Хроматографическая система разделения
Проба, введенная в дозатор, захватывается потоком подвижной фазы и направляется в хроматографическую систему разделения, представляющую собой хроматографическую колонку в термостате. Основная задача хроматографической колонки состоит в разделении многокомпонентной смеси на отдельные компоненты, выходящие в потоке подвижной фазы. Если целью хроматографирования является получение компонента первоначальной смеси в индивидуальном виде, то подобная колонка называется препаративной. Если целью является анализ многокомпонентной смеси после ее разделения, то колонку называют аналитической.
Газохроматографические аналитические колонки в зависимости от геометрических размеров (внутреннего диаметра и длины) делятся на насадочные, микронасадочные и капиллярные.
Насадочные колонки характеризуются величиной внутреннего диаметра 2 – 5 мм, длина обычно составляет от 1 до 3 м. Форма колонок – прямая, U-образная, спиральная – определяется, как правило, размерами термостата. В качестве материала для изготовления таких колонок используются нержавеющая сталь, алюминий, реже стекло.
Микронасадочные колонки имеют внутренний диаметр 0,5 – 2 мм, они появились, как результат попытки сочетать достоинства насадочных и капиллярных колонок.
Внутренний диаметр капиллярных колонок составляет 0,1 – 0,5 мм, длина может меняться от 10 до 100 м. Изготавливаются они преимущественно из стекла или кварца.
В газовой хроматографии колонки могут быть заполнены либо адсорбентом (газо-адсорбционный вариант), либо твердым носителем с нанесенной на него малолетучей жидкостью, называемой также неподвижной жидкой фазой (газо-жидкостный вариант). Насадочные колонки заполняются сорбентами в виде гранул, в капиллярных колонках сорбент находится на стенках капилляра.
Для капиллярных колонок существует дополнительная классификация в зависимости от типа неподвижной фазы и организации внутреннего пространства:
– колонки, содержащие на внутренних стенках капилляра пленку неподвижной жидкой фазы (Wall coated open tubular – WCOT);
– колонки, содержащие на внутренних стенках капилляра слой пористого адсорбента (Porous layer open tubular – PLOT);
– колонки, содержащие на внутренних стенках капилляра слой пористого адсорбента, пропитанный неподвижной жидкой фазой (Support coated open tubular – SCOT).
Основным фактором, влияющим на эффективность и селективность разделения в газо-адсорбционной хроматографии, является совокупность структурных и химических характеристик адсорбентов. К первым относятся величина удельной площади поверхности, размер пор, распределение пор по размеру, суммарный объем пор, ко вторым - гидрофобность или гидрофильность поверхности, наличие функциональных групп.
По геометрической структуре поверхности адсорбенты делят на 4 типа:
– непористые адсорбенты, удельная поверхность которых колеблется от сотых долей до сотен м²/г (графитированная термическая сажа, аэросил (мелкозернистый диоксид кремния), кристаллы солей);
– однородно макропористые адсорбенты, удельная поверхность которых составляет 25-50 м²/г, а размер пор порядка сотен нм (силохромы, полимерные сорбенты);
– однородно микропористые адсорбенты, удельная поверхность которых составляет порядка тысяч м²/г (молекулярные сита (цеолиты), углеродные молекулярные сита, сверхсшитые полистирольные сорбенты и др.);
– неоднородно пористые адсорбенты (различные силикагели, содержащие как широкие, так и узкие поры).
По химической природе адсорбенты делят на:
– углеродные и углеродсодержащие сорбенты (активный уголь, графитированная сажа);
– неорганические сорбенты (оксид алюминия, модифицированные и немодифицированые силикагели, молекулярные сита);
– полимерные сорбенты (порапаки, полисорбы, тенакты, хромосорбы, полимерные смолы ХАД, сверхсшитые полистиролы).
По селективности разделения сорбенты делят на:
– универсальные (силикагели, модифицированные C18, нейтральные полимерные средней сшивки и сверхсшитые, углеродные материалы);
– групповые, т.е. с межгрупповой селективностью (неорганические (силикагель, флоризил, окись алюминия), силикагельные и полимерные бифункциональные материалы);
– селективные (с ограниченно доступной поверхностью (RAM), импринтные, аффинные).
В газо-жидкостной хроматографии эффективность и селективность разделения обусловлена в первую очередь химической природой неподвижной жидкой фазы. По полярности неподвижные жидкие фазы условно можно разделить на 3 группы: неполярные, среднеполярные и полярные (таблица 1). Фазу для разделения выбирают по принципу «подобное разделяется на подобном», т.е. углеводороды лучше всего разделяются на неполярной фазе типа ПМС-1000 или апиезон, а спирты – на полярной ПЭГ-20М.
По температурному пределу использования все неподвижные жидкие фазы можно разделить на три группы: низкотемпературные (до 100°С), среднетемпературные (до 200°С) и высокотемпературные (до 350°С и выше).
В особую группу можно отнести колонки с жидкими кристаллами в качестве неподвижной жидкой фазой, а также фазы, обеспечивающие специфические взаимодействия, например, на основе комплексообразования. Подобные колонки обеспечивают высокую селективность при разделении изомеров.
В жидкостной хроматографии выбор неподвижной фазы не так широк, как в газовой. В качестве сорбентов в основном используются силикагели с привитыми функциональными группами, как неполярными (С8, С18), так и полярными (NH2). В первом случае в качестве элюента используются смеси полярных органических растворителей (ацетонитрил, метанол, изопропанол) с водой, во втором – неполярные соединения (гексан, гептан, тетрагидрофуран).
Для оценки качества хроматографической колонки используются показатели эффективности, селективности и разделительной способности колонки.
Эффективность колонки визуально можно определить по степени размытости хроматографического пика: чем уже пик, тем эффективнее колонка, т.е. тем лучше будет проходить разделение компонентов смеси. Количественно эффективность колонки оценивается с использованием величин число теоретических тарелок N и высота, эквивалентная теоретической тарелке H.
где tR – время удерживания компонента, wb – ширина пика у основания, wh – ширина пика на полувысоте (рисунок 1), L – длина колонки. Величины tR, wb и wh должны быть выражены в одинаковых единицах измерения, N – безразмерная величина, единицы измерения H и L совпадают
Эффективность хроматографической колонки зависит от многих параметров: скорости потока подвижной фазы, температуры колонки, размеров и однородности частиц сорбента, толщины пленки неподвижной жидкой фазы и др.
Селективность хроматографической колонки показывает, насколько прочно сорбент удерживает то или иное соединение. Она в большей степени обусловлена селективностью неподвижной жидкой фазы или адсорбента, а также перечисленными выше факторами. Оценивается с использованием коэффициента селективности колонки по отношению к веществам А и В (вещество В выходит позже вещества А):
Чем выше эффективность и селективность колонки, тем лучше ее разделительная способность – степень разделения или разрешение пиков:
Степень разделения связана с эффективностью и селективностью колонки следующим соотношением:
Для не полностью разделенных пиков рассчитывают критерий разделения, который меняется от 0 (пики сливаются) до 1 (пики разделены полностью).
Таким образом, для выбора оптимальной хроматографической системы разделения следует учитывать факторы, связанные как с конфигурацией хроматографической колонки (насадочная или капиллярная, природа адсорбента или неподвижной жидкой фазы, размеры частиц и плотность их упаковки в колонке, толщина пленки неподвижной жидкой фазы), так и с параметрами проведения процесса (скорость газа-носителя или элюента, температура). В жидкостной хроматографии большое влияние на разделительные свойства хроматографической системы оказывает состав элюента.