капиллярная хроматография

КАПИЛЛЯРНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

вариант хроматографии, в котором для разделения используют капиллярные колонки (с внутр. диаметром 0,1–1,0 мм). Сорбент (насадка) в таких колонках расположен только на внутр. стенках, а центр. часть по сечению остается незаполненной. Такие колонки наз. полыми или открытыми. Иногда к К. х. относят разделение на капиллярных насадочных колонках, внутр. объем которых заполнен сорбентом. Главные особенности К. х. заключаются в увеличении скорости массообмена хроматографируемых соед. между подвижной и неподвижной фазами и в относительно низком сопротивлении потоку подвижной фазы на единицу длины колонки. По сравнению с др. видами хроматографии К. х. позволяет увеличить удельную и общую эффективность разделения; увеличить скорость изменения температуры при ее программировании; повысить экспрессность аналит. определения; упростить сочетания газовой хроматографии с масс-спектрометрией; снизить температуру хроматографич. колонки и анализировать термически нестойкие (при повышенных температурах) соед.; уменьшить расход подвижной фазы, что позволяет применять дорогостоящие жидкости и газы. Сорбентом в полых колонках служит пленка неподвижной жидкой фазы (НЖФ), слой сорбента (графитир. сажа, силикагель и т. д.) или слой твердого носителя (напр., диатомита), на поверхность которого нанесена пленка НЖФ. Широко используются иммобилизованные НЖФ (напр., т. наз. привитые и сшитые). Колонки с тонким слоем НЖФ наз. классическими. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают газовую, жидкостную и флюидную К. х.

Газовая К. х. Эффективность колонок описывается уравнением Голея с учетом влияния сжимаемости подвижной фазы:

капиллярная хроматография

где Н — высота, эквивалентная теоретич. тарелке, Dдкоэф. диффузии хроматографируемого вещества в газовой фазе при давлении на выходе из колонки, и0 — линейная скорость газа-носителя на выходе из колонки, u0 = L/tM.f1, где L — длина колонки, tM — время удерживания несорбирующегося вещества, f = f1/f2, где f1 = 3/2(P2i,0 — 1)/(Р3i,0 — 1) — фактор градиента давления при усреднении по длине колонки, f2 = 4/3(P3i,0 — 1)/(P4i,0 — 1) — фактор градиента давления при усреднений по времени пребывания газа в колонке: Pi.0 = Pi/P0, где Pi — давление на входе, Р0 — давление на выходе, k — коэф. емкости колонки, r — внутр. радиус, dl — эффективная толщина пленки НЖФ, Dlкоэф. диффузии хроматографируемого вещества в НЖФ. Первый член уравнения отражает размывание хроматографич. зоны, обусловленное продольной диффузией вещества в газе-носителе, второй — размывание, обусловленное параболич. изменением скоростей по сечению полой колонки и конечной скоростью массопередачи в газовой фазе, третий — размывание, обусловленное конечной скоростью массопередачи в НЖФ. Для характеристики удерживания хроматографируемых соед. с целью их идентификации в К. х. используют относит. величины: индекс Ковача I (логарифмич. индекс удерживания), линейный индекс удерживания IL и относит. удерживание r:

капиллярная хроматография. Рис. 2

где t'R, t'Rz, t'R(z+1), t'Rstсоотв. приведенные времена удерживания хроматографируемого вещества, нормального парафина с числом углеродных атомов z, нормального парафина с числом углеродных атомов (z + 1) и вещества сравнения. В К. х. удерживание определяется не только сорбцией веществ в НЖФ, но и сорбцией на поверхностях раздела газ — НЖФ и НЖФ — стенка колонки (или твердый носитель). Например, r для определения констант распределения летучих соед. в системе газ — НЖФ описывается уравнением:

r = t'R/t'Rst = r0 + а(1/kсr),

где r0 = К/Кst — величина инвариантного относит. удерживания, К и Кstкоэф. распределения НЖФ-газ, для исследуемого соед. и для вещества сравнения, kсrкоэф. емкости соед., используемого как стандарт для характеристики колонок с разл. содержанием НЖФ. Низкое сопротивление потоку газа-носителя в полых колонках позволяет на стандартном хроматографич. оборудовании после модификации устройства для ввода пробы и детектора использовать классич. капиллярные колонки большой длины (50–300 м), высокой удельной (2000–4000 теоретич. тарелок/м) и общей эффективности (100–300 тыс. теоретич. тарелок). Наиб. широко в К. х. используют кварцевые и стеклянные колонки (в частности, для анализа полярных и неустойчивых соед.); применяют также колонки из нержавеющей стали, латуни, никеля, полимеров и др. материалов. В циркуляц. газовой хроматографии на стеклянных капиллярных колонках реализуют разделения, эквивалентные по эффективности 15 млн. теоретич. тарелок и выше. Малое количество пробы в К. х. (до 10−4–10−8 г) существенно осложняет ее ввод. Различают 3 главных способа дозирования: с делением потока, без деления и прямое дозирование. В последнем способе жидкая проба вводится в колонку без предварит. испарения. Пробу в избытке легколетучего растворителя дозируют в колонку, температура которой ниже температуры кипения растворителя; при этом происходит резкое увеличение емкости фазы в начале колонки и концентрированна "тяжелых" (по отношению к растворителю) примесей. Детектирование веществ в К. х. осуществляется с помощью высокочувствит. детекторов: пламенно-ионизационного (спец. конструкции или с применением вспомогат. газа), электронозахватного, натрийтермоионного, фотоионизационного и др. Для регистрации разделения ряда веществ, напр., неорг. газов, используют микрокатарометр спец. конструкции. К. х. применяется для разделения сложных многокомпонентных смесей, особенно широко для разделения углеводородов, спиртов, фенолов и т. д., липидов, стероидов, пестицидов и др., летучих соед. с близкими свойствами, в т. ч. геом. и оптич. изомеров, изотопов, напр. D2, H2 и DH, 16O2 и 18O2, изотопнозамещенных молекул орг. веществ, напр. C6H6 и C6D6. Использование полых капиллярных колонок с внутр. диаметром 0,3–1,0 мм с толстой пленкой НЖФ в комбинации с простейшей системой ввода пробы без деления потока перспективно в качеств. и количеств. анализе, в анализе легко- и среднесорбируемых соед., а также в анализе следов, рутинном анализе и в пром. хроматографии на потоке. Капиллярные насадочные колонки обладают некоторыми преимуществами перед полыми колонками: более высокой удельной эффективностью (10–30 тыс. теоретич. тарелок/м); простотой реализации газо-адсорбц. варианта хроматографии; возможностью эффективного разделения и экспрессного аналит. определения легко- и среднесорбируемых соед. (включая неорг. газы); возможностью использования в термостате колонок малого объема (миниатюризация газохроматографич. аппаратуры). Осн. препятствие для широкого применения таких колонок в существующих приборах для газовой хроматографии — значит. сопротивление потоку газа-носителя.

Жидкостная К. х. При работе с несжимаемой подвижной фазой зависимость приведенной высоты h, эквивалентной теоретич. тарелке, от приведенной скорости n для полых капиллярных колонок выражается уравнением:

капиллярная хроматография. Рис. 3

где h = H/dc, n = udc/Dm, dc — внутр. диаметр колонки, Dmкоэф. диффузии хроматографируемого вещества в подвижной (жидкой) фазе, и — линейная скорость подвижной фазы, ds — толщина слоя неподвижной фазы, Dsкоэф. диффузии хроматографируемого вещества в неподвижной фазе, k — коэф. емкости колонки. Для ввода пробы используют метод остановки потока, введение пробы непосредственно в колонку и с помощью микрокрана. Для детектирования используют спектральные (в УФ и ИК областях), масс-спектральные, пламенно-ионизационные и электрохим. детекторы. Объем кюветы или ячейки детектора должен соответствовать объему колонки (в К. х. — несколько нл). В К. х. на насадочных колонках реализованы осн. варианты жидкостной хроматографии: прямо-фазный, обращенно-фазный, ионный, эксклюзионный. Она успешно используется для определения полициклич. ароматических углеводородов, аминов, нуклеозидов, фенолов, полимеров дейтерированных и прир. соед., лекарственных средств и т. д. Однако жидкостная К. х., в отличие от газовой, еще не нашла широкого применения.

Флюидная К. х. основана на использовании в качестве подвижной фазы CO2, N2O и др. газов, сжатых до сверхкритич. состояния (флюиды), и полых капиллярных колонок с внутр. диаметром 25–100 мкм. Растворяющая способность флюида сопоставима с растворяющей способностью подвижной фазы в жидкостной хроматографии, а значение коэф. диффузии растворенных во флюиде веществ на 2–3 порядка выше, чем в жидкостной хроматографии. Это свойство флюида в сочетании с относительно низкой его вязкостью позволяет увеличить эффективность разделения. При разделении многокомпонентных смесей веществ коэф. распределения и время элюирования регулируют программированием плотности флюида. Для детектирования применяют универсальный к орг. веществам пламенно-ионизац. детектор, оптич. спектральный детектор или масс-спектрометр. Сверхкритич. флюидная хроматография расширяет границы применения К. х. в области анализа смесей труднолетучих и термолабильных соед., особенно соед. прир. происхождения (тяжелые фракции нефти, лек. средства, смеси олигомеров и др.) с мол. м. до 3000. Создатель газовой К. х. и теоретич. основ метода -М. Голей. В газовой и жидкостной хроматографии полые капиллярные колонки предложены соотв. М. Голеем в 1957 и Г. Нота, Дж. Марино, В. Буопокоре, А. Баллио в 1970.

Лит.: Руденко Б. А., Капиллярная хроматография, М., 1978; Березкин В. Г. [и др.], "Успехи химии". 1978. т. 47. в. 10. с. 1875–1903: Дженнингс В., Газовая хроматография на стеклянных капиллярных колонках, пер. с англ., М., 1980; Березкин В. Г., Золоторев П. П., "Успехи химии", 1984, т. 53. в. II, с. 1891–1924; Тесаржик К., Комарек К., Капиллярные колонки в газовой хроматографии, пер. с чеш., М., 1987; Microcolumn separations, ed. by M. Novotny and Daido Ishi. Amst., 1985.

В. Г. Березкин

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me