ХРОМАТОГРАФИЯ

Теоретические основы хроматографических методов

Хроматография - метод разделения, обнаружения и определения веществ, который основан на распределении разделяемых компонентов между двумя не смешивающимися фазами. Пробу вводят в подвижную фазу (ПФ) - жидкость, газ или сверхкритический флюид. Подвижная фаза движется относительно неподвижной фазы (НФ), находящейся на колонке или в плоском тонком слое.

По способу регистрации различают внутренние и внешние хроматограммы. Классификация хроматографических методов осуществляется по различным параметрам (см. рис. 4.1).

Классификация хроматографических методов анализа

Рис. 4.1. Классификация хроматографических методов анализа

Наиболее важными являются распределительный и адсорбционный механизмы разделения. Адсорбционная хроматография (газо-твердофазная, жидкостно-твердофазная хроматография) основана на взаимодействии молекул вещества с поверхностью НФ. В распределительной хроматографии (газо-жидкостная, жидкостно-жидкостная) НФ служит жидкость, иммобилизованная на твердом носителе.

Жидкостную хроматографию можно проводить в колоночном и в плоскостном вариантах, газовую - только в колоночном.

В элюативной хроматографии растворенную в подвижной фазе пробу помещают в колонку, через которую пропускают ПФ. В ходе процесса компоненты пробы распределяются между новыми порциями неподвижной и подвижной фазы - элюентом.

Для очистки пробы используют еще один способ - фронтальный. В этом случае раствор пробы непрерывно подают в колонку вплоть до ее насыщения, так называемого «проскока». Чем сильнее вещество контактирует с НФ, тем меньше его скорость движения и дольше время контакта.

В ходе процесса разделения происходит увеличение расстояния между зонами компонентов и расширение самих зон, данные явления снижают эффект разделения. Улучшить разделение компонентов можно за счет увеличения различия в скоростях движения зон и уменьшения ширины хроматографических пиков.

Хроматограмма - зависимость сигнала детектора от времени.

Хроматографические параметры. Коэффициент распределения - фундаментальная величина, характеризующая относительное сродство вещества к подвижной (индекс М) и неподвижной (индекс S) фазам. Другими словами это отношение равновесных концентраций вещества в неподвижной и подвижной фазах:

Время удерживания (tR), - время выхода вещества из колонки.

Первый пик (рис. 4.2), характеризующийся временем удерживания tM, принадлежит веществу, которое не удерживается.

Классическая хроматограмма. Первый пик с временем удерживания t соответствует компоненту, который не удерживается НФ

Рис. 4.2. Классическая хроматограмма. Первый пик с временем удерживания tM соответствует компоненту, который не удерживается НФ

«Мертвое» время - время от момента ввода неудерживаемого компонента до момента его детектирования.

Используя время удерживания можно выразить среднюю скорость движения разделяемого компонента и и скорость движения молекул подвижной фазы и как:

и

где L - длина колонки.

Или

Исправленное время удерживания: . Разность между общим временем удерживания и «мертвым».

Используя коэффициент распределения К, уравнение (4.4) можно записать в виде:

Отношение объемов фаз называют фазовым отношением.

Коэффициент емкости к' - характеристика удерживания вещества при заданных условиях эксперимента:

Подставив полученные выражения в уравнения (4.5 и 4.2), получим:

и

Отсюда, коэффициент емкости связан с исправленным временем удерживания:

Оптимальное значение к' находится в диапазоне от 1 до 5. При К < 1 - компоненты быстро вымываются и плохо разделяются. При ^>5 время хроматографического разделения увеличивается.

Коэффициент селективности (а) - характеристика степени разделения веществ А и В:

или

Из экспериментальных данных можно рассчитать коэффициент по уравнению:

Ширина хроматографического пика характеризует разделяющую способность колонки, т. е. ее эффективность. Классическая теория хроматографии описывает связь между эффективностью колонки и шириной пика.

Создатели классической теория хроматографии (Мартин и Синдж, Нобелевская премия 1952 г.) ввели понятия высоты, эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) и числа теоретических тарелок.

Условный участок колонки, в пределах которого устанавливается равновесие частиц между ПФ и НФ, называют теоретической тарелкой. При этом движение вещества вдоль колонки представляют как последовательный его перенос с одной теоретической тарелки на другую. Число теоретических тарелок N равно:

где Н - высота, эквивалентная теоретической тарелке. Она связана с дисперсией пика в колонке а2 и выражается в единицах времени (<т2) или длины (crl):

или

Чем выше эффективность колонки, тем лучше разрешение пиков.

Число теоретических тарелок рассчитывают из хроматограммы (рис. 4.3).

Оценка стандартного отклонения пика Gпо его ширине у основания W или по ширине Ьш на половине высоты h

Рис. 4.3. Оценка стандартного отклонения пика Gt по его ширине у основания W или по ширине Ьш на половине высоты h

Отсюда число теоретических тарелок равно

или

Расширение хроматографических пиков зависит от скорости процессов массопереноса (скорости движения ПФ), т. е. от кинетических параметров.

На рис. 4.4 показаны типичные зависимости ВЭТТ от линейной скорости подвижной фазы и (см/с). Как видно из рис. 4.4, минимум для жидкостной хроматографии лежит при меньших скоростях ПФ, в сравнении с газовой. Значение ВЭТТ в газовой хроматографии также значительно больше. Однако в жидкостной хроматографии применяют более короткие колонки (не более 25-50 см), чем в газовой (до 50 м), поэтому числа теоретических тарелок в обоих методах оказываются сопоставимыми. Уравнение Ван-Деемтера описывает зависимость Н от и :

где константа А характеризует вихревую диффузию; В - молекулярную (продольную) диффузию; С - сопротивление массопереносу.

Более точная зависимость Н от и описывается уравнением:

Рис. 4.4. Зависимость высоты, эквивалентной теоретической тарелке Н,

от линейной скорости подвижной фазы и для жидкостной (а) и газовой (б) хроматографии

Константы В, См и Cs характеризуют молекулярную диффузию и сопротивление массопереносу в ПФ и НФ (рис. 4.5).

Вклад членов, характеризующих диффузию В/и и массоперенос Сл1и , Cu в величину ВЭТТН

Рис. 4.5. Вклад членов, характеризующих диффузию В/и и массоперенос Смл1и , Csu в величину ВЭТТН

Слагаемое с коэффициентом В не зависит от размеров частиц НФ, пропорционально коэффициенту диффузии молекул вещества в ПФ, с уменьшением его молярной массы возрастает. В табл. 4.1 и 4.2 представлены величины и факторы, оказывающие влияние на эффективность колонки.

При хроматографическом разделении стремятся достичь высокой эффективности при малой продолжительности анализа.

Таблица 4.1

Основные величины, влияющие на эффективность колонки

Величина

Обозначение

Размерность

Линейная скорость потока

и

см-с”1

Коэффициент диффузии в подвижной фазе

Dm

cmV1

Коэффициент диффузии в неподвижной фазе

Ds

cm2*c_1

Размер частиц наполнителя колонки

dp

CM

Толщина слоя неподвижной жидкой фазы

df

CM

Характерное время десорбции компонента

td

c

Внутренний диаметр колонки

dc

CM

Таблица 4.2

Вклад отдельных кинетических факторов в величину размывания пика

Фактор

Член в выражении (4.19)

Молекулярная диффузия

Массоперенос в жидкой неподвижной фазе

Массоперенос в твердой неподвижной фазе

Массоперенос в подвижной фазе

kD,q- константы, /- некоторая функция.

Фактор разрешения Rs - обобщающий параметр, который характеризует степень разделения. Для пиков веществ А и В (см. рис. 4.6) его определяют:

при WA ~ WB= W.

Формулу (4.20) можно представить в виде:

Если то

Число теоретических тарелок, необходимых для обеспечения требуемого разрешения, вычисляют: Хроматограмма смеси веществ А и В

Рис. 4.6. Хроматограмма смеси веществ А и В.

Разрешение пиков Rs может быть рассчитано из данных, приведенных на рисунке, по уравнению (4.20)

Для пиков одинаковой высоты и симметричной формы Rs = 1 (называемое 4сг-разрешением).

Положение зоны при внутреннем способе регистрации и время удерживания при внешнем несут информацию о природе вещества. Для идентификации следует применять относительные характеристики удерживания, которые рассчитывают на основе внутреннего стандарта.

Необходимо помнить, что при выполнении качественного анализа максимальное число хроматографических пиков, разрешенных до базовой линии, ограничено. В элюативной хроматографии максимальное число разрешенных пиков п оценивают формуле:

где t и tnR - времена удерживания первого и последнего компонента, вымываемого из колонки.

Типичные максимальные числа разрешенных пиков приведены в табл. 4.3.

Значения максимального числа разрешенных никое для различных вариантов хроматографии (согласно Гиддингсу)

Таблица 4.3

Число теоретических тарелок N

Максимальное число пиков п

гель

газовая

жидкостная

100

3

11

7

400

5

21

13

1000

7

33

20

2500

11

51

31

10 000

21

101

61

В колоночной хроматографии информацию о количестве вещества содержит высота или площадь пика. В плоскостной хроматографии (при внутреннем способе регистрации) содержания вещества можно оценить по интенсивности окраски зоны (пятна) компонента. Все хроматографические методы требуют градуировки с использованием образцов сравнения (стандартов). Применяют как внешние, так и внутренние стандарты.

Площадь под пиком оценивают как произведение его высоты h на ширину половины высоты Ъу2 (рис. 4.3). Сейчас для измерения площадей пиков используют программное обеспечение.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >