Раздел 3

Хроматографические характеристики, используемые для идентификации веществ (характеристики удерживания)

Время от момента ввода пробы до момента регистрации макси-

мума пика называется временем удерживания (tR).

tR = tm + ts mobile			tm
	stationary		ts

В идеальном случае время удерживания не зависит от концентрации вещества, но зависит от его природы, а также от природы подвижной и неподвижной фазы и условий хроматографирования. Время удерживания вещества зависит от упаковки сорбента и поэтому может изменяться при переходе от одной колонки к другой. Более надёжной характеристикой является исправленное время удерживания ( t R ),

которое равно разности между временем удерживания данного вещества и несорбируемого компонента (t0). Поскольку t0 = tm, то t R = tS.

Объём подвижной фазы, который необходимо пропустить через колонку с определённой скоростью для того, чтобы элюировать вещество, называется удерживаемым объёмом (VR). Аналогично понятию исправленное время удерживания существует понятие исправленный удерживаемый объём ( VR )

VR t R F		VR (t R t m )F VR Vm

где F - объёмная скорость подвижной фазы (см3/мин)

Отношение равновесной концентрации вещества в неподвижной фазе (Cs) к его равновесной концентрации в подвижной фазе (Сm) на-

зывается коэффициентом распределения (D).

D Cs Cm

Удерживаемый объём связан с коэффициентом распределения уравнением, называемым основным уравнением хроматографии:

V	V	DV	(либо	V	DV	)
R	m	s		R	s

Произведение коэффициента распределения на соотношение объёмов неподвижной и подвижной фазы называется коэффициен-

том ёмкости колонки ( k )

	V				t	R	t	m		t
k D	s			k						R
	V					t	m			t
	m									m

284

Инструментальные методы анализа

Хроматографические характеристики, используемые для количественного определения веществ

В качестве аналитического сигнала в хроматографии использу-

ют высоту или площадь хроматографического пика, которые про-

порциональны содержанию вещества в хроматографической зоне.

с помощью электронного цифрового интегратора

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОЩАДИ

ПИКА

S = 1/2w h'

S = 0,96Sист S = w0,5 h S = 0,84Sист

Приёмы количественного определения, используемые в хроматографических методах, приведены в табл. 22.3.

						Табл. 22.3.
Приёмы количественного определения в хроматографии
Метод		Принцип метода
нормировки	Используется для определения относительного со-
	держания компонентов в анализируемой смеси. Мо-
	жет быть применён лишь в том случае, когда на хро-
	матограмме присутствуют пики всех компонентов
	смеси.
	i		Sx	или x	f xSx	,
			S		fiSi
	где f – поправочные коэффициенты, учитывающие
	неодинаковую чувствительность детектора к различ-
	ным компонентам смеси
внешнего стандарта	Аналитическим сигналом является высота (площадь)
	пика определяемого вещества
внутреннего стандарта	Аналитическим сигналом является отношение высот
	(площадей) пиков определяемого вещества и внут-
	реннего стандарта.

285

Раздел 3

Внутренний стандарт представляет собой специально добавляемое к анализируемой пробе в точно измеренном количестве вещество, свойства которого близки к свойствам определяемого вещества. Вещество, взятое в качестве внутреннего стандарта:

не должно химически взаимодействовать с компонентами анализируемой смеси, с неподвижной или подвижной фазой;

должно отсутствовать в исходной анализируемой смеси;

давать пик, находящийся на хроматограмме в непосредственной близости от пиков определяемых веществ, но не накладывающийся на них и на пики других соединений.

Концентрацию внутреннего стандарта выбирают таким образом, чтобы высота (площадь) пика внутреннего стандарта была соизмерима с высотой (площадью) пика определяемого вещества (рис. 22.3).

растворитель		N
	бромгексин H2N
	аминазин Br	Br
	S
	N	Cl

N

Рис. 22.3. Хроматограмма, полученная при ГЖХ-определении аминазина

впечени (внутренний стандарт – бромгексин)

Вметоде внешнего и внутреннего стандарта используются одни и те же приёмы расчёта содержания вещества (метод градуировочного графика и др.). Основное различие заключается в характере используемого аналитического сигнала. Метод внутреннего стандарта обладает большей надёжностью и даёт более воспроизводимые результаты, особенно в случае сложной пробоподготовки.

22.4. Теории хроматографического разделения

При хроматографировании происходят два процесса: разделение веществ и размывание хроматографических зон разделяемых веществ. Хроматографический процесс заключается в многократном повторении актов сорбции и десорбции. Поскольку скорость сорбции и де-

286

Инструментальные методы анализа

сорбции для молекул различных веществ различна, то после повторения большого числа элементарных актов хроматографического разделения при прохождении смеси веществ через слой сорбента происходит разделение её на отдельные компоненты. Положение и вид хроматографических зон разделяемых веществ зависят от формы изотермы сорбции, скорости установления равновесия, степени диффузии вещества в подвижной фазе.

Изотермой сорбции называется зависимость концентрации вещества, сорбированного неподвижной фазой, от его концентрации в подвижной фазе при постоянной температуре. Если изотерма сорбции линейна, установление равновесия происходит мгновенно и степень диффузии вещества в подвижной фазе пренебрежимо мала, идеальный хроматографический пик описывается кривой нормального распределения.

Для объяснения причин размывания хроматографических зон используются две теории: теоретических тарелок и кинетическая теория.

Теория теоретических тарелок предполагает, что:

каждая хроматографическая колонка состоит из некоторого количества одинаковых по величине абстрактных узких слоёв, называемых теоретическими тарелками, на каждой тарелке происходит один элементарный акт сорбции-десорбции;

на каждой тарелке происходит мгновенное установление равновесия между веществом, находящимся в подвижной и неподвижной фазе;

переход вещества с одной тарелки на другую происходит дискретно - при попадании на тарелку новой порции элюента равновесие нарушается, и часть вещества мгновенно переносится на следующую тарелку, где вновь мгновенно наступает равновесие и т.д.;

на любой тарелке в любой момент времени число сорбируемых частиц вещества значительно больше числа сорбируемых частиц растворителя, изотерма сорбции является линейной.

Количественной характеристикой хроматографической колонки являются: высота эквивалентная теоретической тарелке (H) и число теоретических тарелок (N).

H	L			N	L
	N				H

Высота эквивалентная теоретической тарелке представляет собой дисперсию, приходящуюся на единицу длины колонки. Чем

287

Раздел 3

меньше H и больше N, тем в меньшей степени происходит размывание пика и тем эффективнее хроматографическое разделение (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Хроматограммы вещества X, полученные на колонках с различ-

ной эффективностью (размерность оси абсцисс одинакова)

Число теоретических тарелок можно рассчитать:

t		R	2		t	R	2
N
				k x
				w x

где tR - время удерживания, kx - коэффициент, величина которого зависит от того, на каком уровне измеряется ширина пика wx.

Если пик представляет собой кривую нормального распределения, то ширина пика у основания равна 4 , на половине высоты - 2,35 , на 60,7% высоты (между точками перегиба) - 2 (рис. 22.5) и

т.д. При измерении ширины пика у основания коэффициент kx будет равен 16 (42), на половине высоты - 5,54 (2,352) и т.д.

h
0,607h	2
0,5h	2,35
	4

Рис. 22.5. Свойства идеального хроматографического пика

Число теоретических тарелок является мерой эффективности колонки и обычно постоянно для всех пиков на хроматограмме. Так как N является постоянной величиной, то при увеличении времени удерживания ширина пика увеличивается.

288

Инструментальные методы анализа

Согласно кинетической теории хроматографии размывание хроматографических пиков обусловлено одновременным действием трёх независимых друг от друга процессов:

влияние обратно пропорционально

B скорости ПФ

продольнаядиффузия

РАЗМЫВАНИЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПИКА

сопротивление массопереносу C

вихреваядиффузия A

В процессе движения полосы вещества по колонке его молекулы непрерывно переносятся из подвижной фазы в неподвижную и обратно. Процесс переноса требует определённого времени.

влияние прямо пропорционально скорости ПФ

В насадочной колонке молекулы компонентов разделяемой пробы движутся между частицами сорбента по разным траекториям.

влияние не зависит от скорости ПФ

Суммарное влияние вихревой диффузии, продольной диффузии и сопротивления массопереносу на величину высоты эквивалентной теоретической тарелке описывается уравнением Ван-Деемтера.

H A UB CU

где U - линейная скорость подвижной фазы

H

H= f (U)

CU

Hmin

A

B/U

Uопт

U

Рис. 22.6. Зависимость H от линейной скорости газа-носителя

289

Раздел 3

Зависимость H от U для газовой хроматографии (насадочная колонка) показана на рис. 22.6. Оптимальную скорость газа-носителя, при которой величина Н минимальна, можно рассчитать по формуле:

Uопт CB

В жидкостной хроматографии величина B практически не вносит вклад в размывание хроматографического пика (вязкость жидкости значительно больше вязкости газа), поэтому зависимость Н от U выглядит по-другому (как?).

Для характеристики эффективности разделения компонен-

тов смеси, используют коэффициент разделения ( ) и разрешение (RS). Коэффициент разделения равен отношению исправленных

времён удерживания (а такжеVR , k , D) веществ:

					k 2		D2
	t R2		VR2
							D1
	t R1		VR1		k1

Если = 1, то разделение невозможно.

Разрешение рассчитывается по следующей формуле:

RS	2(t R2	t R1 )
	w1	w 2

Разделение двух пиков считается полным, если RS 1,5 (при RS = 1,5 расстояние между максимумами пиков составляет 6 , степень перекрывания пиков 0,13%) - рис. 22.6.

	RS	2 6	1,5
		4 4

Рис. 22.6. Перекрывание пиков при различной величине RS

Число теоретических тарелок, необходимое для разделения с заданным разрешением, равно:

2	k		1		2				2
		2
N 16RS		k 2					1

290

Инструментальные методы анализа

ГЛАВА 23

23.1. Общая характеристика

Газовая хроматография - группа хроматографических методов, в которых подвижная фаза газообразна (находится в состоянии газа или пара).

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы:

	ГАХ		ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ		ГЖХ
	газотвёрдофазная			газожидкостная
	(газоадсорбционная)
	неподвижной фазой является			неподвижной фазой является слой
	дисперсное твёрдое тело			жидкости, нанесённой на поверхность
		(адсорбент)		твёрдого носителя (зернистый
				мелкодисперсный материал или

внутренние стенки колонки)

23.2. Устройство газового хроматографа

Газохроматографические определения проводятся с помощью прибора, называемого газовым хроматографом. Принципиальная схема такого прибора приведена на рис. 23.1.

		ввод пробы
система		устройство
подготовки газа		для ввода пробы

баллон с								регистрирующее
	колонка				детектор
газом								устройство

Рис. 23.1. Принципиальная схема газового хроматографа

В ГАХ и ГЖХ используется один и тот же прибор. Различие между данными вариантами газовой хроматографии заключается лишь в содержимом хроматографической колонки.

291

Раздел 3

Подвижная фаза (газ-носитель)

В качестве подвижной фазы в газовой хроматографии применяют азот, гелий, водород, аргон и другие вещества. Газ-носитель должен:

быть инертен по отношению к определяемым веществам и сорбенту;

иметь как можно меньшую вязкость;

обеспечивать высокую чувствительность детектора;

быть доступным, взрывобезопасным, достаточно чистым и

т.д.

Газы-носители хранятся в стальных баллонах под давлением (до 150 атм). Газ отбирается из баллона с помощью редуктора (устройства, позволяющего отбирать газ из баллона при давлении намного меньшем, чем давление в баллоне). Система подготовки газа необходима для установки, стабилизации, очистки газовых потоков, а также измерения их скорости. Она включает в себя регулятор давления, регулятор расхода газа, фильтры для очистки газа и т.д.

Способы ввода пробы

Устройство для ввода пробы (дозатор) предназначено для ввода в колонку определённого количества анализируемой пробы. Для дозирования газообразных веществ применяют газовые краныдозаторы. Если анализируемая проба является жидкостью, её вводят с помощью специального микрошприца в испаритель. Испаритель представляет собой металлический блок, нагреваемый до определённой температуры, имеющий канал для ввода и испарения жидкой пробы. С одной стороны канал закрыт пробкой из самоуплотняющейся термостойкой силиконовой резины, а с другой стороны к нему присоединена хроматографическая колонка. В канал подаётся поток предварительно нагретого газа-носителя. Проба, введённая в канал испарителя, быстро испаряется и переносится потоком газа-носителя в колонку. Температура испарителя обычно выбирается равной или на 30-50 С более высокой, чем температура кипения наиболее высококипящего компонента анализируемой смеси и, как правило, на 20-30 С превышает температуру колонки.

292