Теоретические основы, основные термины хроматографии

Основная кинетическая характеристика процесса – высота, эквивалентная теоретической тарелке (В.Э.Т.Т)-H.Она соответствует слою сорбента (высоте слоя) при прохождении через который акт сорбции-десорбции успевает совершиться в среднем один раз. H отражает качество сорбента , качество заполнения колонки и правильность выбора режима хроматографирования.

Зачастую удобнее использовать не Н ,а число теоретических тарелок в

колонке –N=L/H, где L-длина колонки.N служит мерой эффективности колонки ,ее рассчитывают как функцию времени удерживания и ширины пика на хромотограмме:

N = 5.54*(tR/W0.5)2 = 16*(tR/WS)2 = 4*(tR/W2S)2 , где

WS -- ширина пика у основания.

W0.5 –ширина пика на половине его высоты

W2S – ширина пика на 0.607 его высоты.

До сих пор мы лишь обсуждали методы хроматографии , обратимся теперь к некоторым теоретическим основам метода. Прежде всего нужно сказать ,что аналитическим сигналом в хроматографическом анализе хроматограмма. Она представляет собой кривую зависимости концентрации, выходящих с потоком подвижной фазы из колонки ,от времени с начала разделения. Однако ,следует заметить, что в детекторах , используемых в хроматографии редко измеряется непосредственно концентрация ,а часто это пропорциональная ей величина(коэффициент преломления, поглощения, и т.п.) .Хроматограмма состоит из базовой линии и пиков .Базовая линия соответствует тем моментам времени , когда из колонки вытекает чистый растворитель; пик соответствует появлению одного из разделяемых веществ в вытекающем растворителе. В идеале форма пика стремится к кривой Гауссовского распределения. Время появления максимума пика называется временем удерживания –tR.. При постоянных условиях работы и составе фаз tR является индивидуальным для каждого вещества. Иногда в начальной части хроматограммы появляется маленький пик ,он соответствует времени удерживания несорбированного вещества t0 и свободный объем системы. Своим появлением этот пик обязан кратковременному нарушению равновесия в колонке при вводе пробы .

Свободный объем системы (V0C) – объем подвижной фазы от устройства для ввода до детектора. Часть его находится внутри колонки (Vm)-свободный объем колонки. В идеале свободный объем системы не должен превышать свободный объем ,в этом случае t0 в первом приближении соответствует свободному объему колонки. Также важен объем объём неподвижной фазы – VS .Отношение VS к Vm – фазовое отношение колонки. Фазовое отношение позволяет связать хроматографический процесс с термодинамическими характеристиками системы. Если F- скорость подачи подвижной фазы в колонку (в первом приближении не влияет на распределение) ;удерживаемый объем выражают как : VR=tR*F.VR- постоянная величина для данного вещества на колонке данных размеров ,но на колонке с другими геометрическими характеристиками VR будет другим , однако пропорционально ему меняется и t0 ,и чтобы избавиться от зависимости от параметров системы вводят величину k` - коэффициент емкости

k`=(tR-t0)/t0. k` является величиной связанной с термодинамическими характеристиками сорбции -- DG сорбции. Так как в выражение для к` входит фазовое отношение, которое в свою очередь зависит от объема сорбента , а следовательно и от плотности упаковки , то была предпринята попытка заменить к` на индекс удерживания , однако в В.Э.Ж.Х индексы удерживания широкого применения не нашли. Однако в реальных случаях разделения приходиться иметь дело с несколькими разделяемыми компонентами, поэтому вводят такую величину как селективность --aij=(tRi-t0)/(tRj-t0). Селективность является сравнительной термодинамической характеристикой двух разделяемых соединений.

Все рассмотренные величины характеризуют термодинамические процессы в системе , однако процессы в хроматографической колонке определяются еще и кинетическими факторами, как и любой другой химический процесс .Так если aij=1, (термодинамическая характеристика),то вещества не разделить при любом устройстве колонки. Однако неравенство селективности единицы не гарантирует разделения веществ. Для хорошего разделения колонка должна обладать еще и достаточно высокими характеристиками кинетического характера, а именно акты сорбции-десорбции должны совершаться с большой скоростью, чтобы реализовать термодинамическую возможность разделения.

Для оценки разделения веществ всегда нужно учитывать 2 фактора – термодинамический и кинетический. В качестве численной меры , учитывающей кинетику и термодинамику используют критерий разделения:

RS=2*(tRi – tRj)/(WSi--WSj) .

RS связан с основными характеристиками системы следующим образом:

RS=0.25*((a-1)/a)*((k`/(1+k`))*N1/2 ,

k` -- здесь средний коэффициент удерживания .

Как уже отмечалось выше для хроматографического анализа и особенно разделения важна форма зон (пиков) на хроматограмме в идеале требуется , чтобы они были как можно более узкими и высокими и более удалены друг от друга, в этом случае легче будет провести анализ и он будет более точным. Ширина пиков (их форма) зависит от высоты теоретической тарелке, чем выше Н, тем хуже это отражается на виде хроматограммы. Н ,в частности, зависит от разного рода диффузионных процессов ,протекающих внутри колонки.

Эти процессы , обусловлены:

n вихревой диффузией, которая возникает из-за неоднородности твердой фазы- она пропорциональна размеру частиц сорбента;

n продольной молекулярной диффузии в подвижной фазе появление этой диффузии связано с затрудненностью перемещения между гранулами сорбента, эта диффузия обратно пропорциональна скорости подвижной фазы;

n продольной диффузии в неподвижной фазе – также обратно пропорциональна скорости потока , обычно вклад этого вида диффузии равен вкладу продольной диффузии в подвижной фазе;

n вклад в диффузию кинетики массопередачи в подвижной фазе, пропорционален скорости потока;

n вклад неравновестности процесса внутри застойных зон в частицах насадки ,также линейно зависит от скорости потока;

n вклад кинетики массопередачи в неподвижной фазе.

Как мы можем видеть многие составляющие диффузии (увеличивающие значение Н) линейно зависят от скорости потока, некоторые обратно пропорционально и в общем случае зависимость Н от скорости представляет собой гиперболу с некоторым минимальным значением Н и соответсвующему ему значению скорости Uопт. -- Оптимальная скорость потока. При более детальном анализе каждой составляющей диффузии можно видеть , что чем меньше частицы сорбента , тем меньше диффузия. Но уменьшение размеров частиц сорбента встречает ряд трудностей , и одна из них- необходимость создание высокого давления в системе , так как при уменьшении частиц сорбента сильно возрастает сопротивление потоку, и для сохранения прежней скорости потока необходимо повышать давление :

P=(r*u)/(d2*L); d-диаметр зерен ; видно ,что при уменьшении диаметра зерен в 2 раза ,нужно повысить давление в 4 раза для сохранения скорости разделения постоянной.

На практике для увеличения скорости разделения часто используют скорости потока , превышающие Uопт., при такой ситуации положительное влияние оказывает увеличение диффузии в подвижной фазе , и исходя из этого предпочитают брать подвижные фазы с возможно малым коэффициентом вязкости.