iznenaĐenja u ionskoj kromatografijienja u ionskoj... · novi sad 08.-11.09.2009. ... ionska...

IZNENAĐENJA U IONSKOJ KROMATOGRAFIJIKROMATOGRAFIJI

Štefica CERJAN Stefanović, Šime Ukić, Tomislav Bolanača

Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebug

Zavod za analitičku kemiju, Zagreb , Marulićev trg 20, [email protected]

WW2009Novi Sad 08.-11.09.2009

Plan predavanjaPlan predavanja

Karakteristične veličine u kromatografijig j MODELIRANJE KROMATOGRAFSKIH VELIČINA

1 1 M d l li j k i l 1.1.Model linearne jakosti otapala 1.2.Hooverov model 1.3.Model dvokompeticijskog eluensa 1.4.Model multikompeticijskog eluensa 1.5.Model Noviča i suradnika 1.6.Model krajnjih točaka 1.7.Kvantitativni odnosi strukture i vremena zadržavanja

analita 1.8.Model zagrebačke škole

Ionska kromatografija standardna litičk t h ikanalitička tehnika

Ionska kromatografija prihvaćena kao standardna analitička tehnika već duži niz godina (AOAC analitička tehnika već duži niz godina (AOAC, ASTM, ISO) njena popularnost i dalje raste. Osobito je omiljena za razdvajanje i analizu anorganskih aniona i kationa te organskih iona anorganskih aniona i kationa, te organskih iona malih dimenzija. Ona omogućava brzu analizu, obogaćenu sposobnošću simultanog određivanja velikog broja komponenti u poprilično različitim velikog broja komponenti, u poprilično različitim matricama

Otpad

PumpaElektrolitički

generatoreluensa

H2OUređaj za izdvajanje

plinova

InjektorSeparacijskapretkolona

i kolona

Konduktometrijskidetektor

Elektrolitičkisupresor

Slika 1. Shematski prikaz modernog ionskog kromatografskog sustavaSlika 1. Shematski prikaz modernog ionskog kromatografskog sustavap g g g gp g g g g

Svrha ionske kromatografijeSvrha ionske kromatografije

Glavna svrha ionske kromatografije jest razdvajanje komponenti, na čiju kvalitetu ponajviše utječu vrijeme

d ž j k t t i ši i jzadržavanja komponente u sustavu i širina zone njeneraspodjele Oni ovise o drugim uvjetima sustava, poput vrste nepokretne faze, sastava pokretne faze, protoka, temperature Određivanje optimalnih uvjeta p j p jkromatografskog razdvajanja korištenjem metode „pokušaja i pogrešaka“ obično zahtjeva iznimno mnogo vremena. Skraćivanja vremenskog perioda potrebnog za razvoj metode tijekom godina razvijani su mnogi modeli razvoj metode, tijekom godina razvijani su mnogi modeli predviđanjevremena zadržavanja

Predviđanja modelaPredviđanja modela

Bitno je istaknuti da sposobnost predviđanja modela raste s porastom njihove kompleksnosti čime raste i broj porastom njihove kompleksnosti, čime raste i broj parametara potreban za modeliranje. Stoga se u obzir mora uzeti znatno veći broj kalkulacija, pa je razvoj kompleksnijih opisa kromatografskog procesa osobit impuls dobio razvojem informatičkih znanosti u zadnjim dekadama dobio razvojem informatičkih znanosti u zadnjim dekadama 20-og stoljeća.

Najveći razlog relativno sporom razvoju teorije kromatografije leži u složenost samog kromatografskog

R j š j j i i i j d l d j j procesa. Razjašnjavanja i opisivanja modela razdvajanja često koriste raznorazna pojednostavljenja posljedica , jer ne postoje teorijski modeli, koji bi u potpunosti ispravno simulirao kromatografski proces, što se ovim radom

k š l ij šiti pokušalo riješiti

Reakcija anionske izmjeneReakcija anionske izmjene

Cl - + ROH RCl + OH - (1) E-nepok + A-pok A-nepok + E-pok

(2)-Ex-A

pok-E x

nepok-A

AK

( )

A: anion uzorka

nepok

Ex pok

A

E: anion izmjenjivača (protuion)

Donannova teorija membraneDonannova teorija membrane

a b veličina naboja iona A i Ba, b veličina naboja iona A i B,

KAB Bba)(

ba

KBA Acba)(

1

K

AAK

AAK

BB

d

b

b

baB

Acab

bBAc

)()()(1

1

ABba

)()(

KOEFICIJENTKOEFICIJENTRASPODJELERASPODJELE

AAK

BBK B

Acd)()(

RASPODJELE, RASPODJELE,

UtezniUtezniVolumniVolumni

Karakteristične veličine u kromatografijito mrtvo vrijeme vrijeme potrebno da pokretna

faza proteče kroz separacijski

sustav

Vrijeme zadržavanja i širina kromatografske krivulje

tR vrijeme zadržavanja vrijeme proteklo od injektiranja

uzorka do pojavljivanja njegovog

maksimuma na kraju

ij k tg j

Vremenski parametri koji su označeni na

separacijskog sustava

tR’ ukupno vrijeme

zadržavanja

vrijeme zadržavanja umanjeno

za mrtvo vrijeme

t d d d t j l i ši i k t f kVremenski parametri koji su označeni naslici karakteriziraju kromatogram, a njihovoznačenje je slijedeće:

t standardno odstupanje polovina širine kromatografska

krivulja u točki infleksije

w0,5 širina kromatografske

k i lj l i i

2 345j j j

krivulje na polovini

visine kromatografske

krivulje

2,345 t

w širina baze 4wb širina baze

kromatografske krivulje

4 t

KromatogramUkupno vrijeme zadržavanja (tms)

25 Ukupno vrijeme zadržavanja: t

20

25 Ukupno vrijeme zadržavanja: tmsMrtvo vrijeme: tmVrijeme zadržavanja: ts

µS

10

15 tms= tm + ts

selektivnost

5

tt

t tt t

s

s

ms m

ms m

2

1

2

1

Minute0 2 4 6 8 10

0

Faktor kapaciteta:k’= t /ttm tsk = ts/tm

monovalenti kation divalenti kationPolymer Polymer

SO3- SO3

- SO3- SO3

- SO3- SO3

- SO3-

H+ H+ H+ H+Na+ +Ca+H H

H+ H+ H+

H HNa Ca

+ +

Na + + H-R Na R + H + (3)Na + H R Na R + H (3)

(4)1

0tRt

0t0tRt

0tRtk'

(4)000

1.MODELIRANJE KROMATOGRAFSKIH VELIČINA

1.1.Model linearne jakosti otapala

Model linearne jakosti otapala (engl. linear j p ( gsolvent strength model; LSS model) prvi je i najjednostavniji teorijski model predviđanja vremena zadržavanja i u izvornom obliku izveden j k ti ij k l 15 O j d l je za monokompeticijske eluense15. Ovaj model, razvijen 1979. godine od strane Lloyda Snydera i suradnika14,17, temelji se na linearnoj ovisnosti logaritma faktora zadržavanja i logaritma logaritma faktora zadržavanja i logaritma koncentracije kompeticijskog iona u eluensu

Promotrimo ravnotežu procesa ionske izmjene dviju hipotetskih komponenti Am- i Ex-:dviju hipotetskih komponenti Am i Ex :

Promotrimo ravnotežu procesa ionske izmjene p jdviju hipotetskih komponenti Am- i Ex-:

Neka ion Am predstavlja ispitivanu

M S S MA E A Em x m xm mx x

Neka ion Am- predstavlja ispitivanu komponentu, dok je Ex- kompeticijski ion iz eluensa. Prema zakonu o djelovanju masa20

k t t t ž jih i kkonstanta ravnoteže procesa njihove ionske izmjene bila bi:

/S M

A/E /

A E

A E

m m x x

m m x x

c cK

c c

U ionskoj kromatografiji ova konstanta naziva se koeficijentom selektivnosti.

M SA Ec c

Uzimajući u obzir da se koncentracija j jkompeticijskih iona vezanih na ionski izmjenjivač kolone može smatrati konstantnom i jednakom omjeru kapaciteta proboja kolone QB iomjeru kapaciteta proboja kolone, QB, i nabojnog broja kompeticijskog iona, x, te uvrštavanjem jednadžbe u jednadžbu dobije se j j j jnovi izraz za faktor zadržavanja:

S BA A/E M

M

Em

mx x xV Qk K cV x

Logaritmiranjem izraz poprima sljedeći oblik:

S Blog log log log log ExV Qm mk K S BA A/E M

M

log log log log log ExQk K cV x x x

U izrazu koncentracija kompeticijskog iona uU izrazu koncentracija kompeticijskog iona u pokretnoj fazi jedini je promijenjivi dio, pa se stoga izraz može pojednostavljeno pisati:

Veličina C sumarna je konstanta sviju

A Mlog log E xmk C cx

j jkonstantnih segmenata jednadžbe .

S ciljem da se omogući primjena na polikomponentne eluense LSS model doživio je nekoliko modifikacija15.

1.2.Hooverov modelOvaj model predložio je 1982. godine T. B.

Hoove i za razliku od LSS modela primjenjiv je za polikomponentne eluense Model uzima uza polikomponentne eluense. Model uzima u obzir utjecaj svih komponenti eluensa na vrijeme zadržavanja. Za svaku komponentu eluensa eksperimentalno se određuje koeficijenteksperimentalno se određuje koeficijent selektivnosti odgovarajućeg ionsko izmjenjivačkog procesa

EmK

Konačnih verzija Hooverova modela ovisn je o

nabojnom broju analita m

1 S 1A/EA

M M 1

E

E

m

m

cKk

V c

nabojnom broju analita, m.

1.3.Model dvokompeticijskog eluensap j g Kao modifikaciju Hooverova modela, 1984.

godine Janke i Pagenkopf uvode model d k i ij k l ( l d l l tdvokompeticijskog eluensa (engl. dual eluent species model, DES). DES model pojednostavljuje Hooverov model utoliko štopojednostavljuje Hooverov model utoliko što reducira broj parametara koje je potrebno eksperimentalno odrediti sa tri na dva.Rješenje j d džb l ijednadžbe glasi:

2 1

2 2M 1 M 1 M 2 E /E B M 1E E 8 E E

Ec c c K Q c

c

2 1

S 1 2M 2 E /E

E4 E

cc K

Uvrštavanjem dobivenog izraza za Uvrštavanjem dobivenog izraza za koncentraciju iona vezanog na ionski izmjenjivač u izraz za prilagođeni faktor zadržavanja komponente A dobiju se varijacije konačnih verzija DES modela, t k đ i b j b j lit također ovisne o nabojnom broju analita, m.

1.4.Model multikompeticijskog eluensa

Do danas najkompleksniji od svih teorijskih modela uveli su Hajós i suradnici j j j j1995. godine16,27. Model se naziva modelom multikompeticijskog eluensa (engl. multiple species eluent/analyte model; MSEA) jer uzima u obzir interakcije svih tvari koje se nalaze u eluensu sa svim komponentama analita.U svakom sustavu u kojem se razdvajanje analita ispituje kroz široko pHU svakom sustavu u kojem se razdvajanje analita ispituje kroz široko pH područje, moguće su različite protonizacije komponenti analita. Samim time odnosi u ravnoteži ionske izmjene sustava postaju znatno kompleksniji, osobito ukoliko se upotrebljavaju i polikomponentni eluensi.

Promotrimo ravnotežu ionske izmjene jednog od iona j j guzorka kompeticijskim ionima eluensa. Neka je u promatranom sustavu eluens trokomponentna otopinasastavljena od iona . Kemijska jednadžba reakcije ionske j j j jizmjene odabranog iona Am- na nepokretnoj fazi opisana je izrazom a kapacitet nepokretne faze jednadžbom. Označimo udio ukupnog kapaciteta j p g pnepokretne faze koji zaposjedne pojedini kompeticijski ion sa X1, X2, odnosno X3:

Dobivena finalna verzija MSEA modela: Dobivena finalna verzija MSEA modela:

uk 1

21 2 1

A A/E 2

A...

4 E

mm p p pk K

V c K

2 1

1 1

2 1

M M 2 E /E

21 1 2 1

H A/E 2M M 2 E /E

4 E

H A ...

4 Em

m

V c K

p p pK

V c K

1.5.Kvantitativni odnosi strukture i vremena zadržavanja analita

QSRR (engl. quantitative structure-retention relationships)modeliranje bavi se kvantitativnim odnosima strukture tvari imodeliranje bavi se kvantitativnim odnosima strukture tvari i vremena zadržavanja. Ovakve modeli opisivali i primjenjivali su mnogi autori . Postupak modeliranja je sljedeći. Za odabrane strukturno definirane veličine provode se kromatografske analize smjese tvari pri predefiniranim uvjetima analize Na osnovusmjese tvari pri predefiniranim uvjetima analize. Na osnovu dobivenih podataka izvodi se općenita QSRR jednadžba, važeća za spomenute uvjete. Korištenjem jednadžbe, za promatrani sustav kolona/eluens mogu se predvidjeti vremena zadržavanja bilo koje strukturno definirane komponente Iako se QSRR pristupomstrukturno definirane komponente. Iako se QSRR pristupom dobivaju samo aproksimativna predviđanja, njegova pozitivna strana jest u tome što su na koloni koja je jednom okarakterizirana moguća predviđanja za svaki strukturno definirani analit.

1.6.Model krajnjih točaka

1.6.Model krajnjih točakaM d l k j jih č k ( d i t d l EP) i lili Model krajnjih točaka (eng. end points model, EP) osmislili su

Madden i Haddad 1998. godine26,27. Iako je model izveden na temelju LSS modela, modificiran je na takav način da se ne oslanja na teorijski izvedene vrijednosti nagiba izokratičnog modela već či t k i t l d đ ij d ti St j j šti ičisto na eksperimentalno određene vrijednosti. Stoga u svojoj suštini model krajnjih točaka nije teorijski već empirijski model.

EP je multikompeticijski model za čije je rješavanje eksperimentalnu domenu potrebno razdijeliti na dva područja; p p j p j ;područje visokih i područje niskih koncentracija eluensa. Za svako područje eksperimentalno je potrebno odrediti vremena zadržavanja komponenti analita u njegovim rubnim točkama.

Pretpostavimo da imamo dvokompeticijski eluens sastavljen od iona Pretpostavimo da imamo dvokompeticijski eluens sastavljen od iona i . Ovisnost faktora zadržavanja komponente o koncentraciji jednog od kompeticijskih iona, , u skladu sa LSS modelom , može se pisati kao:

A 1 1 1log log E xk C S c

gdje izraz opisuje ovisnost faktora zadržavanja

A 2 2 1log log E xk C S c

g j p j jpri višim C1, a izraz pri nižim koncentracijama kompeticijskog iona. Veličine C1, C2, S1 i S2predstavljaju konstante modelapredstavljaju konstante modela.

Uvažavajući sve do sada navedene postavkeUvažavajući sve do sada navedene postavke

konačna verzija EP modela može se pisati kao: A 1 2 1 2 3 4 1 2 1log E E E E log Ex y x y xk D D c c D D c c c A 1 2 1 2 3 4 1 2 1g g

1.7.Model Noviča i suradnika7

1.7.Model Noviča i suradnika7

S kl d iji d j č k k l i dj k Sukladno teoriji odsječaka kolona se i ovdje promatra kao cjelina sastavljena od niza zasebnih, jednako dugih segmenata (teorijskih odsječaka), unutar kojih dolazi do uspostavljanja ravnoteže ionske izmjene između analita i

k f k l N ki i k l nepokretne faze kolone. Neprekinuti protok eluensa prikazuje se pak nizom odvojenih procesa prijenosa tvari. Iznos svakog prijenosa eluensa ovisi o volumnom udjelu pokretne faze sadržanom u pojedinom odsječku kolone. S d l t lji č i t ž i k Sam model temelji se na proračunima ravnoteže ionske izmjene kako komponenti analita, tako i kompeticijskih iona unutar svakog od odsječaka, pa se tako za svaki prijenos eluensa rade proračuni ravnoteže u svim segmentima k l Z d bi j k č fil kolone. Za dobivanje konačnog profila vremena zadržavanja analita promatra se ravnoteža ionske izmjene u posljednjem segmentu kolone.

2 2M A/E M M A/E S B, A/E M S B,A 1 A 1 2 0z zz z

c K V c K V Q K V V Q rješavanjem koje se lako dolazi do ravnotežne

koncentracije analita u pokretnoj fazikoncentracije analita u pokretnoj fazi

2.MODELIRANJE OBLIKA KROMATOGRFSKE KRIVULJE

-zabrebački model Kromatografska krivulja može se opisati matematičkom

funkcijom koja uzima u obzir najmanje tri parametra pika: funkcijom koja uzima u obzir najmanje tri parametra pika: položaj pika, širinu njegove zone i njegovu asimetričnost28-33. Tri parametra zahtijevaju poznavanje najmanje triju točaka krivulje za njeno uspješno opisivanje.

Z b č d b j d b dZa potrebe proračuna odabrano je da to budu: vrijeme zadržavanja maksimuma kromatografske krivulje,

tR vrijeme zadržavanja na polovici visine kromatografske vrijeme zadržavanja na polovici visine kromatografske

krivulje s lijeve strane maksimuma,t 0,5L vrijeme zadržavanja na polovici visine kromatografske

krivulje s desne strane maksimuma, t0,5D

bA

Slika 3Slika 3. . Asimetrija kromatografskog pikaAsimetrija kromatografskog pika

SAa

Koje informacije “daje” kromatogram?

Faktor asimetrije As:

As= b/aAs = 1; Peak je simetričan

b As < 1; Peak ima uvlačenje

As > 1; Peak ima razvlačenje

ba

Broj teoretskih odsječaka

N= 5,54 x (ts x s)2, ( s )

s= b+a0,5 * h

tsh= visina

Površina pikaPovršina pika

Kao četvrti parametar dodana je površina pika,p j p p ,čime je dobivena poveznica s koncentracijom ispitivane tvari. Za parametar površine pretpostavlja se da ostaje konstantan neovisnopretpostavlja se da ostaje konstantan neovisno o uvjetima analize. Sva četiri potrebna parametra očitana su iz izokratičnih mjerenja. p j j

Zbog svoje jednostavnosti primjene, kao funkcija za opisivanje kromatografske krivulje odabrana j ć l i tičk f k ij čijije poopćena logistička funkcija čiji se diferencijalni oblik prikazuje jednadžbom:

A t 1

e

1 e

B

CA tB

Cf tB

Shema razdvajanja na kromatrografskoj Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pri gradijentnoj elucijikoloni pri gradijentnoj elucijikoloni pri gradijentnoj elucijikoloni pri gradijentnoj eluciji

100 60 su

80

100

40

50

60

iona

u e

luen

s

ora

40

60

20

30

40

mpe

ticijs

kog

i

odziv

det

ekto

0

20

0

10

0

entra

cija k

om

o

0 10 20 30 40 50 60 70 80

vrijeme / min

konc

Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pShema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pShema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pShema razdvajanja na kromatrografskoj koloni p

100 60 nsu

80

100

40

50

60

iona

u e

luen

ora

40

60

20

30

mpe

ticijs

kog

odziv

det

ekt

0

20

0

10

cent

racij

a kom

0 10 20 30 40 50 60 70 80

vrijeme / min

konc

Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pri gradijentnoj elucijipri gradijentnoj eluciji

100 60 nsu

60

80

40

50

g io

na u

elu

e

ktor

a

40

60

20

30

ompe

ticijs

kog

odziv

det

ek

0

20

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

ncen

tracij

a ko

0 10 20 30 40 50 60 70 80

vrijeme / min

kon

Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni Shema razdvajanja na kromatrografskoj koloni pri gradijentnoj elucijipri gradijentnoj eluciji

100 60 nsu

80

100

40

50

60

iona

u e

luen

ora

40

60

20

30

mpe

ticijs

kog

odziv

det

ekt

0

20

0

10

cent

racij

a kom

0 10 20 30 40 50 60 70 80

vrijeme / min

konc

t

komponenta 1 komponenta 2signal

vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj

nezadržanogsastojka

12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

Slika 2. Shema odziva kromatografske analize s najznačenim karakterističnim parametrimaSlika 2. Shema odziva kromatografske analize s najznačenim karakterističnim parametrima

2Rt

Za Gaussovu krivulju vrijedi:

b

0,5

4 2,355

ww

1) A.Braithwaite,F.J.Smith, Chromatographic Methods, 5th Ed., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1999.

t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

R 0R' t ttk

Faktor zadržavanja:Faktor zadržavanja:2Rt

0 0

kt t

t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

22 R 0R' t tt

Selektivnost:Selektivnost:2Rt

1 1R R 0't t t

t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

2 2

R R R' ' '5 54 16t t tN

Broj teoretskih odsječakaBroj teoretskih odsječaka(1)(1)::2Rt

R R R

0,5 b

5,54 16Nw w


t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

2Rt

2 1R Rt tR

RazlučivanjeRazlučivanje(1(1))::

S2 12

R


t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

2Rt

2 1R R1 18t t

R

RazlučivanjeRazlučivanje(1)(1)::

1 2

S0,5 0,5

1,18Rw w


t


vrijeme izlaska

2Rt

1Rtj


12

220 5w

0t

vrijeme

10,5 w

20,5w

vrijeme

1R't

't

1bw2bw

RazlučivanjeRazlučivanje(1(1))::

1 211 ' ; ' k kkR N k

2Rt

S ; 2 1 ' 1 2

R N kk

1) C.F. Poole, S.K. Poole, Chromatography today, Elsevier, New York, 1991.

RazlučivanjeRazlučivanje(1)(1)::

A B0 1 ; h hhR h


SV

0,1 ; 2

R hh

Eksperimentalni dioEksperimentalni dio

otopinaotopina

OPTIMIZACIJAOPTIMIZACIJA

Treba postići:

- zadovoljavajuće razdvajanje (RS > 1,5)(1)

- zadovoljavajuću asimetriju (0,9 ≤ AS ≤ 1,2)(2)

- što kraće trajanje analize- što veću osjetljivost metode- smanjenje granice kvantifikacije i detekcijesmanjenje granice kvantifikacije i detekcije

Mogućnost variranja:k l ( b f )- tipa kolone (izbor stacionarne faze)

- tipa eluensa- koncentracije kompeticijskih iona u eluensu- protoka eluensaprotoka eluensa- temperature- tipa detektora- količine injektiranog uzorka

1) C.F. Poole, S.K. Poole, Chromatography today, Elsevier, New York, 1991.2) J. Weiss, Handbook of Ion Chromatography, 3rd Ed., Wiley, Weinheim, 2004.

OPTIMIZACIJSKI PROCESOPTIMIZACIJSKI PROCES-

potrebno provesti niz eksperimenata

OPTIMIZACIJSKI PROCESOPTIMIZACIJSKI PROCES

-potrebno provesti niz eksperimenata- eksperimenti pod točno definiranim uvjetima

→ EKSPERIMENTALNI DIZAJN→ EKSPERIMENTALNI DIZAJN

- matematičkim izrazom opisati ovisnost vremena zadržavanja parametrima optimiranjaj p p j

- pronalazak odgovarajućeg modela glavni problem optimizacije

EKSPERIMENTALNI DIZAJNEKSPERIMENTALNI DIZAJN

dvije mogućnosti(1):

1 simultani dizajn ( simultaneous design)1. simultani dizajn ( simultaneous design)

2. dizajn unutar odgovarajuće sekvence (sequential design)( q g )

1) D.L. Massart, B.G.M. Vandeginste, L.M.C. Buydens, S. De Jong, P.J. Lewi, J. Smeyers-Verbeke, Handbook of Chemometrics and Qualimetrics: Part A, Elsevier, Amsterdam, 1997.

Problem OPTIMIZACIJE!!!Problem OPTIMIZACIJE!!!

1 SIMULTANI DIZAJN1. SIMULTANI DIZAJN

- velik broj eksperimenata unutar cijele domene rada

- opisivanje krivulje vremena zadržavanja odgovarajućim

čmatematičkim izrazom

- ekstrem izraza daje optimalne uvjete kromatografske analizekromatografske analize

Problem OPTIMIZACIJE!!!Problem OPTIMIZACIJE!!!Problem OPTIMIZACIJE!!!Problem OPTIMIZACIJE!!! 2.DIZAJN UNUTAR ODGOVARAJUĆE SEKVENCE

- mali broj eksperimenata unutar domene rada

- dobiveni rezultati usmjeravaju ka intervalu unutar j jkojeg bi se trebali nalaziti optimalni uvjeti analize(ciljano približavanje optimalni uvjetima)

- ponavljanje postupka unutar dobivenog intervalaponavljanje postupka unutar dobivenog intervala

11. .

11 M d l d iđ j d ž j dij l ijM d l d iđ j d ž j dij l ij11. . Model predviđanja vremena zadržavanja gradijentne elucijeModel predviđanja vremena zadržavanja gradijentne elucijena temelju izokratičnih podatakana temelju izokratičnih podataka

-

- potreban mali broj podataka (5-10, teoretski 2 dostatno)

- eksperimentalni podaci za gradijentnu retenciju potrebni samo zaprovjeru modela

Izokratični polinomni model:Izokratični polinomni model:

2

0 1 2log log logKOH KOHk a a c a c

--polinomna ovisnost k = polinomna ovisnost k = ff(c)(c)polinomna ovisnost k = polinomna ovisnost k = ff(c)(c)

-- adekvatna ili neadekvatna aproksimacija? adekvatna ili neadekvatna aproksimacija? →→unošenje sustavne pogreške (?)unošenje sustavne pogreške (?)

0 0,i 0,i 1 0,

i+1 ig 0 i

it I I It tt t t

0 0,i i,i 1

i+1 ig 0 i i,i+1

1t I It t k ct t t

k g 0 i 0 0,i i,i+1t t t t I k c

Razvoj gradijentnog modelaRazvoj gradijentnog modela(1)(1)::

g 0

0

t tk c

t

0 g 01t t t

k c

0 g 0 0 01

k c

t t t t tk c

g 0 g 0

0 0

0 00

1 1d dt t t t

t t

t t t tk c k c

g 0 dt t

tt

00

tk c t

1) T. Bolanča, Š. Cerjan1) T. Bolanča, Š. Cerjan--Stefanović, M. Luša, M. Rogošić, Š. Ukić, Stefanović, M. Luša, M. Rogošić, Š. Ukić, J. Chrom. AJ. Chrom. A 11211121 (2006) 228.(2006) 228.

t t

g 0

00

dt t

ttk c t

1 2 i i+1

0d d d d...

t t t tt t t ttk c t k c t k c t k c t

1 i-1 i0

1 2 1 i i 1 i+1 i

t t tk c t k c t k c t k c t

t t t t t t tt I I I

1 2 1 i i 1 i+1 i0 0,i i,i 1 0,i 1

0,1 1,2 i 1,i i,i+1

...t I I Ik k k k

i i+1i,i 1 2

k c t k c tk c

0 0,i 0,i 1 0,

i+1 ig 0 i

it I I It tt t t

I I

0 0,i i,i 1

i+1 ig 0 i i,i+1

1t I It t k ct t t

i it t t t I k c g 0 i 0 0,i i,i+1t t t t I k c

fI t

0 0,i 0,i 1 0,it I I I

0,i 1I

t

i+1 ig 0 i t tt t t

0,iI0t

0,i 1I

0t t i 1t i 1t it g 0t t i 1t i 1t it

Slika 4. Shematski prikaz postupka integracije pri proračunu vremena zadržavanja gradijentne elucijeSlika 4. Shematski prikaz postupka integracije pri proračunu vremena zadržavanja gradijentne elucije, t, tgg

5-10 izokratičnih eksperimenata1. Vrijeme zadržavanja5-10 izokratičnih eksperimenata(teoretski 2 dovoljna)

1. Vrijeme zadržavanja2. Lijeva širina pika (na 50% visine)3. Desna širina pika (na 50% visine)4. Površina kromatografskog pika5 (V id) ij5.(Void) prazno vrijeme

ULAZULAZ IZLAZIZLAZMatematički modelMatematički model

1. Vrijeme zadržavanjaj j2. Visina pika3. Širina pika (lijeva i desna na 50% visine)4. Faktor rezolucije5 Asimetrija pika (na 50% visine)5. Asimetrija pika (na 50% visine)6. Shematski prikaz kromatograma7. Optimalni uvjeti razdvajanja

EKSPERIMENTALNIEKSPERIMENTALNIEKSPERIMENTALNIEKSPERIMENTALNIDIODIO

Dionexov DX600 kromatografski sustav:

di (GS50)• gradientna pumpa (GS50)

• kromatografski modul (LC30)

• detektorski modul (ED50)( )

• pretkolone i kolone:

AG16 (4x50 mm), AS16 (4x250 mm)

AG19 (4x50 mm) AS19 (4x250 mm) AG19 (4x50 mm), AS19 (4x250 mm)

AG20 (4x50 mm), AS20 (4x250 mm)

• supresor ASRS – ULTRA II

• modul za generiranje eluensa (eluens = vodena otopina KOH)

• volumen injekcijske petlje → 25 Lvolumen injekcijske petlje → 25 L

software:o Chromeleon 6.40o MATLAB 7.0

PLAN RADA:

o ispitati mogućnosti predloženog matematičkog modela u ionskojkromatografiji:

primjenjivost modela za predviđanje vremena zadržavanjaprimjenjivost modela za predviđanje rezolucijeprimjenjivost modela za predviđanje asimetrije

o izvršena preliminarna ispitivanja na podacima analiza smjeseaniona na AS15(1)

o primjenjivost ispitati na trima različitim anionskim kolonama:AS16AS19AS20

o ispitati primjenjivost modela da na temelju izokratičnih analiza jedne odkolona predviđa vremena zadržavanja iona na novim do tada nekorištenimkolona predviđa vremena zadržavanja iona na novim, do tada nekorištenimkolonama istog tipa pri izokratičnim i gradijentnim uvjetima

1) T. Bolanča, Š. Cerjan-Stefanović, M. Luša, M. Rogošić, Š. Ukić, J. Chrom. A, 1121 (2006) 228.

KOLONA AS19:OTOPINA 1

o ispitano ponašanje vremena zadržavanja smjese 6 iona:2F-, ClO2

-, Cl-, ClO3-, NO3

- i SO42-

o pripravljene standardne otopine:otopina fluorida (30 ppm)otopina klorita (100 ppm)otopina klorida (60 ppm)otopina klorata (250 ppm)otopina nitrata (250 ppm)otopina sulfata (250 ppm)

Eksperimentalni uvjeti:Eksperimentalni uvjeti:

k l i k lk l i k l AS19 (4AS19 (4××250 ) i AG19 (4250 ) i AG19 (4××50 )50 )-- kolona i pretkolona kolona i pretkolona –– AS19 (4AS19 (4××250mm) i AG19 (4250mm) i AG19 (4××50mm)50mm)

-- protok 1,00 mL/minprotok 1,00 mL/minradna temperatura 35radna temperatura 35°°CC-- radna temperatura 35radna temperatura 35 CC

-- provedene isokratične elucije na 45 ekvidistantnihprovedene isokratične elucije na 45 ekvidistantnihkoncentracijskih točaka u intervalu od 5 do 80 mM KOHkoncentracijskih točaka u intervalu od 5 do 80 mM KOHkoncentracijskih točaka u intervalu od 5 do 80 mM KOHkoncentracijskih točaka u intervalu od 5 do 80 mM KOH

-- provedene gradijentne elucije pri 27 eksperimentalnih uvjeta (Slika 5.)provedene gradijentne elucije pri 27 eksperimentalnih uvjeta (Slika 5.)-- varirani:varirani:

1) koncentracija početka gradijenta1) koncentracija početka gradijenta2) vrijeme početka gradijenta2) vrijeme početka gradijenta3) nagib gradijenta3) nagib gradijenta

-- sva izokratična i gradijentna mjerenja rađena u tripletusva izokratična i gradijentna mjerenja rađena u tripletu-- u kalkulacijamau kalkulacijama rabljenarabljena srednja vrijednost triju mjerenjasrednja vrijednost triju mjerenja

n-1

M K

OH

×m

in(

c/

t) / m

Mna

gib

koncentracija eluensa

SlikaSlika 55. . Design gradijenog eksperimentiranja, “fullDesign gradijenog eksperimentiranja, “full--factorial” metodafactorial” metoda

vrijeme početka gradijenta / minj

na početku gradijenta / mM KOH

5 5

6

min Fluoridi

5

5.5en

ti / S

*m Kloriti

Kloridi

Klorati

NitratiSulfati

4

4.5

h ko

mpo

ne

Sulfati

3

3.5

anal

izira

nih

2

2.5

ne o

dziv

a a

0 10 20 30 40 50 60 70 801

1.5

Povr

šin

Slika 6. Ovisnost površine odziva iona pri izokratičnoj krom. analizi o koncentraciji KOH u eluensu

0 10 20 30 40 50 60 70 80Koncentracija KOH u eluensu / mM

15FLUORID

iso

10

ja /

%grad

5

greš

kaza

drža

vanj

0

elat

ivna

pog

a vr

emen

a z

10

-5Re

redv

iðan

ja

-15

-10 p

0 2 4 6 8 1015

Vrijeme zadržavanja / min

Slika 7. Relativne pogreške predviđanja vremena zadržavanja izokratičnog i gradijentnog modela: FLUORID

15KLORIT

iso

10

ja /

%grad

5

greš

kaza

drža

vanj

0

elat

ivna

pog

a vr

emen

a z

10

-5Re

redv

iðan

ja

-15

-10 p

0 5 10 1515


Slika 8. Relativne pogreške predviđanja vremena zadržavanja izokratičnog i gradijentnog modela: KLORIT

15KLORID

iso

10

ja /

%grad

5

greš

kaza

drža

vanj

0

elat

ivna

pog

a vr

emen

a z

10

-5Re

redv

iðan

ja

-15

-10 p

0 5 10 15 2015


Slika 9. Relativne pogreške predviđanja vremena zadržavanja izokratičnog i gradijentnog modela: KLORID

15NITRAT

iso

10

ja /

%grad

5

greš

kaza

drža

vanj

0

elat

ivna

pog

a vr

emen

a z

10

-5Re

redv

iðan

ja

-15

-10 p

0 5 10 15 20 25 30 3515


Slika 11. Relativne pogreške predviđanja vremena zadržavanja izokratičnog i gradijentnog modela: NITRAT

15SULFAT

iso

10

ja /

%grad

5

greš

kaza

drža

vanj

0

elat

ivna

pog

a vr

emen

a z

10

-5Re

redv

iðan

ja

-15

-10 p

0 50 100 150 20015


Slika 12. Relativne pogreške predviđanja vremena zadržavanja izokratičnog i gradijentnog modela: SULFAT

1.4

1.6

rija

F-

racexp 1.2

1.3

rija

ClO2-

racexp

0 5 10 15 20 25 300.8

1

1.2As

imet

r

0 5 10 15 20 25 300.9

1

1.1

Asim

etr

0 5 10 15 20 25 30Gradijentni uvjet br.


1.5

ja

Cl-

racexp

1.4

ja

ClO3-

racexp

0 5 10 15 20 25 300.5

1

Asim

etri

0 5 10 15 20 25 301

1.2

Asim

etri

j



2

a

NO3-

racexp

2

2.5a

SO42-

racexp

0 5 10 15 20 25 301

1.5

Asim

etrij

0 5 10 15 20 25 301

1.5

2As

imet

rij



Slika 13. Usporedba predviđene i mjerene asimetrije pri gradijentnoj eluciji

Zaključak primjene modeliranjaj p j j

U ovom radu razvijen je model predviđanja parametara gradijentno vođenih ionskih kromatografskih analiza na temelju izokratičnih eksperimentalnih podataka.p p

Provedena istraživanja pokazala su da se razvijeni model odlikuje više nego zadovoljavajućom sposobnošću predviđanja vremena zadržavanja kako pri izokratičnim tako i pri gradijentnim elucijamazadržavanja kako pri izokratičnim tako i pri gradijentnim elucijama, dočim se kvalitetno može upotrijebiti i za predviđanje razlučivanja i asimetrije kromatografskih krivulja. Mogućnost predviđanja kromatografskih parametara na svim istovrsnim kolonama rabeći univerzalno izrađen model vremena zadržavanja njegova je iznimnauniverzalno izrađen model vremena zadržavanja njegova je iznimna osobina. Sve ove karakteristike definitivno prezentiraju model u najboljem svijetlu, te ga ujedno nameću kao iznimno riješenje pri razvoju novih ionskih kromatografskih metoda.

Što želimo postići?p

Što želimo postići?

o uklanjanje nedostataka metode pokušaja i pogrešaka pri traženju

Što želimo postići?

o uklanjanje nedostataka metode pokušaja i pogrešaka pri traženjuo uklanjanje nedostataka metode pokušaja i pogrešaka pri traženju

optimalne metode separacije → ekonomski učinak:

ušteda vremena

o uklanjanje nedostataka metode pokušaja i pogrešaka pri traženju

optimalne metode separacije → ekonomski učinak:

ušteda vremena

ušteda kemikalija

o ukloniti sustavnu pogrešku unesenu izokratičnim modelom

ušteda kemikalija

o ukloniti sustavnu pogrešku unesenu izokratičnim modelom

ZAPAŽANJA:

o Ispitana je primjenjivost predloženog matematičkog o modela za predviđanje vremena zadržavanja niza otopinao I kolonao I kolona

o Predviđanje vremena zadržavanja izokratične i o gradijentne elucije

o Postojanje pogreške izokratičnog modela predviđanjaj j p g g p jo vremena zadržavanja na bazi polinomne ovisnosti o logaritma koncentracije eluensa i logaritma faktorao zadržavanjao zadržavanja

o Postojanje pogreške gradijentnog modela baziranog nao izokratičnim eksperimentalnim podacima

te se ponekad i preklapao s drugim pikovima

ZAPAŽANJA

o SO42- mijenjao mjesta u redosljedu eluiranja ovisno o

koncentraciji OH-,o rezultati preklopljenjih pikova dobiveni analizom otopina čistih

komponenti komponenti ne uzimaju se u obzir međusobne interakcije unošenje

pogreške

o pogreška gradijentnog modela sličnog ponašanja i raspona kao i pogreška izokratičnog modela →

SUSTAVNA POGREŠKA UNESENASUSTAVNA POGREŠKA UNESENAIZOKRATIČNIM MODELOM

Ukloniti !

Razvoj IC metode - ANNRazvoj IC metode ANN

Biološki neuron Umjetni neuronj

Treća međunarodna konferencija KOMPETENTNOST LABORATORIJ 2009.

14. - 17. listopada 2009.

CAVTAT- DUBROVNIK

www crolab hrwww.crolab.hr

Plenarna predavanjaPlenarna predavanja

J. Topić (IE) HRV. Krstelj (EFNDT) HRM. Golze (BAM) DI. Leito (UT) ET Muhić Šarac (PMF) BiHN Majcen (MIRS) SLD Vlašić(UT) ET. Muhić-Šarac (PMF) BiHN. Majcen (MIRS) SLD. Vlašić Pleše (MVPEI)

HRCROLAB-support to Competence of laboratories Quality infrastructure in the European Union – the Role of Q y p

EUROLAB and the Conformity Assessment Community Fostering measurement science education in Europe - the

Measurement Science in Chemistry consortium The best avaliable analytical techniques for metrology in The best avaliable analytical techniques for metrology in

ChemistryThe challenge of upgrading the national infrastructure with the actual needs of an EU member state

State of play of negotiations between Croatia and EU in Chapter 1: F t f d h i ti f t h i l l i l tiFree movement of goods – harmonisation of technical legislation

Okrugli stolovi i posteriOkrugli stolovi i posteri TEME: 1 Sustavi kvalitete laboratorija prema HRN EN ISO/IEC 17025 1. Sustavi kvalitete laboratorija prema HRN EN ISO/IEC 17025

(međulaboratorijska ispitivanja, referentni materijali, mjerna nesigurnost, slijedljivost do etalona)

Moderator: B. Bajzek-Brezak (HAA) 2. Tehničko zakonodavstvo u području industrijskih proizvoda i sloboda p j j p

kretanja roba (koordinacija unutarnjeg tržišta, tijela za ocjenu sukladnosti, akreditirani laboratoriji, priznavanje rezultata i implementacija direktiva)

Moderator: L. Čelar, M. Zečević (MINGORP) 3. Sigurnost predmeta opće uporabe (igračke, posuđe, kozmetika, detergenti)

Modetaror: predstavnik HZJZModetaror: predstavnik HZJZ 4. Rezultati ispitivanja u zaštiti okoliša (zrak, tlo, voda)

Moderator: predstavnik MZOPUG 5. Obrazovanje, istraživanja i razvoj laboratorija (cijeloživotno obrazovanje,

istraživačka iskustva kao sastavnice kompetentnosti laboratorija)p j )Moderator: D. Zvizdić (FSB)

POSTERSKA IZLAGANJA

Hvala i vidimo se u Cavtatu 14.-17.10.2009. Kompetentnost labo ato ijaKompetentnost laboratorija

iznenaĐenja u ionskoj kromatografijienja u ionskoj... · novi sad 08.-11.09.2009. ... ionska...

Documents