Селективність колонки

Для успішного якісного і кількісного хроматографічного аналізу потрібне таке розділення, яке б дозволило з необхідною точністю вимірювати якісні і кількісні параметри хроматографічних піків, тобто параметри утримування і площі піків. Тому одне з основних завдань хроматографії полягає в тому, щоб отримати чітке розділення суміші компонентів. Про якість розділення судять за числом піків і за відстанню, на якій вони знаходяться один від іншого.

Необхідною умовою хроматографічного розділення речовин є відмінність їх сорбційних властивостей (Г), яка при постійності умов хроматографування приводить до відмінності параметрів утримування компонентів (, V_r, , t_r). Але виконання цієї умови ще не достатньо через розмивання хроматографічних піків, яке може призвести до повного або часткового перекривання піків і неможливості точного вимірювання якісних і кількісних параметрів піків.

Роздільна здатність хроматографічної колонки залежить від селективності та ефективності колонки.

Селективність α є мірою взаємного розподілу двох або більше визначуваних речовин у ході хроматографічного процесу.

Селективність можна подати як відстань між максимумами піків (ступінь розділення):

У цьому рівнянні коефіцієнтом А виражають вихрову дифузію. У набивній колонці молекули рухаються між зернами сорбенту складними траєкторіями, які мають різну довжину. Молекули виходять із колонки в різний час, внаслідок чого відбувається розмивання смуги. Вихрова дифузія не залежить від швидкості потоку рухомої фази, але залежить від розміру часточок сорбенту та щільності їх упакування. Чим менші часточки нерухомої фази й більш однорідне заповнення колонки, тим менший коефіцієнт А, тим менше розмивання внаслідок вихрової дифузії.

В – коефіцієнт, який відображає вплив повздовжної дифузії, він залежить від природи газу-носія і пропорційний коефіцієнту молекулярної дифузії (дифузія, що відбувається внаслідок теплового руху атомів, молекул). Якщо деякий компонент певної концентрації ввести всередину довгої трубки, заповненої рідиною або газом, то він повільно дифундуватиме у напряму обох кінців трубки. Внаслідок дифузії через певний проміжок часу компонент рівномірно розподілиться по всій довжині трубки. Цей останній ефект у хроматографії ніколи не реалізується, однак початкова стадія дифузного розмивання смуг у рухомій фазі має місце. Це розмивання пропорційне часу перебування компонента у рухомій фазі. Розширення смуги обернено пропорційне швидкості. Зниження швидкості потоку призводить до розмивання. Така дифузія має більше значення, якщо рухома фаза – газ, оскільки швидкість дифузії у газах на декілька порядків вища, ніж у рідинах.

С – коефіцієнт, який відображає опір масопередачі (перенос речовини з однієї фази в другу через поверхню розподілу фаз) у двох фазах. У процесі руху зони компонента крізь колонку його молекули безперервно переносяться з рухомої фази в нерухому і назад. Цей процес відбувається не миттєво, оскільки для переносу молекул крізь рухому фазу до поверхні нерухомої фази і навпаки необхідний деякий час. Молекули, що знаходяться близько від поверхні нерухомої фази, можуть проникнути до неї майже відразу, тоді як ті з них, що знаходяться на великій відстані, можуть потрапити до нерухомої фази за значно триваліший час, тобто далі за напрямком руху рухомої фази. У результаті такого уповільненого переносу частини молекул крізь нерухому фазу відбувається розмивання зони, яке називають розмиванням через опір масопередачі у рухомій фазі. Молекули, які дифундують у рухомій фазі на більшу відстань, випереджують молекули, які не відходять від поверхні нерухомої фази. Опір масопередачі спостерігається в обох фазах і пов'язаний зі швидкістю рухомої фази прямопропорційно. Чим повільніше переміщується рухома фаза, тим більше молекул встигає сорбуватися на вузькій ділянці сорбенту, тим менше розмивання. Чим менший діаметр зерна сорбенту або менша товщина плівки рідкої нерухомої фази, тим менший опір масопередачі у ній, тим менше розмивання.

Коефіцієнти А, В і С є постійними для даної хроматографічної системи.

Цінність рівняння Ван-Деемтера в тому, що з його допомогою можна визначити умови, що дозволяють звести до мінімуму розмивання зон і, отже, досягти максимального розділення.

Існує оптимальна швидкість потоку рухомої фази, за якої встановлюється мінімальне значення ВЕТТ, тобто максимальна ефективність хроматографічної колонки. Параметри, об'єднані в коефіцієнтах A, В і С, визначити експериментально або обчислити теоретично важко, а іноді практично неможливо. Тому оптимальну швидкість потоку рухомої фази знаходять на підставі визначення залежності H від U на даній колонці для будь-якої системи "сорбент-сорбат". У конкретній хроматографічної системі величину Н можна змінювати, тільки змінюючи швидкість руху рухомої фази.

Врахувавши теорію еквівалентних тарілок і дифузійну теорію, можна дійти висновку, що ефективність тим вища, чим менший діаметр зерна сорбенту, щільніше його упакування в колонці, чим менша товщина плівки рідкої нерухомої фази (при цьому зменшується вихрова дифузія, менший опір масопередачі у нерухомій фазі), менші коефіцієнти дифузії сорбату в рухомій фазі, тобто менша в'язкість (менший опір масопередачі у рухомій фазі).

6.Критерій розділення.

Мірою повноти розділення двох речовин є комплексний параметр, який характеризує дію на розділення двох компонентів як ефективності колонки, так і селективності – критерій розділення R_s. В той час як селективність характеризує розділення максимумів піків, критерій розділення є характеристикою розділення самих хроматографічних піків і функцією ефективності і селективності системи.

У випадку, зображеному на рис. 6, а, обрано достатньо селективний сорбент, тому ΔV'_r має відносно велике значення. Проте піки розмиті і перекриваються, тобто ця колонка низькоефективна, можливо через великий діаметр зерен сорбенту і нещільне й нерівномірне його упакування. Все це призводить до подовження тривалості розділення і збільшення кількості рухомої фази, необхідної для елюювання речовин із колонки. У випадку, який ілюструє рис. 6,б, обрано неселективний сорбент для даних сполук. Тому незважаючи на вузькі піки, тобто високу ефективність, яка спричинена високою дисперсністю сорбенту і його щільним упакуванням у колонці, розділення не відбувається, оскільки ΔV'_r дуже малий. У випадку, наведеному на рис. 6,в, обрано селективний сорбент, щільно і рівномірно упакований у колонку. Отже, ефективність розділення висока. Це забезпечує повне розділення речовин за прийнятний проміжок часу й економну витрату елюенту.

В основу критерію покладені елюційні характеристики, які визначаються за хроматограмою:

де ∆l_r – відстань між висотами двох хроматографічних піків, см або мм,

D V_r – різниця об’ємів утримання, об’ємні одиниці,

ω_0,5 – ширина піка на рівні половини його висоти, лінійні або об’ємні одиниці,

ω – ширина піка в основі, лінійні або об’ємні одиниці.

У хроматографії прагнуть не до найбільшого, а до оптимального розділення, тобто піки мають знаходитись тільки на певній відстані один від одного. Для кількісного аналізу можна задавати критерій розділення 1,0. Якщо треба, щоб піки розділилися до нульової лінії, необхідний критерій розділення 1,5. Якщо R_s<1, відбувається перекривання піків, і точне визначення параметрів, особливо кількісних, стає неможливим. За однакового сорбенту у колонках, розділення можна поліпшити подовженням колонки, тобто збільшенням числа теоретичних тарілок.

Крім того, важливим параметром, що характеризує повноту використання нерухомої фази і впливає на ефективність розділення, є коефіцієнт ємності (фактор утримування) k':

Це рівняння дає змогу обчислювати залежність між ефективністю n та селективністю для випадків повного розділення (R_s=1) за різних значень коефіцієнта ємності k'. Слід також зазначити, що для розрахунків використовують мінімальну величину k', обчислену за значеннями V_r речовини, яка сорбується найгірше, тобто має найменше значення Г(D) серед усіх речовин, які потрібно розділити.