Слайд 1Хроматографические методы анализа
Слайд 2ХРОМАТОГРАФИЯ (от греч. chroma, род. падеж chromatos - цвет, краска
и ...графия), физико-хим. метод разделения и анализа смесей, основанный на
распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную.
Метод разработан в 1903 М. Цветом, к-рый показал, что при пропускании смеси растительных пигментов через слой бесцветного сорбента индивидуальные вещества располагаются в виде отдельных окрашенных зон. Полученный таким образом послойно окрашенный столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод - X.
Слайд 3Впоследствии термин "хроматограмма" стали относить к разным способам фиксации результатов
мн. видов X. Однако вплоть до 40-х гг. X. не
получила должного развития. Лишь в 1941 А. Мартин и Р. Синг создали метод распределительной X. и показали его широкие возможности для исследования белков и углеводов. В 50-е гг. Мартин и амер. учёный А. Джеймс разработали метод газо-жидкостной X.
Основные виды X. В зависимости от природы взаимодействия, обусловливающего распределение компонентов между элюентом и неподвижной фазой, различают след. осн. виды X.- адсорбционную, распределительную, ионообменную, эксклюзионную (молекулярно-ситовую) и осадочную.
Слайд 4Адсорбционная X. основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое
тело с развитой поверхностью);
распределительная X.- на разной растворимости компонентов
смеси в неподвижной фазе (высркокипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте (следует иметь в виду, что при распределительном механизме разделения на перемещение зон компонентов частичное влияние оказывает и адсорбционное взаимодействие анализируемых компонентов с твёрдым сорбентом);
Слайд 5ионообменная X.- на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой
(ионитом) и компонентами разделяемой смеси;
эксклюзионная (молекулярно-ситовая) X.- на разной
проницаемости молекул компонентов в неподвижную фазу (высокопористый неионогенный гель).
Эксклюзионная X. подразделяется на гель-проникающую (ГПХ), в к-рой элюент - неводный растворитель, и гель-фильтрационную, где элюент - вода.
Осадочная X. основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.
Слайд 6 В соответствии с агрегатным состоянием элюента различают газовую и жидкостную
X.
В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая X.
бывает газо-адсорбционной (неподвижная фаза - твёрдый адсорбент) и газожидкостной (неподвижная фаза - жидкость).
Жидкостная X. может быть жидкостно-адсорбционной (или твёрдо-жидкостной) и жидкостно-жидкостной. Последняя, как и газо-жидкостная, является распределительной X.
К твёрдо-жидкостной X. относятся тонкослойная и бумажная.
Слайд 7 Различают колоночную и плоскостную X.
В колоночной сорбентом заполняют специальные
трубки - колонки, а подвижная фаза движется внутри колонки благодаря
перепаду давления.
Разновидность колоночной X. - капиллярная, когда тонкий слой сорбента наносится на внутр. стенки капиллярной трубки.
Плоскостная X. подразделяется на тонкослойную и бумажную.
В тонкослойной X. тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлич. пластинки.
В бумажной X. используют специальную хроматографич. бумагу.
Слайд 8 В плоскостной X. перемещение подвижной фазы происходит благодаря капиллярным силам.
При хроматографировании возможно изменение по заданной программе температуры, состава элюента,
скорости его протекания и др. параметров.
В зависимости от способа перемещения разделяемой смеси вдоль слоя сорбента различают след, варианты X.: фронтальный, проявительный и вытеснительный.
Слайд 9 При фронтальном варианте в слой сорбента непрерывно вводится разделяемая смесь,
состоящая из газа-носителя и разделяемых компонентов, которая сама является подвижной
фазой.
Через нек-рое время после начала процесса наименее сорбируемый компонент опережает остальные и выходит в виде зоны чистого вещества раньше всех, а за ним в порядке сорбируемости последовательно располагаются зоны смесей компонентов
Слайд 10При вытеснительном варианте в сорбент вводится разделяемая смесь, а затем
поток носителя, содержащего вытеснитель (элюент), при движении к-рого смесь через
нек-рый период времени разделится на зоны чистых веществ, между к-рыми окажутся зоны их смеси.
При проявительном варианте через слой сорбента непрерывно проходит поток элюента и периодически в слой сорбента вводится разделяемая смесь веществ. Через определённое время происходит деление исходной смеси на чистые вещества, располагающиеся отд. зонами на сорбенте, между к-рыми находятся зоны элюента.
Слайд 11КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХРОМАТОГРАФИИ
В основу той или иной
классификации хроматографических методов могут быть положены различные характерные признаки процесса.
При этом следует учитывать, что существуют промежуточные варианты, не укладывающиеся в рамки строгой классификации. Более того, именно такие промежуточные варианты часто оказываются весьма перспективными и даже единственно возможными для решения сложных задач анализа.
Разнообразные варианты хроматографии укладываются в относительно простую схему классификации в зависимости от используемой подвижной фазы и характера межмолекулярных взаимодействий (табл. 1−3).
Слайд 15ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ХРОМАТОГРАФА
1 – система подготовки подвижной фазы;
2
– система дозирования;
3 – колонка;
4 – система термостатирования;
5 – система детектирования;
6 – блок питания детектора;
7 – усилитель сигнала детектора;
8 – регистратор (самописец, компьютер);
9 – измерители режима хроматографа (расход подвижной фазы, стабилизация температур и электрического питания детекторов)
Функциональные связи материальных потоков показаны стрелками, электрические – одинарной линией, термостатируемые элементы заключены в пунктирный контур.
Слайд 16Наиболее распространённые детекторы газовых X. - термокондуктометрические и ионизационные. Типичным
примером первых является детектор по теплопроводности (катарометр), в мостовую цепь
которого включены две ячейки для измерения теплопроводности; через них протекают потоки чистого газа-носителя и бинарная смесь. Теплопроводность последней отличается от теплопроводности чистого газа-носителя; поэтому при прохождении бинарной смеси через чувствительный элемент детектора - нагретую спираль с сопротивлением 10-80 ом - меняются температуpa и сопротивление спирали в зависимости от концентрации компонента. Такой детектор позволяет определять концентрации веществ в пределах 10-1-10-2 %.
Слайд 17Главной частью ионизационных детекторов является ионизационная камера, где происходит ионизация
молекул, попадающих в неё с потоком газа-носителя из хроматографической колонки.
Ионизацию исследуемых веществ осуществляют в пламени водорода, метастабильными атомами аргона или гелия, медленными электронами и т. д. Ионы под воздействием приложенного напряжения перемещаются в ионизационной камере, что приводит к образованию электрического тока. Ионизационные детекторы позволяют определять концентрации веществ в пределах 10-4-10-7%.
Слайд 18 В жидкостном X. в качестве детектирующего устройства используют проточный рефрактометр,
включаемый по дифференциальной схеме, или детектор поглощения в ультрафиолетовой области.
Подачу подвижной фазы - растворителя осуществляют при помощи беспульсационных систем (давление до 50 Мн/м2, или 500 кгс/см2), а ввод пробы - микрошприцем или переключающимся краном. Длина хроматографич. колонки в жидкостном X. не превышает 1 м.
В целом детекторы жидкостных X. обладают существенно меньшей чувствительностью (примерно на 2 порядка), чем детекторы газовых X. Для точного измерения концентраций веществ детекторы калибруют по смесям известного состава.
Слайд 19 В зависимости от цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую, неаналитическую,
препаративную и промышленную хроматографию.
Аналитическая хроматография предназначена для определения качественного и
количественного состава исследуемых смесей.
Неаналитическая хроматография — метод исследования физико-химических характеристик веществ при использовании хроматографической аппаратуры и на основании параметров хроматографических зон.
Препаративную хроматографию применяют для выделения небольших количеств чистых компонентов в лабораторных условиях.
Промышленную хроматографию используют для получения чистых веществ в значительных количествах.
Слайд 20 Исходными экспериментальными данными, с помощью которых выполняется качественный
газохроматографический анализ, являются элюционные характеристики
Слайд 21Зависимость сигнала детектора от объема газа-носителя или от времени называют
хроматограммой (элюционной кривой).
На хроматограмме различают следующие составные части:
нулевую линию – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала дифференциального детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик несорбирующегося компонента; пик регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компонентов (или смеси нескольких неразделенных компонентов).
Пик ограничивается фронтом, соответствующим возрастанию концентрации компонента до максимальной, и тылом, отвечающим убыванию концентрации компонента в газе-носителе.
Расширение полосы компонента по мере прохождения ее через колонку, ведущее к получению широкого хроматогра-фического пика, называют размытием пика. Размытие может быть симметричным и асимметричным. В последнем случае образуется пик либо с размытым фронтом, либо с размытым тылом.
Слайд 22 Первичные параметры удерживания
К ним относятся: время удерживания,
объем удерживания и соответствующий им отрезок на хроматограмме l -
расстояние удерживания.
Время удерживания (tR)
– это время, прошедшее от момента ввода пробы до выхода максимума концентрации определяемого компонента.
Расстояние удерживания (lR) — это расстояние на хроматограмме от момента ввода пробы до выхода пика определяемого компонента. Измеряется на хроматограмме с помощью линейки от линии старта до вершины пика (в мм). Расстояние удерживания l - непредставительная величина, так как она зависит от скорости перемещения диаграммной ленты и от других факторов.
Удерживаемый объем (VR) — это объем газа-носителя (в см3), прошедший через хроматографическую колонку от момента ввода пробы до момента выхода максимальной концентрации определяемого вещества.
Слайд 23 Объем удерживания находят по уравнению:
VR = tR * Fоб,
где Fоб – объемная скорость газа-носителя, см3/мин, объем
газа-носителя, протекающего за единицу времени через пенный расходомер, т.е. на выходе из колонки и при температуре колонки.
При наличии специальных блоков точного задания и измерения расхода газа-носителя, с табло этих приборов снимаются показания скорости газа-носителя. Если их нет — расход замеряется с помощью мыльно-пленочного расходомера. Для расчетов объемов следует использовать значение объемной скорости, учитывающей температуру колонки и давление водяного пара при температуре измерения:
Слайд 24 где
FИЗМ – измеренная объемная скорость, см3/мин;
ТК
– температура колонки, К;
ТСР – температура окружающей среды, К;
PH2O – давление насыщенных паров воды при температуре измерения, Па;
РВ – атмосферное (барометрическое) давление, Па.
Перечисленные параметры, при условии использования одной и той же температуры опыта и скорости газа-носителя, являются качественной характеристикой анализируемых веществ в данных условиях на одном и том же приборе.
Поэтому ими можно пользоваться для выполнения качественного анализа только используя один и тот же прибор и строго соблюдая неизменность режима его работы.
Слайд 25 На первичные параметры удерживания влияют следующие факторы:
а) свойства и количество
HЖФ (адсорбента в газоадсорбционной хроматографии и сорбента в ГЖХ), причем
в газожидкостной хроматографии влияет как HЖФ, так и твердый носитель;
б) температура колонки и скорость газа-носителя;
в) конструктивные особенности применяемой аппаратуры;
г) перепад давления газа-носителя на входе и выходе колонки.
Чтобы исключить влияние некоторых факторов на первичные параметры удерживания, используют следующую группу параметров –
Исправленные и приведенные параметры удерживания
Слайд 26Исправленные и приведенные параметры удерживания
Исправленное время удерживания (t'R) — время,
прошедшее с момента появления пика несорбирующегося газа до появления пика
соответствующего соединения:
t'R = tR – tМ
tМ — времени удерживания несорбируемого компонента (иногда употребляют термин «мертвое» время удерживания).
Исправленное время удерживания t'R отвечает времени, в течение которого элюируемое вещество находится в неподвижной фазе (в растворенном или сорбированном состоянии).
В газовой подвижной фазе все вещества, независимо от времени удерживания, проводят одно и то же время, равное tМ — поправка на объем колонки, занимаемый газовой фазой, объем дозатора, детектора и соединительных газовых линий.
Слайд 27Для экспериментального определения tМ необходимо измерить время удерживания какого-либо несорбируемого
соединения, отличного от газа-носителя. В случае работы с катарометром можно
за tМ взять время выхода пика воздуха. При работе с ДИПом можно приравнять tМ к времени удерживания метана. Если в лаборатории нет метана, можно воспользоваться временами удерживания трех н-алканов и сделать расчет по следующей формуле:
где tRn, tRn+1 и tRn+2 – времена удерживания соответственно трех последовательных членов гомологического ряда н-алканов.
Слайд 28 Отношение приведенного времени удерживания к «мертвому» времени называется коэффициентом емкости
(извлечения) k:
Это отношение является характеристикой продолжитель-ности нахождения молекул анализируемого
соединения в неподвижной фазе относительно времени их пребывания в подвижной газовой фазе.
Исправленное расстояние удерживания — расстояние от пика несорбирующегося газа (lМ) до максимума выхода пика соответствующего компонента (lR).
l'R = lR – lМ
Исправленный удерживаемый объем (V0R) рассчитывается по формуле:
V0R = VR · j
Слайд 29 где j – поправочный коэффициент, учитывающий перепад давления
в колонке (коэффициент сжимаемости); РВХ – давление на входе в
колонку; РВЫХ – давление на выходе из колонки.
Исправленные объемы удерживания можно сравнивать в том случае, если они получены на одной и той же колонке при прочих равных условиях, но давление на входе в колонку может различаться, поскольку в приведенную выше формулу входит поправка на перепад давления.
При РВХ → РВЫХ V0R становится равна предельному значению VR.
Слайд 30Приведенный удерживаемый объем (V'R) — объем удерживания, пересчитанный с учетом
поправки на объем удерживания несорбируемого газа VМ («мертвый» объем колонки,
учитывающий свободные объемы колонки, дозатора, детектора и соединительных линий):
V'R = VR – VМ = Fоб · (tR – tМ)
Приведенные объемы удерживания можно сравнить в том случае, если они получены на одной и той же колонке или на разных колонках, но при одинаковом перепаде давления, так как поправка на перепад давления не вводится.
Слайд 31Приведенный объем удерживания, исправленный с учетом перепада давления, называется эффективным
(чистым) удерживаемым объемом VN:
VN=V'R·j= Fоб · (tR – tМ)·j=
(VR – VМ )·j
Таким образом, эффективный объем удерживания не зависит от «мертвого объема», приведен к среднему давлению в колонке, но зависит от количества сорбента, измеренного при температуре ТК. Эту зависимость можно исключить, учитывая количество жидкой фазы в колонке или поверхность адсорбента. Тогда получаем принципиально новые параметры.
Слайд 32Абсолютные параметры удерживания
Удельный удерживаемый объем (VTg) при температуре колонки Т(К)
равен чистому объему удерживания, отнесенному к единице массы неподвижной жидкой
фазы в колонке:
VTg = VN /mЖ
где VN – чистый объем удерживания; mЖ – масса HЖФ в колонке, г.
Итак, для ГЖХ абсолютный удельный удерживаемый объем рассчитывается по формуле:
Этот параметр является такой же характерной константой, как температура плавления (кипения), показатель прело-мления и плотность, связывающей термодинамические функции сорбции со строением и физико-химическими свойствами веществ. В справочной литературе приводят-ся данные по удельным удерживаемым объемам различ-ных веществ на различных фазах.
Слайд 33 Используя эти данные, можно проводить качественный анализ.
Абсолютный удельный объем удерживания
является наиболее полно скорректированной характеристикой удерживания и обладает наилучшей сопоставимостью
по сравнению со всеми иными абсолютными характеристиками удерживания.
Однако в практике качественного газохроматографического анализа этим параметром пользуются редко, т.к. выполнить точный расчет V0g трудно (девять параметров входят в состав уравнения и сложно определить их все с высокой точностью).
Поэтому в повседневной практике получила большее распространение другая группа параметров — относительные параметры удерживания.
Слайд 34Относительные параметры удерживания
Относительное время удерживания (tRотн) — отношение удельного или
чистого времени удерживания (t'Ri) данного соединения к соответствующему времени удерживания
соединения выбранного в качестве стандарта (t'Rст):
tRотн = t'Ri / t'Rст
Относительный удерживаемый объем (VRотн) — отношение приведенного, чистого или удельного объема удерживания данного соединения к соответствующему объему удерживания соединения, выбранному в качестве стандарта:
VRотн = V'Ri / V'Rст = VRi / VRст = V0gi / V0gст
Слайд 35где V'Ri – приведенный объем удерживания исследуемого соединения; V'Rст -
приведенный объем удерживания вещества, принятого за стандарт; VRi – чистый
объем удерживания компонента i; VRст – чистый объем удерживания стандарта; V0gi – удельный объем удерживания компонента i; V0gст – удельный объем удерживания стандарта.
Стандартом может быть любое вещество, однако в большинстве случаев используются либо нормальные парафины, либо бензол, либо вещество, принадлежащее к тому же классу, что и определяемое.
Относительные величины удерживания не зависят от количества сорбента в колонке, от объема колонки, занятого газовой фазой, от перепада давления в колонке, от скорости газа-носителя. Они зависят только от природы анализируемого вещества, стандарта и сорбента, а так же от температуры колонки, поэтому используются для идентификации и публикуются в виде таблиц, как в оригинальной литературе, так и в справочниках.
Слайд 36 Точность определения относительных величин параметров удерживания выше, чем
абсолютных, а трудоемкость определения гораздо ниже.
Еще удобнее определять параметры
удерживания относительно двух н-алканов, один из которых имеет меньшее, другой большее время удерживания, чем определяемое соединение.
При этом появляется возможность представлять данные об относительных величинах удерживания в форме так называемых интерполяционных параметров удерживания, из которых наибольшее распространение получили индексы удерживания.
Слайд 37Индекс удерживания Ковача I, характеризующий удерживание вещества х в колонке
неподвижной фазой Н.Ф. при температуре t (ºС) относительно двух н-алканов
с числом углеродных атомов n и n+1, рассчитывается путем линейной интерполяции логарифмов исправленных параметров удерживания:
при соблюдении условия: t'R(n) ≤ t'R (x) ≤ t'R (n+1).
Слайд 38При условии t'R(n) ≤ t'R (x) ≤ t'R (n+p):
При линейном
программировании температуры колонки используют линейные индексы удерживания
Слайд 39Главным достоинством системы индексов удерживания является ее наглядность. По определению
н-алканам приписываются значения индексов удерживания, равные числу углеродных атомов в
молекуле, умноженному на 100 ед. Например, для метана – 100, пропана – 300, декана – 1000 и т.д. Водороду приписывают значение индекса равное нулю. Эти числа и образуют в шкале индексов удерживания серию фиксированных точек.
Из рисунка следует, что индекс
удерживания определяемого
вещества х равен умноженному на
100 ед. числу атомов углерода n
гипотетического нормального алкана,
имеющего такое же исправленное
время (расстояние или объем) удер-
живания, что и вещество х.
Графическое определение индексов удерживания Ковача: 1, 2, 4, 5 – н-алканы (стандарты); 3 – анализируемое соединение.
Слайд 40Графическое определение индексов удерживания не обеспечивает необходимой точности результатов, и
поэтому при выполнении ответственных анализов рекомендуется находить индексы расчетным путем.
Индексы
удерживания являются весьма информативной и удобной формой представления данных по относительному удерживанию органических соединений различных классов и в настоящее время широко используется в качественном анализе для решения сложных задач, как, например, идентификация компонентов нефти или исследование запаха пищевых продуктов.
Поскольку численное значение индексов Ковача определяется лишь физико-химическими свойствами анализируемого вещества, природой неподвижной фазы и температурным режимом колонки, индекс удерживания вещества той или иной неподвижной фазой, отнесенный к определенной температуре, можно поставить в ряд с такими известными константами, как температура кипения (плавления), плотность или показатель преломления.
Слайд 41 Воспроизводимость и правильность измерений всех перечисленных параметров зависят от класса
применяемой аппаратуры, опыта оператора и его квалификации. Основные ошибки, вызывающие
погрешности измерений, возникают по следующим причинам:
а) нестабильность температурного режима колонок, испарителя и скорости газа-носителя;
б) перегрузка колонки за счет большой дозы, немгновенность дозирования;
в) несинхронность операции дозирования и включения средств измерения времени удерживания или отметки начала ввода пробы.
При выполнении качественного анализа нужно стремиться исключить ошибки измерения или свести их к минимуму.
Слайд 42Индексы удерживания при линейном программировании температуры колонки:
Слайд 43 Фактор удерживания (или коэффициент емкости) ki представляет собой отношение количеств
компонента i в неподвижной (m i,s) и подвижной (m i,m)
фазах, который связан с характеристиками удерживания
ki = t’R/tm или
ki = ( tR - tm ) / tm. (1)
Отсюда
tRi = (1+ ki) tm. (2)
Это основное уравнение, характеризующее удерживание в хроматографии.
Как видно из уравнения (1), фактор удерживания можно определить из данных хроматограммы.
подвижная фаза
неподвижная жидкая фаза
стенка капиллярной колонки
Модельная траектория движения частицы компонента анализируемого образца в колонке
Слайд 45 В практике газовой и жидкостной хроматографии удерживание двух соединений (1)
и (2), последовательно регистрируемых на хроматограмме характеризуют фактором разделения α:
α = V’R2/ V’ R1 = t’R2/ t’ R1 = l’R2/ l’ R1 = k2/k1
Фактор разделения α иногда называют селективностью.
Численное значение α всегда больше единицы. Однако α не описывает действительного разделения двух хроматографических пиков.
Существуют лишь два параметра, которые определяют, полностью ли разрешены (разделены) два пика - это расстояние между пиками и их ширина.
Слайд 46 Расстояние между пиками можно выразить как разность времен удерживания ΔtR
, а ширину пика у его основания W определяют как
расстояние между касательными к направляющим пиков. Разрешение Rs двух пиков определяется как
Rs = 2(t’R2 – t’R1)/(W1+W2) = Δt’R/(W 0.5(1) + W0.5(2) ),
где W 0.5 - ширина пика на половине высоты;
Rs - безразмерная величина;
Δt’R и W должны быть выражены в одних и тех же единицах.
Слайд 47 Разрешение равно единице, если расстояние между двумя пиками равно средней
ширине пика.
При RS>1 пики должны быть разрешены.
Однако полное
разрешение может быть и не достигнуто, если велика ширина пика у основания, т.е. велики размывающие эффекты. Степень размывания пика определяет эффективность колонки.
Эффективность в хроматографии - это способность системы «предотвращать» (ограничивать) размывание зон разделяемых веществ.
Слайд 48Эффективность выражается числом теоретических тарелок N или высотой эквивалентной теоретической
тарелке (ВЭТТ).
Теоретическая тарелка (Т.Т.) - это участок слоя сорбента,
на котором распределение вещества между двумя фазами завершается установлением равновесия. Число теоретических тарелок можно рассчитать по формуле:
N = 5,54 (tR / W0,5)2 или N ≈ 16 (tR / W)2
где tR - полное время удерживания или эквивалентное этой величине полное расстояние удерживания вещества - отрезок временной оси хроматограммы, соответствующий времени удерживания lR.
W и W0,5 - ширина пика у основания и на половине его высоты соответственно.
Слайд 49 ВЭТТ - это высота слоя
сорбента (колонки), необходимая для установления равновесия;
H
= L/N,
где L - длина слоя сорбента.
Чем больше N и меньше Н, тем выше эффективность колонки. ВЭТТ зависит от скорости потока подвижной фазы U.
Эту зависимость можно представить в виде кривой в координатах H-U, что позволяет определить минимальную ВЭТТ для данной хроматографической системы при некотором оптимальном значении скорости потока.
Слайд 50Эффективность
Прохождение зоны вещества через колонку всегда сопро-вождается ее размытием. В
итоге ухудшается разделение компонентов смеси. Таким образом, с точки зрения
конечного результата, т.е. определения компонентов пробы, размывание является нежелательным процессом и должно сводится к минимуму. Основным параметром, определяющим размывание компонентов при ее прохождении через колонку, является эффективность.
Под эффективностью в хроматографии понимают способность системы "предотвращать" (ограничивать) размывание зон разделяемых веществ. Эффективность колонки тем выше, чем уже пик получается при том же времени удерживания, и измеряется числом теоретических тарелок.
Слайд 51 Число теоретических тарелок характеризует число ступеней установления равновесия распределения вещества
между подвижной и неподвижной фазами, и описывается уравнением:
N = 16⋅(lR
/ b0)2 = 5,54⋅(lR / b0,5)2 ,
где lR − расстояние удерживания, мм; b0 и b0,5 − ширина пика у основания, и на половине его высоты соответственно, мм.
Это уравнение используется для определения эффективности главным образом насадочных колонок.
Эффективность же капиллярных колонок оценивается числом эффективных теоретических тарелок:
N = 16⋅(l’R / b0)2 = 5,54⋅(l’R / b0,5)2 ,
где l’R – исправленное расстояние удерживания, мм.
Слайд 52 Число теоретических тарелок N, соответствующее данной колонке, не является достаточной
характеристикой хроматографического разделения, поскольку это число не зависит от размеров
разделительной системы (длины колонки).
В связи с этим высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ), можно определить как толщину сорбционного слоя, необходимую для того, чтобы раствор, поступивший из предыдущего слоя, пришел в равновесие со средней концентрацией растворенного вещества в подвижной фазе этого слоя. Такая характеристика лучше определяет эффект хроматографического разделения.
Таким образом, эффективность хроматографической системы с использованием набивных хроматографических колонок описывается величиной ВЭТТ:
Н = L / N ,
где ВЭТТ или Н − высота, эквивалентная теоретической тарелке, мм;
L − длина системы в направлении перемещения подвижной фазы (длина хроматографической колонки), мм; N − число теоретических тарелок.
Слайд 53 Аналогично в капиллярной хроматографии используется высота, эквивалентная эффективной теоретической тарелке:
Нeff
= L / N ,
oна также выражается в единицах
длины.
Чем больше N, тем выше эффективность, тем меньше размывание полосы по мере прохождения ее через колонку и соответственно уже пик на выходе из колонки. Система считается эффективной, если 1 м колонки имеет 1000 теоретических тарелок, т.е. при
Н = 1 мм.
Увеличивая в два раза длину колонки, мы увеличиваем степень разделения в N раз.
Слайд 54 Зная число теоретических тарелок N, приходящиеся на колонку и ее
длину L, а также средний диаметр зерна сорбента, легко получить
значение приведенной высоты, эквивалентной теоретической тарелке:
ПВЭТТ (h) = Н / dC ,
где dC – средний диаметр зерна сорбента, мм.
ПВЭТТ является более общей характеристикой качества колонки, чем ВЭТТ. Она исключает зависимость Н от диаметра частиц насадки dC
и является безразмерной величиной.
Слайд 55 Имея значения N, Н и h можно сравнить эффективность колонок
разных типов, разной длины, заполненных разными по природе и зернению
сорбентов.
Сравнивая число теоретических тарелок двух хроматографических колонок, сравнивают их эффективность. При сравнении ВЭТТ оценивают колонки с сорбентами одинакового зернения, но имеющие разную длину.
Наконец, величины ПВЭТТ для двух любых колонок (независимо от длины колонок, зернения сорбента и его природы) позволяют оценить качество сорбента, во-первых, и качество заполнения колонок, во-вторых.
Представление о тарелке привнесено в хроматографию из теории дистилляции, так как первые наиболее эффективные дистилляционные колонны содержали приспособления, названные тарелками. Было предложено представлять хроматографическую систему как некоторое число воображаемых, или теоретических, тарелок.
Слайд 56 Размывание зон определяется тремя факторами: неравномерностью движения потока подвижной фазы,
молекулярной диффузией и тем, что система не достигает состояния равновесия.
Отражает этот подход уравнение Ван-Деемтера, имеющее в упрощенной форме вид:
Постоянная А учитывает неравномерность движения потока подвижной фазы и называется вихредиффузионным членом. Она описывает зависимость высоты тарелки от неоднородностей потока через пористую структуру набивки колонки.
В большинстве практических приложений этот член может быть аппроксимирован следующим уравнением:
А = 2⋅λ⋅dр,
где dр − средний диаметр частиц насадки, λ − безразмерная константа, зависящая от равномерности заполнения колонки.
Слайд 57 Влияние скорости газа-носителя U на высоту, эквивалентную теоретической тарелке –
графическое представление уравнения Ван-Деемтера
Слайд 58 Коэффициенты А, В и С являются постоянными для данной хроматографической
системы.
Рисунок, часто называемый ВЭТТ−U кривой, показывает взаимодействие различных параметров, определяющих
высоту тарелки в зависимости от скорости газа-носителя. Гипербола имеет минимальное значение Hmin, при котором колонка имеет максимальную эффективность. Она достигается при оптимальной скорости Uopt.
На практике, однако, работают со скоростями, превышающими Uopt, чтобы получить более быстрое разделение.
Слайд 60Основные характеристики газохроматографических (ГХ) детекторов
Газохроматографический детектор
Газохроматографический детектор представляет собой измерительный
прибор, который обнаруживает присутствие в газе-носителе компонентов, отличающихся от газа-носителя
по химическому составу, и преобразует эту информацию в электрический сигнал.
С самого начала появления методов газовой хроматографии (1952 г.) они стали использоваться в самих разнообразных областях науки и техники. Многообразие требований способствовало появлению целого ряда детекторов, отличающихся по своим свойствам.
Слайд 61Наиболее распространенные детекторы
Детекторы по теплопроводности (ДТП)
Пламенно-ионизационные детекторы (ПИД)
Электронозахватные детекторы (ЭЗД)
Азотно-фосфорные
детекторы (АФД)
Пламенно-фотометрические детекторы (ПФД)
Детекторы по электропроводности (ЭД)
Фотоионизационные детекторы (ФИД)
Масс-селективные детекторы
(МСД)
Инфракрасные детекторы (ИкД)
Атомно-эмиссионные детекторы (АЭД)
Гелий-ионизационные детекторы (ГИД)
Редокс-хемилюминесцентные детекторы (РХД)
Термоионизационные детекторы (ТИД)
Слайд 62Требования к детектору
Газохроматографические детекторы должны удовлетворять целому ряду требований
по чувствительности, селективности, динамическому диапазону, стабильности, объему ячейки детектора, способу
регистрации показаний.
Чувствительность определяется как отношение изменения выходного сигнала к изменению количества вещества, содержащегося в пробе.
Минимальное количество вещества, зарегистрированное на хроматограмме, называют минимальным уровнем детектирования (MDL). Этот уровень зависит от процесса отбора пробы, ее обработки, устройства ввода пробы, типа колонки, характера интегрирования сигнала, а также от наличия шумов в измерительной цепи.
Слайд 63 Поэтому минимальный уровень детектирования определяется как количество вещества в пробе,
которое дает пик на хроматограмме, в 2 ÷ 3 раза
превышающий уровень шума (отношение сигнал/шум колеблется от 2 до 3; рис.).
Селективность является характеристикой, определяющей выходной сигнал детектора по отношению к различным соединениям.
Некоторые детекторы обнаруживают все вещества, находящиеся в пробе, и поэтому называются универсальными.
Другие, напротив, чувствительны только к определенным классам соединений и поэтому очень полезны для анализа этих соединений в сложной смеси.
Слайд 64 Динамическим диапазоном называют область концентраций пробы, в которой детектор дает
точные количественные показания, т.е. сохраняется прямая пропорциональная зависимость интенсивности выходного
сигнала от концентрации.
Этот диапазон для многих детекторов, как, например, пламенно-ионизационного, очень широк. Для других, например, пламенно-фотометрического, из-за насыщения при высоких концентрациях, относительно невелик.
Чувствительность детектора и минимальный уровень детектирования являются терминами, которые на практике иногда заменяют друг друга, хотя в более точном смысле слова они представляют собой разные понятия.
Слайд 65 Для сравне-ния возмож-ностей различ-ных де-текторов на диаг-рамме представ-лены их типичные
динамиче-ские диа-пазоны.
Слайд 66Сравнение наиболее распространенных газохроматографических детекторов
Селективность
Детекторы можно разделить на три различных
класса: универсальные, селективные и специфические.
Универсальные детекторы регистрируют все вещества, поступающие
из газохроматографической колонки. Таким детектором, например, является детектор по теплопроводности, поскольку большинство элюатов имеет различную теплопроводность.
Для мониторинга ионного состава пробы наиболее подходящим универсальным детектором можно считать масс-спектрометр, согласованный с газохроматографической системой.
Слайд 67 В процессе детектирования универсальным детектором могут возникать сложные проблемы. Плохое
разделение может мешать детектированию анализируемого компонента, если детектор регистрирует все
вещества, выходящие из колонки.
Универсальные детекторы регистрируют также фон колонки и малые флуктуации давления газа-носителя и температуры.
Селективность детектора может проявляться по отношению к химическому элементу в пробе, к группе атомов, радикалу или к какому-либо свойству компонента пробы.
Слайд 68 Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) селективно реагирует на вещества, ионизирующиеся в водородном
пламени (относительно универсальная селективность).
Такие детекторы предпочтительны при анализе водных
растворов, так как они не регистрируют воду.
Термоионизационный детектор (ТИД) представляет собой ионизационный детектор, селективный к органическим соединениям, содержащим азот или фосфор.
Слайд 69 Электронозахватный детектор (ЭЗД) часто используется для анализа пестицидов и селективно
регистрирует полигалогенидные, ме-таллорганические и сопряженные карбонильные соединения и т.п. Эти
вещества способны захватывать электроны малой энергии, образуя отрицательные ионы. Соответственно изменяется ток в ячейке детектора, это изменение представляет собой сигнал детектора.
Селективность к галогенам, азоту и сере может быть также достигнута в детекторах по электропроводности. В таких детекторах используются катализаторы, на которых происходит восстановление элюатов до ионов, которые затем регистрируются кулонометрически в потоке жидкости.
Слайд 70 Фотоионизационный детектор (ФИД) определяет соединения, ионизирующиеся под действием УФ света.
Специфические
детекторы селективны в такой степени, что способны регистрировать определенные группы
или химические элементы с высокой степенью достоверности. Иногда такие детекторы используют для качественного анализа.
Обычно селективность количественно оценивают по массе углеводородов, дающих один и то же сигнал.
Пламенно-фотометрический детектор с помощью оптического фильтра выделяет и измеряет интенсивность света, излучаемого при сгорании пробы в водородном пламени.
Выделением узкого диапазона длин волн достигается специфичность относительно серы и фосфора.
Слайд 71Количественные расчеты в хроматографии
Сопоставление площадей или высот хроматографических пиков позволяет
оценить количественный состав смеси. В хроматографии используют три основных метода
количественного анализа.
Метод абсолютной калибровки обычно предполагает построение градуировочного графика по стандартным смесям, как и в других физических методах.
Слайд 72В методе внутренней нормализации предполагается, что пики всех возможных компонентов
смеси зафиксированы на хроматограмме, и сумма их площадей (S) равна
100%.
Различия в чувствительности детектора к разным компонентам учитывается введением поправочных коэффициентов (Ki).
Расчет ведут по формуле:
где n - число компонентов смеси, S - площадь хроматографического пика,
Ki - поправочные коэффициенты для каждого i-компонента.
Слайд 73Метод внутреннего стандарта предусматривает введение в анализируемый образец известного количества
эталонного соединения, хроматографиро-вание полученной смеси и расчет по формуле:
где
сst - концентрация внутреннего стандарта введенного в пробу,
k - поправочный множитель, который рассчитывают по стандартной смеси эталонного соединения и определяемого вещества по формуле
где индекс i относится к определяемому веществу, а st – к стандарту.
