Теоретические основы хроматографии
Известно несколько теорий хроматографического процесса. Существенное значение имеют метод теоретических тарелок (классическая теория) и кинетическая теория.
Теория теоретических тарелок (введена Мартином и Сингом Нобелевские лауреаты 1952 г.) основана на допущениях:
1) колонка состоит из определенного числа теоретических тарелок;
2) на каждой тарелке мгновенно достигается равновесие (равновесное отношение доли сорбированного вещества к доле, оставшейся в подвижной фазе), причем до того, как подвижная фаза переместится на следующую тарелку;
3) вводимая проба должна быть малой и обеспечивать линейную изотерму сорбции;
4)все протекающие в колонке процессы рассматриваются как взаимозависимые.
Теоретическая тарелка – это гипотетическая зона, высота которой соответствует достижению равновесия между двумя фазами. Чем больше теоретических тарелок в колонке, чем большее число раз устанавливается равновесие , тем эффективнее колонка.
Количественной мерой эффективности колонки служат высота Н, эквивалентная теоретической тарелке, (ВЭТТ), и число теоретических тарелок N.
Число теоретических тарелок легко рассчитать непосредственно из хроматограммы, сравнивая ширину пика и время пребывания компонента в колонке.
Ширину пика в этом случае измеряют в основании пика. Но это неудобно, так как нужно проводить касательные точно к сторонам пика Поэтому на практике наибольшее применение нашла следующая формула:
Где ω0,5 –ширина пика на половине высоты.
Высота,эквивалентная теоретической тарелке Н измеряется в мм и определяется по формуле
Эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, и больше число теоретических тарелок.
Значения ВЭТТ и числа тарелок сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.
ВЭТТ, связана со скоростью потока уравнением Ван-Деемтера:
где А, В, С –константы; U – скорость подвижной фазы.
Константа A 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.
Величина С характеризует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты.
Влияние каждого слагаемого уравнения на величину Н в зависимости от скорости подвижной фазы показано на рисунке:
-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.
H
Поскольку
эффективность колонки тем выше, чем
меньше высота, эквивалентная теоретической
тарелке, оптимальная скорость подвижной
фазы будет равна скорости, соответствующей
точке минимума этой кривой.
U
Зависимость ВЭТТ от скорости подвижной фазы.
Динамическая теория дает основу для оптимизации хроматографического процесса.
Основные узлы приборов для хроматографического анализа.
Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической установки является
1-система
подачи подвижной фазы (баллон с
газом, насос для подвижной фазы)
2
– дозатор;
3
– колонка;
4
- детектор;
5
– регистратор (самописец, ЭВМ);
6
– микропроцессор, ЭВМ;
Т- термостатируемые
зоны
Блок-схема хроматографа
Дозатор предназначен для точного количественного отбора пробы и введения ее в колонку. Газовые и жидкие пробы обычно вводят с помощью специальных шприцев, прокалывая в месте ввода пробы каучуковую мембрану.
Твердые пробы вводятся в хроматограф или после перевода их в раствор, или непосредственным испарением пробы в нагретом дозаторе.
В хроматографической колонке происходит разделение компонентов.
Колонки различны по форме, размерам и конструкционным материалам. Применяются прямые, спиральные, и другие колонки длиной от 1-2 м и менее до нескольких десятков метров. Внутренний диаметр колонок составляет обычно несколько миллиметров. Материал колонки должен обладать определенной химической инертностью по отношению к компонентам пробы (используют сталь, латунь, медь, стекло и др.).
В бумажной, тонкослойной и некоторых других видах хроматографии функцию колонки выполняет хроматографическая бумага, тонкий слой сорбента и т.д.
Адсорбент, наполняющий колонку, должен обладать: необходимой селективностью, достаточной механической прочностью, химической инертностью к компонентам смеси и быть доступным. Практически в качестве адсорбентов используются оксид алюминия, силикагели, активированные угли, пористые полимеры на основе стирола, дивинилбензола и синтетические целлиты.
Большое влияние на сорбируемость вещества оказывает температура, поэтому хроматографические колонки, как правило, термостатируются.
Детектор предназначен для обнаружения изменений в составе газа или раствора, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преобразуются в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору, например, на ленту электронного потенциометра. Детекторы подразделяются на:
- дифференциальные, которые отражают мгновенное изменение концентрации,
-и интегральные, суммирующие изменение концентрации за некоторый отрезок времени.
К недостаткам интегральных относятся инерционность и низкая чувствительность, в связи с чем такие детекторы в настоящее время применяются редко.
К группе дифференциальных относятся детекторы по теплопроводности (катарометр), по плотности, по электрической проводимости, пламенный, пламенно-ионизационный (ПИД) и другие ионизационные детекторы, термохимический, пламенно-фотометрический и т.д.
Детектор выбирают в зависимости от свойств изучаемой системы, агрегатного состояния фаз и других особенностей.