Quantitative Chemical Analysis 8 th Ed. - Daniel C. Harris 제 22 장 Introduction to Analytical Separations

Quantitative Chemical Analysis 8 th Ed. - Daniel C. Harris 제 22 장 Introduction to Analytical Separations

22-1 Solvent Extraction Extraction - 용질을한 phase 에서다른 phase 로이동 - S (phase 1) S (phase 2) partition coeff.( 분배계수 ) K 는다음반응의평형상수이다. S( 상 1) S( 상 2) 그림 22-1 용매 1( 물 ) 의 ml 에있던용질 S 가용매 2( 톨루엔 ) 의 ml 로추출되었다고가정 m 은 S 의몰수,q 는평형상태에서상 1 에남아있는 S 의분율, (1-q) 는상 2 로이동한용질의분율상 1 에서의몰농도는 / 상 2 에서의몰농도는 1 / 그러므로, 출처 1 1 회추출에서상 1 에남는분율 = 1 / / n회추출에서상 1에남는분율 = 에서 q를구할수있다.

22-2 What is Chromatography? - 하나의상 ( 고정상 ) 위로다른상 ( 이동상 ) 이지나가면서연속적으로진행되는추출과정. - 추출효율이다른용질들의분리 (separation) - Operational definition; 시료가이동상에도입되어고정상을통과할때시료의성분들이고정상에의해선택적으로유지 (retain) 되어이동속도가달라져서분리되는과정. 그림 22-5 보 출처 1 3

크로마토그래피에서성분들의분리과정은시료성분들이끊임없이정지상과이동상사이에서매순간동적분포평형을이루면서서로다른속도로컬럼을이동해가는과정이다. 출처 2 그림 4-4 컬럼내에서의성분분리과정단면도 컬럼내를통과하는동안용질분자가이동상 M과정지상 S사이에분포될때매순간열역학적인분포평형상태분포계수 ( ) 가성립용질 M 용질 S 정지상내의용질의몰농도 이동상내의용질의몰농도 정지상에전혀지체되지않은성분의 값은 0 이되고, 가큰용질은컬럼내에오래지체하여이동속도가느리다. 모든성분들은이동상에있을때에만이동하므로컬럼을통과하기위해서이동상에서머문시간은동일하다. 각성분들의 값은정지상에머문시간을결정한다. 4

22-2 What is Chromatography? - 유지 (Retain) Sorption; 1) Adsorption ( 흡착 )- 고정상표면에서작용 2) Absorption or Partition ( 분배 )- 고정상내부로확산, 분배 - Separation 의정의 ( 개념적 ) P. R. Rony (Separation Sci. 1968, 3, 239) ; 혼합물을이루고있는 m 가지의화합물을 m 개의구별된영역 (regions) 에순수한형태로완전히나눌수있는가상적인조건. ( 실제로완전한분리는불가능하고분리된것처럼검출기록될뿐이다.) - Chromatography 관련한중요한용어들 Chromatos (color의뜻) Chromatograph Mobile phase ( 이동상 ); liquid, gas Eluent ( 용리액 ); column으로 in Elution ( 용리 ); 이동상의이동과정 Chromatography Chromatogram Stationary phase ( 고정상 ); liquid, solid Eluate ( 용출액 ); column으로부터 out Packed or Open tubular column 5

Chromatography 의분류 chromatography Gas chromatography 이동상 : 기체 Liquid Chromatography 이동상 : 액체 Gas-Solid Gas-Liquid 흡착분배이온교환크기배제친화 Adsorption Partition Ion exchange Size Exclusion Affinity Gel Filtration 이동상 : 수용매 Gel Permeation 이동상 : 유기용매 출처 3 John Porter Martin (1910~2002) Father of gas chromatography Nobel prize in chemistry (1952)

Types of Chromatography 이동상 + 고정상 ; GLC, GSC, LLC, LSC Adsorption chro. ( 흡착 ) : 고체고정상, 고정상의표면에용질의흡착 (GSC, LSC) Partition chro. ( 분배 ) : 액체고정상, 고정상이동상사이에분배평형, 고정상내부로분배 (LLC, GLC) Ion-exchange chro. ( 이온교환 ) : 수지에결합된이온고정상, 용질이온과의정전기적인력차이로분리 Molecular exclusion chro. ( 분자배제 ) : 다공성고정상, 용질의크기의차이로분리, 직접적인 interaction 은없다. gel filtration - aq. 이동상, gel permeation - organic 이동상 Affinity chro. ( 친화 ) : 우수한선택성, 항원 - 항체, 리간드 - 수용체등. 7

출처 1 그림 22-6 8

22-3 A Plumber's View of Chromatography Flow rate ( 유속 ) - volume flow rate( 부피흐름속도, ml/min); 단위시간당컬럼을통과한용매의부피 - linear flow rate ( 선형흐름속도, cm/min); 단위시간당용매가이동한컬럼의길이 그림 22-7 출처 1 t r The Chromatogram - Adjusted retention time ( 조정된머무름시간 ): - Relative retention ( 상대머무름 ): α =Selectivity coefficient 두성분이겹칠때 α 는 1 이며분리가되면 α 가 1 이상 - Capacity factor ( 용량인자 ): :column performance monitoring 용질이고정상에머무른시간 몰수 용질이이동상에머무른시간 몰수 9

22-4 Efficiency of Separation Two factors: t r 의차이, peak width (w) Resolution ( 분리도, R) Gaussian shape peak,(σ) peak width (w 1/2 = 2.35σ, w = 4σ) ( 동일한단위를사용 : 부피또는시간 ) 분리도 =. / 분리도 = γ 출처 1 그림 22-9 10

R 은 에비례하므로 에도비례컬럼길이를 4 배로하면 R 은 2 배증가 출처 1 그림 22-10 두성분의분리도에대한 α, N 그리고 의영향 크로마토그래피분석조건을결정할때 α, N, 인자들을서로독립적으로 최적화하는노력을해야한다. 그림 4-11 출처 2 11

Plate Height : Column efficiency Chromatography : 일련의추출과정, 불연속적인분리과정의연속 Plate theory; Martin and Synge (1954, Novel Prize) 1. Plate Height ( 단높이, H) linear flow rate u x (m/s), t = x/u x (x: 컬럼을통해이동한거리 ) height equivalent to a theoretical plate(hetp) 2 2Dt 2D x u x 2D x u x ( H ) x σ -The lower plate height, the narrower peak width(efficient) 2. Number of theoretical plates(n) N L H Lx 2 2 L 2 16L 2 w 2 2 16t r t N r (22-28a). 2 2 w / 2 (when x=l, σ = w/4 )(length unit) (22-28b). /. / / (22-29) 12

분리효율 확산 (Diffusion) - 띠확장의주요요인은확산임. - 확산계수 (diffusion coeff.) 는높은농도영역에서낮은농도영역으로의물질이동의속도의척도임. 그림 22-11 출처 1 13

분리효율 분해능에영향을주는인자들 이론단과분해능사이의관계 : 분해능 γ γ 분해능 이식에서중요한측면은 Phe과 Phe-D 5 분리를보여주는옆의그림에서분해능의제곱이통과횟수에비례하는것을확인할수있음. 그림 22-15 [L-phenylalanine 의분리에대한칼럼길이의영향 (Phe 와 Phe-D 5 의분리 ) ] 출처 1 14

22-5. Factor Effecting on the Resolution 1. R 과 N 과의관계 분리도 γ 두피크간의, 의크기가다른경우, 로대체한다. 2. ; peak separation N, R α ( 정지상에오래머물수록 R 증가, peak broadening 으로한계가있다.) 3. 비대칭 peak 에서의 N 추정. /. /. 출처 1 그림 22-14

예제단의계산머무름시간이 407초인용질은 12.2m 길이의칼럼에서띠나비가바닥에서측정하였을때 13초였다. 단수와단높이를계산하시오. N 1.57 10.. 0.78 예제원하는분리도를얻는데필요한이론단수두개용질의분리인자 γ=1.06이다. 분리도 1.0 혹은 2.0을얻기위해필요한이론단수는얼마인가? 만약단높이가 0.20mm라면분리도 1.0을얻기위해필요한칼럼길이는얼마인가? 분리도 1.0. 1. 4.4 10 분리도가 2.0으로 2배증가시키려면이론단수는 4배가되어야하므로필요한이론단수 = 1.8 10 단높이가 0.22mm인칼럼으로부터분리도 1.0을얻기위한칼럼길이는 0.20/ 단 4.4 10 단 0.88 16

Plate Height Equation 단높이 (plate height) 는크로마토그래피띠의분산에비례한다. van Deemter equation - 컬럼에서의띠퍼짐의효과 H A B u x Cu x A: multiple path, B: longitudinal diffusion, C: equilibrium time u x : linear flow rate 그림 22-16 출처 1 17

분리효율 확산 (Diffusion) - 띠확장의주요요인은확산임. - 확산계수 (diffusion coeff.) 는높은농도영역에서낮은농도영역으로의물질이동의속도의척도임. 그림 22-11 출처 1 18

A term, Multiple Flow Paths 이론이아직확실치않은복합적영향으로발생 이전에는 A 항을소용돌이확산 (eddy diffusion) 이라불렀음 Multiple path 의영향 ; 입자가작아지면그영향이감소함 그림 22-20 다통로에기인한띠퍼짐. 정지상입자가작을수록이문제는덜심각해진다. 출처 1 19

B term, Longitudinal Diffusion 그림 22-17 Van Deemter식의 B/ 항을일으키는세로확산설명도. 용질은농축된띠중심으로부터계속확산된다. 흐름속도가커지면칼럼내에서머무르는시간이짧아지고, 세로확산은약해진다. 2 H D 2D 2 L m t 2D u 2D u x m m x L B u x D m : 확산계수, H D : 세로확산에의한단높이 출처 1 20

C term, Finite Equilibrium Time Between Phases 상사이에서의일정평형시간 = mass transfer term ( 질량이동항 ) 용질이이동상과고정상사이에서평형을이루는데소요되는시간으로생기는띠넓어짐 (mass transfer term) 그림 22-18 용질이이동상과정지상사이에서평형을이루는데소요되는일정시간과관련된 Van Deemter식의 C 항. 선형흐름이느리면평형이온전히이루어지게되어띠퍼짐이약화된다. 출처 1 21

H Cu ( C C ) u masstransfer x s m x 그림22-19 온도를 30 에서 100 로올릴때분석시간이단축되는액체크로마토그래피 C s 2 k ' 3( k ' 1) 2 d D 2 s C m 1 6 k ' 11 k 2 24 ( k ' 1) ' 2 r D 2 m k': capacity factor d: thickness of st. phase D s : diffusion coeff. of solute in st. phase r: column radius D m : diffusion coeff. of solute in mob. phase 출처 1 q: order unit (app. 1) 온도증가로분리도유지하면서분석시간단축 22

Implications for Analytical and Preparative Separations Analytical ( 분석용 ): 분리가목적, 얇은정지상, 길고가는컬럼, 소량시료 Preparative ( 정제용 ): 순수하게성분을확보, 두꺼운정지상, 굵은컬럼, 대량시료 ( 용리띠가넓고분리도의감소 ) Compromise of chromatography (time, capacity, resolution) Resolution Capacity Time 23

A Touch of Reality: Assymmetric Bandshapes Gaussian shape : 분배계수 K(= C s /C m ) 가 컬럼에있는용질의농도와무관할때 일정온도에서세가지 isotherms 1. concave; overloaded, leading ( 용질이고정상의역할을한다.) 2. convex; small quantity of solute, tailing ( 적은양만이고정상에강하게머무름 ) 3. linear: ideal, Gaussian distribution 그림 22-21 흔히볼수있는등온선과이로인해생기는크로마토그래피띠모양 출처 1 Tailing 현상 : diatomite(gc 의고체지지체 ) 의 silanol group 이 극성용질과강한수소결합. Silanization (trimethyl silylation, TMS) 24

* 비대칭인자 (assymetric factor, AF) 기준선으로부터봉우리높이의 10% 되는점을중심으로왼쪽봉우리폭 B 에대한오른쪽봉우리폭 A 의비 symmetry AF=A/B =1 fronting AF < 1 tailing AF > 1 25

출처 1) 출처1 Quantitative Chemical Analysis, Daniel C. Harris, 2012 8th Ed 2) 출처2 - 의약품분석학, 약품분석학분과회, 2012 3) 출처3 - https://www.google.co.kr/search?q=iodine+flask&biw=1317&bih=406&source=lnms&tbm=isc h&sa=x&ved=0ahukewis26nsgujjahuuzmmkhuaxalqq_auibigb#tbm=isch&q=john+porter +Martin&imgrc=NmAdk0wrplbAjM%3A 26