книги из ГПНТБ / Современное состояние жидкостной хроматографии

20 Глава 1

Малые значения k' являются следствием малых объемных отно­ шений неподвижной фазы к подвижной. Малые значения k' же­ лательны для высоких скоростей, а большие значения k' — для разрешения. Очевидно, решение должно быть компромиссным, т. е. значения k' должны быть оптимальными. Это обстоятельство будет обсуждаться позднее.

Многие исследователи предпочитают упрощать уравнение раз­ решения (1.9), вводя число эффективных тарелок в колонке, опре­ деляемое как

Число эффективных тарелок в колонке более четко характеризует действительную разделяющую эффективность колонки; например, даже если N = 100 000 в колонке, k' может быть таким малень­ ким, что необходимого для разделения числа эффективных таре­ лок не представляется возможным достичь (см. [5]). Подставляя Neff в уравнение разрешения, получаем

Это уравнение проще, чем предыдущее уравнение разрешения, и разделение определяется здесь двумя приблизительно независи­ мыми факторами. Если предположить, что разрешение равно 1, зависимость а от Neff графически выражается так, как на рис. 1.4. Пока а очень мало, необходимо большое число эффективных таре­ лок, но как только а начинает увеличиваться, требуемое число эф­ фективных тарелок уменьшается. Наклон кривой таков, что, как

Член В связан с уширением из-за диффузии в газовой фазе вдоль колонки. Для диффузии существует уравнение, предложен­ ное Эйнштейном [6]:

в продольном направлении, не играет практической роли в уширении полосы в ЖХ. Соответственно в ЖХ увеличение скорости не сопровождается уменьшением Я, наблюдаемым в ГХ при низких скоростях, и редко наблюдается минимум Я (см. зависимость Я от v для ЖХ на рис. 1.6).

Член А в уравнении (1.17) отражает неоднородность процессов течения (свободная диффузия). Из очень упрощенной картины можно видеть, что он возникает за счет того, что длина каналов в насадке колонки может быть самой различной и, следовательно, молекулы растворенного вещества попадают в детектор в различ­

димо учитывать в колонках ЖХ, однако, как будет видно в даль­ нейшем, он проявляется в несколько иной форме. При скоростях выше Я м и н член С контролирует Я, и так как очевидно, что для высокоскоростного анализа необходимы высокие скорости, урав­

Член С связывает неравновесность, возникающую из-за сопроти­ вления массопереносу в неподвижной и подвижной фазах. Может существовать ряд форм сопротивления массопереносу [7] (напри­ мер, медленная диффузия в неподвижной жидкой фазе, медленная адсорбция или десорбция с поверхности).

Часто важность влияния этих массопереносов на скорость ана­ лиза не принимается во внимание, поэтому^имеет смысл кратко

Здесь d может быть приблизительно приравнено толщине жидко­ стного слоя (точного соответствия не обнаружено), так что чем больше количество нанесенной жидкости, тем меньше скорость массопереноса. В более точном варианте уравнения (1.22) в пра­ вую часть его вводится коэффициент q; он позволяет учесть раз­ личия в форме пор, в которых жидкость может покрывать носи­ тель (см. [7]).

Описать диффузию в подвижной фазе гораздо сложнее, чем в неподвижной фазе, и детальное обсуждение этого явления выхо­ дит за пределы данной главы. Тем не менее мы вкратце рассмо­

выше всего в центре и ниже всего непосредственно у стенок. Это будет причиной концентрационного профиля, и растворенное ве­ щество в центре будет достигать детектора раньше вещества, на­ ходящегося у стенок. Для сглаживания * этого профиля необхо­ дима поперечная диффузия (или смешение). В этом случае моле­ кулы растворенного вещества перемещаются из одной зоны в другую, и линейные скорости всех молекул растворенного веще­ ства оказываются приблизительно одинаковыми. Характер потока становится гораздо более сложным, когда колонка заполнена на­ садкой, однако уширение вызывается теми же причинами. Хотя вследствие поперечной диффузии происходит сглаживание концен­ трационного профиля, значительную роль теперь играет конвекция (из-за наличия частиц поток имеет прерывистый характер). Гиддингс [8] вывел уравнение, описывающее этот процесс **.

*Сглаживание профиля приводит к уравниванию концентраций образца в трубке и уменьшению ширины хроматографической полосы.

**В более сложном выражении уравнения (1.23) рассчитывается пять не­

диффузию в подвижной фазе. Заметим, что в этом уравнении нет k' и что, согласно (1.23), Н ~ d2p. Последняя зависимость показывает, что чем меньше диаметр частиц, тем меньше член С.

Теперь, когда мы обсудили основные эффекты уширения по­ лосы в терминах газовой хроматографии, рассмотрим жидкостную хроматографию. Рис. 1.6 показывает значительное различие в фор­ ме кривых зависимости Н от линейной скорости для газовой и жидкостной хроматографии. Для ЖХ эта кривая может быть опи­ сана следующим уравнением [7]:

фузии растворенного вещества в подвижную фазу, которая застаи­

частицами. Заметим, что этот член, учитывающий перенос под­ вижной фазы, зависит от k'. Кроме того, он уменьшается с умень­ шением диаметра частиц и глубины пор, заполняемых подвижной фазой. Короче говоря, чем меньше длина диффузионного пробега, тем быстрее массоперенос. Для снижения его влияния исполь­ зуются специально изготовленные частицы, так называемые по­ верхностно-пористые зерна (см. разд. Г. 1).

Рис. 1.6 показывает, что с увеличением линейной скорости в жидкостной хроматографии Я возрастает гораздо более гладко, чем в газовой хроматографии. Объясняется это сложностью про­ цессов течения, происходящих в жидкой подвижной фазе. По­ скольку диффузия происходит медленно, очень большую роль в

Соответственно Н должна быть пропорциональна dp в степени, меньшей 2. Кроме того, при высоких линейных скоростях Н должна

* Некоторые авторы различают два типа подвижной фазы: «застойная по­ движная фаза» и «движущаяся подвижная фаза».

приближаться к члену, описывающему классическую свободную диффузию. Следует отметить, что в уравнении (1.26) также от­ сутствует k'. Этот член детально рассматривается в ряде статей Нокса [10].

Во многих колонках для ЖХ эффекты в подвижной фазе преоб­ ладают над эффектами в неподвижной. Если вызываемый диффу­ зией в застойной подвижной фазе дополнительный вклад в уширение полосы мал (1.25), Н не зависит от k' [27]. Но когда эти процессы уширения важны, Н зависит от k', даже если эффекты массопереноса в неподвижной фазе отсутствуют [10]. Кроме того, характер зависимости Н от v указывает на то, что высокие линей­ ные скорости подвижной фазы могут быть использованы без зна­ чительного понижения эффективности колонки. После рассмотре­ ния принципов оптимизации времени (этому вопросу посвящен следующий раздел) мы детально обсудим характерные особенности жидкостной хроматографии, связанные с высокоскоростным раз­ делением; все эти особенности нашли отражение в уравнении уши­ рения (1.24).

Это обсуждение уширения полосы будет заключаться в краткой проверке влияния межколоночных эффектов на эффективность ко­

ность колонки и ухудшается разрешение. Снижение эффективно­ сти может быть вызвано неудачным вводом пробы, уширением в трубках между колонкой и детектором и в самом детекторе. Ре­ комендуется [11] вводить пробу непосредственно в колонку или в стеклянную насадку, помещенную вверху колонки. Хотя в прин­ ципе для ввода пробы можно использовать краны, следует по­ мнить, что растворенное вещество медленно смывается с их сте­ нок. Ввод пробы должен производиться очень тщательно, так как иначе эффективность колонки снижается; в частности, ухудшается разделение веществ, имеющих малые значения k'.

Помимо условий ввода пробы, в жидкостной хроматографии очень большое влияние на эффективность могут оказывать соеди­ нения между колонкой и детектором [12]. В самом деле, этот эф­ фект сказывается больше в жидкостной хроматографии, чем в га­ зовой из-за низких коэффициентов диффузии в жидкостях. По­ этому очень важно, чтобы объем подводящих трубок был как можно меньше. Очевидно, что мертвый объем детектора также должен быть минимальным; в противном случае возможно значи­ тельное межколоночное уширение. Кроме того, при использовании ультрафиолетового детектора важную роль может играть конструк­ ция кюветы, через которую протекает образец [13].

К дисперсии в колонке добавляется дисперсия межколоночных эффектов:

(1.27)

а1 = о г со/ + а « - с о г -