Н. И. Царев, В. И. Царев, И. Б. Катраковпрактическаягазоваяхроматография
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
величины степени разделения от пара- метров колонки: ! " # "$ % " # "$ % емкость ть селект ть эф + ⋅ − ⋅ = − − 1 k k á 1 á 4 n R S (39) где n – эффективность колонки, выражаемая числом теоретических тарелок; α – фактор селективности; k – коэффициент извлечения (коэффициент емкости). Разделение, таким образом, определяется произведением трех со- множителей: первый выражает зависимость от селективности колонки 29 (уравнение 32), второй − от коэффициента емкости колонки (уравнение 5), третий − от эффективности колонки (уравнение 16). Рассмотрим уравнение (39) подробнее. Первый сомножитель показывает, что достигаемое разделение пропорционально корню квадратному из числа теоретических тарелок n, т.е. для увеличения разделения вдвое нужно увеличить эффективность колонки в 4 раза. Например, увеличить длину колонки в 4 раза, при этом время анализа увеличивается также в 4 раза. Если α = 1, то R S = 0, т.е. разделения нет независимо от числа тео- ретических колонок n. Однако из характера функции α в уравнении вид- но, что наибольшее изменение могут привести к заметному увеличению разделения, особенно для тех случаев, когда значения α близки к 1. Если за счет подбора условий разделения удается изменить α с 1,1 до 1,2, это приводит к улучшению разделения в два раза. Очевидно, что значимым членом является селективность системы. Если емкость колонки (третий сомножитель) принимает значение k = 0, то R S = 0, т.е. разделение отсутствует − оба разделяемых компонен- та элюируются как несорбируемые вещества (взаимодействия с НЖФ отсутствует). С ростом значения k степень разделения возрастает, при этом скорость анализа уменьшается. Как правило, если эффективность колонки недостаточна, а ско- рость анализа − важный фактор, то идут следующим путем. Для увеличе- ния эффективности используют колонку с более мелким по зернистости сорбентом, хотя при этом увеличивается и давление в колонке. Следует отметить, что эффективность колонки меньше влияет на разделение, чем селективность и коэффициент емкости, тем не менее по- вышению эффективности придается большое значение. Для пары веществ, пики которых на хроматограмме не слишком отличаются по высоте (соотношение высот от 3:1 до 1:3), удовлетвори- тельным считается удовлетворительным R S = 1,0 (рис. 5, б и в). При вы- полнении точных анализов желательным является значение R S = 1,2 − 1,5 (рис. 5, г). В большинстве случаев не требуется R S > 1,5, т.к. это приводит к увеличению продолжительности анализа. В случае, когда R S ≤ 0,8 (рис. 5, а), считается разделение недостаточным (плохим). При анализе более сложных смесей критерий разделения устанав- ливают для наиболее трудно разделяемых пар компонентов смеси и здесь уже важным фактором является эффективность колонки. В капиллярной хроматографии уравнение (39) принимает вид: − ⋅ = á 1 á 4 N R S (40) 30 где 2 1 k k n N + ⋅ = (41) Другой метод оценки эффективности колонки является число раз- делений TZ (от нем. Trennzahl) или SN (от англ. separation number). Эта величина также нашла широкое применение в капиллярной хроматогра- фии. Число разделений определяется как разделение двух соседних чле- нов гомологического ряда, как правило, неразветвленных алканов, разли- чающихся одной СН 2 -группой, и рассчитывается по уравнению: 1 b b t t TZ (z) 1) (z (z) 1) (z 0,5 0,5 R R − + − = + + (42) Число разделений и величина разрешения R S связаны между собой следующим образом: 1 1,777 R TZ S − = (43) Другими словами, число разделений это максимальное число пиков, которые могли бы быть разделены между двумя соседними гомо- логами в данной части хроматограммы. Поэтому когда приводят TZ, не- обходимо привести еще и коэффициент емкости, и диапазон индексов удерживания. Для двух различных колонок соответствующие значения TZ нельзя сравнивать механически. Преимуществом величины TZ является применение ее в условиях программирования температуры и существование зависимости с индек- сами удерживания Ковача (уравнение 15), которая выражается следую- щим уравнением: 1 ÄI 100 TZ − = (45) 2.1.5 Выбор температуры На селективность α очень сильно оказывает влияние температура, а на эффективность n влияет скорость потока газа-носителя. С увели- чением температуры снижается α , но при этом повышается эффектив- ность. Температуру в испарителе необходимо поддерживать не ниже температуры высококипящего компонента смеси. Влияние температуры на хроматографическое разделение: 31 1. С увеличением температуры время анализа уменьшается (время 1 − 2 мин, но не более 10 мин); 2. С увеличением температуры адсорбционные процессы уменьшаются; 3. С увеличением температуры селективность α уменьшается (увеличе- ние температуры на 30 ° С приводит к уменьшению k в 2 раза); 4. Увеличение селективности α на 2% снижает требование к эффектив- ности в 4 раза; 5. Чем больше количество НЖФ на твердом носителе, тем необходимо больше держать температуру (при приближении к максимально воз- можной температуре НЖФ необходимо выбрать температуру на 3 − 5% ниже). 2.2 ГАЗЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ХРОМАТОГРАФИИ В подавляющем большинстве случаев применяются газы, сжатые до давления 15 МПа и содержащиеся в баллонах емкостью 40 л. В случа- ях, когда невозможно или трудно транспортировать стальные баллоны с газами, применяются электролитические или химические генераторы водорода, кислорода, углекислого газа и др. Если в качестве газа- носителя необходимо использовать водяной пар, то его следует получать кипячением дистиллированной воды при заданной температуре непо- средственно в приборе. Аргон обычно поставляют достаточно чистым, и поэтому он не нуждается в дополнительной очистке. Применять аргон в качестве газа- носителя выгодно, поскольку он не взрывоопасен и сравнительно дешев. Ламповый азот, применяемый в хроматографии, имеет степень чистоты, равную 99,99% поэтому он также не нуждается в дополнитель- ной очистке. То же относится и к гелию: в случае использования детек- тора по теплопроводности или пламенно-ионизационного детектора этот газ не нужно дополнительно очищать. Однако в случае применения ге- лиевого ионизационного детектора газ не должен содержать даже следов примесей. Электролитический водород удобен для хроматографии и также поставляется в баллонах или генерируется непосредственно в лаборатор- ном электролизере. Степень его чистоты обычно равна 99.8%, что вполне достаточно для рутинной работы. При более высоких требованиях, предъявляемых к чистоте, водород необходимо освобождать от остатков кислорода и от влаги. Из-за очень низкой вязкости водорода перед нача- лом работы необходимо проверить все соединения и полностью устра- нить все неплотности. В качестве газа-носителя водород рекомендуется 32 применять до температуры 250 ° С, а в случае работы при более высоких температурах этот газ лучше заменить гелием. Что касается вспомогательных газов, то кислород и воздух обычно подвергают дополнительной сушке; если воздух отбирается из компрес- сора, то на его пути устанавливают еще и фильтр для улавливания ком- прессорного масла. Технический углекислый газ также содержит боль- шое количество масла, а иногда и следы метана. Очистка газов Применяемые газы содержат примеси в ничтожно малых концен- трациях. Присутствие этих примесей чаще всего не влияет на процесс разделения, однако, они оказывают вредное действие на неподвижную фазу, находящуюся в колонке. Кислород и водяной пар при температурах выше 100 ° С разлагают полигликоли, полиэфиры и некоторые силиконо- вые фазы, что приводит к изменению термостойкости и хроматографиче- ских свойств неподвижных фаз. Органические примеси даже в ничтожно малых концентрациях вносят искажения при проведении анализа с про- граммированием температуры. На стадии охлаждения колонки эти веще- ства накапливаются в ее начале и по мере повышения температуры миг- рируют к ее концу. Иногда эти примеси могут выходить с анализируе- мыми компонентами и при пониженных концентрациях последних даже маскировать их. Поэтому все примеси рекомендуется удалять из приме- няемых газов физическими или химическими методами. К первой группе этих методов относится адсорбция и конденсация при низких температурах или их комбинация. Для этой цели подходят все адсорбенты с большой удельной поверхностью, такие, как активиро- ванный уголь, силикагель и молекулярные сита. При достаточном сни- жении температуры (до -80 − -190 ° С) происходит интенсивная адсорбция или капиллярная конденсация примесей. Однако уровень хладагента не- обходимо постоянно поддерживать на одинаковой высоте, поскольку колебания уровня вызывают изменение давления и потока очищенного газа. Перед загрузкой в линию очистки адсорбенты следует активировать нагреванием, по крайней мере, до 350 ° С. Для осушки и испарения кислых примесей (СО 2 , SO 2 ) в настоящее время применяют молекулярные сита. Они обладают большой емкостью (до 30% от собственной массы), способностью адсорбировать воду даже при температурах выше температуры ее кипения и легко регенерируются. Для осушения и задерживания следов органических примесей подходят все типы молекулярных сит, применяемых в хроматографии (5А, 10Х, 33 13Х), а для удаления только воды хорошо зарекомендовали себя молеку- лярные сита 3А и 4А с диаметром пор менее 0,4 нм. Кислород, водород, углекислый и ряд других газов обычно удаля- ют химическими методами. Наиболее подходящими для этой цели явля- ются каталитические реакции, протекающие в условиях умеренных тем- ператур. Для снижения содержания кислорода в водороде или в газах, содержащих водород, рекомендуется использовать палладиевый катали- затор, работающий уже при комнатной температуре. Образующаяся при этом вода улавливается молекулярным ситом. Для удаления кислорода из газов, не содержащих водород, необходимо либо добавлять водород, ли- бо применять медный, марганцевый или никелевый катализаторы, для которых оптимальная рабочая температура составляет 20 − 100 ° С. Диок- сид углерода, метан и другие углеводороды, содержащиеся в виде следов, удаляют на медном или никелевом катализаторе в оксидной форме, на- греванием до 600 ° С. 2.3 НЕПОДВИЖНЫЕ ЖИДКИЕ ФАЗЫ Неподвижная жидкая фаза это фаза, определяющая селектив- ные взаимодействия между компонентами пробы и твердым носителем, т.е. определяет последовательность выхода из колонки и отношение вре- мен удерживания максимумов их зон, а также характер размывания хро- матографических зон. Выбор неподвижной жидкой фазы может оказаться наиболее важ- ным шагом для получения требуемых хроматографических данных. При выборе НЖФ принимаются во внимание следующие свойства: − химическая стойкость и инертность; − низкое давление пара при температуре колонки; − достаточные коэффициенты разделения; − достаточная селективность по отношению к компонентам пробы, которые должны быть разделены; − низкая вязкость; − хорошая растворимость в каком-либо летучем растворителе; − доступность. 2.3.1 Классификация неподвижных жидких фаз Поскольку нет единого параметра, с помощью которого можно было бы описать характеристики удерживания жидкой фазы, для класси- фикации различных неподвижных жидких фаз используют понятие по- лярности. На практике полярные и неполярные фазы, а также фазы про- 34 межуточной полярности различаются без придания точного значения этим выражениям. Вообще говоря, чем больше полярность жидкой фазы, тем больше удерживание полярного растворенного вещества по сравне- нию с неполярным, имеющим одну и ту же температуру кипения. Поляр- ность неподвижной жидкой фазы связана со степенью полярности поляр- ных или поляризуемых функциональных групп и отношением таких групп к молекуле растворенного вещества. Полные характеристики не- подвижных фаз даны в справочнике [6]. Неподвижные фазы классифицируют по характеру межмолеку- лярного взаимодействия фаза − вещество (табл. 5). Таблица 5 – Классификация неподвижных фаз в зависимости от вида их функциональных групп. I тип II тип III тип Неполярные насыщен- ные (возможны только дисперсионные взаимо- действия) Полярные с локально кон- центрированными отрица- тельными зарядами, π - связями, свободными элек- тронными парами при ато- мах N и О (доноры элек- тронов) Полярные с локально концентрированными положительными и отрицательными за- рядами (акцепторы и доноры электронов) Апиезоны (L,M,J,N,T,H) Адипинаты Гидроксиламины н-Гексадекан (С 16 Н 34 ) Нитрилы Гликоли Парафиновое масло Нитрилоэфиры Глицерин Сквалан (С 30 Н 62 ) Полифенилы Диглицерин н-Тетракозан (С 24 Н 50 ) Себацинаты Инозит Сквалан Пентаэритрит Стеараты Сорбит Сукцинаты Полиэтиленгликоли Трикрезилфосфат Фталаты Эфиры полиэтиленгликоля Следующая классификация неподвижных фаз по макимально до- пустимой рабочей температуре (МДРТ): − органическая НЖФ до 200 ° С; − кремнийорганическая до 350 ° С. Важным моментом при выборе необходимой для работы непод- вижной жидкой фазы являются верхний и нижний пределы рабочих тем- ператур. Верхний предел температуры колонки обычно определяется величиной испарения, которая является результатом медленного уноса жидкой фазы потоком газа-носителя. Чем выше давление пара НЖФ, тем 35 выше скорость истечения ее при данной температуре скорости потока. Этот процесс является нежелательным, поскольку может нарушить пра- вильное функционирование детектора; приводит к постепенному уносу неподвижной жидкой фазы из колонки, изменяя тем самым величины удерживания исследуемых компонентов. Унос НЖФ из колонки вызыва- ет смещение нулевой линии при режиме работы с программированием температуры. Во многих случаях, обычно для полимерных неподвижных жидких фаз, химическое разложение ограничивает максимальную рабо- чую температуру, которое возникает вследствие окисления микроприме- сями кислорода, присутствующими в газе-носителе или в результате ре- акции, катализируемой примесями или активными центрами поверхности твердого носителя. Максимальная рабочая температура обычно предоставляется фир- мой-поставщиком. Тем не менее, к этим данным следует относиться кри- тически и максимальная рабочая температура устанавливается экспери- ментально. Нижний предел температуры это обычно точка плавления жидкой фазы. Замечено, однако, что с понижением температуры эффек- тивность колонки может существенно упасть в результате понижения диффузии анализируемого вещества в жидкой фазе вследствие увеличе- ния вязкости неподвижной жидкой фазы. Для выражения полярности жидкой фазы разработано несколько классификаций. Предложенная Роршнайдером система оценки селектив- ности фаз мажет быть использована для определения взаимозаменяемо- сти фаз и для оценки взаимодействия. Она основана на шкале полярно- сти, в которой полярности сквалана (неполярной фазы) и β , β′ - оксидипропионитрила (высокополярной фазы) приняты за 0 и 100 соот- ветственно. Относительная полярность фазы выражается числом, так на- зываемым индексом полярности, который получают путем интерполяции логарифма удерживания бутадиена (полярное растворенное вещество), измеренного с данной фазой между значениями, полученными при изме- рениях со стандартными. Существует множество неподвижных жидких фаз с близкими свойствами. С этой точки зрения можно сказать, что число НЖФ, приме- няемых на практике, слишком велико и подавляющее большинство задач разделения можно решить, используя десяток жидких фаз. Кроме того, эффективного решения поставленной задачи хроматографического ана- лиза позволяет добиться использование смешанного сорбента. Для практического решения поставленной задачи обычно исполь- зуют один из следующих способов: 36 1. применение составных колонок, заполненных различными по по- лярности сорбентами; 2. нанесение на твердый носитель одновременно двух различных не- подвижных жидких фаз в определенном соотношении; 3. заполнение колонки смесью двух заранее приготовленных сорбен- тов. Константы Мак-Рейнольдса система для характеристики НЖФ по измерениям их селективности относительно сквалана. Их можно ис- пользовать для: 1) сравнения двух НЖФ, предназначенных для разделения одной группы соединений (предпочтительна фаза с более высокой МДРТ); 2) поиска неподвижной фазы, которая селективно удерживает данное соединение или группу соединений. Некоторые характеристики наиболее распространенных НЖФ приведены в таблице 6. Поиски оптимальных неподвижных фаз привели к их увеличению. Поэтому в последнее время придается значение колонкам с бинарными сорбентами. При выборе неподвижной фазы необходимо учитывать правило «подобное растворяет подобное, а противоположное разделяет». В зави- симости от объекта исследования селективность рассматривают в трех аспектах: 1) селективность как способность к разделению каких-либо двух компонентов (например, близкокипящих изомеров); 2) селективность как способность к разделению компонентов одного гомологического ряда; 3) селективность как способность к разделению компонентов двух или нескольких гомологических рядов. |