Эффективность и селективность разделения

Основным конструктивным элементом хроматографов являются колонки — трубки, заполненные неподвижной фазой, по которым во время выполнения анализа движется подвижная фаза и исследуемый образец. Именно в колонке происходит разделение компонентов исследуемой смеси.

Колонка характеризуется несколькими параметрами: эффективностью, селективностью и ёмкостью.

 

Эффективность является мерой расширения пика вещества при его движении вдоль колонки и тесно связана с числом теоретических тарелок — воображаемых участков по длине колонки, в каждом из которых как бы достигается термодинамическое равновесие фаз. Кроме того, на неё влияют такие факторы, как вихревая диффузия, продольная молекулярная диффузия и сопротивление массопереносу. Как правило, число теоретических тарелок в современных капиллярных колонках очень велико — несколько десятков тысяч. Это позволяет, при правильном подборе селективности неподвижной фазы, в подавляющем большинстве случаев разделить все индивидуальные компоненты любой, даже самой сложной, смеси.

Рис. 5. Зависимость степени разделения смеси двух веществ от эффективности колонки и селективности сорбента:

а – высокая селективность, но плохая эффективность;

б – высокая эффективность, но плохая селективность;

в – высокая эффективность, достаточная селективность.

 

Примем условие, что какие-то два компонента растворимы в подвижной фазе и взаимодействуют с неподвижной фазой, т. е. хроматографический процесс может протекать без нарушений. В этом случае после прохождения смеси через колонку можно получить хроматограммы как на рис. 5.

 

Эффективность колонки тем выше, чем уже пик получается при том же времени удерживания. Эффективность колонки измеряется числом теоретических тарелок (ЧТТ) N: чем выше эффективность, тем больше ЧТТ, тем меньше расширение пика первоначально узкой полосы по мере прохождения ее через колонку, тем уже пик на выходе из колонки. ЧТТ характеризует число ступеней установления равновесия между подвижной и неподвижной фазами.

Рис. 6. Параметры хроматографического пика и расчет числа теоретических тарелок:

t – время удерживания пика;

h – высота пика;

W – ширина пика на половине его высоты

Значение эффективности хроматографической колонки может быть вычислено экспериментально по хроматограмме по следующей формуле:

Зная число теоретических тарелок, приходящееся на колонку, и длину колонки L (мкм), а также средний диаметр зерна сорбента dс (мкм), легко получить значения высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), а также приведенной высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ПВЭТТ):

ВЭТТ = L/N

ПВЭТТ =BЭTT/dc.

Имея значения ЧТТ, ВЭТТ и ПВЭТТ, можно сравнивать эффективность колонок разных типов, разной длины, заполненных разными по природе и зернению сорбентами. Сравнивая ЧТТ двух колонок одной длины, сравнивают их эффективность. При сравнении ВЭТТ сравнивают колонки с сорбентами одинакового зернения, имеющими разную длину. Наконец, величина ПВЭТТ позволяет для двух любых колонок оценить качество сорбента, во-первых, и качество заполнения колонок, во-вторых, независимо от длины колонок, зернения сорбентами и его природы.

Вообще, цель хроматографии – эффективное разделение за более короткое время. Исходя из теоретических рассуждений, чтобы достичь низкой высоты тарелки и, чтобы обеспечить высокую скорость разделения без потери эффективности, можно воспользоваться следующими приемами:

а) малый размер твердых частиц или малая толщина слоя жидкого покрытия неподвижной фазы;

б) гомогенная упаковка неподвижной фазы с использованием сорбента с максимально близким размером частиц;

в) малый диаметр колонки;

г) большие коэффициенты диффузии в неподвижной фазе и малые коэффициенты диффузии в подвижной фазе. В ГХ коэффициенты диффузии в подвижной фазе могут быть значительно уменьшены снижением температуры.

Поскольку коэффициенты диффузии для различных размеров молекул различаются, размывание пиков также зависит от относительной молекулярной массы. Малые молекулярные массы благоприятствуют повышению эффективности колонки. Однако молекулярные массы определяются разделяемыми веществами и поэтому не могут быть свободно выбраны.

 

Селективность определяется как разница в степени удерживания веществ разной природы на неподвижной фазе. Обычно её выражают через относительное удерживание пары критически важных компонентов пробы (отношение их приведённых времён удерживания). Если это отношение больше 1, то пики могут быть разделены. Селективность колонки зависит от характера взаимодействия определяемого вещества и неподвижной фазы. Эти взаимодействия могут быть как неполярными дисперсионными (силы Ван-дер-Ваальса), так и полярными специфическими (обычно диполи и водородные связи). Параметры селективности были рассмотрены в пункте 3.5.

Факторами, определяющими селективность разделения, являются:
1) химическая природа сорбента;
2) состав растворителя и его модификаторов;
3) химическая структура и свойства компонентов разделяемой смеси;
4) температура колонки.

 

Ёмкость колонки связана с её физическими размерами и определяет максимальный объём пробы, который можно ввести в колонку без её «перегрузки», то есть без отклонения пиков от гауссовой формы. Соответственно, ёмкость набивных колонок значительно больше, чем капиллярных.

 

Заключение

На фото представлена бумажная хроматограмма героина, выполненная мной на практике.

Из представленной ниже таблицы видно, что в зависимости от используемой системы растворителей, меняется и хроматографический параметр – индекс удерживания.

 

 

 

Далее представлена хроматограмма ГХ-МС анализа на хроматографе "Хроматэк-Кристалл 5000" с масс-спектрометрическим детектором ISQ и автосамплером ДАЖ-2М и последние две хроматограммы ГХ-ПИД анализа выполнены на хроматографе "Хроматэк-Кристалл 5000" с автосамплером ДАЖ-2М.

 

Детектор: МСД; Колонка: TR-5MS (15 м х 0,25 мм х 0,25 мкм); Проба: Героин в хлороформе

Детектор: ПИД; Колонка: DB-1, 12.5m*0.2mm*0.33um; Проба: Экстракт опия + 0,1% Метилстеарат (внутр. ст.)

 

Детектор: ПИД; Колонка: DB-1, 12.5m*0.2mm*0.33um; Проба: Марихуана + 0,1% Метилстеарат (внутр. ст.)

Список использованной литературы

 

1) Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 1. Общие вопросы. Методы разделения: Учебник для вузов / Ю. А. Золотов, Е. Н. Дорохова, В. И. Фадеева и др. Под ред. Ю. А. Золотова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 361 с.: ил. – (серия «Классический университетский учебник»).

2) Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа: Учебник для вузов / А. Ф. Жуков, И. Ф. Колосова, В. В. Кузнецов и др.; Под ред. О. М. Петрухина. – М.: Химия, 2001. – 496 с.: ил.

3) Аналитическая химия. Проблемы и подходы: В 2 т. Пер. с англ. / Под ред. Р. Кельнера, Ж.-М. Мерме, М. Отто, Г. М. Видмера. – М.: Мир: ООО «Издательство АСТ», 2004. Т 1. – 608 с.: ил. – (Лучший зарубежный учебник).

4) Химико-аналитическое определение наркотических и допинговых средств [Текст]: учебное пособие / Б. А. Руденко [и др.]. - М.: Нарконет, 2007. - 367 с.: ил. - Библиогр. в конце глав.

5) Аналитическая хроматография / К. И. Сакодынский, В. В. Бражников, С. А. Волков, В. Ю. Зельвенский, Э. С. Ганкина, В. Д. Шатц. – М.: Химия, 1993. – 464 с.: ил.

6) Хроматографические методы анализа: Учебное пособие / И. Ф. Колосова, Н. Д. Румянцева, Н. И. Слезко, А. Р. Тимербаев. Под ред. О. М. Петрухина. – М.: МХТИ им. Д. И. Менделеева, 1988. – 86 с.

7) Материалы сайта www.chromatec.ru.