1.5. Хроматографические свойства индивидуальных растворителей

Оптимизация состава ПФ ‒ наиболее продуктивный и экономичный способ повышения качества хроматографической методики. Наряду с чисто транспортной функцией (перемещение концентрационной зоны сорбата по колонке), растворитель активно участвует в самом процессе разделения и оказывает существенное влияние на возможности детектирования. Часто незначительное изменение состава ПФ дает возможность оптимизировать процесс, улучшить форму пиков, разрешение отдельных компонентов и даже изменить механизм разделения. Замена одного растворителя другим может изменить фактор удерживания в 10³-10⁵ раз. Поэтому при выборе растворителей необходимо учитывать весь комплекс их свойств (табл. 17).

Интенсивное развитие ВЭЖХ и химии растворов за последние десятилетия позволило выдвинуть и обосновать многообразные теоретические и эмпирические аспекты участия растворителя в хроматографических процессах. Теоретические обобщения позволяют предложить основанные на фундаментальных положениях хроматографии и физической химии, в частности термодинамики растворов, методы управления сорбционными и хроматографическими процессами.

Становление теории относится к необходимым, но еще недостаточным условиям внедрения ее разработок в практику. Важную роль играет экспериментальное накопление базы данных, статистическая, хемометрическая оценка полученных результатов. До сих пор подбор оптимальных условий разделения разноплановых по химическому строению смесей органических соединений методами ЖХ специалисты относят к области искусства. При этом их обязательным инструментом является растворитель. Как говорил Герман Бургаве в своем трактате «Начала химии» (1732): «Химики предпочитают всем другим средствам растворитель и горделиво утверждают, что при его содействии могут совершать все чудеса своего искусства». Данное утверждение справедливо как никакое другое в ВЭЖХ, так как ПФ является тем компонентом хроматографической системы, который наиболее просто варьируется оператором при оптимизации разделения и детектирования. Возможности тонкой настройки параметров удерживания заметно расширяются, когда применяют не индивидуальные, а двух-, трех-, многокомпонентные растворители и растворы. Современная аппаратура позволяет не только заменять состав ПФ, но и создавать градиент состава, а так же градиенты температуры и давления в процессе хроматографического разделения.

Таблица 17. Основные требования к растворителям для ВЭЖХ

Параметр	Требования	Факторы
Температура кипения	Достаточно высокая	Для предотвращения: образования паровых пузырей, мешающих работе клапанов и детекторов; изменения состава ПФ из-за испарения низкокипящего компонента
Плотность	Достаточно высокая	Более плотные ПФ требуют меньшей высоты напора над входом в насос, для них менее вероятен турбулентный тип потока
Вязкость	Минимальная	В низковязких ПФ эффективней диффузия, массообмен, меньше рабочее давление насоса
Поглощение в УФ области	Минимальное	Малая прозрачность ПФ ухудшает чувствительность спектрофотометрического детектора
Химическая стабильность	Максимальная	Чтобы не использовать стабилизаторы, для избежания дрейфа времен удерживания
Химическая инертность	Максимальная	Для предотвращения модификации сорбентов и сорбатов
Чистота	Отсутствие летучих и нелетучих примесей	Для предотвращения помех в работе детектора и колонок
Стоимость	Невысокая	Для снижения расходов на анализ
Совместимость с разбавителем	Максимальная	Для избежания расслоения ПФ и помех при детектировании
Элюирующая сила	Достаточно большая	Для сокращения времени анализа
Токсичность	Минимальная	Для безопасности работ
Воспламеняемость	Достаточно низкая	Для безопасности при хранении и использовании

В процедуре выбора растворителей оценивается совокупность их свойств, важных для реализации конкретного метода ВЭЖХ. Применение новых теоретических разработок и экспертных обобщений в части хроматографических свойств растворителей позволяет существенно сократить затраты времени и материалов на оптимизацию методик разделения и анализа веществ при помощи ВЭЖХ. При этом важно знать свойства исходных растворителей, применяемых для формирования ПФ, закономерности их изменения в зависимости от состава ПФ и внешних условий.

Выше было показано, что жидкостной хроматограф представляет собой комплекс механических, оптических, электрических и химических узлов, эффективная и надежная работа которых во многом зависит от свойств и качества используемых растворителей. В табл. 17 представлены важнейшие требования, которые предъявляются к растворителям в ВЭЖХ. Отметим, что различные варианты ВЭЖХ, наример, аналитическая или препаративная ЖХ, могут по ряду требований к элюенту резко отличаться. Вместе с тем можно обобщить ряд основных и специфических требований к свойствам растворителей, пригодных в качестве компонентов ПФ. Так, растворители для аналитической ВЭЖХ, должны удовлетворять следующим запросам: чистота, химическая инертность, совместимость с детектором, растворимость аналитов, низкая вязкость, безопасность, доступность, смешиваемость с разбавителем, умеренная температура кипения [1].

Чистота растворителя в ВЭЖХ имеет большое значение, так как различные примеси в ПФ влияют на все основные стадии процесса: подачу растворителя, разделение в колонке, детектирование и воспроизводимость результатов. Наличие примесей в растворителе может вызвать ряд типичных проблем: ухудшение эффективности разделения и воспроизводимости результатов; сильное отклонение нулевой линии и образование ложных пиков при градиентном элюировании; ухудшение возможностей детектирования; порча сорбента; загрязнение веществ, выделяемых из элюата; разложение или химическое изменение компонентов пробы; коррозия аппаратуры; механическое загрязнение хроматографического тракта взвешенными частицами.

Химическая инертность. Растворитель не должен реагировать ни с сорбатом, ни с сорбентом. Все, что сказано выше о химически активных примесях, имеет гораздо большее значение применительно к химической активности самих растворителей.

Совместимость с детектором. Наиболее распространенными детекторами в настоящее время являются УФД и дифференциальные РМД. Возможность использования тех или иных растворителей в сочетании с УФД принято определять минимальной длиной волны, на которой при оптическом пути 10 мм падение интенсивности светового потока составляет 90%. С РМД можно применять любые растворители, но следует учитывать, что его чувствительность определяется разностью показателей преломления растворителя и аналита.

Вязкость растворителя должна быть по возможности низкой, так как ее повышение ведет к ухудшению массопередачи, а тем самым и эффективности разделения, а также затрудняет работу насосов.

Безопасность работы с растворителями определяется их воспламеняемостью и токсичностью. Почти все растворители для ВЭЖХ имеют либо весьма низкую температуру вспышки, либо в определенной степени токсичны. Нижний предел взрываемости многих растворителей составляет 1-2%, поэтому в застойных зонах возможно образование взрывоопасной смеси. Предпочтительны менее пожароопасные и токсичные растворители. Следует отметить, что ПДК необходимо рассматривать с учетом температуры кипения растворителя: низкокипящие растворители легче достигают ПДК, чем высококипящие.

Температура кипения имеет значение при учете двух аспектов: обеспечении надежности работы насосов и детекторов и легкости выделения вещества из элюата. Низкокипящие растворители часто образуют пузырьки в насосах и детекторах. Наличие пузырьков в насосе резко снижает точность подачи растворителя, а пузырьки в детекторе вызывают сильный шум и нестабильность нулевой линии. Для предотвращения этого явления проще всего применять растворители, температура кипения которых на 20-50 °С выше комнатной. С другой стороны, при необходимости препаративного выделения вещества нецелесообразно использовать высококипящие растворители.

Смешиваемость с другими растворителями необходимо учитывать при работе в режиме градиентной ЖХ и при пробоподготовке с использованием предварительного экстракционного разделения. ПФ всегда должна быть гомогенной.

Элюирующая сила растворителя – относительная способность вытеснять данный аналит из НФ, вступать в такие межмолекулярные взаимодействия с компонентами хроматографической системы, которые способствуют десорбции аналита, более быстрому перемещению его концентрационной зоны по колонке. Взаимодействие растворителя с растворенным веществом определяется комплексом четырех основных типов межмолекулярных взаимодействий: дисперсионного, индукционного, донорно-акцепторного (включая образование водородной связи) и диэлектрического (сольватация ионов). Суммарный эффект всех типов взаимодействий определяет полярность растворителя, а преимущественное проявление какого-либо из них – его селективность. Полярность растворителя в свою очередь определяет его элюирующую силу. В адсорбционной и нормально-фазовой распределительной ЖХ с увеличением полярности элюирующая сила растворителя возрастает, а в ОФХ – снижается. Чем больше элюирующая сила ПФ, тем меньше коэффициент емкости для данного вещества на данном сорбенте. Элюирующая сила ПФ должна быть достаточно большой, чтобы время анализа не превышало оптимального для данного варианта хроматографии, и, в тоже время желательно, чтобы большая элюирующая сила не приводила к потере селективности разделения.

В табл. 18 приведены ключевые физические параметры для наиболее часто применяющихся в ВЭЖХ растворителей – температура кипения, плотность, вязкость, показатель преломления, предел прозрачности в УФ-области спектра, растворимость растворителя в воде и воды в растворителе. Предел прозрачности взят для растворителей марки «для ВЭЖХ» или «для спектроскопии». Сведения приведены для давления 101.32 кПа (760 мм рт. ст.).

В табл. 19 представлены технические характеристики некоторых растворителей – стоимость, отнесенная к стоимости метанола, токсичность, выраженная в ПДК в воздухе рабочей зоны, температура вспышки в закрытом тигле (Т_вс), температура самовоспламенения (Т_свп), и концентрационные пределы воспламенения, об. %. Эти данные являются частью базы данных, применяющихся в экспертных системах для оценки оптимальности хроматографической методики анализа.