ТеорИмба

VR = F · TR

где F – объемная скорость подвижной фазы, то часто для характеристики положения пика на хроматограмме используют именно объем удерживания, а не его время.

Фактор удерживания (k) показывает во сколько раз дольше вещество пребывает в неподвижной фазе, чем в подвижной. Фактор удерживания определяется следующим выражением:

k = (VR – Vm) / Vm = (TR – Tm) / Tm

Условия хроматографирования стараются подбирать таким образом, чтобы фактор удерживания k лежал в интервале значений от 1,5 до 4.

Степень размывания хроматографического пика определяет эффективность колонки. Чем выше эффективность колонки, тем уже на выходе из нее получается пик, и тем большее число различных компонентов можно разделить на ней за меньшее время. Количественно эффективность колонки может быть выражена числом теоретических тарелок N. Хроматографическую колонку представляют как ряд дискретных, соприкасающихся горизонтальных слоев, на которых мгновенно устанавливается равновесие между неподвижной и подвижной фазами, и акт сорбции-десорбции вещества повторяется многократно на каждом слое. Высота такого слоя носит название – высоты, эквивалентной теоретической тарелке – обозначается через H. Высота и число теоретических тарелок связаны соотношение:

H = L/N,

где L - длина колонки.

Чем меньше H, тем эффективнее разделение компонентов анализируемой смеси, так как с уменьшением высоты тарелки увеличивается количество теоретических тарелок (длина колонки величина постоянная) и тем большее число раз устанавливается равновесие между фазами. Число теоретических тарелок рассчитывается на основании экспериментальных данных по следующей формуле:

N = (VR/σ)2 = const ≈ 5.54(VR/w)2 ≈ 16(VR/W)2

где W – ширина хроматографического пика у основания.

Также важным параметром хроматографического пика является его асимметрия. Как было сказано выше, в идеальных условиях пик представляет

5

собой Гауссову кривую, то есть симметричен. На практике подбором условий хроматографирования стремятся получить симметричный пик, но не всегда это удается. Асимметрия ухудшает эффективность разделения. Она оценивается относительно полуширины пиков на половине или на 1/10 высоты пика. Асимметрия пиков появляются при разделении на сорбентах, когда концентрация разделяемых соединений соответствует нелинейным участкам изотермы сорбции.

Изотерма сорбции - это графическая зависимость концентрации вещества (а) в неподвижной фазе от его концентрации (с) в подвижной при постоянной температуре (рисунок 3). Угол наклона изотермы сорбции определяет коэффициент распределения вещества между фазами.

Рис. 3. Виды изотермы сорбции и размывание пика, связанное с их видом. а) линейная (изотерма Генри), б) выпуклая (изотерма Лэнгмюра), в) вогнутая.

В случае линейной изотермы сорбции (рисунок 3а) коэффициент распределения между фазами постоянен во всем диапазоне концентраций. Вследствие этого, размывание хроматографического пика связанное с явлением распределения вещества между фазами наблюдаться не будет. В случае выпуклой изотермы (рис 3 б) с повышением концентрации вещества в подвижной фазе коэффициент распределения, а/с уменьшается, вследствие чего скорость продвижения участков с большей концентрацией возрастает. Это приводит к

размыванию дальнего фронта. Если же изотерма сорбции вогнутая (рисунок 3в), то 6

наоборот, скорость продвижения зон с большей концентрацией будет меньше, в результате происходит размывание ближнего фронта пика.

Величины, характеризующие разделение хроматографических пиков

На практике разницу во временах или объемах удерживания двух соседних пиков на хроматограмме характеризуют фактором разделения или селективностью:

α1,2=k2 / k1

Численное значение α всегда больше единицы. Однако α не описывает действительного разделения двух хроматографических пиков. Существуют два параметра – это расстояние между пиками и их ширина. Они определяют, полностью ли разрешены (разделены) два хроматографических пика. Расстояние между пиками выражается как разность времен (объемов) удерживания (ΔТR), а ширина пика у его основания W определяется как расстояние между касательными к направляющим пиков. Разрешаюшая способность (Rs) определяется следующим выражением:

Разрешение равно единице, если расстояние между двумя пиками равно средней ширине пика. При RS > 1 пики должны быть разрешены. Однако полное разрешение может и не достигаться, если велика ширина пика у основания, т. е. велики размывающие эффекты. Степень размывания пика определяет эффективность колонки.

Суммарное влияние основных параметров хроматографической колонки (эффективности, селективности и коэффициентов удерживания) на разрешение хроматографических пиков описывается уравнением:

Эффективность колонки в целом характеризует такой параметр, как пиковая емкость. Она показывает, какое количество веществ могут быть на ней разделены с заданной эффективностью и разрешением.

7

Эффективность разделения и факторы, влияющие на нее

Разделяемая смесь вводится в колонку в виде узкого импульса и его объемом по сравнению с объемом колонки можно пренебречь. По мере перемещения частиц разделяемых компонентов с потоком подвижной фазы импульс постепенно расширяется, при этом концентрация разделяемых веществ в нем уменьшается. Главная причина данного процесса кроется в том, что скорость перемещения по колонке отдельных молекул отличается от средней скорости, характерной для данного соединения. В хроматографии размывание пиков крайне нежелательно так, как может привести к частичному перекрыванию зон разделяемых соединений, и к снижению чувствительности анализа, вследствие снижения концентрации в центре пика.

Эффективность разделения определяется рядом частных процессов:

1) Неоднородностью потока подвижной фазы. Она определяется неоднородностью набивки колонки приводящему к разным сопротивлениям потоку, а, следовательно, и к разным скоростям его продвижения в сечение колонки. Плотность набивки около стенок колонки всегда меньше чем в центре. Чем мельче частицы сорбента, тем ближе друг к другу длина пути молекул подвижной фазы, меньше разница времени проходящих через колонку молекул одной зоны, а, следовательно, меньше размывание зоны. Однако высота теоретической тарелки не меняется с изменением скорости потока, проходящего через колонку, и определяется только свойствами неподвижной фазы.

H = const

2) Молекулярной диффузией в подвижной и неподвижной фазе. Чем больше скорость потока, тем меньше размывание из-за этой причины, то есть высота тарелки обратнопропорциональна скорости потока (U).

H ~ 1/U

3) Скоростью массообмена. Задержка массообмена с поверхностью адсорбента, из-за медленности процессов адсорбции-десорбции является так же причиной размывания хроматографических полос. Задержка при адсорбции приводит к продвижению вещества вперед (размыванию переднего фронта), а задержка процесса десорбции к размыванию заднего фронта. В случае отличия скоростей адсорбции и десорбции, такое размывание может быть

8

несимметричным. Чем больше скорость потока, тем больше размывание из-за этой причины. Высота теоретической тарелки в данном случае будет прямо пропорциональна скорости потока.

H ~ U

Учитывая три этих фактора, получаем следующее выражение для высоты теоретической тарелки, так называемое уравнение Ван-Деемтера:

H = A+ B/U + C·U,

где А – коэффициент, характеризующий вклад неоднородности потока подвижной фазы, В – коэффициент, характеризующий вклад слагаемых диффузного характера, С – коэффициент, характеризующий вклад кинетики массообмена. Графически эта зависимость приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Графическое изображение уравнения Ван-Деемтера, показывающее связь эффективности разделения от скорости потока.

Из рисунка 4 видно, что существует некая оптимальная скорость потока, при которой высота теоретической тарелки будет минимальна, а, следовательно, эффективность разделения будет максимальной.

Газовая хроматография

Газовая хроматография – метод разделения летучих, термостабильных соединений. Подвижной фазой в данном методе служит инертный газ (газноситель), проходящий через неподвижную фазу. В качестве подвижной фазы чаще всего используется водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Наиболее

9

часто используют азот, как более доступный и дешевый. Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых компонентов по хроматографической колонке и не должен при этом взаимодействовать как с компонентами разделяемой смеси, так

ис неподвижной фазой.

Вкачестве достоинств газовой хроматографии можно выделить следующее:

– возможность определения с высокой точностью малых количеств как

газов, так и органических соединений;

–вариативность условий разделения;

–относительная быстрота анализа;

–широкий выбор неподвижных фаз;

–возможность превращения нелетучих веществ в летучие с помощью деревотизации (реакционная газовая хроматография);

Вгазовой хроматографии используют насадочные, капиллярные и поликапиллярные колонки, их сравнение показано в таблице 1.

Таблица 1. Различные типы колонок для газовой хроматографии.

Различают два варианта метода газовой хроматографии: газоадсорбционная, в случае которой неподвижной фазой служит твердый носитель, и газо-жидкостную хроматографию, в которой неподвижной фазой выступает вязкая, нелетучая жидкость, нанесенная на инертный носитель.

Газо-адсорбционная хроматография

Газо-адсорбционная хроматография - метод анализа смесей газов и легколетучих веществ. Принцип разделения основан на величине адсорбции разделяемых компонентов смеси на поверхности твердого носителя (адсорбента). Адсорбция может быть обусловлена взаимодействиями различной природы и зависит от свойств адсорбента и сорбата. Чаще всего в качестве неподвижной фазы

используют пористые носители, обладающие химической и термической 10

стабильностью, при этом поверхность адсорбента должна быть однородной с равномерным распределением пор по размеру.

Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические) и модифицированные. Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых полимеров стирола и дивинилбензола. Совместной полимеризацией стирола и дивинилбензола удается синтезировать сорбенты с заданными свойствами и очень чистой поверхностью. Это гидрофобные сорбенты, слабо удерживающие полярные молекулы, содержащие гидроксиили аминогруппы.

Среди неорганических сорбентов широкое применение находят полярные неорганические соединения на основе двуокиси кремния. Особый интерес для газоадсорбционной хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных сит (Mn2O•Al2O3•xSiO2•yH2O), служащих для разделения различных газовых смесей.

Применение газо-адсорбционной хроматографии

Данный метод чаще всего применяют для оценки содержания в атмосферном воздухе хлора, кислорода, метана, окиси углерода, углекислого газа, водорода, оксидов азота, диоксида серы, сероводорода и сероуглерода. С помощью описываемого метода возможно достижение весьма низких пределов обнаружения анализируемых соединений. Помимо этого, область применения данного метода также включает в себя анализ выхлопных газов двигателей и оценку загрязнения атмосферы выхлопными газами, а также определение углеводородов С1-С4. Возможно определение в воздухе токсичных и реакционноспособных соединений, как, например, Н2S, SO2 и меркаптанов.

Газо-жидкостная хроматография

Несмотря на достоинства предыдущего метода, практическое применение чаще находит газо-жидкостная хроматография. В данном методе разделение компонентов пробы достигается за счет многократного повторения процессов распределения между движущейся газовой и неподвижной жидкой фазами. Время удерживания компонентов зависит от их летучести и способности растворяться в стационарной жидкой фазе. Наименьшее время удержания будут иметь компоненты с низкой растворимостью в жидкой фазе и наибольшей летучестью при данной температуре.

11

Неподвижная жидкая фаза наносится на поверхность носителя, в качестве которого используется адсорбенты с поверхностью 0,5-3,0 м2/г и с размером пор (0,5-1,5)*10-3 мм. Наиболее часто используют диатомитовые носители, стеклянные шарики, силикагель и политетрафторэтилен. Неподвижные фазы, так же как и носитель фазы должны быть химически и термически стабильны, смачивать носитель и наноситься на его поверхность равномерной пленкой. Синтезировано более тысячи неподвижных жидких фаз, достаточно часто используется около сотни из них. По химическому составу неподвижные фазы делят на следующие классы:

•Углеводороды (тяжелокипящие предельные углеводороды, смеси предельных и непредельных углеводородов, ароматические углеводороды);

•Силоксаны с радикалами различной полярности (полярными, среднеполярными и неполярными);

•Сложные и простые эфиры, полиэфиры, полигликоли;

•Фталаты и фосфаты.

Выбор неподвижной фазы зависит от полярности разделяемых соединений и

от их способности образовывать водородные связи. Для разделения полярных сорбатов необходимы полярные неподвижные фазы и. наоборот, для разделения неполярных – неполярные.

В газо-жидкостной хроматографии разница в удерживании определяется как неспецифическими, так и специфическими взаимодействиями. Неполярные соединения обычно разделяются в соответствии с температурами их кипения. В случае неполярной неподвижной фазы полярные соединения удерживаются существенно меньше, чем неполярные, кипящие при той же температуре. По мере увеличения полярности неподвижной фазы, время удерживания полярных соединений увеличивается, и наоборот.

Применение газо-жидкостной хроматографии

Наиболее важными классами определяемых соединений являются нефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды, хлорированные углеводороды, амины и пестициды.

Капиллярная газовая хроматография

12

Широкое многообразие используемых жидких неподвижных фаз определяет успех разделения большого количества соединений различной природы. Однако изменение природы неподвижной фазы не способно иногда позволить решить задачу разделения веществ, обладающих близкой химической природой. Чтобы увеличить эффективность разделения, как вы помните, нужно, увеличить число теоретических тарелок. Этим требованиям отвечают капиллярные колонки, имеющие длину до 100 метров. В них пленка неподвижной фазы наносится на внутреннюю поверхность капилляра.

Капиллярные колонки могут быть подразделены на несколько типов:

1.Капиллярные колонки с пленкой жидкой неподвижной фазой (тонкая пленка неподвижной фазы нанесена непосредственно на внутреннюю поверхность колонки, толщина пленки 0,01-1 мкм);

2.Капиллярные колонки с пористым слоем, пропитанным жидкой фазой (на внутренних стенках расположен слой носителя, несущего неподвижную фазу, толщина пленки 1 - 5 мкм);

3.Капиллярные колонки с твердым носителем (на внутренних стенках напылен слой твердого носителя, толщина пленки 10 мкм);

4.Капиллярные колонки с химически привитой неподвижной фазой.

Применение капиллярной хроматографии

Данный метод дает возможность разделять вещества, отличающиеся на 2-3 единицы молекулярной массы, проводить контроль качества продуктов питания, на содержания в них вредных веществ, например, пестицидов, определять состав душистых веществ и контролировать ход реакции или чистоту конечного продукта реакции. Напомню, что применимость метода ограничивается термической стабильностью и летучестью анализируемых веществ. В случае если необходимо проанализировать вещества, не обладающие этими свойствами. используют

реакционную газовую хроматографю (РГХ). В (РГХ) применяют направленные химические превращения нелетучих соединений в летучие, а также неустойчивых в устойчивые. Используется несколько вариантов РГХ:

•химическое образование производных;

13