Толщина пленки капиллярной колонки

7.4. Влияние толщины пленки неподвижной жидкой фазы на эффективность капиллярной колонки

При исследовании этого вопроса для капиллярной газовой хроматографии необходимо принимать во внимание следующие два обстоятельства:

толщина пленки неподвижной жидкой фазы входит в уравнение Голея в качестве самостоятельной величины;

с изменением толщины пленки изменяется и величина фазового отношения , определяемая отношением объемов газовой и жидкой фаз в соответствии с уравнением

, (49)

а, следовательно, изменяется и величина коэффициента емкости колонки , определяемая соотношением

. (50)

Следовательно, при выборе конкретной капиллярной колонки всегда следует учитывать, какая практическая цель при этом преследуется с учетом следующих положений:

тонкая пленка приводит к малым значениям и, следовательно, к необходимости увеличения числа теоретических тарелок. Однако в этом случае допустимы высокие скорости потока газа-носителя, что позволяет сократить время анализа;

разделение на тонкой пленке можно производить при более низких температурах;

колонки с тонкой пленкой имеют малую емкость, что предопределяет малый объем вводимого образца и, следовательно, использование высокочувствительных детекторов.

В этой связи толщина пленки неподвижной жидкой фазы должна соответствовать некоторой оптимальной величине, удовлетворяющей отмеченным требованиям. Обычно это десятые доли микрометра.

4.4. Основные преимущества и недостатки газо-жидкостной хроматографии

В заключение отметим основные преимущества и недостатки варианта газо-жидкостной хроматографии.

на неподвижных жидких фазах изотерма абсорбции линейна при обычных рабочих условиях в широком диапазоне концентраций и хроматографические пики регистрируются симметричными;

многообразие неподвижных жидких фаз позволяет выбрать достаточно селективную фазу для данного разделения;

количество неподвижной жидкой фазы в колонке можно легко изменять, изменяя тем самым параметры удерживания и селектив-ность разделений;

одна и та же неподвижная жидкая фаза может быть использована для изготовления как препаративных, так и высокоэффективных аналитических колонок;

неподвижные жидкие фазы достаточно доступны;

неподвижные жидкие фазы характеризуются высокой степенью чистоты, стабильностью свойств, что способствует получению воспроизводимых параметров удерживания.

Основным недостатком варианта газо-жидкостной хроматографии является возможная высокая летучесть и, следовательно, нестабиль- ность жидких фаз, что затрудняет анализ микропримесей, анализ при высоких температурах, анализ с программированием температуры.

2.8 Двумерная хроматография

Улучшение качества разделения компонентов смеси с использованием единственной колонки не безгранично. Во-первых, любая отдельно взятая колонка обладает определённой селективностью, то есть лучше разделяет одну группу компонентов, и хуже — другую. Во-вторых, применение всё более длинных высокоэффективных колонок приводит к увеличению продолжительности анализа. При анализе летучих веществ растительного происхождения приходится иметь дело со смесями, которые невозможно полностью разделить с использованием ни одной из самых современных колонок. В таких случаях можно использовать многомерную хроматографию — разделение на нескольких соединённых друг с другом колонок. Благодаря прогрессу в области приборостроения и изготовления колонок многомерная газовая хроматография стала широко применяться для проведения сложных анализов.

Частным случаем многомерной хроматографии является двумерная газовая хроматография (двумерная ГЖХ, англ.: 2D GC, GC х GC), которая появилась как мощный инструментальный метод исследования чуть более 10 лет тому назад [292] и которая находит всё более широкое применение в исследовании летучих растительных веществ [293]. Основные принципы и применение двумерной ГЖХ описаны в обзорах [235, 294, 292].

Общая схема функционирования системы для двумерной газовой хроматографии показана на рис. 2.6-1. Анализируемую пробу через испаритель вводят в колонку 1, в которой происходит первое разделение. Поток, выходящий из колонки, с помощью специального крана-переключателя может направляться либо в детектор 1, либо в специальную ловушку, где происходит в течение определённого времени накопление «вырезаемой» таким образом фракции, которая далее поступает в колонку 2, где происходит второе разделение. Элюат из колонки 2 подаётся в детектор 2. Очевидно, что нет смысла применять две однотипные колонки, и положительный эффект использования двумерного варианта достигается тогда, когда колонка 1 и колонка 2 различаются по селективности. Как правило, колонка 1 используется как предколонка (англ.: precolumn), на которой проводится «грубое» разделение исходной смеси и выделяется более или менее узкая фракция для последующего прецизионного анализа на» колонке 2. Предколонка, как правило, представляет собой обычную капиллярную колонку длиной 10-30 м с малополярной полисилоксановой фазой. Особое значение для исследования летучих веществ растений имеет использование в качестве колонки 2 колонки с хиральной фазой, что открывает широкие возможности прямого энантиоселективного анализа компонентов сложных смесей природных соединений [293]. Двумерная хиральная ГЖХ, благодаря прогрессу в области приборостроения и изготовления колонок, стала широко применяться для проведения анализов смесей очень большой сложности. Пример использования двумерной хираль-ной ГЖХ приведен в разделе 3.9 на с. 136.

Рис. 2.6. Принципиальная схема устройства для двумерной ГЖХ: варианты GC х GC с расположением двух колонок в одном термостате 1 и в разных термостатах 2, а также вариант GC х 2GC 3. Обозначения узлов: И — испаритель, К — колонка, Т — термостат колонок, КР — кран — переключатель потоков, Л — ловушка, Д — детектор (см. пояснения в разделе 2.8).

Что касается аппаратурного оформления процесса, то существует два принципиально различных варианта размещения предколонки и основной колонки: в одном термостате (рис. 2.6-1) и в разных термостатах (рис. 2.6-2). В настоящее время производители газо-хроматографического оборудования предлагают готовые простые решения для двумерной хроматографии в виде прибора, у которого обе колонки размещены в одном и том же термостате. Однако такая простота (и выигрыш в цене) достигается за счёт потери гибкости в настройке. Применительно к двумерной хиральной ГЖХ в подавляющем большинстве случаев предколонка и основная колонка с хиральной фазой должны работать в разных температурных режимах для достижения оптимального разделения, чего на практике невозможно достичь с использованием прибора, у которого обе колонки размещаются в одном термостате.

Эффективным комбинированным методом является также он-лайн сочетание жидкостной и газовой хроматографии (LC-GC), однако из­вестно лишь несколько успешных примеров его применения [295].

При двумерной ГЖХ возникают проблемы с определением истинного времени удерживания и мёртвого времени в обоих измерениях, а также в вычислении индексов удерживания в условиях ввода при постоянном давлении, однако к настоящему времени предложены методы

Источник

Толщина пленки капиллярной колонки

Выбор хроматографических колонок определяется алитической задачей: необходимо сформулировать, какие соединения будут определяться, в каких концентрациях и в каких объектах, с какой точностью, сколько будет производиться анализов в день.

Виды хроматографических колонок: насадочные и капиллярные колонки.

Развитие газовой хроматографии тесно связано с совершенствованием хроматографических колонок. Первые колонки для ГХ представляли собой относительно короткие трубки из нержавеющей стали, реже — стекла или никеля, заполненные насадкой — сорбентами разнообразной природы и определённой степени дисперсности.

Современные капиллярные колонки из плавленного кварца представляют собой длинные калиброванные открытые капилляры из плавленного кварца с нанесённым слоем сорбента на внутренней поверхности. В настоящее время большинство практических задач решается с помощью капиллярных колонок. Насадочные (набивные) колонки в основном применяются для анализа газов и относительно простых по составу смесей легколетучих веществ. Насадочные колонки, в отличие от капиллярных, обладают большой ёмкостью, т.е. позволяют вводить большие объёмы проб. Причина популярности капиллярных колонок заключается в их колоссальной разделяющей способности, которая позволяет проводить анализ самых сложных смесей.

Изобретение капиллярных колонок из плавленного кварца относится к концу шестидесятых годов ХХ века, однако пионером их серийного выпуска (1976 г.) стала фирма Hewlett-Packard. Именно серийный выпуск колонок дал революционный толчок развитию газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии. В настоящее время подавляющее большинство хроматографических разделений проводится при помощи таких колонок.

Колонки могут иметь длину от 5 до более чем 100 метров, внутренний диаметр от 100 до 530 мкм и быть покрыты изнутри различными сорбентами разной толщины и природы покрытия. Выпускаемые в промышленных масштабах колонки обладают стабильными качествами (диаметр, толщина и свойства сорбента) по всей длине, а также от партии к партии.

Именно серийный выпуск колонок дал возможность разработать и стандартизировать хроматографические методики, а их использование в хроматографах с электронным управлением потоками газов Agilent 6890 и 7890 позволило в полной мере реализовать их возможности и добиться непревзойдённой воспроизводимости времён удерживания соединений для одной и той же методики на разных хроматографах. Плавленный кварц является материалом достаточно чувствительным к царапинам и следам тяжёлых металлов, содержащихся в отпечатках пальцев, которые являются катализаторами его кристаллизации и разрушения. Для защиты колонок их наружную поверхность покрывают слоем полиамидного полимера.Поскольку полимерное покрытие теряет свои качества при температурах выше 370 °С разделений вплоть до 450 °С используют колонки, покрытые тонким слоем алюминия.

На внутренней поверхности открытых капиллярных колонок нанесен слой сорбента, однородный по всей длине колонки. Сорбентом может служить полимерная плёнка или слой высокодисперсного сорбента.

Первый тип колонок обозначают латинскими буквами WCOT (Wall Coated Open Tubular) — (A) ,а второй — PLOT (Porous Layer Open Tubular) — (B) .

Колонки WCOT применяются для разделений подавляющего большинства органических соединений.

В свою очередь эти колонки отличаются типами покрытий: от самых неполярных (100% диметилполисилоксана) до полярных покрытий из полиэтиленгликоля. Однако, для анализа газов, низкомолекулярных соединений, а также высокореакционноспособных меркаптанов, гидридов и аминов при комнатных температурах применяют PLOT-колонки.

Основные параметры капиллярных колонок, которые определяют их свойства:

• Природа неподвижной фазы
При выборе типа неподвижной фазы лучше начинать с анализа примеров применения колонок для разделения аналогичных или близких по составу смесей в каталоге Agilent Technologies. Необходимо помнить, что с увеличением полярности фазы времена выхода полярных соединений увеличиваются, а максимальная рабочая температура колонок уменьшается.

• Внутренний диаметр колонок (0,05 — 0,53 мм)
Чем больше внутренний диаметр (в.д.) колонки, тем большее ее емкость, т.е. тем большую массу разделяемых веществ можно ввести, не опасаясь перегрузки колонки (без ухудшения разрешения). Так, для колонок с в.д. 0.2 мм (толщина фазы 0.25 мкм) емкость составляет 35-70 нг, а для колонок 0.53 мм — 1000-2000 нг. Однако увеличение в.д. приводит к потере разрешения при прочих равных условиях. Колонки с большим в.д. требуют меньшего давления газа-носителя на входе для получения той же линейной скорости потока.

• Длина колонок (5-150 м)
Чем больше длина колонки, тем колонка дороже, тем дольше длится анализ, тем выше должно быть давление на входе в колонку, но тем выше и разрешение(пропорционально квадратному корню длины). При выборе колонки необходимо учитывать все факторы, чтобы достичь требуемого разрешения не в ущерб общей производительности хроматографа.

• Толщина неподвижной фазы
Увеличение толщины пленки неподвижной фазы увеличивает времена удерживания анализируемых соединений, повышает разрешение для легколетучих соединений, а также емкость колонок. Однако увеличение толщины пленки способствует снижению рабочей температуры колонки и большему ‘уносу фазы’, что особенно наглядно проявляется в конце хроматограммы, когда унос фазы при высоких температурах приводит к подъему нулевой линии.

Правильный выбор этих параметров позволяет оптимизировать условия разделения и повысить производительность хроматографической системы.

Источник

Глава 1

Теория капиллярной хроматографии

К. Дж. Хайвер

Решающим моментом при разработке методики газохроматографического анализа является определение величины степени газохроматографического разделения, необходимой для достижения цели. Степень разделения в хроматографии определяется следующим образом:

(1.1)

где t_R — время удерживания соединений i и j; W_b — ширина пиков у основания.

Способность хроматографической системы разделять «критическую пару» веществ (т. е. два наиболее трудно разделяемых соединения) зависит не только от их абсолютных времен удерживания, но и от формы пиков этих соединений, т. е. от эффективности разделительной колонки.

Одинаковых величин разрешения (степени разделения) можно достичь при использовании как высокоэффективных хроматографических систем, так и систем с низкой эффективностью (рис. 1-1). Степень разделения является сложной функцией следующих хроматографических параметров: удерживания, эффективности и селективности хроматографической колонки:

(1.2)

Где n — эффективность колонки, выражаемая числом теоретических тарелок; a — фактор селективности; k — коэффициент извлечения, или коэффициент ёмкости колонки.

Для насадочных колонок, характеризующихся низкой эффективностью, наибольший вклад в величину разрешения вносит селективность (рис. 1-1). Этим объясняется необходимость широкого ассортимента неподвижных фаз (НФ) в газовой хроматографии с насадочными колонками. В случае

Рис. 1-1. Одинаковое разрешение, достигаемое в газовой хроматографии с насадочными и капиллярными колонками.

Разделение пробы на индивидуальные компоненты достигается в соответствии с удерживанием каждого компонента хроматографической колонкой. Время, необходимое для элюирования компонента из колонки, называется (абсолютным) временем удерживания (tr) и определяется по времени выхода максимума его хроматографического пика. В процессе хроматографического разделения происходит распределение компонента пробы между подвижной и неподвижной фазами. Время нахождения компонента в подвижной фазе ™ постоянно для всех составляющих анализируемой смеси. Величину tm обычно называют «мертвым временем» колонки или временем удерживания несорбирующегося вещества. Эту величину можно легко определить по времени удерживания не сорбирующегося в колонке вещества, например метана. Однако показано, что математический расчет мертвого времени является более точным [1,2].

Истинное время нахождения компонента в НФ рассчитывается как разность абсолютного времени удерживания и мертвого времени. Эта величина называется приведенным (исправленным) временем удерживания t’R и определяется уравнением

Связь между величинами tR, tm и t’R иллюстрируется рис. 1-2.

Распределение анализируемого вещества между двумя фазами в хроматографической колонке можно описать с помощью коэффициента распределения КD:

где Ci,s, Ci,m — концентрация вещества t в неподвижной и подвижной фазах соответственно.

Коэффициент распределения — термодинамическая величина; при определенной температуре колонки каждое вещество характеризуется постоянным коэффициентом распределения.

Коэффициент емкости колонки (k) — это мера молярного распределения анализируемого вещества между НФ и газовой фазой. Эта величина определяется экспериментально как отношение времени нахождения компонента в НФ ко времени его нахождения в газовой фазе.

где ni,s и ni,m — число молей компонента г в НФ и подвижной фазе соответственно. Коэффициент емкости связан с коэффициентом распределения следующим образом:

Рис. 1-2. Связь между абсолютным и приведенным временами удерживания.

где В — фазовое отношение. Фазовое отношение — это отношение объема колонки, занятого газовой (или подвижной) фазой (Vm), к объему колонки, занятому НФ (Vs):

Для открытых капиллярных колонок со слоем НФ на внутренних стенках (WCOT-колонки), имеющих внутренний радиус г, фазовое отношение (В) обратно пропорционально толщине пленки жидкой фазы:

Обычно значения В для капиллярных колонок составляют 50-500. Чем тоньше пленка неподвижной фазы, тем выше значение В.

Для представления величин удерживания в газовой хроматографии используется система индексов удерживания Ковача [3]. Индексы удерживания Ковача не зависят от ряда инструментальных переменных, например от объемной скорости Потока Это позволяет проводить сравнение величин удерживания, полученных в различных хроматографических системах. Индексы удерживания Ковача стали основой для идентификации веществ в хроматографии. Использование индексов удерживания при проведении качественного анализа рассмотрено в гл. 6.

Изотермический индекс удерживания Isa описывает удерживание компонента а на неподвижной фазе s как некоего гипотетического н-алкана. Изотермический индекс удерживания соединения рассчитывается по формуле, в которую входят приведенные времена удерживания двух соседних с ним членов гомологического ряда:

где N — число атомов углерода в н-алкане с более короткой цепочкой; п — разность в числе атомов углерода между двумя ал-канами, используемыми как стандарты. Подробно система индексов удерживания Ковача рассмотрена в работе Будахеджи и сотр. [4]. Керверс и сотр. [5, 6] предложили методику прогнозирования индексов удерживания при программировании температуры. Эта методика основана на использовании данных, полученных в изотермических условиях.

Эффективность разделения — это мера расширения зоны вещества при его прохождении через колонку. Эффективность определяется соотношением времени удерживания вещества и стандартного отклонения его пика (см. уравнение 1.10). Исходя из допущения о том, что хроматографический пик описывается кривой Гаусса, можно рассчитать эффективность колонки, выраженную числом теоретических тарелок п:

Стандартное отклонение пика а можно рассчитать по его ширине (рис. 1-3).

Таким образом, эффективность колонки можно выразить через ширину пика на половине его высоты Wh или ширину пика у его основания Wj:

Обычно измеряют ширину пика на половине его высоты, поэтому для расчета эффективности колонки, как правило, применяют

Рис. 1—3. Измерение ширины пика на разной высоте и значеяия стандартного отклонения гауссовского пика.

уравнение (1.11). На практике часто используют удельную эффективность, т. е. отношение эффективности колонки к ее длине (L). Удельная эффективность определяется как число теоретических тарелок на метр длины колонки (n/L).

Эффективность хроматографической колонки можно также выразить высотой, эквивалентной теоретической тарелке (h, или ВЭТТ), — это длина участка колонки (в миллиметрах), соответствующего одной теоретической тарелке:

Следовательно, эффективность колонки тем выше, чем больше число теоретических тарелок п и меньше их высота Л.

Поскольку истинная разделительная способность колонки связана с продолжительностью пребывания компонента в НФ, эффективность может также выражаться через приведенное время удерживания. В этом случае для оценки эффективности используют число эффективных теоретических тарелок N:

(1.14) Число эффективных теоретических тарелок связано с числом те-

еретических тарелок через коэффициент емкости

По аналогии с уравнением (1.13) высота, эквивалентная эффективной теоретической тарелке (Я, или ВЭЭТТ), определяется выражением

В теориях, описывающих влияние хроматографических параметров на эффективность колонки, используется величина ВЭТТ. Фундаментальным уравнением, описывающим функционирование хроматографической колонки, является уравнение Ван-Деемтера. В этом уравнении эффективность колонки представлена как функция средней линейной скорости подвижной фазы, м. В сокращенной форме классическое уравнение Ван-Деемтера имеет вид

где член А отражает вклад вихревой диффузии и характеризует природу и структуру насадки; член В описывает вклад продольной молекулярной диффузии; член С характеризует сопротивление массопереносу.

Для открытых капиллярных колонок, которые не содержат насадки, член А равен нулю. В результате уравнение Ван-Деемтера принимает вид, известный как уравнение Голея [7]:

В уравнении Голея член В, характеризующий продольную диффузию, выражается следующим образом:

где Dm — коэффициент диффузии вещества в подвижной фазе.

Коэффициент диффузии в газовой фазе можно предсказать по молекулярным массам и объемам компонента и газа-носителя [8]. При хроматэграфировании всегда имеет место продольная диффузия. Она проявляется в том, что пик компонента расширяется, и тем больше, тем дольше компонент находится в колонке. Сопротивление массопереносу зависит от коэффициента емкости и отражает сопротивление массопереносу из газовой фазы в НФ и

из НФ в газовую фазу. Таким образом, член С включает две со-ставляющие (1.20)

Сопротивление массопереносу в газовой фазе (Сm) описывается следующим уравнением:

Сопротивление массопереносу в жидкой фазе (Сs) описывается уравнением

где Ds — коэффициент диффузии вещества в НФ. В случае капиллярных колонок со сравнительно тонкой пленкой НФ величиной Сs можно пренебречь.

Таким образом, эффективность разделения существенно зависит от геометрических размеров колонки, а также от физических свойств анализируемого вещества, подвижной и неподвижной фаз.

Для WCOT-колонок минимальная высота, эквивалентная теоретической тарелке, определяется по уравнению

Величина hmin соответствует эффективности колонки, достигаемой при нанесении идеальной НФ в идеальных условиях. Эффективность нанесения НФ оценивают, сравнивая полученное значение h и hmin) рассчитанное по уравнению (1.23).

Другой мерой оценки эффективности колонки является число разделений (Trennzahl, или TZ). Эта величина также нашла широкое применение в капиллярной хроматографии. Число разделений определяется как разрешение двух соседних членов гомологического ряда, различающихся одной СН2-группой, и рассчитывается по уравнению

Число разделений и величина разрешения R связаны между собой следующим образом:

Рис. 1-4. Определение числа разделений в газовой хроматографии с капиллярными и насадочными колонками. Условия эксперимента: капиллярная колонка 4,5 х 10 мм, НФ — метилсиликон, газ-носитель — гелий 35 см/с; насадочная колонка 5,2 х 10 мм, сорбент 3% OV-101 на хромосорбе W-HP (100/200), газ-носитель — гелий, 30 мл/мин.

Другими словами, число разделений — это число пиков, которые могли бы быть разделены между двумя соседними гомологами. Эта величина называется также эффективным числом пиков. Расчет числа разделений демонстрирует рис. 1-4. Как следует из приведенных данных, для капиллярной колонки число разделений между пиками нормальных углеводородов C12 и С13 более чем в 3 раза превышает число разделений, полученное в аналогичных условиях на насадочной колонке. Конкретно, на Капиллярной колонке между пиками C12 и C13 может быть разделен 21 пик, а на насадочной — менее б.

Преимущество величины TZ перед другими показателями эффективности состоит в том, что число разделений можно применять для характеристики системы в условиях программирования температуры. Кроме того, величина TZ связана с индексами удерживания Ковача (уравнение 1.9). Значение TZ для двух к-алканов рассчитывается по формуле

Следовательно, если для критической пары соединений известны

индексы удерживания Ковача, то необходимое значение TZ можно рассчитать по уравнению (1.26). Например, для разделения двух компонентов с индексами удерживания 1270 и 1274 (АI = 4) требуется колонка с TZ = 24. Таким образом, полностью разделить эти компоненты на капиллярной колонке в условиях, представленных на рис. 1-4, не удается.

В хроматографии под селективностью понимают селективные физико-химические взаимодействия между анализируемыми веществами и хроматографической системой. В газовой хроматографии селективность определяется природой НФ. Типы неподвижных фаз для газовой хроматографии подробно описаны в работах Бломберга [9], Хакена [10] и Старка и сотр. [11]. Обычно селективность НФ выражают через относительное удерживание критической пары компонентов пробы:

где t’R,j > t’R,i. Значение фактора селективности выше 1 указывает на то, что может быть достигнуто разделение.

Взаимодействия анализируемого вещества и НФ представляют собой различные неполярные дисперсионные и специфические полярные взаимодействия. К последним относятся взаимодействия диполей и водородные связи. НФ обычно подразделяют на два класса в зависимости от их селективности — полярные и неполярные НФ. Однако понятия «полярность» и «селективность» не являются синонимами. Полярность — это только один из факторов, определяющих селективность. Полярность обуславливает взаимодействие НФ с полярными группами анализируемого вещества. Селективность НФ определяется комплексом взаимодействий анализируемых веществ и НФ.

Система для характеристики селективности НФ была предложена Мак-Рейнольдсом [12]. Согласно этой системе, селективность оценивается как разность индексов удерживания Ковача пяти выбранных стандартных соединений (бензол, н-бутанол, пентанон-2, нитропропан и пиридин), определенных на колонке с исследуемой НФ, и индексов удерживания тех же соединений, определенных на колонке со скваланом. Мак-Рейнольдс охарактеризовал таким образом более 200 НФ и предложил шкалу «полярности» НФ. Оказалось, что селективности многих НФ, используемых в газовой хроматографии с насадочными колонками, очень близки.

Рис. 1-5. Способы достижения специфической селективности в капиллярной газовой хроматографии [15] (с разрешения Huethig Verlag).

фSil — силиконовые фазы; MeSil — метилсиликоновые фазы; FPSil — трифторпропилметилсиликоновые фазы; CPSil — бицианопропилметил-силиконовые фазы; PEG — полиэтиленгликоли; FFAP — фазы на основе свободных жирных кислот; Pol bi ф — полидиметилсиликоновые фазы; опт. акт. — оптически активные фазы; фNO2, фSO3H, ф опт. акт. — нитро-, сульфо- и оптически активные фазы на основе фенилметилси-ликона.

Был предложен перечень наиболее предпочтительных фаз [13], что, облегчает выбор НФ для исследователя.

Самыми распространенными НФ, используемыми для получения WCOT-колонок, являются метилсиликоновые (OV-1, SE-30), фенилметилсиликоновые (SE-54, OV-17), цианопропилметил-силиконовые (OV-225, OV-275), трифторпропилметилсиликоновые (OV-210) фазы, а также полиэтиленгликоли (карбовакс 20 М) [13]. Большинство высокоэффективных разделений в газовой хроматографии проводится с использованием этих фаз.

Однако в некоторых случаях для успешного разделения необходимы колонки с НФ, обладающими специфической селективностью (рис. 1-5). Такую селективность можно получить за счет использования: 1) специально приготовленных фаз; 2) колонок со

смешанными фазами; 3) последовательно соединенных колонок с различными НФ.

Специальные фазы можно приготовить из основных НФ, применяемых в хроматографии. Например, обработка полиэтилен-гликоля (ПЭГ) кислотой приводит к получению фазы с группами свободных жирных кислот, которая успешно применяется для разделения неэтерифицированных жирных кислот (FFAP).

Путем смешения определенных количеств двух различных фаз получают фазы, позволяющие оптимизировать разделение. Если эти фазы не смешиваются, синтезируют сополимер, который содержит определенные количества селективных функциональных групп от обеих фаз. Истинный состав смеси фаз или сополимера можно определить методом оконных диаграмм [14], если проведено разделение на индивидуальных фазах. Колонки со специфической селективностью нашли применение в исследованиях, направленных на определение летучих соединений в объектах окружающей среды. Вопросы получения колонок со специфической селективностью подробно рассмотрены в работе Сандры и сотр. [15].

Практическое приложение хроматографической теории

Разрешение и время, необходимое для проведения анализа, зависят от некоторых взаимосвязанных параметров колонки и условий’ проведения анализа. Основные факторы, влияющие на разделение, — это геометрические размеры колонки — длина и внутренний диаметр, тип НФ и толщина ее пленки в колонке, природа газа-носителя и его скорость, температура колонки. При выборе колонки и разработке методики анализа необходимо хорошо представлять себе и учитывать влияние этих факторов. Первые четыре из перечисленных факторов являются характеристиками колонки, их следует учитывать при выборе колонки для анализа. Остальные параметры относятся к условиям эксперимента и могут быть легко изменены.

На рис. 1-6 приведены данные, иллюстрирующие влияние вида газа-носителя на разделение. Эти данные можно наилучшим образом объяснить на основе уравнения Голея. На рис. 1-7 показаны кривые эффективности, полученные при использовании WCOT-колонки внутренним диаметром 0,25 мм и различных газов-носителей — азота, гелия и водорода. Следует отметить, что самая высокая эффективность (минимальная ВЭТТ) достигается при использовании азота. Однако эта максимальная эффективность наблюдается лишь в узком интервале малых линейных скоростей газа-носителя, причем по мере увеличения линейной

Рис. 1—6. Влияние природы гаэа-иосителя на разделение н-гепта-декана и пристана. Условия эксперимента: стеклянная WCOT-колонка 15 х 0,25 мм, НФ SE-52, изотермический режим (150вС).

Рис. 1-7. Кривые эффективности при использовании различных Тазов-носителей. Условия эксперимента: WCOT-колонка 25 х 0,25 мм, НФ OV-101 (толщина пленки НФ 0,4 мкм), опредделяемый компонент н-гептадекан, температура 175°С.

скорости эффективность резко падает (пропорционально увеличению средней линейной скорости). Используя азот в качестве газа-носителя, донг достижения оптимального разрешения приходится жертвовать скоростью. Именно поэтому азот редко применяют в капиллярной ГХ. Водород имеет меньшую вязкость, чем азот, поэтому изменение скорости газа-носителя не вызывает существенного изменения в разрешении. Область минимума на кривой эффективности для водорода существенно шире, причем минимальные значения ВЭТТ достигаются при более высоких скоростях. Все это и обуславливает выбор водорода в качестве газа-носителя в высокоэффективной газовой хроматографии.

Температура колонки очень сильно влияет на разделение. Логарифм коэффициента емкости (к) обратно пропорционален температуре. Чем ниже температура колонки, тем выше коэффициент емкости, т. е. больше продолжительность пребывания компонента в НФ (уравнение (1.5)). Увеличение продолжительности пребывания компонента в НФ позволяет более полно использовать ее селективность. Однако следует помнить, что при увеличении температуры селективность может изменяться и, следовательно, вероятно изменение последовательности элюирования компонентов из колонки.

Изменение толщины пленки НФ или внутреннего диаметра колонки влияет на фазовое отношение /? и коэффициент емкости (см. уравнение (1.8)). Увеличение толщины пленки (или уменьшение фазового отношения) приводит к росту коэффициента емкости и, следовательно, к возрастанию удерживания и улучшению разделения. На рис. 1-8 показано разделение бензина, проведенное на капиллярных колонках с различной толщиной пленки НФ. Следует отметить, что при увеличении толщины пленки разрешение повышается, однако существенно возрастает продолжительность анализа.

Продолжительность анализа, определяемая как время удерживания последнего элюируемого пика, выражается следующим уравнением:

где кх — коэффициент емкости последнего элюируемого пика.

Продолжительность анализа можно уменьшить, используя более короткие колонки, однако при этом снизится разрешение. Тем не менее это может и не быть серьезным недостатком, поскольку разрешения капиллярной колонки, как правило, более чем достаточно для удовлетворительного проведения анализа.

При проведении экспресс-анализов методом капиллярной газовой хроматографии используют колонки с внутренним диаме-

Рис. 1—8. Анализ бензина высшего сорта на капиллярных колонках с различной толщиной пленки НФ (К. Grob, G. Grob, HRC & СС, 2 (1979), 109, с разрешения Huethig Verlag).

Рис. 1-9. Изменение формы пиков додеканола (/) и н-пентадекана (2) при увеличении объема вводимой пробы. Условия анализа: кварцевая колонка 10 х 0,10 х 0,17 мм, сшитая НФ 5% фенилме-тилсиликона, толщина пленки НФ 0,51 мкм. Емкость колонки исчерпывается при концентрации каждого компонента 8 нг.

тром, не превышающим 0,1 мм. В ряде работ 17 рассматриваются преимущества и недостатки WCOT-колонок малого диаметра, применяемых в высокоскоростной газовой хроматографии. С учетом возможностей выпускаемого оборудования для проведения экспресс-анализа в большинстве случаев пригодны колонки длиной 5-10 м и внутренним диаметром 100 мкм.

Наиболее серьезным ограничением при использовании капиллярных колонок малого диаметра является снижение емкости колонок по пробе. Емкость колонки определяет возможность определения высоких концентраций компонентов пробы. При превышении емкости колонки наблюдается ухудшение ее хромато-графических характеристик. Превышение емкости колонки по пробе обычно называют перегрузкой. На хроматограмме перегрузка выражается в появлении широких асимметричных пиков, как показано на рис. 1-9 для случая разделения додеканола и м-пентадекана (кварцевая капиллярная колонка диаметром 100 мкм, толщина слоя сшитой НФ 5% фенилметилсиликона 0,17 мкм).

Рис. 1-10 иллюстрирует связь емкости колонки по пробе, толщины пленки НФ и фазового отношения. Представлена логарифмическая зависимость толщины пленки НФ от фазового отношения и емкости колонки для капиллярной колонки внутренним диаметром 250 мкм и с толщиной пленки НФ 1 мкм. Приведены кри-

Рис. 1—10. Связь между толщиной пленки НФ, фазовым отношением и емкостью колонки по пробе (с разрешения D. С. Vellalanti, Shell Development Company, Houston, Texas).

Рис. 1-11. Сравнение хроматографических параметров для используемых в настоящее время кварцевых WCOT-колонок.

вые для выпускаемых промышленностью традиционных кварцевых WCOT-колонок внутренним диаметром 50-530 мкм. Путем экстраполяции соответствующей кривой для определенного диаметра колонки и толщины пленки получают фазовое отношение и относительную емкость по пробе. Например, емкость колонки внутренним диаметром 530 мкм и с толщиной пленки 3 мкм (/? = 45) в 5,5 раз выше, чем для колонки внутренним диаметром 250 мкм. Таким образом, хроматографист может легко оценить изменение емкости по пробе при варьировании внутреннего диаметра для заданного фазового отношения или толщины пленки НФ.

При оптимизации хроматографического разделения полезно учитывать взаимосвязь эффективности разделения, продолжительности анализа, емкости по пробе и разрешения. Необходимо также принимать во внимание взаимное влияние параметров колонки и условий проведения анализа. Колонки малого диаметра (внутренний диаметр 0,53 мм) характеризуются невысоким разрешением, однако имеют существенно большую емкость по пробе. Эти колонки наилучшим образом подходят для проведения простых разделений, аналогичных тем, которые проводятся на насадочных колонках. На рис. 1—11 проведено сравнение типов применяемых в настоящее время кварцевых капиллярных колонок и указаны диапазоны эффективности и емкости. Подробно вопросы, связанные с селективностью колонок, обсуждаются в гл. 2. Тем не менее рис. 1-11 можно использовать для выбора типа колонок при разработке аналитического метода, основанного на применении капиллярной газовой хроматографии.

1. Wainwright M. S., Haken J. К., Srisukh D. 1979. J. Chromatogr., 179, 160-166.

2. ParchenJ. F., Johnson D. M. 1980. J. Chromatogr. Sci., 18, 267-272.

3. Kovats E. 1966. Advances in Chiomatography, J. C. Giddings, R. A. Keller, Eds., Marcel Dekker, New York, 1, 229-247.

4. Budahegyi M. V., Lombosi E. R., Lombosi T. S., Meszaros S. Y., Nyiredy Sz., Tarjan G., Timor I., Takacs J. M. 1983. J. Chromatogr., 271, 213-307.

5. Curvers J., Rijks J., Cramers C, Knauss K., Larson P. 1985. HRC & CC, 8, 607-610.

7. Golay M. J. E. 1958. Gas Chromatography, V. J. Coates, H. J. Noebels, I. S. Fargerson, Eds., Academic Press, New York, pp. 1-13.

8. Fuller E. N., Schettler P. D.» Giddings J. C. 1966. Ind. Eng. Chem., 58 (5), 19-27.

9. Blomberg I. 1982. HRG & CC 5, 520-533.

10. Haken J. K. 1984. J. Chromatogr., 300, 1-77.

11. Stark T. J., Larson P. A., Dandeneau R. D. 1983. J. Chromatogr., 279, 31-40.

12. McReynolds W. O. 1970. J. Chromatogr. Sri., 8, 685-691.

13. Hawket S., Grossman D., Hartkopf A., Isenhour Т., Leary J., Parcher J., Wold S., Vancey J. 1975. J. Chromatogr. Sci., 13, 115-117.

14. Laub R. J., Purnttt J. H. 1976. Anal. Chem., 48, 799-803.

15. Sandra P., David F., Proot M., Diricks G., Verstappe M., Verzde M. 1985. HRC к СС, 8, 782-798.

16. Van Es A., Janssen J., Batty R., Cramers C, Rijks J. 1987. HRC & CC, 10, 273-279.

17. Sandra P. 1987. LC-GC, 5, 236-246.

18. Hyver K. J., Phillips R. J. 1987. J. Chromatogr., 399, 33-46.

Источник

Виды капиллярных колонок