Глава 3. Газожидкостная хроматография

В процессе хроматографирования вещество распределяется между подвижкой газообразной фазой и твердой неподвижной - адсорбентом. Вследствие движения подвижной фазы, называемой в газовой хроматографии газом-носителем, анализируемое вещество, находящееся также в газообразной фазе, переносится вдоль слоя сорбента и постоянно вступает в контакт с новыми его участками. При этом устанавливается динамическое равновесие между веществом, адсорбированным твердой фазой, и веществом, находящимся в газообразной фазе. Участки адсорбента с адсорбированным веществом при дальнейшем движении подвижней фазы омываются затем чистым газом, не содержащим анализируемое вещество. При этом равновесие нарушается, происходит десорбция вещества и перенос его газом-носителем к новому участку адсорбента.

Таким образом, в процессе хроматографирования многократно повторяется процесс перехода вещества из одной фазы в другую и обратно (адсорбция – десорбция). Существующие теории рассматривают этот процесс с различных позиций. Однако все они исходят из характера изотермы адсорбции, скорости установления межфазного равновесия и рассматривают движение зоны вещества применительно к проявительному варианту хроматографии.

Изотермы адсорбции могут иметь прямолинейный либо криволинейный характер (рис. 5).

Рис. 5. Изотермы сорбции (1-линейная; 2-выпуклая;             3-S-образная; 4- вогнутая).

В зависимости от этого различают линейную и нелинейную хроматографии. Теория линейной хроматографии рассматривает процессы, в которых распределение вещества между фазами описывается линейной изотермой адсорбции и, следовательно, подчиняется закону Генри. Такие процессы приводят к асимметрическому распределению концентрации по слою (рис. 5-2 и 5-4).

Скорость установления межфазного равновесия либо бесконечно велика, и тогда равновесие устанавливается мгновенно, либо имеет малую величину, что приводит к медленному установлению равновесия. Теория равновесной (идеальной) хроматографии рассматривает первый случай, т.е. принимается, что доставка вещества из объёма газообразной фазы к поверхности адсорбента, а также проникновение вещества в поры адсорбента и взаимодействие с ним происходит мгновенно. Теория также не учитывает возможности размывания вещества по слою вследствие молекулярной диффузии. Хотя эта теория абстрагируется от реально существующих процессов, она полезна тем, что позволяет найти законы движения центра хроматографической зоны, т.е. зоны с определённой, максимальной концентрацией вещества.

Теория неравновесной (неидеальной) хроматографии рассматривает реальный процесс, протекающий с конечной скоростью установления равновесия. Во всех случаях, кроме линейной идеальной хроматографии, имеет место размывание вещества по слою и расширение хроматографической зоны. При линейной изотерме размывание симметрично, в остальных случаях асимметрично.

Описывая хроматографический процесс в колонке, обычно исходят с одной из трёх позиций. Рассматривают слой адсорбента как микроскопически однородную среду с участием большого числа молекул. Такой метод получил название метода материального баланса. В стохастическом методе изучают процессы, происходящие с отдельно взятой молекулой, и рассматривают скорость её перемещения вдоль оси и из одной фазы в другую. Можно также рассматривать слой сорбента как состоящий из множества последовательных элементарных ступеней /тарелок/, по которым распределяется вещество и устанавливается равновесие между фазами. Эта теория получила известность как теория тарелок. Все теории позволяют в какой-то степени объяснить причины размывания вещества по слою адсорбента и найти пути уменьшения их действия, а следовательно, улучшения условий разделения смеси веществ.

В большинстве реально осуществляемых процессов стремятся работать в области линейной изотермы адсорбции, когда процесс подчиняется закону Генри.

В основе теории тарелок, разработанной Мартином, лежит предположение, что хроматографируемое вещество проходит слой сорбента порциями, распределяясь между подвижной и неподвижной фазами на отдельных элементарных участках слоя - "тарелках". При этом на каждой тарелке устанавливается равновесное распределение вещества. Новая порция газа-носителя, подаваемая на первую тарелку, приводит к новому распределению вещества между подвижной и неподвижной фазами, причём часть вещества с данной тарелки переносится на следующую. На этой тарелке также устанавливается равновесие, а часть вещества переносится на следующие тарелки. Вследствие этого с каждой новой порцией газа-носителя концентрация вещества на первой тарелке падает, а на последующих возрастает.

В результате такого перемещения и перераспределения хроматографируемое вещество оказывается на нескольких тарелках, причем на средних его концентрация достигает максимального значения по сравнению с соседними. Таким образом, вещество размывается по нескольким тарелкам, причём, чем сильнее размывание, тем большее число тарелок займет вещество.

Следовательно, число тарелок, занимаемых данным компонентом разделяемой смеси, может служить мерой эффективности колонки, степени размывания вещества по слою адсорбента.

До сих пор мы рассматривали поведение вещества и распределение его концентрации по слою, т.е. внутри колонки. Рассмотрим распределение концентрации в зоне непосредственно на выходе из колонки.

Если поток газа-носителя, содержащий десорбционное вещество, проходит через чувствительный элемент прибора, фиксирующего мгновенное изменение концентрации или потока вещества в газе (дифференциальный детектор), то на записывающем устройстве этого прибора получится кривая, называемая хроматограммой, хроматографическим пиком или элюционной кривой. Её параметры, называемые элюционными характеристиками, могут служить средством выражения результатов хроматографического разделения смеси веществ, а также некоторых физико-химических свойств системы, подвергающейся хроматографированию.

Элюционные характеристики

(хроматографические параметры)

Хроматограф (прибор для проведения хроматографии) имеет детектор — устройство для регистрации концентрации компонентов смеси на выходе из колонки. А хроматограмма — это результат регистрирования зависимости концентрации компонентов на выходе из колонки от времени.

Хроматографический пик - участок хроматотраммы, соответствующий площади ограниченной функцией хроматограммы в момент выхода определяемого вещества из колонки и базовой линией.

Основание пика - продолжение нулевой линии, соединяющее начало и конец хроматографического пика.

На рис. 6 изображена типичная дифференциальная хроматограмма.

Рис. 6. Типичная дифференциальная хроматограмма: 1-1' - нулевая (базовая линия); 2-7 – пики; а и h – ширина и высота пика соответственно; t_R – время удерживания.

Нулевая (базовая) линия хроматограммы - линия, соответствующая нулевой концентрации анализируемых веществ в элюате.

Шум - помехи, статистические флуктуации нулевой линии хроматограммы.

Уровень шума складывается из статистических флуктуации всех параметров, принимающих участие в образовании сигнала детектора.

Дрейф нулевой линии - постепенное смещение регистрируемое на хроматограмме.

Ширина пика у основания (Wb) - отрезок основания пика, отсекаемый двумя касательными, проведенными в точках перегибов восходящей и нисходящей ветвей хроматографического пика.

Ширина пика на полувысоте (Wh) - отсекаемый пиком отрезок линии, проведенной параллельно основанию пика на середине его высоты.

Высота пика (h)- расстояние от максимума пика до его основания, измеренное вдоль оси отклика детектора.

Площадь пика (S) - площадь хроматограммы, заключённая между пиком и его основанием. В первом приближении S = h ^. Wh.

Мёртвое время (t_M) - время пребывания несорбируемого вещества в хроматографе. На практике мёртвое время определяют от момента ввода пробы несорбируемого вещества в хроматограф до момента регистрации максимума сигнала детектора.

Абсолютное время удерживания (t_R) – это время пребывания исследуемого вещества в хроматографе, то есть время прошедшее от момента ввода пробы до выхода максимума концентрации определяемого компонента (соответствующего хроматографического пика). Время удерживания экспериментально определяется по секундомеру либо с помощью интегратора или системы автоматизации анализа (САА) и измеряется в минутах и секундах (n'n'').

Расстояние удерживания (l _R) – это расстояние на хроматограмме от момента ввода пробы до выхода пика определяемого компонента. Измеряется на хроматограмме с помощью линейки от линии старта до вершины пика (в мм). Расстояние удерживания непредставительная величина, так как она зависит от скорости перемещения диаграммной ленты и от других факторов.

На рис. 7 приведена хроматограмма с указанием основных хроматографических параметров.

 

 

Рис. 7. Хроматографические параметры. t_M - время удерживания несорбируемого соединения; t_R1 и t_R2 - абсолютные времена удерживания компонентов 1 и 2.

Коэффициент асимметрии (А_S) - отношение двух отрезков, образуемых на горизонтальной линии, проведённой на высоте 10% от основания пика, при её пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика. При этом берется отношение "тыльного" отрезка к "фронтальному": А_S = А/В.

Разрешение пиков (R_S) - расстояние между максимумами выбранных соседних пиков, делённое на полусумму их ширин у основания (выраженных в одних и тех же единицах измерения):

R_S = 2 (t_R2 - t_R1) / (W_b1+W_b2).

Разрешение как параметр, характеризующий разделение пиков, увеличивается по мере возрастания селективности, отражаемой ростом числителя, и роста эффективности, отражаемой снижением значения знаменателя из-за уменьшения ширины пиков.

Экстраколоночное расширение пика (ЭКР) - размывание хроматографической зоны, происходящее в инжекторе, соединительных капиллярах, в ячейке детектора.

Геометрический объём колонки (Vc) - внутреннее пространство пустой колонки.

Свободный объём (Vo) - часть объёма колонки, не занятая сорбентом.

Мертвый объём, (V_M) – объём подвижной фазы между точкой ввода пробы и точкой её обнаружения (кюветой детектора). Мертвый объём включает в себя свободный объём колонки, объёмы устройства ввода пробы (дозатора), детектора, а также объёмы коммуникаций между ними.

Удерживаемый объём (V_R) – это объём газа-носителя (в см³), прошедший через хроматографическую колонку от момента ввода пробы до момента выхода максимальной концентрации определяемого вещества. То есть, объём удерживания определяют между точкой ввода пробы и точкой, при которой регистрируется максимум сигнала детектора. Объём удерживания находят по уравнению:

V_R = t_R ^. Fоб.,                (1),

где Fоб. – объёмная скорость газа-носителя, см³/мин - объём газа-носителя, протекающего за единицу времени через пенный расходомер, т.е. на выходе из колонки и при температуре колонки.

При наличии специальных блоков точного задания и измерения расхода газа-носителя, с табло этих приборов снимаются показания скорости газа-носителя. Если их нет - расход замеряется с помощью мыльно-плёночного измерителя. Поэтому при вычислении удерживаемых объёмов следует использовать значение объёмной скорости, учитывающей температуру колонки и давление водяного пара при температуре измерения:

                                        Тк        Рн₂о

Fоб. = Fизм. ^. —— ^. 1 -   —— (2),

                                        Тср.      Рв

где Fизм. – измеренная объёмная скорость, см³/мин;

  Тк – температура колонки, К;

Тср. – температура окружающей среды, К;

Pн₂о – давление насыщенных паров воды при температуре измерения, Па;

Рв – атмосферное (барометрическое) давление, Па.

Перечисленные параметры, при условии использования одной и той же температуры опыта и скорости газа-носителя, являются качественной характеристикой анализируемых веществ в данных условиях на одном и том же приборе. Поэтому ими можно пользоваться для выполнения качественного анализа, только используя один и тот же прибор, строго соблюдая неизменность режима его работы.

Для сопоставления получаемых значений первичных параметров удерживания с литературными данными или полученными на другом приборе или в иных условиях (для той же неподвижной фазы и температуры колонки) необходимо помнить, что на них влияют следующие факторы:

а) свойства и количества HЖФ (адсорбента в газоадсорбционной хроматографии и сорбента в ГЖХ), причем в газожидкостной хроматографии влияет отдельно и HЖФ, и твердый носитель;

б) температура колонки и скорость газа-носителя;

в) конструктивные особенности применяемой аппаратуры;

г) перепад давления газа-носителя на входе и выходе колонки.

Чтобы исключить влияние некоторых факторов на первичные параметры удерживания, используют следующую группу параметров.