книги из ГПНТБ / Современное состояние жидкостной хроматографии

1. Механизм разделения, в котором используется модель пространственного запрета *

Когда образец, представляющий собой набор молекул различ­ ного размера, как это показано на рис.-7.1, вводится внутрь гелевой колонки, молекулы стремятся диффундировать из концентра­ ционного центра и направляются в растворитель, находящийся в порах геля, т. е. проникают в поры. Если растворитель внутри и снаружи пор геля одинаков (К — 1), проникание является чисто функцией энтропии. В статических условиях молекулы будут про­ никать в поры до тех пор, пока не установится равновесие. Однако при протекании через колонку растворителя пик растворенного вещества движется вдоль колонки. При этих условиях молекулы образца будут проникать внутрь пор геля, если концентрация об­ разца снаружи больше, чем внутри геля. Когда зона растворен­ ного вещества покидает данный участок насадки, концентрация образца внутри геля больше, чем его концентрация снаружи, и молекулы вновь диффундируют в поток подвижной фазы. Таким образом, процесс повторяется циклически по всей длине колонки.

При этом все молекулы, имеющие определенный размер, будут полностью проникать в растворитель, находящийся внутри пор геля. Как показано на рис. 7.2, молекулы размера А и больше являются как бы «запретными» для пор геля и не удерживаются при VM. Молекулы размера В и меньше полностью проникают в поры и элюируются с объемом полного проникания Vt. Молекулы размером от А до В проникают внутрь пор и элюируются при пропускании объема растворителя, пропорционального его доле в

эти вопросы превосходно изложены в обзорной статье Блю [Bly D. L . , Science, 168, No 3931, 527—533 (1970)], где также дана обширная библиография.

порах. Очевидно, что доступная доля объема не может превышать общий объем Vs, следовательно, Ко не должен превышать 1. Если Ко больше единицы, К также должен быть больше единицы, и раз­ деление в этом случае не является чисто эксклюзионным. В дан­ ном рассмотрении предполагается, что Ко = 1, т. е. разделение является чисто энтропийно запретным процессом.

п 5 г

Р и с . 7.2. Схематическая калибровочная кривая процесса проникания.

/ — исключение; 2 — селективное проникание (Ко); 3 — полное проникание.

В связи с тем что Ко может изменяться в определенных преде­ лах, эксклюзионная хроматография имеет свои отличительные осо­ бенности. Изотерма линейна, т. е. концентрация внутри неподвижной фазы всегда прямо пропорциональна концентрации в подвижной фазе, и пики имеют форму кривой Гаусса. Поскольку максималь­ ное значение Ко равно 1, все компоненты должны элюироваться в пределах определенного объема Vt, но последние пики

Эксклюзионная хроматография 183

размер которых соответствует этому пологому участку калибро­ вочной кривой.

На рис. 7.3 показана типичная хроматограмма, используемая для определения молекулярного веса высокополимеров. Эта хрома­ тограмма показывает молекулярновесовое распределение поливи-

Отсутствие индивидуальных пиков может снизить интерес хрома­ тографиста-аналитика к методике, но это будет большой ошибкой, так как разделение на индивидуальные полимергомологи в ГПХ практически осуществимо [2—11].

Хроматограмма на рис. 7.4 также отражает молекулярновесо­ вое распределение. В этом случае разрешение системы увеличено до разделения на отдельные гомологи [8]. Механизм в каждом слу­ чае один и тот же, только условия различные. Из рис. 7.4 очевид­ но, что методом ГПХ можно разделять полимергомологи в соот­ ветствии с их размером, обеспечивая, таким образом, пригодность аналитической методики высокого разрешения.

3.Разрешение

Разрешение в ГПХ, как и в других видах хроматографии, опре­ деляется с помощью следующего уравнения:

Хотя в гл. 1 уже говорилось о разрешении, здесь этот вопрос будет вновь рассматриваться, но уже применительно к гель-проникающей хроматографии.

Селективность. Селективность в ГПХ непосредственно зависит от различия в размерах молекул. Следовательно, повышение раз­ решения путем увеличения члена, учитывающего а, достигается только оптимизацией размера пор или распределения по размеру пор геля; при этом на калибровочной кривой отрезок, отсекаемый по оси х, увеличивается, а отрезок, отсекаемый по оси у, умень­ шается. Проще говоря, селективность увеличивается, если исполь­ зуются гели, поры которых близки по размеру молекулам раство­ ренного вещества. При этом получается пологая калибровочная кривая.

Эффективность. Эффективность в ГПХ, как и в любом другом виде хроматографии, является обратной случайной дисперсией [15]. Одинаковые сферические частицы, полученные при суспензионной

w равно примерно 14 мл и N соответственно лежит в диапазоне от 100 000 до 180 000 тарелок (с ростом VR при постоянном w вели­ чина N должна увеличиваться). Однако, если необходимо, w мож­ но измерять при Vt и использовать полученные результаты при

которое растворенное вещество проводит в неподвижной и по­

использовано для определения емкости геля. Хотя значения емко­ сти лежат в диапазоне от 0,5 до 2, наиболее широко используемые

Эксклюзионная хроматография 187

Объем их при набухании во много раз увеличивается, и пористость возрастает пропорционально объему поглощенного растворителя. Мягкие гели используются в основном с водными растворителями, и в этом случае метод называют гель-фильтрационной хромато­ графией.

Применяя мягкие гели, приходится платить за увеличение про­ ницаемости снижением емкости. Гели деформируются под дей­ ствием движущегося растворителя, увеличивая сопротивление ко­ лонки. Поскольку гель деформируется при высоких линейных ско­

ких скоростях мягкие гели не только сжимаются, но также экструдируются через поры фильтра на выходе из колонки. Кроме того, так как размер пор пропорционален коэффициенту набуха­ ния, мягкие гели становятся более хрупкими при повышении пори­ стости. По этой причине они чаще используются для анализа ма­ лых молекул и всегда при низких линейных скоростях.

При использовании низких линейных скоростей потока мягкие гели обладают высокой эффективностью и высокой емкостью. От­ ношение Vs/VM для них приближается к 3. Такие гели обеспечат такую же эффективность разделения, как и разделение на колон­ ке, имеющей одну девятую длины колонки, у которой отношение

VS/VM = 1.

Полужесткие гели. Полужесткие гели, получаемые «жемчуж­ ной» полимеризацией [1], обеспечивают достаточно высокую про­ ницаемость и среднюю емкость при широком диапазоне размера пор. В отличие от мягких гелей, объем которых при набухании возрастает во много раз, полужесткие гели увеличивают объем только в 1,1 —1,8 раза. Они противостоят высоким давлениям без деформаций во всем диапазоне их пористости. Диапазон емкости VS/VM лежит в пределах от 0,8 до 1,2. Эффективность колонки по­ рядка 3000 тарелок на 1 м достигается в результате применения сферических частиц одинакового размера.

На рис. 7.6 показана хроматограмма, полученная методом вы­ сокоскоростной ЖХ на колонке с полужесткими гелями. За 80 с было проведено разделение до базовой линии трех компонентов при линейной скорости растворителя 2 см/с [2]. Разделение тритона, показанное на рис 7.4, проводилось на колонке длиной 48 м, кото­ рая работала более 6 месяцев при 70 атм и при скорости потока

то же время не адсорбирующих их. Полужесткие гели можно хими­ ческой или физической обработкой перевести в влагопоглощающие.

ния. Среди полужестких гелей наибольшее распространение полу­ чил полистирол с большим числом поперечных связей, он произво­ дится фирмой «Waters Associates* под названием «стирогель».

отношение ниже 0,5). Число получаемых эффективных тарелок ле­ жит в диапазоне от 300 до 1500 на 1 м по сравнению с 1500—6000

ликаты содержат гидроксильные группы, которые сильно удержи­ вают полярные компоненты (Ко становится больше 1). Хотя этот эффект может быть использован для хроматографического разде-

с размером молекулы. Чтобы избежать адсорбции, в растворитель можно добавить такое вещество, как триэтиленгликоль, но это усложнит систему. Предпочтительнее использовать химическую дезактивацию силиката (см., например, [20]). На рис. 7.7 показана хроматограмма поливинилового спирта, который элюирован с дез­ активированного порасила. (Это и некоторые другие вещества, включая полинатриевые силикаты, частично адсорбирующиеся на

Удерживаемый объем, мл

Р и с . 7.7. Хроматограммы поливинилового спирта, приготовленного различными способами [20].

необработанных силикатах, вымываются с дезактивированного по­ расила без очевидной адсорбции.)

Полученные Халлером [21] стекла с контролируемой пористо­ стью также обладают адсорбцией, но механизм ее другой. Следо­ вательно, обычные методы подавления адсорбции здесь не приме­ нимы. Стекла с контролируемой пористостью обладают следующей

нении разрешения, следовательно, данные насадки целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо получать высокое раз­

Выпускаемые промышленностью насадки каждого класса со браны в табл. 7.3.