Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Плоскостная жидкостная распределительная хроматография


 

Одним из решающих факторов, определяющих поведение веществ при распределительной хроматографии, является коэффициент распреде-ления Kр в данной системе фаз. Для некоторого вещества и определенной системы фаз Kр есть величина постоянная, не зависящая от концентрации вещества. Расчет величины Kр проводят по формуле (3.5).

Различие в коэффициентах распределения компонентов разделяемой смеси между двумя несмешивающимися жидкостями положено в основу хроматографического разделения и анализа. Такой вид хроматографии называется жидкостно-жидкостной распределительной хроматографией (ЖЖРХ). В зависимости от природы твердого носителя, жидкой неподвиж-ной фазы и способа проведения эксперимента ЖЖРХ делят на бумажную, тонкослойную и колоночную (см. табл. 3.1).

Различают три вида распределительной хроматографии: одномерную, двухмерную и трехмерную. Первые два вида относятся к бумажной и тонкослойной хроматографии, тогда как хроматограммы третьего вида получают на колонке.

 

3.4.1. Бумажная распределительная хроматография

Хроматография на бумаге применяется для разделения микроколи-честв смеси веществ. Метод приобрел огромное значение в исследовании белков, углеводов, жиров и многих других биологически активных и природных соединений.

В качестве носителя неподвижной жидкой фазы в бумажной хрома-тографии применяется специальная фильтровальная бумага, способная удерживать в своих порах значительные количества жидкости, являю-щейся неподвижной фазой. Неподвижной фазой обычно служит вода. Подвижной фазой является органический растворитель или смесь органи-ческих жидкостей и воды в разных соотношениях. Подвижная и неподвиж-ная фазы не должны смешиваться.

Для водорастворимых веществ в качестве подвижной фазы применя-ются органические растворители, насыщенные водой, которая служит неподвижной фазой. Нерастворимые в воде вещества должны хроматогра-фироваться водными растворами органических веществ; неподвижной фазой в этом случае должны быть неполярные органические соединения.

В бумажной хроматографии в одних случаях встречаются признаки распределительного механизма, в других – адсорбционного, однако подав-ляющее большинство случаев хроматографирования на бумаге основы-вается на принципе распределительной хроматографии.

Одномерная и двухмерная бумажные хроматографии могут выпол-няться в двух вариантах: в восходящем и нисходящем потоке растворителя. В настоящее время известна еще и горизонтальная, или радиальная, хроматография.

С помощью одномерных хроматограмм не всегда удается разделить сложные смеси веществ – в одной зоне может оказаться более одного компонента. В этом случае используют двухмерную хроматографию.

Качественный анализ хроматограммы, т.е. идентификацию разделя-емых веществ, проводят несколькими способами. Наиболее простой – способ «свидетелей» – заключается в том, что если параллельно с каплей анализируемой смеси на полоску бумаги нанести каплю смеси, содержа-щей известные вещества, то после проявления хроматограммы можно, сравнивая положения пятен компонентов анализируемой смеси с положе-ниями пятен известных соединений, идентифицировать неизвестные ве-щества. Недостатком метода является его громоздкость, необходимость каждый раз наносить и хроматографировать искусственно приготовлен-ную смесь известных веществ.

Другим методом идентификации является определение степени удерживания (коэффициента подвижности) Rf (ratio – отношение, f – фронт) и сравнение полученных значений Rf со значениями Rf для контрольной смеси. Коэффициент подвижности представляет собой отно-шение скорости движения зоны компонента к скорости движения фронта подвижной фазы.

Величина Rf может быть определена экспериментально (рис. 3.3). На хроматограмме измеряют расстояние l от линии старта смеси веществ до центра пятен и расстояние от линии старта до линии финиша раствори-теля – L. Величину Rf рассчитывают по формуле:

Rf = Vi / VE = (li / t) / (L / t) = li / L, (3.7)

где Vi = li / t и VE = L / t –соответственно скорости перемещения i-го компонента и растворителя Е; li и L – путь, пройденный i-м компонентом и растворителем соответственно; t – время, необходимое для перемещения растворителя от линии старта до линии фронта растворителя. Расстояния li отсчитывают от линии старта до центра пятна соответствующего компонента.

Рис. 3.3. Схема разделения компонентов А и В

методом бумажной распределительной хроматографии

 

Обычно коэффициент подвижности лежит в пределах от 0 до 1. Оптимальное значение составляет 0,3 – 0,7. Условия хроматографирования подбирают так, что величина Rf отличалась и от нуля, и от единицы.

Коэффициент подвижности является важной характеристикой систе-мы «сорбент – сорбат». Для воспроизводимых и строго постоянных усло-вий хроматографирования величина Rf постоянна.

Коэффициент подвижности Rf зависит от целого ряда факторов: при-роды и качества растворителя, его чистоты; природы и качества сорбента, толщины его слоя; активности сорбента (содержания в нем влаги); техники эксперимента (массы образца, длины L пробега растворителя); навыка экспериментатора и т.д. Постоянство воспроизведения всех параметров на практике иногда бывает затруднительным. Для нивелирования влияния условий проведения процесса вводят относительный коэффициент подвижности:

RS = l / lст = Rf / Rf (ст),

где Rf = l / L; Rf (ст)= lст / L; lст – расстояние от линии старта до центра пятна стандарта (см. рис. 3.3).

Относительный коэффициент подвижности RS является более объек-тивной характеристикой подвижности вещества, чем коэффициент подвижности Rf.

В качестве стандарта часто выбирают такое вещество, для которого в данных условиях Rf ≈ 0,5. По химической природе стандарт выбирается близким к разделяемым веществам. С применением стандарта величина RS обычно лежит в пределах 0,1 – 10, оптимальные пределы – от 0,5 до 2.

Для характеристики разделения двух компонентов А и В в данных условиях вводят степень (критерий) разделения:

(3.8)

где ∆l – расстояние между центрами пятен компонентов А и В; а(А) и а(В) – соответственно диаметры пятен А и В на хроматограмме (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема определения степени разделения R(A/B)

компонентов А и В

 

Чем больше величина R(A/B), тем четче разделяются пятна компо-нентов А и В на хроматограмме.

Для оценки селективности разделения двух веществ А и В исполь-зуют коэффициент разделения:

α = lB / lA. (3.9)

Если α = 1, то компоненты А и В не разделяются.

Бумажная хроматография позволяет проводить не только качественный, но и количественный анализ. На специальных приборах по интенсивности окраски пятен на бумаге можно судить о том, какова кон-центрация исследуемого вещества в анализируемой смеси.

3.4.2. Тонкослойная хроматография

Метод тонкослойной хроматографии (ТСХ) объединяет в себе ряд достоинств хроматографии на бумаге и адсорбционной хроматографии. В методе ТСХ твердая (неподвижная) фаза (силикагель, оксид алюминия, целлюлоза) наносится на подложку – пластинку из алюминиевой фольги, стекла, полиэфирной пленки. Анализируемая жидкая проба помещается на расстоянии 2 – 3 см от края пластинки, которая погружается в раство-ритель (подвижная фаза). Растворитель под действием капиллярных сил движется вдоль слоя сорбента и с разной скоростью переносит компоненты смеси, разделяя их. Сорбционные свойства системы в ТСХ также характеризуются подвижностью Rf, которая рассчитывается по формуле (3.7).

Выбор растворителя зависит от свойств анализируемых веществ и природы сорбента. Чаще всего применяют такие универсальные раствори-тели, как петролейный эфир, бензол, этиловый и другие спирты, диэтило-вый эфир, этилацетат, вода, а иногда также смеси из двух или трех компо-нентов. При анализе неорганических ионов в качестве растворителей могут применяться буферные растворы.

ТСХ выполняется как восходящая, нисходящая и горизонтальная хроматография. В первых двух случаях компоненты смеси после хромато-графирования располагаются в виде отдельных пятен; в последнем случае – в виде концентрических колец. Если разделяемые компоненты не имеют окраски, то зоны на хроматограмме проявляют химическим или физичес-ким способом. При химическом способе пластинку обрабатывают раство-ром реактива, который с компонентом смеси образует окрашенное соеди-нение. Физический способ проявления основан на том, что некоторые вещества способны флуоресцировать под действием ультрафиолетового облучения.

Для качественной идентификации веществ наиболее надежным способом является метод «свидетелей»: на стартовую площадку рядом с пробой наносят индивидуальные соединения, соответствующие предпола-гаемым компонентам смеси. Совпадение Rf компонента пробы и свидетеля является убедительным основанием для отождествления веществ.

Для количественного определения содержания компонентов в смеси возможны два варианта: анализ непосредственно на пластинке и после удаления вещества с пластинки. Наиболее точным является метод, когда определяемое вещество после разделение удаляется с пластинки (чаще всего механическим путем), а затем его содержание находят тем или иным методом количественного анализа. Для определения количества вещества непосредственно на пластинке используют фотометрический метод коли-чественного детектирования с помощью спектроденситометра. Спектро-денситометр позволяет установить содержание вещества в пятне путем измерения интенсивности отраженного света: белый свет сорбента отража-ет практически весь свет, а окрашенные пятна поглощают часть светового потока.

Более простой метод определения количества вещества в пятне состоит в измерении площади пятна. По предварительно построенному градуировочному графику зависимости площади пятна от массы вещества находят количество адсорбированного в пятне анализируемого компонен-та. При содержании вещества в пределах 1 – 80 мкг зависимость площади пятна от массы вещества линейная.

3.4.3. Качественный анализ смеси солей железа и кобальта (работа № 24)

Цель работы: ознакомление с основами плоскостной хроматогра-фии; разделение и идентификация ионов Fe3+ и Co2+ методом бумажной хроматографии.

Сущность метода.При движении элюента под действием капилляр-ных сил в тонком слое фильтровальной бумаги происходит разделение ионов железа и кобальта.

Оборудование: 1) камера для хроматографирования с крышкой; 2) капиллярная пипетка; 3) пинцет; 4) пульверизатор.

Реактивы: 1) хроматографическая бумага № 3 или 4 (полоска ши-риной 4 см, длиной 15 см); 2) раствор солей железа (III) и кобальта (II), содержащий по 2 мг/см3 каждого элемента; 3) элюент – смесь н-бутилового спирта (80% об.) и концентрированной соляной кислоты (20% об.); 4) проявитель – 1%-ный раствор роданида аммония в этаноле.

Ход работы. На полоске бумаги на расстоянии 15 мм от края отме-чают простым карандашом стартовую линию. На нее при помощи капил-лярной пипетки наносят каплю исследуемого раствора и сушат в сушиль-ном шкафу при 110 °С. В сосуд для хроматографирования вливают 20 см3 элюента, опускают в него полоску бумаги и фиксируют ее так, чтобы нижний конец был погружен в элюент на 2 – 3 мм, а края полоски не каса-лись стенок сосуда. Разделение продолжается 2 часа.

Когда фронт растворителя достигнет верхнего края полоски бумаги (не ближе 5 мм к верхнему краю), опыт прекращают, полоску бумаги вы-нимают и сушат. Высушенную бумагу опрыскивают из пульверизатора раствором роданида аммония (проявитель) и снова сушат. В случае присутствия ионов железа Fe3+ и кобальта Co2+ после опрыскивания появляются окрашенные пятна. Красное пятно соответствует ионам железа, голубое – ионам кобальта. Внешний вид хроматограмм соответ-ствует рис. 3.4. Проводят обмер хроматограмм. По формуле (3.7) рассчи-тывают коэффициент Rf для железа и кобальта. Затем по формулам (3.8) и (3.9) находят степень разделения R(Fe/Co) и коэффициент разделения α. Делают вывод о возможности разделения этих ионов методом бумажной хроматографии.

Контрольные вопросы

1. Механизм хроматографического разделения на бумаге и в тонком слое.

2. Восходящая, нисходящая, градиентная, двумерная хроматография. Особенности методики хроматографии на бумаге.

3. Выбор неподвижной и подвижной фаз, выбор проявителя.

4. Количественный анализ в тонкослойной и бумажной хроматографии.

 

3.4.4. Качественный анализ смеси катионов металлов (работа № 25)

Цель работы: ознакомление с основами плоскостной хроматогра-фии; разделение и идентификация катионов Co2+, Ni2+, Cu2+, Fe3+, Al3+, Zn2+.

Сущность метода. Различная сила взаимодействия катионов метал-лов с целлюлозой позволяет с помощью специально подобранного элюента разделить их в тонком слое хроматографической бумаги и идентифициро-вать по величине Rf.

Оборудование: 1) две камеры для хроматографирования (с крышка-ми); 2) капиллярная пипетка; 3) пинцет; 4) пульверизатор; 5) кисточка.

Реактивы: 1) хроматографическая бумага № 3 или 4 (полоска шири-ной 10 – 12 см, длиной 30 – 35 см); 2) растворы солей кобальта (II), никеля (II), меди (II), железа (III), алюминия и цинка, содержащие по 2 мг/см3 каждого металла; 3) элюент – смесь ацетона (87% об.), концен-трированной соляной кислоты (8% об.) и воды (5% об.); 4) проявитель – 1%-ный водный раствор сульфида аммония в этаноле; 5) раствор ализа-рина; 6) раствор дитизона в четыреххлористом углероде.

Ход работы. На полоске бумаги на расстоянии 15 мм от края отметьте простым карандашом стартовую линию. Разделите ее на 6 при-мерно равных отрезков, отметьте графитовым карандашом середины этих отрезков и пронумеруйте точки (рис. 3.5). Затем при помощи капиллярной пипетки нанесите по одной капле раствора каждого катиона на эти точки и дайте бумаге просохнуть. Запишите в лабораторный журнал номера точек, соответствующие нанесенным катионам.

В сосуд для хроматографирования налейте элюент так, чтобы слой его покрывал дно сосуда не более чем на 3 – 4 мм. Закрепите лист бумаги с нанесенными на нем пятнами катионов к крышке хроматографической камеры. Закройте камеру крышкой, обращая внимание на то, чтобы нижний край листа коснулся растворителя одновременно по всей ширине. Оставьте прибор на некоторое время, пока фронт растворителя не подни-мется до крышки сосуда.

Рис. 3.5. Хроматографическая камера для качественного анализа смеси катионов металлов: 1– сосуд; 2 – крышка; 3 – лист хроматографической бумаги; 4 – растворитель; 5 – линия старта

 

Тем временем приготовьте тем же способом вторую хроматографи-ческую камеру, на стартовую линию нанесите несколько (5 – 6) пятен неизвестного раствора, полученного у инженера лаборатории, и тем же растворителем проведите хроматографическое разделение неизвестной смеси.

Как только в первой хроматографической камере фронт раствори-теля поднимется к верхней части бумаги, снимите крышку, освободите бумагу и отметьте карандашом положение фронта растворителя. Вместо карандаша можно пользоваться иголкой, делая проколы. Затем обработай-те хроматографическую бумагу из пульверизатора раствором сульфида аммония. Отметьте карандашом положение пятна каждого катиона. Запишите цвет каждого пятна и составьте уравнения реакций, происходя-щих при обработке бумаги сульфидом аммония. Отметьте, какие катионы не проявились сульфидом аммония.

Часть хроматограммы, относящуюся к иону алюминия, смочите при помощи кисточки раствором ализарина. Запишите свои наблюдения. Часть хроматограммы цинка обработайте раствором дитизона в четыреххлорис-том углероде. Отметьте положение и цвет пятен катионов.

После просушки хроматограммы измерьте длину фронта раствори-теля L и расстояние центра каждого пятна от стартовой линии li. Если пятно дает «хвост» или получилось очень большим, то положение центра пятна определить затруднительно. В этом случае измеряйте расстояние до верхнего края пятна. По формуле (3.7) вычислите относительную скорость передвижения пятна каждого катиона Rf, полученные данные занесите в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Результаты определения коэффициента подвижности катионов металлов

№ точки Катион Rf
Co2+ Ni2+ Cu2+ Fe3+ Al3+ Zn2+ … … … … … …

 

Сделайте вывод об относительной силе взаимодействия каждого катиона с целлюлозой бумаги, расположите катионы в ряд в порядке убывания этой силы.

Когда фронт растворителя во второй хроматографической камере достигнет верхней части бумаги (опыт может быть прерван, даже если фронт растворителя находится ниже), выньте бумагу из сосуда и быстро отметьте карандашом положение фронта растворителя. Обработайте хроматографическую бумагу из пульверизатора раствором сульфида аммо-ния, отметьте положение проявившихся капель. Затем части хроматограм-мы, относящиеся к отдельным пятнам, обработайте кисточкой: одну – раствором ализарина, другую – раствором дитизона. Если появились новые пятна, отметьте их положение карандашом или проколом иголкой. Высушите хроматограмму, после чего измерьте длину фронта раствори-теля L и расстояние от стартовой линии li для каждого пятна. По формуле (3.7) вычислите относительные скорости передвижения Rf для всех пятен неизвестных катионов.

Сравните полученные значения с результатами предыдущего опыта. Сделайте вывод о катионном составе неизвестной смеси, проверьте резуль-тат анализа у инженера лаборатории.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность распределительной хроматографии на бумаге?

2. Как рассчитывается и что характеризует коэффициент подвижнос-ти Rf?

3. Что является подвижной и неподвижной фазой в распределитель-ной жидкостной хроматографии на бумаге?

4. Как выполняют качественный и количественный анализ методом распределительной жидкостной хроматографии на бумаге?

5. Каковы области применения, достоинства и недостатки тонкослой-ной хроматографии?

 

Газовая хроматография

 

Газовая хроматография представляет собой процесс разделения компонентов смеси, основанный на различии в равновесном распределе-нии компонентов между двумя фазами – газом-носителем (подвижная фаза) и либо твердой фазой, либо жидкостью, нанесенной в виде тонкой пленки на поверхность твердого носителя или стенки хроматографической колонки (неподвижная фаза). В первом случае метод называется газо-адсорбционной хроматографией, во втором – газожидкостной распреде-лительной хроматографией. Из этих двух вариантов газовой хроматогра-фии наиболее распространена распределительная газожидкостная хромато-графия, которая и рассматривается далее.

3.5.1. Общие сведения о газожидкостной распределительной хрома-тографии

Сущность метода газожидкостной хроматографии (ГЖХ) состоит в следующем. Анализируемая смесь летучих компонентов (обычно – рас-твор) переводится в парообразное состояние и смешивается с потоком инертного газа-носителя, образуя с ним подвижную фазу. Эта смесь про-талкивается далее новой порцией непрерывно подаваемого газа-носителя и попадается в хроматографическую колонку, заполненную неподвижной (стационарной) жидкой фазой. Разделяемые компоненты распределяются между фазами в соответствии с их коэффициентами распределения Kр, определяемыми по уравнению (3.5). Равновесный обмен хроматографиру-емого вещества между подвижной и неподвижной фазами осуществляется в результате многократного повторения актов сорбция ↔ десорбция по мере движения подвижной фазы вдоль неподвижной внутри хроматогра-фической колонки.

Поток газа-носителя увлекает с собой разделяемую парообразную смесь вдоль хроматографической колонки, так что процессы сорбция ↔ десорбция разделяемых компонентов повторяются многократно, причем каждый раз в системе между фазами устанавливается динамическое рав-новесие. Эти многократные переходы разделяемых веществ из подвижной фазы в неподвижную и обратно совершаются по всей длине хромато-графической колонки до тех пор, по пары разделяемых веществ не покинут колонку вместе с газом-носителем.

Поскольку сродство различных разделяемых веществ к неподвижной фазе различно, то в процессе сорбционно-десорбционных процессов они задерживаются в неподвижной фазе неодинаковое время. Чем выше темпе-ратура кипения и относительная растворимость вещества в неподвижной фазе, тем дольше оно в ней находится, тем позже покидает хроматографи-ческую колонку. В конце концов из хроматографической колонки вместе с газом-носителем выходят зоны (объемы) парообразных хроматографиру-емых веществ, разделенных полностью или частично.

Если для двух компонентов смеси коэффициенты распределения Kр одинаковы, то они не разделяются. Если же их коэффициенты распределе-ния различны, то разделение происходит, причем первым покидает колон-ку тот компонент, у которого температура кипения ниже.

Пары разделенных компонентов вместе с газом-носителем поступа-ют в детектор хроматографа, генерирующий электрический сигнал – тем больший, чем выше концентрация компонента в парогазовой смеси. Электрический сигнал усиливается и фиксируется регистратором хромато-графа в виде хроматограммы, записываемой на диаграммной ленте. Эти хроматограммы и используются для качественной и количественной обработки результатов анализа разделяемой смеси компонентов.

3.5.2. Основные характеристики хроматограммы

Параметры удерживания

Хроматограмма – это зарегистрированная во времени последователь-ность показаний регистратора. Каждому разделенному компоненту смеси соответствует свой пик на хроматограмме. По оси абсцисс откладывается время, по оси ординат – величина аналитического сигнала, которая тем больше, чем выше содержание данного компонента в разделяемой смеси.

На рис. 3.6 схематично показан общий вид хроматограммы в случае разделения трехкомпонентной смеси, состоящей из компонентов А и В, сорбируемых в колонке, и компонента, не сорбируемого в колонке. Каждому из трех компонентов на хроматограмме отвечает свой пик. Значение t = 0 соответствует моменту ввода пробы, от которого начинает отсчитываться время t. Величина t’A время удерживания компонента А, t’В время удерживания компонента В, t0 – время выхода несорбируемого компонента. В данном случае оба компонента А и В разделяются пол-ностью, поэтому их пики на хроматограмме не накладываются друг на друга.

Время удерживания – качественная характеристика каждого компо-нента. Оно измеряется от момента ввода пробы до момента выхода макси-мума (вершины) пика. Время удерживания зависит от природы хромато-графируемого вещества и газа-носителя, скорости прохождения подвиж-ной фазы через хроматографическую колонку, от природы и массы непо-движной фазы, температуры, длины колонки.

Рис. 3.6. Основные параметры хроматограммы

Время выхода t0 несорбируемого компонента (например, раствори-теля) определяется соотношением

t0 = L / U,

где L – длина хроматографической колонки; U – линейная скорость движе-ния потока газа-носителя.

Исправленное время удерживания компонентов А и В (соответствен-но tA и tB), равное

tA = t’At0, tВ = t’Вt0,

– это время, в течение которого данный компонент находился в неподвиж-ной фазе. Исправленное время удерживания пропорционально коэффици-енту распределения Kр данного компонента разделяемой смеси.

Относительное время удерживания t’r и относительное исправлен-ное время удерживания tr определяются формулами

(3.10)

где t – время удерживания данного вещества; tS – время удерживания стан-дартного вещества (стандарта); t0 – время выхода несорбируемого компо-нента при хроматографировании веществ в одних и тех же условиях. Относительное время удерживания меньше зависит от внешних условий, чем время удерживания.

На рис. 3.6 также показаны ширина пиков у их основания (wA и wB), высота (h) и полувысота (h/2) пиков. При анализе хроматограмм иногда определяют ширину пиков на середине их высоты – wA,½ и wB,½.

На практике часто измеряют не время удерживания, а расстояние удерживания l, пропорциональное времени удерживания, т.е. расстояние (например, в мм) на хроматограмме от точки, соответствующей моменту ввода пробы, до абсциссы, отвечающей положению максимума (вершины) пика.

Кроме времени удерживания иногда используют такой параметр, как объем удерживания (удерживаемый объем), равный объему подвижной фазы, который выносит из колонки все данное вещество. Объем удержива-ния V зависит от скорости U движения подвижной фазы и равен произве-дению времени удерживания t’ на эту скорость:

V = t’ · U.

Коэффициент удерживания (замедления) R – это отношение скорос-ти перемещения w данного компонента вдоль хроматографической колон-ки к скорости U движения потока газа-носителя:

R = w / U.

Поскольку

w = L / t’ и U = L / t0,

где L – длина колонки; t’ – время удерживания данного компонента; t0 – время выхода несорбируемого компонента, то

R = t0 / t’.

Коэффициент емкости k равен отношению исправленного времени удерживания t = t’t0 данного компонента к t0:

R = (t’t0) / t0 .

Чем выше k, тем большее время находится данный компонент в неподвиж-ной фазе.

Параметры разделения. Эффективность колонки

К параметрам разделения двух веществ относятся степень и коэффи-циент разделения. Эффективность хроматографической колонки характе-ризуется числом теоретических тарелок и величиной, эквивалентной теоретической тарелке.

Степень разделения RS (разрешение пиков) количественно характери-зует разделение двух пиков на хроматограмме и рассчитывается по форму-ле, аналогичной формуле (3.8) для плоскостной хроматограммы:

где ∆t = t’Bt’A – разность времен удерживания разделяемых компонентов А и В; wA и wB – ширина пиков; wA,½ и wB,½ – полуширина пиков.

Если RS < 1, то разделение двух веществ неполное. При RS > 1 наблю-дается полное разделение двух компонентов смеси (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Разделение ∆t пиков на хроматограмме при различных значениях RS

 

Разделение пиков ∆t прямо пропорционально длине L хроматографи-ческой колонки, тогда как сумма полуширин пиков прямо пропорциональ-на корню квадратному из L:

поэтому степень разделения RS также оказывается прямо пропорцио-нальной длине колонки. Отсюда следует, что с ростом длины колонки L степень разделения RS увеличивается, однако одновременно возрастает и продолжительность анализа.

Степень разделения в ГЖХ зависит от таких хроматографических па-раметров, как коэффициент разделения α и число теоретических тарелок n.

Коэффициент разделения α рассчитывается по формуле

где t’A и t’B – соответственно время удерживания компонентов А и В; t0 – время выхода несорбируемого компонента; КР,А и КР,В – коэффициен-ты распределения компонентов А и В соответственно.

Коэффициент разделения характеризует селективность неподвижной фазы по отношению к двум данным компонентам и относительное распо-ложение разделяемых пиков на хроматограмме. Коэффициент разделения α и степень разделения RS связаны соотношением

где n – так называемое число теоретических тарелок.

Если α = 1, то RS = 0, т.е. два хроматографируемых вещества не раз-деляются. Чем больше величина α, тем лучше разделение пиков на хрома-тограмме, тем неподвижная фаза более селективна по отношению к двум данным разделяемым веществам.

Число теоретических тарелок n. При хроматографическом разделе-нии компонентов смеси осуществляется перенос вещества через границу раздела двух фаз – подвижной и неподвижной. Чем больше число таких переходов, тем более полно разделяются компоненты смеси. Количество подобных переходов характеризует эффективность хроматографической колонки.

Участок зоны внутри колонки, на котором устанавливается равновесное распределение данного вещества между подвижной и непо-движной фазами (сорбция ↔ десорбция) называют теоретической тарел-кой (по аналогии с терминологией, принятой в теории ректификации для ректификационных колонн, в которых осуществляются многократно по-вторяемые акты испарениеконденсация).

Число теоретических тарелок n рассчитывается по формуле

где t’ – время (или расстояние) удерживания данного компонента смеси; w и w1/2 – соответственно ширина и полуширина пика, выраженная в тех же единицах, что и t’.

Чем больше теоретических тарелок n, тем эффективнее работа хроматографической колонки. Число теоретических тарелок может быть от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Если длина хроматографической колонки составляет L, а число тео-ретических тарелок равно n, то высота, эквивалентная теоретической тарелке, (ВЭТТ) H рассчитывается по формуле

H = L / n.

Чем меньше ВЭТТ, тем менее размыта зона (полоса) отделяемого компо-нента при его выходе из колонки. Величина ВЭТТ в оптимальном случае часто не превышает 1,5 мм, хотя может быть и несколько большей.

Параметры Н и n характеризуют эффективность хроматографичес-кой колонки при разделении смеси компонентов. Чем больше n и меньше Н, тем полнее отделение зоны (полосы) данного компонента от зон осталь-ных компонентов при их разделении.

Разработаны теоретические подходы, позволяющие повысить эффек-тивность ГЖХ-разделения – уменьшить степень размывания зоны разделя-емого компонента. При этом учитывается роль вихревой и молекулярной диффузии, сопротивление системы массопереносу веществ и другие факторы. Ван-Деемтер предложил уравнение, позволяющее на основе разработанных подходов рассчитывать величину ВЭТТ (уравнение Ван-Деемтера):

Н = А + В/U + СU, (3.11)

где А, В, С – коэффициенты, учитывающие вклад соответственно вихревой диффузии, молекулярной диффузии и сопротивления массопереносу в размывание зоны хроматографируемого компонента; U – линейная ско-рость потока газа-носителя.

Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зави-сит от размера частиц и плотности заполнения колонки. Величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе. Слагаемое В/U учитывает действие продольной диффузии. Постоянная С характери-зует кинетику процесса сорбциядесорбция, массопередачу и другие эффекты. Влияние каждого слагаемого уравнения (3.11) на величину Н в зависимости от скорости подвижной фазы показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Зависимость высоты, эквивалентной теоретической тарелке, Н

от скорости подвижной фазы U

 

Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второго слагаемого заметен при небольшой скорости потока. С увеличением ско-рости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрастает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризующая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гиперболу. При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьша-ется, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше ВЭТТ, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума на этой кривой. Чтобы найти эту точку, продифференцируем уравнение (3.11) и производную приравняем к нулю:

откуда

Подставляя выражение для Uопт в (3.11), находим оптимальную высоту, эквивалентную теоретической тарелке:

Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимизации хроматографического процесса.

3.5.3. Основные узлы и используемые материалы газожидкостного хроматографа

Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают большое количество хроматографов самых различных типов. Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической установ-ки являются дозатор (система ввода пробы), хроматографическая колонка и детектор. Кроме того, в установке имеются устройства для подачи газа-носителя, для преобразования импульса детектора в соответствующий сигнал и некоторые другие.

Газы-носители

В качестве газов-носителей используются инертные газы (гелий, аргон), а также азот, диоксид углерода и водород. Выбор газа-носителя отчасти определяется детектором. Для удаления следов воды газ иногда пропускают через молекулярные сита. Поток газа обеспечивается избыточ-ным давлением газового баллона, поэтому можно работать без насоса. Чтобы получать воспроизводимые результаты измерений, поток носителя следует поддерживать неизменным.

При работе в изотермическом режиме достаточно установить давле-ние на колонке с помощью двухступенчатого крана-редуктора. При про-граммировании температуры необходимо использовать регулятор потока. Для измерения скорости потока на входе в колонку может быть исполь-зован ротаметр, а на выходе – мыльно-пузырьковый измеритель потока. Для набивных колонок расход варьируют между 25 и 150 см3/мин, а для капиллярных – в пределах 1 – 25 см3/мин.

Система ввода пробы

Газообразные и жидкие пробы обычно вводят с помощью специаль-ных шприцев, прокалывая в месте ввода пробы диафрагму из силиконовой резины (септу). Для газообразных проб применяются газовые шприцы, для жидких – микрошприцы. Микрошприцы позволяют вводить в хроматограф пробы объемом от долей до десятков микролитров. Твердые пробы вводят в хроматограф или после перевода их в раствор, или непосредственным испарением пробы в нагреваемом дозаторе, куда она вводится с помощью игольного ушка. Температура



Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.