Селективность и разрешение

ХРОМОТОГРАФИЯ

Хроматография — это физико-хими- ческий метод разделения веществ, основанный на распределении компонен­тов между двумя фазами — неподвижной и подвижной. Неподвижной (ста­ционарной) фазой обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвиж­ная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через непод­вижную фазу.

Компоненты анализируемой смеси вместе с подвижной фазой передви­гаются вдоль стационарной фазы. Последнюю обычно помещают в стеклян­ную (или металлическую) трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо еще механизму) компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие, с меньшей степенью взаимодействия с сорбентом, оказываются в нижней части колонки, некоторые покидают колонку вместе с подвижной фазой. Таким образом компоненты разделяются.

Метод позволяет разделять многокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ее количественный состав.

Классификация хроматографических методов

В основу общепринятых классификаций многочисленных хроматогра­фических методов положены следующие признаки: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент—сорбат, форма слоя сорбента (техника выполнения), цель хроматографирования.

По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на газовую, жидкостную и сверхкритическую флюидную. Газовая хроматогра­фия включает газожидкостную и газотвердофазную, жидкостная — жидко­стно-жидкостную, жидкостно-твердофазную и жидкостно-гелевую. Известна флюидно-жидкостная хроматография. Первое слово в названии метода ха­рактеризует агрегатное состояние подвижной фазы, второе — неподвижной.

По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить несколько видов хроматографии: распределительная хроматогра­фия основана на различии в растворимости разделяемых веществ в непод­вижной фазе (газожидкостная хроматография) или на различии в раствори­мости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах; ионообменная хроматография — на разной способности веществ к ионному обмену; ад­сорбционная хроматография — на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом; эксклюзионная хроматография — на различии в разме­рах и формах молекул разделяемых веществ, аффинная хроматография — на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологиче­ских и биохимических процессов.

По технике выполнения выделяют колоночную хроматогра­фию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бу­мажная хроматография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная хрома­тография).

Подвижную фазу, вводимую в слой неподвижной фазы, называют элю- ентом, а подвижную фазу, выходящую из колонки и содержащую разделен­ные компоненты, — элюатом. В элюате тем или иным способом определяют содержание компонентов. Распределение разделяемых веществ в виде от­дельных полос (зон) вдоль колонки представляет собой внутреннюю хрома­тограмму (рис. 8.2). Графическое изображение (часто получаемое с помо­щью самописца) распределения веществ в элюате называют внешней хроматограммой, или просто хроматограммой.

По способу получения хроматограмм различают элюентную, вытеснительную и фронтальную хроматографии.

Элюентная (проявителъная) хроматография. Хроматографическую колонку промывают элюентом (раствором или растворителем), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в ко­лонку вводят разделяемые вещества, растворенные в элюенте, и продолжают непрерывно пропускать элюент (процесс элюирования). При этом разделяе­мые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями, напри­мер, в соответствии с их сорбируемостью. Если скорости перемещения ком­понентов достаточно различаются, то на выходе из колонки сначала появля­ется наименее сорбируемый компонент, затем следующий компонент и т. д. В этом случае хроматограмма представляет собой несколько пиков, имею­щих форму гауссовой кривой.

Хроматографические параметры

На рис. 8.3 представлена идеализированная хроматограмма смеси двух веществ. По оси абсцисс отложено время хроматографирования (можно от­ложить объем элюата), по оси ординат — аналитический сигнал, зависящий от концентрации веществ в элюате (отклик А). Рассмотрим основные хрома­тографические параметры, характеризующие поведение вещества в колонке. Время от момента ввода анализируемой пробы до регистрации максимума пика называют временем удерживания (элюирования) t_R . Время удержива­ния складывается из двух составляющих — времени пребывания вещества в подвижной t_m и неподвижной t_s фазах:

Значение t_m фактически равно времени прохождения через колонку не-

сорбируемого компонента. Значение t_R не зависит от количества пробы, но

зависит от природы вещества и сорбента, а также упаковки сорбента и может меняться от колонки к колонке. Поэтому для характеристики истиной удержи­вающей способности следует ввести исправленное время удерживания t'_R :

Для характеристики удерживания часто используют понятие удержи­ваемого объема V_R — объем подвижной фазы, который нужно пропустить через колонку с определенной скоростью, чтобы элюировать вещество:

где/⁷— объемная скорость потока, см³•с^-1.

Объем для вымывания несорбируемого компонента, мертвый объем, выражается через t_m: V_m = t_mF, и включает в себя объем колонки, не заня­тый сорбентом, объем коммуникаций от устройства ввода пробы до колонки и от колонки до детектора. Исправленный удерживаемый объем соответст­венно равен

При постоянных условиях хроматографирования (скорость потока, дав­ление, температура, состав фаз) значения t_R и V_R строго воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ.

Количество вещества, вымываемого из колонки, можно найти по пло­щади под кривой элюирования:

т= jcdV

о

где с — концентрация, ммоль/мл; V— объем, мл.

Полезным параметром в хроматографии может быть коэффициент удерживания (замедления) R — отношение скорости движения вещества к скорости движения подвижной фазы:.

Для неудерживаемого вещества t_R - t_m и R =1. Если время пребывания в подвижной и неподвижной фазах одинаково (t_m = t_s ), то R = 0,5 . Очевидно, что R можно выразить через V_R :

(8.6)

Любой процесс распределения вещества между двумя фазами характе­ризуют коэффициентом распределения D (см. гл. 7). В данном случае D = c_s/c_m, где с_т и c_s — концентрации вещества в подвижной и непод­вижной фазах соответственно. Коэффициент распределения связан с хрома­тографическими параметрами. Действительно, отношение времени пребыва­ния вещества в неподвижной и подвижной фазах равно отношению коли­честв вещества в фазах cV :

При хроматографировании одновременно происходит разделение ве­ществ и размывание хроматографических пиков разделяемых веществ, при­водящее к ухудшению разделения. Остановимся на теоретических подходах, объясняющих эти два противоположных процесса хроматографии. Теория хроматографии призвана выявить причины размывания пиков и прогнозиро­вать эффективность разделения смеси веществ.

Хроматографическое разделение определяется различной сорбцией компо­нентов смеси, что связано с природой сорбента и разделяемых веществ. На осно­вании сведений по термодинамике сорбции (адсорбции, растворения или ионного обмена) можно судить о возможности разделения смеси веществ. Теоретический подход, объясняющий размывание, основан на изучении форм изотерм сорб­ции — графической зависимости количества вещества в неподвижной фазе c_s от его концентрации в подвижной фазе с_т при постоянной температуре. Изотерма может быть линейной (а), выпуклой (б) или вогнутой (в) (рис. 8.4). Угол наклона изотермы определяется коэффициентом распределения

Теория теоретических тарелок

Теория теоретических тарелок, общая для всех многостадийных процес­сов (например, противоточной экстракции), впервые была предложена для описания процесса дистилляции, Мартин и Синдж распространили ее на хроматографические системы. Теория основана на некоторых допущениях:

колонка состоит из определенного числа теоретических ступеней (таре­лок); 2) равновесие на каждой тарелке считается достигнутым до того, как подвижная фаза переместится на следующую тарелку, т. е. равновесие уста­навливается мгновенно; 3) на любой тарелке в любой момент времени число молекул (ионов) сорбируемых компонентов пробы значительно меньше, чем число сорбируемых молекул (ионов) элюента, т. е. вводимая проба должна быть малой, а изотерма — линейной; 4) все протекающие в колонке процес­сы рассматриваются как взаимно независимые.

Теоретическая тарелка —

это гипотетическая зона, высота которой соответствует достижению равно­весия между двумя фазами. Чем больше теоретических тарелок в колонке, т. е. чем большее число раз устанавливается равновесие, тем эффективнее колонна. Эффективность колонки — это характеристика качества колонки, определяемая числом теоретических тарелок и высотой теоретической та­релки. Так как хроматографический процесс непрерывен и неравновесен, то представление о теоретической тарелке в хроматографии имеет умозритель­ный, формальный характер. Эта теория позволяет описать движение зоны с максимальной концентрацией компонента, экспериментально оценить ши­рину полосы (степень размывания хроматографической полосы) и эффек­тивность колонки.

Количественной мерой эффективности хроматографической колонки служат высота Н, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), и число тео­ретических тарелок N.

Теория теоретических тарелок дает возможность сравнить эффектив­ность различных колонок, оценить качество сорбента и заполнения колонки. Однако эта теория не позволяет выявить зависимость N и Н от скорости под­вижной фазы, природы и зернения сорбента, не может дать практических рекомендаций, позволяющих избежать размывания хроматографических пиков.

Схема хроматографа

Хроматографическое разделение осуще­ствляют в приборах — хроматографах, блок- схема хроматографа приведена на рис. 8.8. В современных хроматографах широко приме­няют микропроцессоры и ЭВМ. Основной узел хроматографа — колонка. Колонки бы­вают металлические, стеклянные и пластико­вые. Количество вещества, выходящего из колонки, регистрируют с помощью детектора, сигналы которого записывают в виде хромато­грамм.

Современный хроматограф может включать несколько колонок и различные детекторы, а также автоматическое устройство для подготовки и ввода пробы. Подсоединенный к хроматографу компью­тер, имеющий запоминающее устройство и банк хроматографических данных, обеспечивает анали­тика богатой информацией.

Быстрое внедрение запоминающих устройств и мощных процессоров в хроматографическую технику дает возможность значительно усовершенствовать идентификацию и коли­чественную обработку хроматографических пнков. Для этого необходима строгая слаженность работы всей хроматографической схемы: от ввода пробы, правильного заполнения колонки, разумного выбора подвижной фазы и детектора. Кроме того, необходима автоматизация всего хроматографического процесса, которая устраняет субъективные ошибки, увеличивает скорость обработки результатов.

Селективность и разрешение

Хроматографическое разделение основано на селективности сорбента и различии в термодинамических свойствах хроматографируемых веществ в системе сорбент—элюент. Для решения вопроса о возможности хроматогра­фического разделения смеси на индивидуальные вещества нужно сопоста­вить их хроматографические параметры. Для этого используют коэффици­ент селективности а и разрешение R_s. Коэффициент селективности явля­ется мерой относительного удерживания или относительной подвижности разделяемых веществ:

Это термодинамическая характеристика, зависящая при постоянной темпе­ратуре только от природы разделяемых соединений и свойств подвижной и неподвижной фаз.

При а = 1 разделение соединений в данных условиях невозможно. Только вещества с разными D будут перемещаться вдоль колонки с разными скоростя­ми, что и приводит к их хроматографическому разделению.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: