2020-01-15
166
В хроматографии чаще всего используют методику проявительного (элюэнтного) анализа, при которой газ или раствор, выходящий из колонки, анализируется непрерывно. Типичная выходная кривая (хроматограмма) проявительного анализа приведена на рисунке 1. Рассмотрим ее более подробно.
Если точка А' соответствует вводу анализируемой пробы, А – появлению на выходе какого-то несорбирующегося компонента, а В – появлению анализируемого вещества, то линию А'АВ и ее продолжение BF называют нулевой линией. Кривую BDF называют хроматографическим пиком и характеризуют высотой, шириной и площадью. С удовлетворительной точностью контур пика описывается уравнением Гаусса:
 ,
| (1) |
где V – объем подвижной фазы;
V0 – объем подвижной фазы, соответствующий стах;
μст – стандартное отклонение, равное полуширине пика при
сmax/c = e0,5.
Рисунок 1 – Кривая проявительного анализа
(хроматографический пик)
Высотой пика считают либо величину h, либо h' (см. рисунок 1). Последняя равна расстоянию от нулевой линии до точки пересечения касательных к кривой в точках перегиба. Шириной пика называют расстояние между точками контура на половине его высоты (СЕ = μ0,5) или на какой-то другой отметке по высоте, либо расстояние между точками перегиба (μ п) или между точками пересечения нулевой линии с касательными к кривой в точках перегиба (B'F' = μ к = w). Соотношения между этими величинами хорошо известны:
|
|
|
| μ 0,5 = 2,355 μст; μ п = 0,850 μ 0,5 = 2 μст; μ к = 1,700 μ 0,5 = w = 4 μст . | (2) |
Важной хроматографической характеристикой системы является время удерживания или пропорциональный ему удерживаемый объем. На рисунке 2 приведенному удерживаемому объему соответствует отрезок AG, а общий удерживаемый объем характеризуется отрезком A'G.
Удерживаемый объем Vr пропорционален времени удерживания tr:
| Vr = trw, | (3) |
где w – объемная скорость газа-носителя.
Приведенный удерживаемый объем V'r,соответствующий отрезку AG, определяется соотношением
| V'r= Vr - V0, | (4) |
где Vo пропорционален отрезку АА', длина которого l0.
Величина Vo характеризует удерживаемый объем несорбирующегося газа, или мертвый объем колонки.
Приведенному удерживаемому объему соответствует приведенное время удерживания t'r:
| t'r= tr - t0, | (5) |
где t0 пропорциональное величине l0 характеризует время удерживания несорбирующегося газа.
Полнота разделения двух компонентов количественно может быть выражена критерием разделения К:
 ,
| (6) |
где Dl или DVr – расстояние между максимумами пиков разделяемых элементов;
μ0,5 – полуширина хроматографического пика первого (1) и второго (2) компонентов на половине высоты, а нижний индекс «об» указывает на объемные единицы измерения.
|
|
|
При К = 1 разделение бывает достаточно полным.
Если допустить, что ширина хроматографического пика обоих компонентов примерно одинакова, т.е. μ 1 ≈ μ 2, уравнение (6) принимает вид:
 .
| (7) |
При взаимном перекрывании пиков определение ширины зоны каждого пика становится невозможным (рисунок 2).
Рисунок 2 – Определение степени разделения ψ
В таких случаях рассматривают степень разделения:
| ψ =(h2-hmin)/h2, | (8) |
где h2 – высота пика вещества, имеющего меньшую концентрацию;
hmin – высота минимума.
Значение тех или иных элюционных характеристик меняется в зависимости от цели анализа. В качественном анализе основное внимание уделяется определению характеристик удерживания и устранению искажений этих величин за счет второго компонента. В количественном анализе важно, чтобы четкость разделения обеспечивала достаточную точность определения площади или высоты хроматографического пика.
Прежде чем рассмотреть теории хроматографического процесса, получившие наибольшее признание, представляется необходимым дать пояснения процессу разделения смесей, поступающих в колонку.
На рисунке 3 схематически показано разделение двух компонентов при их движениичерез хроматографическую колонку, изображенную в разные моменты времени. Зоны компонентов заштрихованы в разные стороны, растворимость компонента 1 меньше, чем компонента 2. После колонки газовый поток проходит через детектор. Детектор устроен так, что он все время сравнивает некоторое свойство газа, вышедшего из колонки, с тем же свойством чистого газа-носителя и выдает, таким образом, разностный сигнал. Пока из колонки выходит чистый газ-носитель (время меньше чем τс), сигнал детектора равен нулю (нулевая линия на рисунке 3).
Рисунок 3 – Схема хроматографического разделения смеси двух компонентов
Величина сигнала пропорциональна концентрации данного компонента в газе-носителе. На основании этого по величине сигнала можно судить о количестве компонента в пробе, то есть осуществлять количественный анализ. После выхода из колонки компонента 1 из нее некоторое время выходит чистый газ-носитель, а затем – зона компонента 2 (время τi). Время, прошедшее с момента ввода пробы в колонку до момента появления на выходе из колонки какого-либо компонента, называется временем удерживания данного компонента. Измеряя времена удерживания, можно сказать, какие вещества присутствуют в пробе, то есть производить качественный анализ. Сигнал детектора называется хроматограммой.
Известно несколько теорий хроматографического процесса. Наибольшее признание получили метод теоретических тарелок и кинетическая теория.
В методе теоретических тарелок Мартина и Синджа хроматографическая колонка мысленно делится на ряд элементарных участков – «тарелок» и предполагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Каждая новая порция газа-носителя вызывает смещение этого равновесия, вследствие чего часть вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на нескольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению
 ,
| (9) |
где х – расстояние от начала колонки до точки, в которой концентрация равна с;
х0 – координата центра полосы;
Н – высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ);
|
|
|
l – длина слоя сорбента, на которой произведено поглощение и размещено п теоретических тарелок, при этом
| п = l/Н. | (10) |
Если числитель дробного показателя степени в уравнениях (1) и (9) выразить в одних и тех же единицах, то при сравнении этих уравнений получим
| H = μ cт2/l. | (11) |
Число теоретических тарелок будет равно
| п = (l/ μ cт)2 | (12) |
или, учитывая (2),
| п = 5,55(l/ μ 0,5)2 = 16(1/ω)2. | (13) |
Эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, и больше число теоретических тарелок.
Таким образом, теория тарелок позволяет рассчитать важные количественные характеристики хроматографического процесса. Однако теория тарелок, основанная на допущении ступенчатого характера хроматографического процесса, по существу формальна, так как реальный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.
Кинетическая теория хроматографии основное внимание уделяет кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную теоретической тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скоростью потока уравнением Ван-Деемтера:
  ,
| (14) |
где А, В и С – константы;
U – скорость подвижной фазы.
Рисунок 4 – Зависимость ВЭТТ от скорости подвижной фазы
Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зависит от размера частиц и плотности заполнения колонки, величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе, это слагаемое учитывает действие продольной диффузии, а С характеризует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты. Влияние каждого слагаемого уравнения (11) на величину Н в зависимости от скорости подвижной фазы показано на рисунке 4. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второго слагаемого существен при небольшой скорости потока. С увеличением скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрастает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризующая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гиперболу.
|
|
|
При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьшается, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кривой. Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимизации хроматографического процесса.
При хроматографировании смесей компонентов, имеющих различные температуры кипения, в том числе смесей ТХ, применяется метод с программированием температуры, т.е. метод постепенного повышения температуры по заданной программе. Программирование температуры способствует лучшему разделению смесей и уменьшению времени анализа.
Таблица 2 – Параметры удерживания ТХ
| Определяемое вещество | Время удерживания τR, мин | Температура удерживания Т, оС |
| Зарин | 4,37 | 125 |
| Зоман | 5,62 | 135 |
| Сернистый иприт | 6,50 | 142 |
| Хлорацетофенон | 8,13 | 155 |
| BZ | 10,93 | 178 |
| VX | 11,83 | 185 |
| CS | 12,70 | 192 |
| CR | 14,17 | 202 |
| Триэтилфосфат (стадарт) | 2,83 | 115 |
Во многих странах разработаны методики хроматографического разделения смесей ТХ, установлены и сведены в таблицы соответствующие характеристики. При этом условии хроматографирования предусматривают возможность определения любого из табельных ТХ по единой методике. В качестве примера в таблице 2 приведены характеристики параметров удерживания некоторых ТХ. При этом характеристики времён удерживания приведены для следующих условий: колонка – тефлон, длина – 1,5 м, внутренний диаметр – 4 мм, носитель – парохром-3, обработанный триметилхлорсиланом, неподвижная фаза – нитрилсиликоновый каучук (НСКТ-33), 5 % от веса твёрдого носителя, температура термостата – линейное программирование от 90 до 210 оС со скоростью 8 оС/мин, температура испарителя – 200 оС, скорость газа-носителя (азота) – 40 см3/мин, детектор – ПИД; объём пробы – 1 мкл, растворитель – четырёххлористый углерод.
Как следует из приведённых данных, для анализа проб ТХ, имеющих t кип до 200 0С, достаточно порядка 7 мин; для анализа более высококипящих ТХ требуется до 15 мин. Время анализа можно сократить изменением условий анализа и повышением градиента температур. Ещё большего снижения времени анализа (в 2 – 3 раза) можно достичь применением высокоэффективной капиллярной газовой хроматографии. Газожидкостные хроматографы вводятся в разрабатываемые и перспективные образцы войсковых химических лабораторий высших войсковых звеньев в армиях ряда стран.
