1.2 Обладнання газової хроматографії.

Особливості розподілу речовини, що аналізується

Теорія розглядає закони руху та розмиття аналізуємої речовини (АР) в ко­лонці (ХК) після введення в випаровувач хроматографа під час аналізу (рис. 1.3).

Через хроматографічну колонку рухома фаза протікає з кінцевою швид­кістю та переносить аналізуєму речовину від входу до виходу.

Швидкість переміщення аналізуємої речовини по колонці, залежить від двох швидкостей:

швидкості адсорбції та десорбції, або розчинення та випаровування;

від об'ємної швидкості рухомої фази в колонці.

А В С

Рис. 1.5 Хроматограма розподілу речовини, що аналізується:

А , В , С ─ піки індивідуальних речовин.

Швидкість хроматографічного аналізу, якість розподілення більше залежить від першої швидкості. Будь-яке розподілення речовини між двома фазами, що не змішуються, характеризує ізотерма розподілу (рис. 1.4). В залежності від її виду розрізняють лінійну та нелінійну хроматогра­фії. Взаємозв’язок між ними визначається коєфіцієнтом Генрі :

К_г= С_а/С_г (1.1.)

Рис. 1.. Ізотерма розподілу концентрації речовини між двома фазами:

С_а ─ нерухома фаза (адсорбент) ; С_г ─ рухома фаза (газ-носій); 1,3 ─ нелінійна хроматографія; 2 ─ лінійна хроматографія

В залежності від форми ізотерми розподілу піки розподілення мають вигляд, представлений на рис. 1.6

а) б) в)

Рис. 1.6 Піки розподілення індивідуальних речовин:

а) ─ індивідуальні речовини утримуються нерухомою фазою; б) ─ рівномірне розподілення концентрації АР між рухомою та нерухомою фазами; в) ─ індивідуальні речовини виносяться газами-носіями.

Визначення швидкості руху аналізуємої речовини

Лінійна швидкість руху речовини, що аналізується V_лар по колонці знаходиться по формулі:

V_лар= W_гн/(V_рф+V_нф• К_г) , м/с (1.2)

де W_гн ─ швидкість газа-носія;

V_рф,V_нф ─ об'єм рухомої та нерухомої фази;

К_г─ коефіцієнт Генрі.

Через хроматографічну колонку газ протікає з кінцевою швидкістю і в колонці не встигає встановитися термодінамічна рівновага між концентрацією речовини, яка знаходиться в рухомій та нерухомій фазі. Якщо швидкість газу-носія постійна, температура колонки постійна, кількість фази в колонці та спосіб нане­сення нерухомої фази і заповнення колонки не змінюється, то на окремій ділянці колонки можливе встановлення термодінамічної рівноваги. В цьому випадку швидкість аналізу буде залежати від об'єму та швидкості газу-носія, та об'єму в колонці, який займають рухома та нерухома фази. Рівняння пов'язує лінійну ізотерму розподілу кожної речовини в рухомій та нерухомій фазі.

Ефективність хроматографічного розподілу

Для характеристики ефективності роботи хроматографічної колон­ки використовують поняття "теоретична тарілка", яка визначається з хроматограми для одного піку:

n=5,54((t_Rj; l_Rj; V_R)/μ)² , (1.3)

де t_Rj, l_Rj, V_R ─ параметри утримування аналізуємої речовини колонкою;

μ ─ ширина піка, яка береться на половині висоти піка.

Друга величина, що характерізує ефективність ─ висота, яка ек­вівалентна теоретичній тарілці:

H=L/n , (1.4)

де L─ довжина колонки;

n ─ кількість теоретичних тарілок.

Чим менше значення висоти, тим вище якість розділення.Можна сказати, що Н ─ це довжина ділянки колонки, на якій встановлюється термодінамічна рів­новага між концентрацією речовини, яка знаходиться в двох фазах.

Параметри утримання колонкою аналізуємих речовин

До параметрів утримання (ПУ) відносяться (рис. 1.7):

- час утримання t_R;

- відстань утримання l_R;

- об'єм утримання V_R;

- індекс утримання I_R.

Рис. 1.7 Параметри утримання

На приведеному рисунку (рис.1.7) 1 ─ пік несорбційної речовини, для якої коефіцієнт розподілу дорівнює 0. Він служить для визначення неефективного часу вимірювання.

Чим менша площа від вводу проби до піка, тим ефективніша хро­матографічна система.

2,3 ─ піки індивідуальних речовин ─ первинні параметри утриман­ня.

t_R ─час від моменту вводу проби, до виникнення максимуму в хро­матограмі;

l_R ─ відстань на хроматограмі від моменту вводу проби до ви­никнення максимуму;

V_R ─ кількість рухомої фази, необхідної для вимиван­ня з колонки речовини, що аналізується, для виникнення максимуму на хроматограмі.

t_R, l_R, V_R ─ характеризують речовину.

t₀, l₀, V₀ ─ "мертвий" час, відстань, об'єм.

Виправленні параметри утримання розраховуються за наступними формулами:

t_R'=t_R-t₀ ; (1.5)

l_R'=l_R-l₀ ; (1.6)

V_R'=V_R-V₀ ; (1.7)

t_R'= l_R'/ W_дс; (1.8)

V_R'=t_R' W_гн , (1.9)

де W_дс ─ швидкість діаграмної стрічки.

Оцінка якості хроматографічного розподілу

Кількість піків на хроматограмі визначає детальність парамет­рів. Повнота їх розподілу говорить про точність результатів. Про якість розподілення роблять висновки по кількості піків та по відс­тані їх максимумів на хроматограмі. При розробці методик для їх по­рівняння необхідно кількісно визначити з хроматограми ступень роз­ділення двох речовин, який залежить від коефіцієнту розподілення та величин В,А,С в рівнянні Ван-Деємтра.

У випадку добре розподілених піків ступінь розділення K_р визначається як різниця відстані утримання двох піків розділена на суму ширин, які беруться на половині висоти (рис.9.29).

K_р=(l₂-l₁)/(M₁+M₂)= ∆l/(M₁+M₂) (1.10)

K_р=0 до ∞.

У випадку, якщо піки розподіленні не повністю (рис.9.30), якість розподілення визначають по формулі:

K_р=(h₂-h_min)/h₂ (1.11)

K_р=2 до ∞.

Рис.9.29. До розрахунку ступеня розділення добре розподілених піків

Рис.9.30. До розрахунку ступеня розділення не розподілених піків

Селективність хроматографічної колонки вказує на відстань між піками та їх кількість. Вона характеризується коефіцієнтом селективності K_с:

K_с=(l₂-l₁)/(l₁+l₂ ) (1.12)

Коефіцієнт селективності залежить:

- від температури колонки (якщо температура збільшується, К_с зменьшується);

- від співвідношення в колонці об’ємів рухомої фази та нерухомої;

- від пористості сорбенту;

- при використанні капілярних колонок від кількості фази в ко­лонці.

Взаємозв’язок між K_с і K_р можна виразити формулою: