнал детектора

в электрическое

напряжение или в

визуальную

форму

Подача носителя

Жидкость: резервуар, насос

Газ: баллон, дозатор потока

12.04.2017

3

Виды хроматографии

Адсорбционная

(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

хроматография

На 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)

хроматографияПо 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“ ”

12.04.2017

4

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

12.04.2017

5

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

12.04.2017

6

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

QQ

1

1

)1( 00

SurASurA

d

a

k

kK

0N

N хзаполненныQ)(

?

pfQ

12.04.2017

7

Изотерма адсорбции Ленгмюра

0 10 20 300.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Q,

arb

.un

.

bP, arb.un.

a

a

KP

KP

Q

1

Условия:

1. Мономолекулярный слой

адсорбированных молекул

2. Равновесие между фазами

3. Низка степень заполнения

поверхности Q<<1

s

a

RT

Eexp0

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 разных

молекул к концу хроматографической

колонки будет разным

12.04.2017

8

Хроматографические параметры

0t

LVM

)( 0tt

Lv

R

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

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

12.04.2017

9

Концепция теоретических тарелок

Определение

Теоретическая тарелка – условный участок хроматографической

колонки, в пределах которого устанавливается равновесие

частиц между подвижной и неподвижной фазами.

1952 г. – Мартин, Сидж. Теория теоретических

тарелок. Нобелевская премия по химии

Было (адсорбция):

P – давление, r – радиус, n - плотность

Стало (теория теоретических тарелок):

P – вероятность, r – номер тарелки,

n – номер (число) порций газа-носителя

12.04.2017

10

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

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

12.04.2017

11

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

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

12.04.2017

12

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