Хроматографические колонки применяемые в ГЖХ.

Основной узел хроматографа - колонка, в которой непосредственно происходит разделение анализируемой пробы на компоненты.Основная задача хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную анализируемую смесь на серию последовательно выходящих из колонки бинарных смесей, индивидуальный компонент-газ-носитель, которые затем используются в соответствии с назначением хроматографической колонки.

Хроматографические колонки в соответствии с их назначением подразделяются на колонки аналитические, колонки препаративные и так называемые предколонки.

Главное назначение аналитической хроматографической колонки состоит в том, чтобы разделить многокомпонентную смесь на серию бинарных смесей компонент-газ-носитель, для которых уже может быть применен прибор, регистрирующий состав этой смеси и позволяющий установить качественный состав анализируемой смеси и количественное содержание каждого из компонентов.

Препаративные хроматографические колонки предназначены для получения методами газовой хроматографии в чистом виде необходимых количеств тех или иных компонентов, присутствующих во вводимой в колонку пробе.

Предколонки позволяют решить задачу предварительного концентрирования компонентов пробы из достаточно больших объемов для последующего их разделения или решить задачу извлечения из объема анализируемой пробы мешающих разделению компонентов.

На данном этапе изучения программного материала наибольший интерес для нас представляют хроматографические колонки аналитического назначения.

Аналитические колонки в зависимости от величины внутреннего диаметра, способа размещения неподвижной фазы и соответственно организации внутреннего пространства подразделяются следующим образом:

· насадочные колонки, характеризующиеся величиной внутреннего диаметра 2 - 5 мм;

· микронасадочные колонки с величиной внутреннего диаметра 1.0 -2.0 мм;

· макрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.3 - 0.5 мм;

· микрокапиллярные колонки с величиной внутреннего диаметра 0.10 - 0.25 мм.

Основные требования, предъявляемые к материалу колонки следующие:

· материал колонки не должен быть химически активным или действовать каталитически по отношению к неподвижной фазе и разделяемым компонентам;

·

Рис.1.14. Колонки для газо-жидкостной хроматографии: а - насадочная, б – тонкопленочный капилляр, в – тонкослойный капилляр

должен обеспечивать возможность изготовления колонок необходимой формы;

· должен выдерживать нагревание до нужной температуры.

Из насадочных колонок наиболее удобны в изготовлении и эксплуатации металлические колонки из нержавеющей стали, меди, алюминия. В этом плане следует, однако, обязательно учитывать, что медь реагирует с ацетиленовыми углеводородами, катализирует разложение спиртов. Алюминиевые колонки, в свою очередь, непригодны для заполнения молекулярными ситами. Разделение хелатов металлов следует производить в основном на колонках из боросиликатного стекла.

Длина насадочных колонок обычно от 1 до 3 м, реже до 10 м. Форма колонок – прямая, U-образная, W-образная, спиральная. Длина и форма насадочных колонок определяется, как правило, размерами термостата колонок.

При изготовлении спиральных колонок следует учитывать, что диаметр витка спирали не должен быть чрезмерно маленьким, так как длина пути газа по внешней и внутренней поверхности трубки будет существенно различаться, и это вызывает дополнительное размывание зоны. Обычно отношение радиуса спирали к радиусу колонки составляет величину порядка 80.

Промежуточное положение между насадочными и капиллярными колонками занимают микронасадочные колонки. Они появились в 1962 году в результате попытки сочетать достоинства насадочных и капиллярных колонок.

Капиллярные колонки изготавливают преимущественно из стекла, так как стекло обладает наименьшей адсорбционной и каталитической активностью. Колонки, изготовленные из меди, нержавеющей стали, применяют в основном для анализа углеводородов.

Широко применяются капиллярные колонки из кварца. Их преимущество заключается в низком содержании оксидов металлов: щелочных, алюминия, железа, бора. Оксиды способны легко взаимодействовать с молекулами-донорами электронов, сильные основания (например, амины) могут хемосорбироваться и вообще не выходить из колонки. Для придания капиллярным колонкам дополнительной прочности их внешняя поверхность покрывается лаком специального состава.

Для капиллярных колонок существует дополнительная классификация:

· колонки, содержащие неподвижную жидкую фазу непосредственно на гладких внутренних стенках колонки ОКК(WCOT-колонки);

· колонки, содержащие на гладких внутренних стенках слой пористого сорбента ОКК-ПС(РLОТ-колонки);

· колонки, содержащие на внутренних стенках твердый носитель, пропитанный неподвижной жидкой фазой ОКК-ТН (SCOT-колонки);

· колонки с химически привитой неподвижной жидкой фазой, в которых неподвижная жидкая фаза химически связана с внутренней поверхностью капилляра.

В настоящее время открытые капиллярные колонки, в которых тонкая пленка неподвижной фазы нанесена непосредственно на внутреннюю поверхность колонки (WCOT-колонки), используются наиболее часто. Выпускаемые промышленностью капиллярные WCOT-колонки имеют внутренний диаметр от 0,05 до 0,53 мм. Слой неподвижной фазы (НФ) толщиной от 0,1 до 0,8 мкм равномерно покрывает внутреннюю поверхность колонки. В качестве НФ используют полимеры, представляющие собой невязкую жидкость (OV-225), каучуки (OV-1, SB-30) или твердые вещества (карбовакс 20 М, суперокс). Эти фазы растворяют в соответствующих растворителях и наносят на внутреннюю поверхность капилляра.

WCOT-колонки обладают высокой эффективностью по отношению к различным трудноразделяемым смесям, состоящим из большого числа компонентов. Однако стандартная толщина пленки неподвижной фазы не позволяет достичь достаточно высокой емкости колонки, необходимой при анализе концентрированных растворов. На этих колонках также нельзя провести эффективное разделение соединений с очень низкой молекулярной массой или инертных газов при обычных температурах.

PLOT-колонки – это кварцевые капиллярные колонки, на внутренние стенки которых нанесен слой адсорбента. В настоящее время в качестве адсорбента используют А1₂О₃/KС1, молекулярные сита или пористые полимеры (близкие по составу к порапаку Q). К недостаткам этих колонок можно отнести меньшую эффективность по сравнению с WCOT-колонками, невысокую инертность и снижение стабильности и воспроизводимости во времени.

SCOT-колонки – капиллярные колонки, на внутренних стенках которых нанесен слой носителя с неподвижной фазой, – реже используются в высокоэффективной газовой хроматографии из-за низкой инертности носителя. В SCOT-колонках неподвижная фаза наносится на твердый носитель, прикрепленный к стенке колонки. Основным достоинством колонок этого типа является возможность применения широкого ассортимента неподвижных фаз.

Микронасадочные капиллярные колонки – это капиллярные колонки, практически целиком заполненные носителем. Второй класс хроматографических колонок составляют препаративные колонки. Вследствие своего назначения - получения достаточно больших количеств особо чистых веществ - хроматографические колонки этого класса характеризуются величиной внутреннего диаметра от 10 мм и более, длиной от одного до нескольких десятков метров. Основной материал для их изготовления – нержавеющая сталь.

Хроматографические колонки третьей группы (предколонки) изготавливаются из материалов и имеют характеристики, отвечающие их назначению в каждом конкретном случае.

Длина хроматографической колонки в зависимости от цели анализа и состава анализируемой пробы может составлять от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков и даже сотен (капиллярные колонки) метров.