제 22 장 Introduction to Analytical Separations
Quantitative Chemical Analysis
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thEd. - Daniel C. Harris –
22-1 Solvent Extraction
∎ Extraction
- 용질을 한 phase에서 다른 phase 로 이동
- S (phase 1) ↔ S (phase 2) partition coeff.(분배계수) K는 다음 반응의 평형 상수이다.
S(상 1) ⇌ S(상 2)
용매 1(물)의 mL에 있던 용질 S가 용매 2(톨루엔)의 mL로 추출되었다고 가정 m은 S의 몰수, q는 평형 상태에서 상 1에 남아 있는 S의 분율,
(1-q)는 상 2로 이동한 용질의 분율 상 1에서의 몰농도는 /
상 2에서의 몰농도는 1 / 그러므로,
1 /
/ 1회 추출에서 상 1에 남는 분율 =
n회 추출에서 상 1에 남는 분율 = 에서 q를 구할 수 있다.
출처1
그림22-1
22-2 What is Chromatography?
3
- 하나의 상(고정상) 위로 다른 상(이동상)이 지나가면서 연속적으로 진행되는 추출과정.
- 추출효율이 다른 용질들의 분리(separation)
- Operational definition; 시료가 이동상에 도입되어 고정상을 통과할 때 시료의 성분들이 고정상에 의해 선택적으로 유지(retain)되어 이동속도가 달라져서 분리되는 과정.
출처1
그림22-5
보
4
크로마토그래피에서 성분들의 분리 과정은 시료 성분들이 끊임없이 정지상과 이동상 사이에서 매 순간 동적 분포 평형을 이루면서 서로 다른 속도로 컬럼을 이동해 가는 과정이다.
그림4-4 컬럼 내에서의 성분 분리과정 단면도
컬럼 내를 통과하는 동안 용질 분자가 이동상 M과 정지상 S사이에 분포될 때 매 순간 열역학적인 분포평형 상태 분포계수( )가 성립
용질 M ⇔ 용질 S
정지상내의 용질의 몰농도 이동상내의 용질의 몰농도
정지상에 전혀 지체되지 않은 성분의 값은 0이 되고, 가 큰 용질은 컬럼 내에 오래 지체하여 이동속도가 느리다. 모든 성분들은 이동상에 있을 때에만 이동하므로 컬럼을 통과하기 위해서 이동상에서 머문 시간은 동일하다. 각 성분들의 값은
정지상에 머문 시간을 결정한다.
출처2
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- 유지 (Retain)
Sorption; 1) Adsorption (흡착)-고정상 표면에서 작용
2) Absorption or Partition (분배)-고정상 내부로 확산, 분배 - Separation의 정의 (개념적) P. R. Rony (Separation Sci. 1968, 3, 239)
; 혼합물을 이루고 있는 m 가지의 화합물을 m 개의 구별된 영역(regions)에 순수 한 형태로 완전히 나눌 수 있는 가상적인 조건. (실제로 완전한 분리는 불가능하 고 분리된 것처럼 검출 기록될 뿐이다.)
- Chromatography관련한 중요한 용어들
22-2 What is Chromatography?
Chromatos (color의 뜻) Chromatography
Chromatograph Chromatogram
Mobile phase (이동상); liquid, gas Stationary phase (고정상); liquid, solid Eluent (용리액); column으로 in Eluate (용출액); column으로부터 out Elution (용리); 이동상의 이동과정 Packed or Open tubular column
chromatography
Gas chromatography Liquid Chromatography
Gas-Solid Gas-Liquid
Adsorption Partition Ion exchange Size Exclusion Affinity
Gel Filtration Gel Permeation
이동상: 기체 이동상: 액체
흡착 분배 이온교환 크기배제 친화
이동상: 수용매 이동상: 유기용매
John Porter Martin (1910~2002)
Father of gas chromatography Nobel prize in chemistry (1952)
Chromatography의 분류
출처3
Types of Chromatography
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이동상 + 고정상; GLC, GSC, LLC, LSC
Adsorption chro. (흡착) : 고체고정상, 고정상의 표면에 용질의 흡착 (GSC, LSC)
Partition chro. (분배) : 액체고정상, 고정상 이동상사이에 분배평형, 고정상 내부로 분배 (LLC, GLC)
Ion-exchange chro. (이온교환) : 수지에 결합된 이온고정상, 용질이온과의 정전기적 인력차이로 분리
Molecular exclusion chro. (분자배제) : 다공성 고정상,
용질의 크기의 차이로 분리, 직접적인 interaction은 없다.
gel filtration - aq. 이동상, gel permeation - organic 이동상
Affinity chro. (친화) : 우수한 선택성, 항원-항체, 리간드-수용체 등.
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그림22-6
출처1
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22-3 A Plumber's View of Chromatography
Flow rate (유속)
- volume flow rate(부피흐름속도, ml/min); 단위시간당 컬럼을 통과한 용매의 부피 - linear flow rate (선형흐름속도, cm/min); 단위시간당 용매가 이동한 컬럼의 길이
The Chromatogram
- Adjusted retention time (조정된 머무름 시간):
- Relative retention (상대머무름): α
=Selectivity coefficient - Capacity factor (용량인자):
:column performance monitoring
용질이 고정상에 머무른 시간 몰수 용질이 이동상에 머무른 시간 몰수
t
r출처1
그림22-7
두 성분이 겹칠 때 α는 1이며 분리가 되면 α가 1 이상
22-4 Efficiency of Separation
Two factors: t
r의 차이, peak width (w)
Resolution (분리도, R)
Gaussian shape peak,(σ) peak width (w
1/2= 2.35σ, w = 4σ) (동일한 단위를 사용: 부피
또는 시간)
10
분리도 = γ
그림22-9
출처1
분리도 = ∆ ∆ . ∆
/
11
그림22-10
R은 에 비례하므로 에도 비례 컬럼 길이를 4배로 하면 R은 2배 증가
두 성분의 분리도에 대한 α, N 그리고 의 영향
크로마토그래피 분석 조건을 결정할 때 α, N, 인자들을 서로 독립적으로 최적화하는 노력을 해야 한다.
그림4-11 출처1
출처2
Plate Height : Column efficiency
Chromatography : 일련의 추출과정, 불연속적인 분리과정의 연속
Plate theory; Martin and Synge (1954, Novel Prize) 1. Plate Height (단높이, H)
linear flow rate ux(m/s), t = x/ux (x: 컬럼을 통해 이동한 거리) height equivalent to a theoretical plate(HETP)
σ
-The lower plate height, the narrower peak width(efficient) 2. Number of theoretical plates(N)
(when x=L, σ = w/4 )(length unit)
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x H u x
D u
D x Dt
x x
) 2 (
2
2 2
2 2 2
2 2
16 w
L L
Lx H
N L
1622 22
r
r t
w
N t (22-28a) .
/
(22-28b) . / .
/ / (22-29)
분리 효율
확산 (Diffusion)
- 띠 확장의 주요 요인은 확산임.
- 확산계수 (diffusion coeff.)는 높은 농도 영역에서 낮은 농도영역으로의 물질 이동의
속도의 척도임.13
그림22-11 출처1
분해능에 영향을 주는 인자들 이론단과 분해능 사이의 관계
:
분해능 γ γ
분해능 ∝ ∝
이 식에서 중요한 측면은
Phe과 Phe-D
5 분리를 보여주는 옆의 그림에서분해능의 제곱이 통과횟수에 비례하는 것을 확인할 수 있음
.
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분리 효율
[L-phenylalanine의 분리에 대한 칼럼 길이의 영향 (Phe와 Phe-D5의 분리) ]
그림22-15
출처1
22-5. Factor Effecting on the Resolution
1. R과 N과의 관계
분리도 γ
두 피크간의 , 의 크기가 다른 경우 , 로 대체한다.
2. ∽ ; peak separation ∽ N,
R ∽ α ∽ (정지상에 오래 머물수록 R증가, peak broadening으로 한계가 있다.)
3. 비대칭 peak에서의 N 추정 . / / . .
그림22-14
출처1
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예제 단의 계산
머무름 시간이 407초인 용질은 12.2m 길이의 칼럼에서 띠 나비가 바닥에서 측정하였을 때 13초였다. 단수와 단높이를 계산하시오.
N 1.57 10 .
. 0.78
예제 원하는 분리도를 얻는데 필요한 이론 단수
두 개 용질의 분리 인자 γ=1.06이다. 분리도 1.0 혹은 2.0을 얻기 위해 필요한 이론 단수는 얼마인가? 만약 단높이가 0.20mm라면 분리도 1.0을 얻기 위해 필요한 칼럼길이는 얼마인가?
분리도 1.0 1 ⇒ .
. 4.4 10
분리도가 2.0으로 2배 증가시키려면 이론 단수는 4배가 되어야 하므로 필요한 이론 단수 = 1.8 10
단높이가 0.22mm인 칼럼으로부터 분리도 1.0을 얻기 위한 칼럼 길이는 0.20 /단 4.4 10 단 0.88
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Plate Height Equation
단 높이 (plate height)는 크로마토그래피 띠의 분산에 비례한다.
van Deemter equation - 컬럼에서의 띠 퍼짐의 효과
A: multiple path,
B: longitudinal diffusion, C: equilibrium time
ux: linear flow rate
x x
u Cu A B
H
그림22-16 출처1
분리 효율
확산 (Diffusion)
- 띠 확장의 주요 요인은 확산임.
- 확산계수 (diffusion coeff.)는 높은 농도 영역에서 낮은 농도영역으로의 물질 이동의
속도의 척도임.18
그림22-11 출처1
A term, Multiple Flow Paths
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이론이 아직 확실치 않은 복합적 영향으로 발생
이전에는 A 항을 소용돌이 확산 (eddy diffusion)이라 불렀음
Multiple path의 영향 ; 입자가 작아지면 그 영향이 감소 함
그림22-20
다통로에 기인한 띠 퍼짐. 정지상 입자가 작을수록 이 문제는 덜 심각해진다.
출처1
B term , Longitudinal Diffusion
Dm:확산계수,
HD:세로확산에 의한 단높이
20 x
x m D
x m m
u B u
D H L
u L t D
D
2 2 2
2 2
Van Deemter식의 B/ 항을 일으키는 세로 확산 설명도. 용질은 농축된 띠 중심으로부터 계속 확산된다. 흐름 속도가 커지면 칼럼 내에서 머무르는 시간이 짧아지고, 세로 확산은 약해진다.
그림22-17
출처1
C term, Finite Equilibrium Time Between Phases
상 사이에서의 일정 평형시간 = mass transfer term (질량 이동항)
용질이 이동상과 고정상 사이에서 평형을 이루는 데 소요되는 시간으로 생기는 띠 넓어 짐 (mass transfer term)
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용질이 이동상과 정지상 사이에서
평형을 이루는 데 소요되는 일정 시간과 관련된 Van Deemter식의 C 항. 선형 흐름이 느리면 평형이 온전히
이루어지게 되어 띠퍼짐이 약화된다.
그림22-18
출처1
k': capacity factor
d: thickness of st. phase
Ds: diffusion coeff. of solute in st. phase
r: column radius
Dm: diffusion coeff. of solute in mob. phase
q: order unit (app. 1)
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x m
s x
er
masstransf
Cu C C u
H ( )
m m
s s
D r k
k C k
D d k
C k
2 2
2 2 2
) 1 ' ( 24
' 11 '
6 1
) 1 ' ( 3
' 2
온도증가로 분리도 유지하면서 분석시간 단축
출처1
온도를 30℃에서 100℃로 올릴 때 분석 시간이 단축되는 액체 크로마토그래피
그림22-19
Implications for Analytical and Preparative Separations
Analytical (분석용):
분리가 목적
, 얇은 정지상, 길고 가는 컬럼, 소량 시료
Preparative (정제용):
순수하게 성분을 확보
, 두꺼운 정지상, 굵은 컬럼, 대량 시료 (용리띠가 넓고 분리도
의 감소)
Compromise of chromatography (time, capacity, resolution)
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Resolution
Capacity Time
A Touch of Reality: Assymmetric Bandshapes
Gaussian shape : 분배계수 K(= Cs/Cm) 가 컬럼에 있는 용질의 농도와 무관할 때
일정온도에서 세 가지 isotherms 1. concave; overloaded, leading
(용질이 고정상의 역할을 한다.)
2. convex; small quantity of solute, tailing (적은 양만이 고정상에 강하게 머무름) 3. linear: ideal, Gaussian distribution
Tailing 현상: diatomite(GC의 고체지지체)의 silanol group이 극성용질과 강한 수소결합.
→ Silanization (trimethyl silylation, TMS)
24 흔히 볼 수 있는 등온선과 이로 인해 생기는 크로마토그래피 띠 모양
그림22-21
출처1
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symmetry AF=A/B =1
fronting AF < 1
tailing AF > 1
* 비대칭인자(assymetric factor, AF)
기준선으로부터 봉우리 높이의 10% 되는 점을 중심으로 왼쪽 봉우리 폭 B에 대한 오른쪽 봉우리 폭 A의 비
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
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