2.3.2 Типы неподвижных фаз для капиллярной хроматографии
Для получения качественных капиллярных колонок необходимо,
чтобы унос фазы из колонки был низким. Многие фирмы, специализи- рующиеся на выпуске колонок, сами выпускают НЖФ. Однако результа- ты анализов, выполненных с использованием аналогичных НЖФ, могут не совпадать. Поэтому кроме названия типа колонки указывается и про- изводитель.
37
Таблица 6
−
Характеристика некоторых распространенных неподвижных жидких фаз.
Полярность, %
Название
МДРТ,
°°°°
С
Применение
Сквалан (С
30
)
Апиезон (С
62
)
Аполан (С
87
)
120 300 260
Неполярные
0
−
20
ПМС (Россия)
SE-30 (США)
OV-101 (США)
E-301 (Англия)
200 350 300 250
Для разделения ароматических соединений, непо- лярных алифатиче- ских, смеси поляр- ных и неполярных соединений
Эфиры терефталевой кислоты (фталаты)
100
−
180
Полипропиленглико- ли (ППГ)
100
−
200
Малополярные
20
−
40
ПФМС-4 (Россия)
XE-61
DC-550 (США)
OV-17 (США)
280 300 225 300
Для разделения слабополярных кислородсодержа- щих и ароматиче- ских соединений
Среднеполярные
40
−
60
Кремний органиче- ские жидкости с при- витыми CN-группами
НСКТ, XE-1150,
OV-225 (США)
до 250
Для разделения углеводородов с
большим содержа- нием ароматиче- ских колец
Полиэтиленгликоли
ПЭГ-20М (Россия)
Карбовакс-20М
225 250
Полярные
60
−
80
Полиэтиленглколь- адипинат (ПЭГА)
Реоплекс-400 200 200
Для разделения кислородсодержа- щих соединений
Сильнополярные,
80
−
100 1,2,3-Трис-(
β
-циан- этокси)пропан
Гексацианэтиловый эфир маннита (6С)
180 200
Для анализа силь- нополярных соеди- нений
Для достижения стабильной работы НЖФ иммобилизуют путем
сшивки и/или прививки. Первый процесс приводит к образованию более устойчивой макромолекулярной пленки, второй
к химическому при- креплению НЖФ к поверхности капиллярной трубки.
Колонки со сшитыми фазами (в отличие от несшитых) можно промывать растворителями с целью регенерации. Как правило сшитые фазы имеют более широкий диапазон рабочих температур, чем у анало- гичных несшитых. Сшивкой также удается снизить унос фазы из колон- ки.
38
Как показывает опыт, эффективность
капиллярных колонок с не- полярной НЖФ, как правило, выше, чем у колонок с полярными фазами.
Примеры неподвижных жидких фаз, наиболее часто используе- мых, приведены в таблице 7.
2.3.3 Выбор количества неподвижной фазыКак правило, количество НЖФ составляет 5
−
40 г на 100 г твердого носителя. При этом необходимо учитывать температуру кипения анали- зируемых веществ. Для легкокипящих веществ содержание НЖФ состав- ляет 15
−
25%, для тяжелых сорбатов
2
−
5%.
Содержание НЖФ для капиллярных колонок колеблется от 0,1 до
20% внутренней поверхности капилляра, в зависимости от задаваемой толщины пленки.
С повышением содержания НЖФ у сорбентов:
−
повышается селективность;
−
уменьшается адсорбционный эффект (симметричные пики);
−
увеличивается емкость колонки.
При понижении содержания НЖФ у сорбентов:
−
эффективность разделения повышается (из уравнения Ван-Деемтера);
−
с повышением температуры в меньшей степени увеличивается фоно- вый ток (меньше унос фазы);
−
возрастает скорость анализа;
−
возможно работать при более высоких температурах.
2.3.4 Методы нанесения неподвижной жидкой фазыМетод «испарения из чашечки»В коническую колбу берут необходимую навеску НЖФ (рассчиты- вая в зависимости от веса исходного твердого носителя и заданного со- держания) на аналитических весах. Рассчитанное количество НЖФ рас- творяют в легкокипящем растворителе, который должен растворять НЖФ
во всех соотношениях. Объем растворителя должен быть таким, чтобы в него полностью погружался обрабатываемый твердый носитель. Равно- мерно перемешивая образовавшуюся суспензию шпателем, растворитель испаряют вначале при невысокой температуре (на водяной бане). Затем,
когда насадка станет сыпучей и исчезнет запах растворителя, ее досуши- вают при более высокой температуре (70
−
100
°
С) несколько часов (3
−
4 ч)
в сушильном шкафу, чтобы избежать неравномерности нанесения пленки
НЖФ. После высушивания сорбент охлаждают в эксикаторе.
39
Таблица 7
−
Некоторые традиционные неподвижные жидкие фазы, используемые в капиллярных колонках.
СоставНазваниеHЖФПоляр-ностьОпределяемые веществаДиапазон тем-ператур, °°°°
СРаствори-тельС
30
Н
62
(2,6,10,15,19,23-гекса- метилтетракозан)
Сквалан неполярная
Алифатические вещества
20
−
150
хлороформ,
ацетон
Полидиметилсилоксаны
(каучук)
OV-1, SE-30,
СКТ
−
//
−
Фенолы, углеводороды, амины, серо-
содержащие соединения, пестициды,
полихлорированные бензолы
-60
−
325
хлороформ
Полидиметилсилоксаны
(вязкая жидкость)
OV-101, SP-2100
−
//
−
Производные аминокислот, эфирные масла
0
−
280
хлороформ
Сложная смесь алифатических,
алициклических и ароматических углеводородов
Апиезон-L
−
//
−
Барбитураты, спирты, углеводороды,
алкалоиды, эфиры жирных кислот,
азотсодержащие соединения
50
−
300
гексан,
толуол,
ацетон
Полифенил(5%)диметил- силоксаны
SE-52, SE-54,
OV-23
−
//
−
Жирные кислоты, метиловые сложные эфиры, алкалоиды, лекарственные препараты, галогенсодержащие со- единения
60
−
325
толуол,
хлороформ,
ацетон
Полициано(14%)пропил- фенилсилоксаны
OV-1701
средняя
Лекарственные средства, стероиды,
пестициды
-20
−
280
ацетон
Полифенил(50%)метил-силокса- ны
OV-17, ПФМС-4
−
//
−
Лекарственные средства, стероиды,
пестициды, гликоли
20
−
240
толуол,
хлороформ
Циано(50%)пропил- метилфенил(50%)силоксаны
OV-225
−
//
−
Жирные кислоты, метиловые сложные эфиры, ацетаты алдитола
60
−
240
ацетон
Политрифторпропил(50%)-ме- тилсилоксаны
OV-210, ФС-
169
−
//
−
Галогенсодержащие и ароматические соединения
45
−
240
хлороформ,
ацетон
Полиэтиленгликоли
Карбовакс 20М,
ПЭГ
полярная
Свободные кислоты, спирты, простые эфиры, эфирные масла, гликоли, рас- творители
60
−
220
хлороформ
Полиэтиленгликольфталаты
SP-2100
−
//
−
Кислоты, спирты, альдегиды, кетоны,
акрилаты, нитрилы
60
−
240
хлороформ,
ацетон
40
Сушка может иногда приводить к окислению НЖФ. Другой недос- таток этого метода — твердый носитель покрывает НЖФ неравномерно.
Иногда НЖФ не попадает в узкие поры, из которых не уходит полностью воздух. Для устранения указанных недостатков, рекомендуется наносить
НЖФ из раствора в вакууме, во вращающейся колбе (или при покачива- нии колбы рукой). При этом уменьшается также и механическое дробле- ние частиц твердого носителя. Сорбент, полученный подобным методом,
практически не стареет.
Фильтрационный методОсновной вариант этого метода заключается в том, что твердый носитель смешивают с раствором НЖФ, при этом устанавливается рав- новесное распределение НЖФ между раствором жидкой фазы и поверх- ностью твердого носителя. Затем суспензию переносят на фильтр, рас-
творитель отсасывают, а мокрый сорбент сушат сначала на воздухе, по- том в сушильном шкафу.
Фильтрационный метод целесообразно применять при приготов- лении сорбентов с низкими концентрациями НЖФ от 1% до 3%. Количе- ство НЖФ, оставшейся на твердом носителе зависит от концентрации ее в растворе и от коэффициента адсорбции молекул НЖФ на границе раз- дела раствора НЖФ и твердого носителя.
Метод достаточно быстр, однако для определения фактического содержания НЖФ на сорбенте требуется проведение дополнительных экспериментов — либо прямых (экстракция, выжигание), либо косвен- ных (используя предварительное установление зависимости между кон- центрацией НЖФ в растворителе и величиной адсорбции ее из раствора на данном твердом носителе).
Фронтальный методМетод основан на пропускании раствора НЖФ через колонку, за- полненную твердым носителем. Для осуществления этого метода раствор
НЖФ медленно пропускают через хроматографическую колонку до уста- новления равновесия между сорбированным количеством НЖФ на твер- дом носителе и подаваемым раствором НЖФ. После установления равно- весия (следует пропустить объем раствора фазы в 2
−
3 раза больший, чем объем твердого носителя). Растворитель удаляют нагреванием колонки под вакуумом в слабом токе инертного газа.
Концентрация НЖФ на твердом носителе в этом методе может быть приблизительно определена при взвешивании колонки с исходным твердым носителем и колонки после удаления растворителя. Преимуще-
41
ство метода в том, что в колонку не попадают частички твердого носите- ля, не покрытые НЖФ (как это бывает при заполнении колонки готовым сорбентом при постукивании, когда возможно размельчение хрупкого сорбента). Особенно целесообразно применение этого метода при ис- пользовании носителей с непористой внешней поверхностью (стеклян- ные и металлические шарики, стальные порошки и др.). Недостаток ме- тода связан с завышением содержания НЖФ в выходящей части колонки и с понижением — во входной.
Приготовление сорбента в «кипящем слое» (противоточный метод)Этот метод лишен некоторых недостатков предыдущих методов.
Суть метода в том, что на твердый носитель, находящийся в состоянии кипящего слоя, наносится раствор жидкой фазы в легкокипящем раство- рителе. Необходимое для приготовления сорбента количество твердого носителя помещают на пористую пластинку и осторожно подают азот (во избежании опасности выброса), контролируя его расход по пузырькам,
барбатирующим через склянку Дрекселя или Тищенко с серной кисло- той. Затем на твердый носитель осторожно выливают раствор НЖФ (объ- ем раствора должен быть на 20
−
25% больше объема взятого твердого носителя), снова регулируют расход газа, стремясь к тому, чтобы наблю- далось умеренное «кипение» частиц твердого носителя в растворе НЖФ.
При этом частицы твердого носителя, прилипшие к стенкам сосуда, сле- дует сбрасывать вниз шпателем.
У данного метода три преимущества — хорошее перемешивание,
отсутствие дробления и одновременное удаление мелких частичек твер- дого носителя. Колонки с сорбентом, приготовленным в кипящем слое,
имеют большую эффективность, чем колонки с НЖФ, нанесенной из рас- твора другим способом.
На испарение низкокипящего растворителя (диэтилового эфира,
ацетона) требуется не более тридцати минут. При работе с более высоко- кипящими растворителями (бензол, четыреххлористый углерод и т.п.)
для ускорения испарения сосуд можно подогреть электронагревателем.
После завершения испарения растворителя приготовленный сорбент до- сушивается в сушильном шкафу.
Метод нанесения НЖФ в вакуумеПодготовленный твердый носитель и раствор жидкой
фазы сме- шивают в круглодонной колбе, подсоединенной к вакуумному насосу
(лучше водоструйному). Испарение растворителя производится в вакуу- ме, достаточном для испарения растворителя при комнатной температу-
42
ре. В течение всего времени испарения растворителя колбу с суспензией следует поворачивать или осторожно встряхивать для перемешивания сорбента. По мере испарения растворителя сорбент становится сухим.
Еще некоторое время сорбент выдерживается в вакууме, после чего осто- рожно впускается воздух. Сорбент выгружается, досушивается в су- шильном шкафу и хранится в эксикаторе.
Для нанесения НЖФ, описанным методом можно применить рота- ционный испаритель.
Нанесение НЖФ на пористые полимеры
Нанесение НЖФ на пористые полимерные твердые носители про- изводится одним из приведенных выше способов, однако количество
НЖФ, которое можно нанести не превышает 10%.
Приготовление капиллярных колонок
Для нанесения НЖФ на внутреннюю поверхность капиллярной колонки используют статические и динамические методы.
При использовании статического метода колонки заполняют раз- бавленным раствором НЖФ в низкокипящем растворителе, затем один конец запаивают, а другой присоединяют к вакуум-насосу для испарения растворителя. Иногда применяют нагревание колонки.
Сущность динамического метода заключается в предварительной очистке стенок колонки растворителями (обычно ацетоном, бензолом диэтиловым или петролейным эфирами) с последующим смачиванием внутренней поверхности капилляра при пропускании через него опреде- ленного объема раствора НЖФ в растворителе (диэтиловый или петро- лейный эфиры, пентан, гексан, хлороформ, бензол) под действием повы- шенного давления инертного газа.
При нанесении НЖФ необходимо соблюдать два требования: рав- номерно наносить в виде тонкой пленки и не разрушать частицы твердо- го носителя.
2.4 ТВЕРДЫЕ НОСИТЕЛИ И АДСОРБЕНТЫ
При газожидкостной хроматографии на заполненных сорбентом колонках исследуемые смеси разделяются на сорбенте, состоящем из
твердого пористого материала (носителя), покрытого тонким слоем высококипящей жидкости (неподвижной жидкой фазы).
43
Назначение твердого носителя
прочно удерживать неподвиж- ную жидкую фазу и создавать большую поверхность соприкосновения между подвижной (газ-носитель) и НЖФ, не вступая в химическое взаи- модействие с анализируемыми веществами. В качестве материала для твердого носителя пригоден мелкозернистый, устойчивый при темпера- туре колонки, инертный твердый материал. Однако эффективность раз- деления зависит от однородности материала, заполняющего колонку, и от геометрической структуры частиц твердого носителя.
При выборе материала носителя следует учитывать его структуру и характеристики поверхности. Структура свидетельствует об эффектив- ности материала в качестве носителя, а характеристики поверхности ука- зывают на степень влияния материала на процесс разделения. В идеаль- ном случае поверхность должна быть химически инертной, тогда она не будет оказывать влияния на разделение. Площадь
поверхности должна быть достаточно большой, чтобы жидкая фаза была распределена в виде тонкой пленки, а структура твердого носителя должна обеспечивать удерживание НЖФ, тогда эффективность будет высокой.
Идеальный материал для носителя должен обладать следующими свойствами:
−
большой удельной поверхностью, чтобы упростить получение мелкодисперсного распределения жидкой фазы;
−
химической инертностью, для предотвращения адсорбции компо- нентов пробы в рабочих условиях;
−
механической прочностью, чтобы выдерживать процессы нанесе- ния покрытия и наполнения колонки;
−
однородными по размеру частицами (узкий ситовый состав), что- бы обеспечить равномерное наполнение колонки;
−
соответствующей пористой структурой для получения быстрого массопереноса в обеих фазах;
−
термостойкостью для осуществления режимов работы при высо- ких температурах.
2.4.1 Природа твердого носителяХотя ни один материал-носитель не удовлетворяет всем этим кри- териям, имеется большое число специально обработанных носителей,
которые дают удовлетворительные результаты.
Товарные типы носителей поставляются уже просеянными и обра- ботанными, и размер их зерен чаще всего составляет около 0,1 мм. С хи- мической точки зрения носители можно разделить на две группы.
44
а) Для с
иликатных носителей используют чистые диатомитовые земли (кизельгур) называемые еще цеолитом 545
остатки одноклеточ- ных организмов (диатомей), имеющие пористую структуру (удельной поверхностью S
уд
=20 м
2
/г). В состав земель входит SiO
2
и
примесь окси- дов алюминия, железа, магния, натрия, калия, кальция, титана, фосфора.
Сами по себе диатомитовые земли в ГЖХ не используются. Путем плав- ления, кальцинирования, просеивания, промывки в неорганической ки- слоте или щелочи и силанизации из нее получают две основные группы,
отличающиеся по цвету.
Белый материал (хромосорб W) получают путем прокаливания ки- зельгура при 900
°
С, добавляя 2
−
5% карбоната натрия. При этом получа- ют материал с низкой адсорбционной активностью (S
уд
=1
−
3 м
2
/г). Мак- симальное нанесение НЖФ составляет 25%, обычно используют 15%.
Белый материал относительно инертен и часто бывает хрупким. Область рН водной суспензии составляет 8
−
10. Термостойкость до 1000
°
С. К не- достаткам данного материала можно отнести отсутствие возможности использования для анализа кислых соединений (без особой обработке) и нежелательное использование кремнийорганических НЖФ (при повы- шенных температурах происходит гидролиз в щелочной среде). Белые носители пригодны для анализа неполярных и среднеполярных соедине- ний. Цель их использования является понижение энергетической неодно- родности и повышение инертности системы.
Розовый материал (хромосорб Р) получают при прокаливании диатомитовой земли с добавлением глины при температуре порядка
1200
°
С. Он имеет относительно большую удельную поверхность
(S
уд
=4
−
6 м
2
/г) благодаря мелкопористой структуре и обладает хорошими характеристиками механической прочности. Однако химическая инерт- ность у него ниже, чем у белого носителя. На основе розового носителя получают высокоэффективные колонки, благодаря высокой удельной поверхности, но максимальная эффективность реализуется только при анализе неполярных соединений. На розовые носители можно нанести большее количество НЖФ
−
до 33% (обычно 25%).
В целом колонки, наполненные сорбентом на основе белого носи- теля, имеют меньшую эффективность, чем колонки, наполненные сор- бентом на основе розового диатомита. Однако первые предпочтительнее для разделения полярных проб, благодаря более низкой активности носи- теля.
Другой тип носителей получают дроблением теплоизоляционных кирпичей, изготовляемых путем обжига диатомитовой земли с минераль- ными вяжущими веществами. По сравнению с чисто диатомитовыми эти
45
носители обладают меньшей удельной поверхностью, но большей меха- нической прочностью.
б)
Скачать 1.41 Mb.