Диатомовые носители

Исходным материалом для носителей служит светло-серое или красновато-коричневое аморфное вещество, представляющее собой обломки панцирей микроскопических диатомовых водорослей – диатомит.

Диатомовая горная порода состоит в основном из аморфного кремнезема, содержащего от 20 до 80 % физически связанной воды.

Диатомит промывают водой, чтобы отделить загрязняющий материал, например песок, сушат и перемалывают. Прокаливанием во вращающейся печи, иногда в присутствии гидроксидов, удаляют органические соединения. Цвет диатомитов при этом изменяется, а его удельная поверхность уменьшается от 12-40 (сырой продукт) до 1-5 м²/г.

Далее диатомит измельчают, просеивают и, если необходимо, освобождают от оксидов железа.

Из такого порошкообразного материала и готовят носитель для хроматографических колонок.

Следует различать диатомовые носители первого и второго типа.

Диатомовые носители первого типа характеризуются достаточно большой механической прочностью, величиной удельной поверхности порядка 4 м²/г, большой насыпной массой (г/см³).

Вследствие пропорциональной зависимости между удельной поверхностью и адсорбционными свойствами носителя этот недоста-ток проявляется ярче, чем у носителей второго типа. В связи с этим носители первого типа применяются преимущественно для анализа смесей углеводородов.

Представителями твердых носителей этого типа являются: стерхамол, рисорб, диатопорт, анакром, сферохром-2, сферохром-3, динохром-N, ИНЗ-600.

Диатомовые носители второго типа характеризуются величиной удельной поверхности порядка 1 м²/г, малой насыпной массой и, как следствие, малой адсорбционной активностью.

Наиболее часто в практике встречаются следующие представители этого типа носителей: кизельгур, хромосорб, целит, газохром, сферохром-1, порохром, динохром, хроматон, инертон.

Модифицирование носителей. Обработка кислотами. Установлено, что неорганические загрязнения кислотами отмываются полнее, чем гидроксидами. Предварительную обработку кислотами рекомендуется проводить перед силанизацией, так как в этом случае носитель становится более инертным, чем в результате одной лишь силанизации.

Обработка кислотами (чаще всего соляной) проводится следующим образом: 100 г твердого носителя смешивают с 500 мл дистиллированной воды в стакане емкостью 1 л. Через 2 минуты взвесь мелких частиц декантируют. Процесс повторяют до удаления практически всех мелких пылевидных частиц.

Носитель отфильтровывают на воронке Бюхнера, отсасывают досуха и переносят в стакан емкостью 500 мл. Добавляют 250 мл концентрированной соляной кислоты, тщательно перемешивают, дают 2 минуты отстояться, декантируют и снова добавляют 150 мл кислоты. Смесь перемешивают и оставляют стоять на ночь.

Затем смесь тщательно взмучивают и декантируют. Декантация проводится четырежды, добавляя каждый раз 300 мл воды. Далее носитель отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают водой до нейтральной реакции, отсасывают досуха и сушат при 150 ^оС на воздухе в течение суток.

Обработка гидроксидами. Обработку гидроксидами диатомовых носителей следует проводить при разделении основных соединений - аминов, диаминов, пиридинов, хинолина, гуанидина, метиламина, эпоксипроизводных.

Отмечено, что обработка гидроксидами разрушает каталитические центры носителя и снижает их активность.

На практике твердый носитель тщательно пропитывают метанолом и полученную массу перемешивают с 6-процентным метанольным раствором гидроксида в течение часа в роторном испарителе без нагревания. Затем отгоняют в вакууме растворитель, и высушенный продукт просеивают.

При использовании обработанных гидроксидами носителей в практике следует учитывать способность свободных гидроксидов разлагать или адсорбировать многие из разделяемых соединений.

Обработка силанизирующими реагентами. Свободные группы Si-OH, расположенные на поверхности носителя, оказывают мешающее действие, особенно в тех случаях, если на носитель нанесено очень небольшое количество неподвижной жидкой фазы или если жидкая фаза почти неполярна, а разделяемые соединения характеризуются значительной полярностью.

Остаточную активность носителя можно снизить еще в большей степени, если провести замещение атома водорода в группах Si-OH на органосилильные радикалы.

Одним из вариантом модифицирования поверхности является обработка носителя диметилдихлорсиланом или триметилхлорсиланом:

Si-OH + (CH₃)₃SiCl à Si-O-Si(CH₃)₃ + HCl.

Силанизация гексаметилдисилазаном протекает по схеме:

Si-OH + (CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃ à Si-O-Si(CH₃)₃ + (CH₃)₃Si-NH₂

Si-OH + (CH₃)₃Si-NH₂ à Si-O-Si(CH₃)₃ + NH₃

(CH₃)₃Si-NH-Si(CH₃)₃ + H₂O à (CH₃)₃Si-O-Si(CH₃)₃ + NH₃.

Последнее уравнение - уравнение медленно протекающей побочной реакции.

В результате проведения силанизации удельная поверхность носителя может несколько снизиться, однако если сам исходный диатомит малоактивен, то силанизация позволяет получить носитель, пригодный для эффективного разделения большинства смесей.

У таких носителей имеется лишь один недостаток: так как покрытая кремнийорганическим соединениями поверхность носителя оказывается гидрофобной, она слабее удерживает такие полярные неподвижные жидкие фазы, как глицерин или диглицерин, в результате чего на таких неподвижных жидких фазах, прежде всего при повышенных загрузках колонок, эффективность разделения невелика.

Отмытые кислотой, гидроксидами и силанизированные носители специальным образом маркируются. Например, носитель газохром-Q ABW-DMCS - промыт кислотой, гидроксидом, водой и обработан диметилхлорсиланом.

 

Стеклянные микрошарики

 

При использовании стеклянных микрошариков в качестве носителей неподвижной жидкой фазы следует учитывать, что они обладают определенными адсорбционными свойствами. Их адсорбционную активность можно снизить путем использования стекла, не содержащего кальция, и блокированием групп Si-OH диметилдихлорсиланом, как и в случае диатомовых носителей.

Вследствие малой удельной поверхности стеклянных шариков на них возможно нанесение только очень небольшого количества неподвижной жидкой фазы.

Максимально возможное количество жидкости, удерживающейся на поверхности шарика, зависит от его радиуса, величин поверхностного натяжения и плотности жидкости и составляет от 0.05 до 3 %. При этом следует учитывать, что вследствие большой плотности стеклянного носителя (около 2 г/см³) содержание 1 % неподвижной фазы на шариках соответствует 10 % содержанию на диатомовом носителе хромосорбе-W (плотность 0.22 г/cм³).

При тщательной предварительной обработке стеклянного носителя и низкой концентрации неподвижной жидкой фазы (до 0.02 %) минимальное значение высоты эквивалентной теоретической тарелке может составить 0.5 мм, при этом наблюдается минимальная адсорбционная активность.

 

Силикагель

Необработанный силикагель, изготовленный из кремниевой кислоты, имеет очень большую поверхность и тонкие поры, что приводит к проявлению высокой адсорбционной активности и не дает возможности применять его в качестве носителя неподвижной жидкой фазы.

Тем не менее вследствие постоянства своего химического состава, силикагель в большей степени пригоден в качестве носителя, независимого от загрузки пробой, чем, например, диатомит, содержащий целый ряд загрязнений (примеси железа, алюминия, магния, кальция), если можно уменьшить величину поверхности силикагеля, расширить слишком узкие поры, добиться равномерного распределения пор по диаметрам и дезактивировать группы Si-OH.

Носитель с хорошими свойствами получается путем обработки силикагеля водой в автоклаве с последующим замещением ОН-групп на радикалы -О-Si(CH₃)₃.

Оксид алюминия

 

Оксид алюминия, как и необработанный силикагель, проявляет большую адсорбционную активность и взаимодействует с разделяемыми веществами, поэтому его селективность в значительной мере зависит от степени пропитки неподвижной жидкой фазой.

Политетрафторэтилен

 

Политетрафторэтилен является важнейшим носителем из числа органических носителей.

Он превосходит другие материалы по термостойкости, позволяет работать при температурах до 200 ^оС. Выше этой температуры форма частиц носителя меняется, что приводит к снижению эффективности разделения. Начиная с температуры 290 ^оС, политетрафторэтилен разлагается с выделением ядовитого перфторизобутена. Поэтому перегревания носителя до такой температуры допускать нельзя.

Основным преимуществом политетрафторэтилена является чрезвычайно низкая химическая активность: он реагирует только с расплавленными щелочными металлами и элементным фтором и не проявляет никакой каталитической и адсорбционной активности.

Другие носители

Для разделения сильнополярных низкомолекулярных соединений часто используют пористые носители на основе сополимеров стирола и дивинилбензола, известных под названиями полисорб 1,2.

 

 

13.3. Неподвижные жидкие фазы

 

Неподвижная жидкая фаза является ответственной за разделение смесей газов или паров на отдельные компоненты, которое должно осуществляться достаточно быстро и достаточно эффективно.

В этой связи вещества, используемые в качестве неподвижных жидких фаз, должны отвечать определенным требованиям по следующим параметрам:

· химическая активность;

· давление паров и термостойкость;

· размеры молекул;

· вязкость;

· способность к образованию пленок;

· способность к растворению разделяемых соединений;

· разделительные свойства.

Химическая активность

Неподвижная жидкая фаза не должна вступать в необратимые реакции ни с газом-носителем, ни с компонентами разделяемой смеси, ни с носителем неподвижной жидкой фазы.

Например, при применении в качестве газа-носителя воздуха или иного содержащего кислород газа возможно окисление чувствительных к воздействию кислорода неподвижных жидких фаз, часто с образованием соединений, обладающих меньшей разделительной способностью. В таком случае либо заменяют неподвижную жидкую фазу на более устойчивую к окислению, либо применяют газ-носитель, свободный от кислорода.

Если, например, используется носитель, характеризующийся достаточной адсорбционной активностью, то ее следует снизить настолько, чтобы состав неподвижной жидкой фазы не изменялся.

Химические реакции, проходящие с отдельными компонентами разделяемой смеси, изменяют ее состав, и на хроматограмме появляются пики соединений, отсутствующих в исходной смеси или, наоборот, отсутствуют пики, заведомо содержащихся соединений, которые необратимо удерживаются неподвижной жидкой фазой.

Следует, однако, иметь в виду, что иногда желательно образование лабильных соединений присоединения, так как они обеспечивают исключительно высокую селективность.

Давление паров и термостойкость

В качестве неподвижных жидких фаз можно в принципе использовать любые органические соединения, однако на практике чаще всего используются термически стабильные в условиях работы хроматографической колонки вещества.

Термостабильность неподвижной жидкой фазы определяется двумя факторами:

· уносом неподвижной жидкой фазы из колонки из-за имеющих место процессов термического разложения или испарения;

· помехами на хроматограмме, вызванными фоном паров неподвижной жидкой фазы или продуктами ее разложения.

Поскольку в газо-жидкостной хроматографии разделение компонентов смеси производится только в таком температурном интервале, когда нанесенная на твердый носитель неподвижная жидкая фаза представляет собой жидкость, каждая из используемых жидких фаз должна быть охарактеризована величиной нижнего и верхнего температурного предела ее использования.

Нижний температурный предел использования неподвижной жидкой фазы характеризуется величиной температуры плавления вещества, используемого в качестве неподвижной жидкой фазы.

Однако известно, что температура плавления вещества зависит от степени его чистоты. В этой связи при нанесении на твердый носитель небольшого количества неподвижной жидкой фазы температура плавления этого вещества может повышаться на несколько градусов вследствие адсорбционного взаимодействия неподвижной жидкой фазы с поверхностью носителя.

Поэтому в качестве нижнего температурного предела использования рекомендуется выбирать температуру на 5-10 ^оС выше температуры плавления чистого вещества.

Следует учитывать, что некоторые вещества, используемые как неподвижные жидкие фазы, не могут быть охарактеризованы определенной величиной нижнего температурного предела: к ним относятся вещества, для которых характерно стекловидное состояние, полимеры с большой молекулярной массой.

Температура плавления вещества зависит от плотности упаковки его молекул: вещества с относительно регулярной, плотной упаковкой характеризуются более высокой температурой плавления.

В этой связи для снижения нижнего температурного предела целесообразно использовать соединения, углеродные цепочки молекул которых содержат большое число разветвлений.

Наличие в молекуле атомных групп, вступающих в электростатическое или специфическое взаимодействие, повышает температуру плавления вещества. Особенно высокие значения температур плавления наблюдаются для соединений, молекулы которых содержат большое число гидроксильных групп.

Верхний температурный предел использования неподвижной жидкой фазы зависит от факторов, связанных с потерей неподвижной жидкой фазы и с чувствительностью детектора.

Потери неподвижной жидкой фазы из колонки могут быть обусловлены двумя процессами:

· физическими процессами, проявляющимися в форме испарения неподвижной жидкой фазы;

· химическими процессами, приводящими к разложению неподвижной жидкой фазы за счет термической деструкции.

Потери за счет испарения свойственны в основном мономерным неподвижным фазам, а потери за счет термодеструкции наблюдаются чаще всего для полимерных неподвижных жидких фаз.

Верхний температурный предел предложено определять такой температурой, при которой в течение трех месяцев непрерывного использования потеря неподвижной жидкой фазы по массе составляет около 2 %.

Если нанести на носитель неподвижную жидкую фазу в количестве на 10 % больше оптимального, то испарение из колонки 15-20 % неподвижной жидкой фазы практически не изменит ее эффективности, и такие колонки могут служить до трех лет, что вполне допустимо для аналитических целей.

Верхний температурный предел зависит также от условий разделения. Так, например, оптимальное количество неподвижной жидкой фазы на белом диатомовом носителе составляет 10-15 %. Если же для разделения необходимо применять колонки с небольшим количеством неподвижной жидкой фазы на носителе, потери 2-3 % неподвижной фазы изменяют качество разделения. Поэтому для подобных колонок верхний температурный предел по сравнению с основными данными снижается на 30-50 ^оС.

Верхний температурный предел полимерных неподвижных жидких фаз определяется температурой разрыва наименее стойких связей в молекуле полимера, при этом образуются низкомолекулярные летучие соединения, уносимые газом-носителем из колонки.

Для неподвижных фаз полимерной природы минимальная температура разрыва наблюдается для эфирных связей. Обычная эфирная связь начинает разрушаться уже при температуре 200 ^оС; эта температура и является предельной для использования многочисленных полиэфирных неподвижных жидких фаз.

Большей стабильностью обладают полимеры, содержащие простые связи углерод-углерод. Такие фазы можно использовать до 350 ^оС, однако существенным недостатком этих полимеров является их высокая температура плавления или размягчения.

Наиболее термостабильными неподвижными жидкими фазами являются кремнийорганические полимеры, например, метилсиликоны (верхний температурный предел 300-350 ^оС) и карборансилоксановые полимеры, основой полимерной цепи которых служит сферическая ячейка, в которую входят атомы бора, кремния и углерода (верхний температурный предел 400 ^оС).

Практика использования неподвижных жидких фаз для длительной аналитической работы показывает, что необходимо работать с неподвижными фазами при температурах на 20-30 ^оС ниже основных верхних температурных пределов.

И, наконец, на практический верхний температурный предел влияет также и чувствительность используемого детектора: чем выше чувствительность детектора, тем ниже верхний температурный предел использования данной неподвижной жидкой фазы.

Так, в случае пламенно-ионизационных детекторов на их максимальной чувствительности реальный верхний температурный предел использования оказывается на 50-60 ^оС ниже основного значения.