Каким параметром характеризуется эффективность хроматографической колонки

Эффективность хроматографической колонки

При продвижении зон разделяемых соединений под действием потока подвижной фазы вдоль слоя сорбента происходит одновременно два противоположных процесса: возрастает расстояние между максимумами концентрации хроматографических зон (что улучшает разделение) и увеличивается ширина хроматографичеких зон (что ухудшает разделение).

Качественно эффективность колонки тем выше, чем уже, острее зоны хроматографируемых соединений. Количественной характеристикой эффективности колонки служит число теоретических тарелок. Эффективность колонки тем выше, чем больше характерное для нее число теоретических тарелок N. Число N для i-го компонента вычисляют по уравнению:

где и- соответствующее время удерживания i-го компонента и ширина пика, измеренная на половине его высоты (рис. 3). Число N пропорционально квадрату числа пиков, которые можно разместить на хроматограмме на отрезке, соответствующем времени удерживания данного соединения.

Разделение

Рис. 3. Определение степени разделения Rij; пояснения в тексте.

Количественно зависимость степени разделения от параметров хроматографических разделения отражает уравнение Пернелла:

Источник

Разрешение хроматографических пиков и эффективность колонки

Фактор разделения (α) не описывает качество разделительного процесса. Разрешение двух хроматографических пиков (R_s) принимает во внимание не только места их расположения, но и учитывает величины ширины пиков w₁ и w₂:

(1)

Если различие времен удерживания двух пиков сравнительно большое, а ширина оснований (w₁ + w₂) мала, тогда разрешение пиков хорошее. Два вещества могут быть идентифицированы, если для них R_s = 0,5. Для удовлетворительного разделения R_s должно быть равно 1 (4σ – разделение; 4σ – ширина основания гауссового пика). При выполнении количественного анализа стремятся к разрешениям R_s от 1,2 до 1,5. Величины R_s ≥ 2 (8σ – разрешение) следует избегать из-за большой продолжительности анализа.

Немаловажным фактором в хроматографии является эффективность хроматографической системы. Под эффективностьюпонимают её способность препятствовать размыванию пиков. Для объяснения такого процесса используют теорию теоретических тарелок и кинетическую теорию.

Теория теоретических тарелок, общая для всех многостадийных процессов (например, противоточная экстракция), впервые была предложена для описания процесса дистилляции. Мартин и Синдж распространили ее на хроматографические системы. Теория основана на некоторых допущениях:

1) колонка состоит из определенного числа теоретических тарелок;

2) равновесие на каждой тарелке считается достигнутым до того, как подвижная фаза переместится на следующую тарелку, т.е. равновесие устанавливается мгновенно;

3) на любой тарелке в любой момент времени число молекул (ионов) сорбируемых компонентов пробы значительно меньше, чем число сорбируемых молекул (ионов) элюента, т.е. вводимая проба должна быть малой, а изотерма — линейной;

4) все протекающие в колонке процессы рассматриваются как взаимно независимые.

Теоретическая тарелка– это гипотетическая зона, высота которой соответствует достижению равновесного состояния между двумя фазами. Чем больше теоретических тарелок в колонке, т.е. чем больше число раз устанавливается равновесие, тем эффективнее колонка.

Эффективность колонки — это характеристика качества колонки, определяемая числом теоретических тарелок и высотой теоретической тарелки. Так как хроматографический процесс непрерывен и неравновесен, то представление о теоретической тарелке в хроматографии имеет умозрительный, формальный характер. Эта теория позволяет описать движение зоны с максимальной концентрацией компонента, экспериментально оценить ширину полосы (степень размывания хроматографической полосы) и эффективность колонки. Она дает математическую модель продвижения полосы компонента через колонку, из которой следует, что элюированная полоса имеет форму и ширину нормального распределения Гаусса.

Количественной мерой эффективности является число теоретических тарелок N и высота Н, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ):

где L – длина колонки.

В случае высокоэффективной колонки размывание хроматографического пика небольшое, пики узкие. В идеальном случае Н приближается к диаметру (d) зерна сорбента. Чтобы сравнить эффективность двух колонок, лучше использовать приведенную высоту тарелки: h = H/d. При уменьшении величины Н максимумы хроматографических пиков становятся более острыми.

Таким образом, теория теоретических тарелок дает возможность сравнить эффективность различных колонок, оценить качество сорбента и заполнения колонок. Однако эта теория не позволяет выяснить зависимость N и Н от скорости потока элюента, природы и зернения сорбента. Кроме того, не позволяет выяснить природу факторов, вызывающих размывание.

Кинетическая теория хроматографии

Вещества вводятся в колонку в виде узкой зоны, которая по мере ее движения с подвижной фазой по колонке становится все шире, т. е. размывается в результате диффузионных процессов. Мерой этого размывания в колонке является высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ). Установлено, что размывание полосы в хроматографической колонке обусловлено тремя причинами: наличием вихревой диффузии, молекулярной диффузии и сопротивления массопередаче.

Кинетическая теория хроматографии объясняет размывание хроматографических пиков, главным образом, этими тремя независимыми процессами, вклад каждого из которых описывается уравнением Ван-Деемтера:

где А, B / ν, C·ν – члены, учитывающие соответственно: неравномерность движения потока элюента (вихревая диффузия), молекулярную диффузию и отклонение от сорбционного равновесия (сопротивление массопереносу; ν – линейная скорость потока).

Чем меньше каждое из трех слагаемых, тем меньше будет и суммарное значение ВЭТТ и, следовательно, эффективнее колонка.

Вихревая диффузия – следствие изменения линейной скорости потока подвижной фазы по сравнению с ее средним значением. Величина А зависит от структуры сорбента (наличие капиллярных полостей между частицами сорбента) и изменения по длине колонки:

где λ – коэффициент гомогенности упаковки колонки (как правило,
λ = 0,1 – 0,8); d – диаметр частиц сорбента. Величина А пропорциональна диаметру частиц сорбента и уменьшается с улучшением равномерности заполнения колонки сорбентом.

Плохая упаковка и каналообразование приводят к увеличению λ, а следовательно, к уширению полосы за счет вихревой диффузии. Для уменьшения размывания полосы необходимо равномерно заполнять колонку мелкими и по возможности однородными по дисперсности частицами.

Вихревая диффузия имеет место только в насадочных колонках. Общий поток элюента при попадании в колонку распадается на отдельные потоки между зернами. Микропотоки двигаются с разными скоростями. Это приводит к дополнительному размыванию.

Молекулярная (продольная) диффузия B/ν обусловлена миграцией молекул, главным образом, в подвижной фазе и участков полосы с большей концентрацией в направлении, где концентрация меньше:

γ— коэффициент, учитывающий ограничение диффузии сорбентом колонки (γ

Источник

Качество и эффективность колонок

Значения N, N’, Н и Н’ позволяют сравнивать эффективность колонок разных типов, разной длины, заполненных разными по природе и зернению сорбентами. Сравнивая N двух колонок одной длины, сопоставляют их эффективность. При сравнении H оценивают качество колонок с сорбентами одинакового зернения, но имеющими разную длину. Наконец, величина Н’ позволяет для двух любых колонок оценить качество сорбента, во-первых, и качество заполнения колонок, во-вторых, независимо от длины колонок, размера частиц сорбента и его природы.

Селективность колонки α, а вернее хроматографической системы в целом, играет большую роль в обеспечении надежного хроматографического разделения. Селективность колонки зависит от многих факторов, варьируя которые можно подобрать оптимальные условия хроматографии заданной смеси компонентов.

Исходя из химической природы разделяемых компонентов, хроматографист должен выбрать подходящий состав ПФ и соответствующий по химической природе сорбент. Таким образом, селективность колонки всегда относительна. Она зависит от элюента, типа сорбента, определенное влияние на нее имеют и такие термодинамические факторы, как температура и давление в колонке, изменяющее коэффициенты распределения веществ между ПФ и НФ. Подбор оптимальной селективности является обязательным предметом теоретических и практических изысканий хроматографистов при разработке и воспроизведении методик.

Это уравнение показывает, как связано удерживание с равновесием, длиной колонки и линейной скоростью ПФ. Удваивая длину колонки, удваиваем время удерживания, удваивание линейной скорости, напротив, сокращает в 2 раза время удерживания. Через фактор удерживания k время удерживания t R зависит от относительного количества НФ и ПФ.

Времена удерживания и все производные от них величины являются по существу термодинамическими характеристиками процесса. Однако, как в любом другом физико-химическом процессе, в хроматографии результат определяется совместным влиянием факторов термодинамического и кинетического типа. Если в хроматографической системе данного состава при данной температуре у вещества 1 и 2 значения t R одинаковы, то никакое изменение геометрии колонки, расхода ПФ и других параметров не приведет к успешному разделению этой пары компонентов. Различие значений L в данном случае так же не гарантирует возможности добиться хорошего разделения. Колонка должна обладать высокими кинетическими характеристиками, акты сорбции-десорбции должны совершаться с достаточно быстрой скоростью, чтобы реализовать потенциальную возможность эффективного разделения.

Размывание хроматографических зон обусловлено в основном тремя следующими причинами.

1) Неоднородностью потока по сечению колонки, вследствие которой молекулы разделяемого вещества проходят пути различной длины. Влияние этого эффекта минимально, если колонка равномерно заполнена частицами малого диаметра с узким распределением частиц по размерам.

2) Продольной диффузией. Влияние этого вида диффузии в жидкостной хроматографии относительно мало, поскольку коэффициенты диффузии растворителей невелики, и этот эффект становится ощутимым лишь в том случае, если вещество находится в колонке длительное время.

3) Диффузией и сопротивлением массопереносу молекул, перемещающихся из одной фазы в другую, и отклонением от состояния равновесия вследствие диффузии. Величина данного эффекта в значительной степени зависит от объемной скорости. Снижение объемной скорости и использование сорбентов с малым размером частиц и открытой пористой структурой (это снижает длину диффузионного пути) уменьшают влияние эффекта. Повышение температуры колонки также уменьшает сопротивление массопередаче, так как увеличивает коэффициенты диффузии и уменьшает вязкость.

Общая величина H колонки выражается суммой вкладов всех этих факторов:

Таким образом, к числу основных параметров, контролирующих высоту, эквивалентную теоретической тарелке, относятся: объемная скорость, диаметр частиц сорбента (длина диффузионного пути), характер заполнения колонки, геометрия заполнения и коэффициент диффузии. Иначе говоря, размывание в колонке уменьшается и эффективность повышается, когда используют более мелкий сорбент, более равномерный по составу (узкая фракция), более плотно и равномерно упакованный в колонке, при использовании более тонких слоев привитой фазы, менее вязких растворителей и оптимальных скоростей потока.

Что касается размывания концентрационной зоны в таких частях хроматографического тракта, как инжектор, ячейка детектора, микрофильтры для улавливания механических частиц из пробы, устанавливаемые после инжектора, предколонки, капилляры, фитинги и др., оно тем больше, чем больше экстраколоночный объем по сравнению с удерживаемым объемом пика. В современных хроматографах источники дополнительного экстраколоночного размывания тщательно минимизируют.

Как сказано выше, эффективность колонки зависит от размера частиц сорбента. В большой степени бурное развитие ВЭЖХ в последние годы было обусловлено, во-первых, разработкой способов получения сорбентов с размером частиц от 1.5 до 10 мкм с узким фракционным составом, обеспечивающих высокую эффективность при хорошей проницаемости, во-вторых, разработкой способов заполнения этими сорбентами колонок и, в-третьих, разработкой и серийным выпуском жидкостных хроматографов, имеющих рассчитанные на высокие давления насосы, инжекторы и детекторы с кюветами малого объема, способные регистрировать пики малого объема.

Для хорошо упакованных суспензионным способом колонок приведенная высота, эквивалентная теоретической тарелке W ≈ 2 при размере частиц 3-10 мкм. В этом случае при стандартной длине колонок 250 мм их эффективность будет составлять от 40 до 12.5 тысяч теоретических тарелок. Наиболее эффективные колонки, заполненные частицами размером 1.5 мкм, требуют очень высокого рабочего давления насоса (до 320 МПа) и относительно низкой скорости потока элюента. При поиске компромиссного решения возникает вопрос о взаимосвязи размера частиц сорбента, эффективности и проницаемости колонок. Уравнение, которое связывает давление, размер частиц и другие важные хроматографические параметры, имеет следующий вид:

Источник

Типы и эффективность хроматографических колонок

Для изучения смесей, состоящих из нескольких компонентов, для регистрации их физических и химических свойств применяют метод хроматографии. Методология основана на распределении исследуемого состава на две фазы – инертную или твердую, жидкую/газовую – подвижную.
Исследование осуществляется во время взаимодействия фаз друг с другом. Эти реакции протекают в колонках для хроматографии.

Колонки являются составной частью прибора хроматографа. Представляют собой полые трубки, которые наполнены сорбентом, иначе говоря неподвижной фазой. Для различных видов хроматографии существуют соответствующие виды колонок. Важно правильно подбирать колонки для хроматографии https://www.cheminst.ru/catalog.php?id=337. Необходимо учитывать особенности изучаемого вещества, объем, какая скорость нужна для разделения и т.д. Качественное оборудование повышает точность результатов исследования, так как препятствует перекрестному смешиванию составов и сокращает потери подвижной фазы.

Основные виды устройств

Существует несколько классификаций. Первая основывается на выбранном методе хроматографии.

Различают следующие типы:

Колонки для газовой хроматографии предназначаются для определения примесей в воздухе, почве, компонентов лекарственных препаратов, выхлопных паров. Встречаются в сфере криминалистики.

Колонки ВЭЖХ находят широкое применение во многих промышленных отраслях: химии, биологии, фармакологии, экологии и др.

Из чего производят колонки

Ранее производство ограничивалось только такими материалами, как стекло и металлы. Сегодня используются субстраты нового поколения, которые обеспечивают повышение эффективности колонок. Производители выбирают такие материалы, как силикагель, полимеры, цирконий, титан и др. Наиболее популярным является силикагель, так как он обладает высокой степенью резистентности, обеспечивает эффективное разделение веществ на подвижную и неподвижную фазы.

Эффективность колонок для хроматографии

Для оценки эффективности хроматографических колонок применяется ряд параметров. Основным параметром является число теоретических тарелок (N). Чем больше значение N, тем выше эффективность колонок. Другим показателем является высота H, эквивалентная теоретической тарелке. Дополнительно применяют приведенное число теоретических тарелок и приведенную высоту. Все эти параметры позволяют не только оценить эффективность конкретной колонки, но и сравнить показатели сразу нескольких колонок, отличных по длине, типу, заполненных разными по природе и зернению сорбентами.

Источник

Эффективность и селективность хроматографии

Из этих общих представлений ясно, что хроматографическое разделение возможно, только в том случае, если компоненты образца, попадая в колонку при вводе пробы, во-первых, будут растворены в подвижной фазе и, во-вторых, будут взаимодействовать (удерживаться) с неподвижной фазой. Если при вводе пробы какие-то компоненты находятся не в виде раствора, они будут отфильтрованы, и не будут участвовать в хроматографическом процессе. Точно так же компоненты, не взаимодействующие с неподвижной фазой, пройдут через колонку с подвижной фазой, не разделяясь на компоненты.

Примем условие, что какие-то два компонента растворимы в подвижной фазе и взаимодействуют с неподвижной фазой, т. е. хроиатографический процесс может протекать без нарушений. В этом случае после прохождения смеси через колонку можно получить хроматограммы вида а, б или в (рис. 1.1). Эти хроматограммы иллюстрируют хроматографические разделения, отличающиеся эффективностью (а и б) при равной селективности и селективностью (б и в) при равной эффективности.

Эффективность колонки тем выше, чем уже пик получается при том же времени удерживания. Эффективность колонки измеряется числом теоретических тарелок (ЧТТ) N: чем выше эффективность, тем больше ЧТТ, тем меньше расширение пика первоначально узкой полосы по мере прохождения ее через колонку, тем уже пик на выходе из колонки. ЧТТ характеризует число ступеней установления равновесия между подвижной и неподвижной фазами.

Зная число теоретических тарелок, приходящееся на колонку, и длину колонки L (мкм), а также средний диаметр зерна сорбента dc (мкм), легко получить значения высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ), а также приведенной высоты, эквивалентной теоретической тарелке (ПВЭТТ):

Имея значения ЧТТ, ВЭТТ и ПВЭТТ, можно легко сравнивать эффективность колонок разных типов, разной длины, заполненных разными по природе и зернению сорбентами. Сравнивая ЧТТ двух колонок одной длины, сравнивают их эффективность. При сравнении ВЭТТ сравнивают колонки с сорбентами одинакового зернения, имеющими разную длину. Наконец, величина ПВЭТТ позволяет для двух любых колонок оценить качество сорбента, во-первых, и качество заполнения колонок, во-вторых, независимо от длины колонок, зернения сорбентами его природы.

Селективность колонки играет большую роль в достижении хроматографического разделения.

Селективность колонки зависит от очень многих факторов, и искусство экспериментатора в большой мере определяется умением воздействовать на селективность разделения. Для этого в руках хроматографиста находятся три очень важных фактора: выбор химической природы сорбента, выбор состава растворителя и его модификаторов и учет химической структуры и свойств разделяемых компонентов. Иногда заметное влияние на селективность оказывает изменение температуры колонки, меняющее коэффициенты распределения веществ между подвижной и неподвижной фазами.

При рассмотрении разделения двух компонентов на хроматограмме и его оценке важным параметром является разрешение Rs, которое связывает времена выхода и ширину пиков обоих разделяемых компонентов

Таким образом, размывание в колонке уменьшается и эффективность повышается, когда используют более мелкий сорбент, более равномерный по составу (узкая фракция), более плотно и равномерно упакованный в колонке, при использовании более тонких слоев привитой фазы, менее вязких растворителей и оптимальных скоростей потока.

Размывание вне колонки и его неправильная оценка могут привести к значительной (более 50%) потере эффективности, особенно в тех случаях, когда относительно давно сконструированные хроматографы пытаются использовать для высокоскоростной ВЭЖХ, микроколоночной ВЭЖХ и других вариантов современной ВЭЖХ, требующих микроинжекторов, соединительных капилляров с внутренним диаметром 0,05-0,15 мм минимальной длины, колонок вместимостью 10-1000 мкл, детекторов с микрокюветами емкостью 0,03-1 мкл и с высоким быстродействием, высокоскоростных самописцев и интеграторов.

Источник