Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Эффективность — хроматографическая колонка
Эффективность хроматографической колонки увеличивается с ростом длины используемой колонки. [1]
Эффективность хроматографической колонки принято выражать числом теоретических тарелок. [2]
Эффективность хроматографической колонки зависит от величины линейной скорости газа-носителя. Следовательно, для каждой хроматографической колонки существует оптимальная линейная скорость газа-носителя, которая позволяет провести наилучшее разделение ком-прнентов смеси. Однако практически хроматографический анализ проводят обычно в области более высоких линейных скоростей. На рис. 3 эти скорости лежат в области правой ветви, где наблюдается не столь резкое изменение ВЭТТ с изменением и, как в области левой ветви гиперболы. [3]
Эффективность хроматографической колонки , определяемая числом теоретических тарелок п [ см. уравнение (1.2) ], и высотой, эквивалентной теоретической тарелке Н — — Ып ( L — длина колонки), является мерой скорости размытия зоны анализируемого компонента. [4]
Эффективность хроматографических колонок при использовании различных твинов приведена ниже. [5]
Эффективность хроматографической колонки , выражаемая величиной ВЭТТ, является функцией большого числа переменных, многие из которых зависят от температуры. [6]
Экспериментально эффективность хроматографических колонок должна определяться в оптимальных условиях: расход элюента для колонок длиной 60 — 120 мм и внутренним диаметром 2 мм лежит в диапазоне от 70 до 150 мкл / мин. Обычный расход элюента при использовании хроматографов серии Милихром — 100 — 150 мкл / мин. Коэффициент емкости хроматографического пика должен быть в диапазоне 7 — 9; должно отсутствовать уширение хроматографических пиков, обусловленное межмолекулярными взаимодействиями; внеколоночное уширение должно быть сведено к минимуму; элюент должен быть составлен таким образом, чтобы не происходило адсорбционное модифицирование адсорбента. Максимальная эффективность достигается при температуре окружающей среды 18 — 22 С, при минимальном объеме и количестве вещества в пробе. Реальная эффективность хроматографической колонки сильно зависит от размывания пробы во внеколоночных элементах конструкции хроматографа: в узле ввода пробы ( инжектор), в соединении между инжектором и хроматографической колонкой, в соединении между колонкой и кюветой детектора, в самой кювете детектора. [8]
Оценка эффективности хроматографических колонок на основе рекомендуемых характеристических величин будет приведена позднее ( рис. 44 гл. [9]
Сравнение эффективности хроматографических колонок только на основе числа тарелок может быть весьма ошибочным. Как указал Литтлвуд [7], разрешение двух пиков может быть хуже в колонке, имеющей сотни тысяч теоретических тарелок, чем в колонке, имеющей только 1000 тарелок. Наиболее частым упущением является пренебрежение размерами мертвого пространства колонки. Большой размер мертвого пространства ничего не дает для увеличения разности У2 — Vi в выражении ( 24 — 33), но увеличивает значение V V в знаменателе и таким образом понижает разрешение. Для достижения максимального разрешения необходимо оценить все три фактора в уравнении ( 24 — 35) — относительное удерживание, коэффициент разделения, число теоретических тарелок. Для данной колонки разделение улучшается при работе на участке минимума кривой зависимости высоты тарелки от скорости. Если мертвый объем на 1 г велик, то условия должны быть такими, чтобы удельный удерживаемый объем также был велик. Часто наиболее эффективные практические средства улучшения разрешения заключаются в выборе фаз или условий, при которых улучшаются относительные факторы удерживания. [10]
Под эффективностью хроматографической колонки понимают, как правило, число соответствующих ей теоретических тарелок или величину ВЭТТ. [11]
Под эффективностью хроматографической колонки понимают общее число теоретических тарелок в ней или число теоретических тарелок на 1 м длины хроматографической колонки. Поэтому из рассмотрения обычных уравнений для расчета числа теоретических тарелок следует простая и очевидная связь между эффективностью и комплексом свойств носителей, влияющих на ширину хроматографического пика. Более детальную информацию о характере этой зависимости дает рассмотрение особенностей течения газового потока через зернистый слой и анализ уравнения Ван-Деемтера для высоты теоретической тарелки. [12]
Для повышения эффективности хроматографической колонки необходимо правильно наполнить ее твердым носителем. [13]
При сравнении эффективности хроматографических колонок разной длины используется понятие удельной эффективности колонки. [15]
Источник
Эффективность хроматографической колонки это
Если вы действительно хотите достичь идеальной очистки ваших образцов, то освойте настройки разрешения. Я уже обсуждал параметр селективности в уравнении разрешения, а теперь я хочу рассмотреть подробнее еще один важный фактор – эффективность колонки. Я не люблю, когда в моей кухонной раковине скапливается большая стопка тарелок, но мне очень нравится большая стопка теоретических тарелок в моей хроматографической колонке. Читайте далее и вы поймете, почему.
Мой двоюродный брат, только что вернувшийся из поездки в Азию, показывал мне фотографии Великой Китайской стены. Некоторые ступени выглядели очень высокими, до 50 см, и на изображениях было видно, что моему брату приходилось высоко поднимать ноги, чтобы подниматься по этим ступеням. Я рассматривал фотографии и думал о том, насколько утомителен и неэффективен подъем по таким большим лестницам в сравнении с восхождением по маленьким ступенькам.
Возможно, сейчас вы думаете, какое отношение имеют ступени Великой Китайской стены к хроматографии. Но если вы следили за моим блогом, то знаете, что мой мозг ассоциирует с хроматографией абсолютно все. На самом деле, эти ступени напомнили мне об эффективности колонки, которая измеряется числом теоретических тарелок.
Я уже уделял этому внимание, но мне бы хотелось вернуться к решению вопросов, связанных разрешением в хроматографии. Я уже описывал разрешение в общем виде. А также подробно разбирал вопросы селективности и как выбор подвижной фазы и неподвижной фазы может повлиять на разрешение.
Как насчет того, чтобы рассмотреть уравнение разрешения прямо сейчас?
Эффективность колонки или число теоретических тарелок является важным фактором, который может увеличить разрешение. Если все переменные в уравнении разрешения остаются постоянными, кроме числа теоретических тарелок, то значение разрешения пропорционально квадратному корню из этого числа.
Поэтому увеличение числа теоретических тарелок, например, в 4 раза, увеличит разрешение в 2 раза.
Позвольте мне изложить здесь немного базовой информации по данной теме. Мартин и Синг в своей модели хроматографии разделили хроматографическую колонку на отдельные секции, которые они назвали теоретическими тарелками. Каждая такая тарелка представляет собой теоретическое расстояние, необходимое для одного этапа адсорбции-десорбции компонентов образца между неподвижной и подвижной фазой (см. рисунок ниже). Число теоретических тарелок часто используется для определения эффективности колонки и варьируется от 100 до 106.
Чем больше теоретических тарелок доступно в колонке, тем больше уравновешивания между неподвижной и подвижной фазами и тем лучше качество разделения.
Эффективность колонки можно рассчитать следующим образом:
Источник
Качество и эффективность колонок
Качество хроматографической колонки характеризуют прежде всего ее эффективностью. Она тем выше, чем уже ширина пика при том же времени удерживания. Эффективность колонки измеряется числом теоретических тарелок N . Чем выше эффективность, тем больше величина N . Другими количественными критериями качества колонки являются Н — высота, эквивалентная теоретической тарелке, Н’ — приведенная высота, эквивалентная теоретической тарелке, и приведенное число теоретических тарелок N’ . Определения и формулы для расчетов параметров эффективности колонки приведены здесь.
Для типовых качественных колонок для ВЭЖХ N’ находится в диапазоне значений 50 — 100 тыс. теоретических тарелок на 1 м.
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.
Фактор удерживания k , не зависит от большинства экспериментальных условий, однако на него сильно влияет фазовое отношени,а следовательно, качество упаковки сорбента в колонке. В первом приближении фактор удерживания экспериментально определяют, как отношение разности времени удерживания конкретного сорбата к времени удерживания несорбируемого соединения.
k = (t R — t o ) / t o
Время выхода несорбируемого соединения t o можно выразить величиной, равной длине колонки L , деленной на скорость подвижной фазы u .
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.
В ходе хроматографирования в колонке и вне ее по мере прохождения по хроматографическому тракту (дозатор, предколонка, колонка, детектор, коллектор фракций, соединенные друг с другом капиллярами) происходит размывание узкой концентрационной зоны введенного вещества. По мере ее движения с подвижной фазой по тракту зона становится все шире, размываясь в результате диффузионных процессов. Эффект размывания характеризуется шириной пика у основания t W , которую определяют как отрезок, отсекаемый на нулевой линии двумя касательными, проведенными к пику. Ширина пика увеличивается пропорционально квадратному корню из длины пути, пройденного веществом в колонке.
Мерой размывания полосы вещества в колонке является эффективность, определяемая числом теоретических тарелок N или высотой, эквивалентной теоретической тарелке, H .
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:
Н = Н p + Н d + Н s + Н m ,
где Н p — вклад в размывание вихревой диффузии; Н d — вклад в размывание молекулярной диффузии; Н s — вклад, связанный с сопротивлением массопередаче в неподвижной фазе; Н m — вклад, связанный с сопротивлением массопереносу в подвижной фазе. Чем меньше каждое из четырех слагаемых, тем меньше будет и суммарное значение H , а следовательно, эффективнее колонка.
Величина Н p пропорциональна диаметру частиц сорбента и уменьшается с улучшением равномерности заполнения колонки сорбентом. Величина Н d , заметно растет при низком расходе ПФ, что имеет значение в микроколоночной ВЭЖХ на насосах среднего давления. При типовых скоростях элюирования Н d настолько мала, что ею можно пренебречь. Величина Н m уменьшается при ускорении процессов адсорбции-десорбции, т. е. при использовании частиц малого размера и тонких пленок НФ, при уменьшении скорости потока. Кроме того, величина Н m уменьшается при снижении размера частиц (пропорционально квадрату диаметра частиц), при более равномерном и плотном заполнении колонки сорбентом, уменьшении вязкости ПФ.
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:
u = B o p / ηL = рd 2 / ψηL ,
где u — линейная скорость потока, определяемая из уравнения t o = L/u ; В o — проницаемость колонки; р — давление; η — вязкость; L — длина колонки; ψ -фактор сопротивления колонки, d — диаметр частиц сорбента.
Согласно этой формуле, давление на входе в колонку пропорционально линейной скорости потока, фактору сопротивления колонки, вязкости растворителя и длине колонки, и обратно пропорционально квадрату диаметра частиц. Расчеты показывают, что существуют ограничения возможностей применения мелкодисперсных сорбентов (зернением A S . Предпочтение отдается колонкам, для которых значения A S , лежат в интервале 0.8 — 1.2. Отклонение A S от 1.0 обусловлено многими факторами, в том числе неравномерным распределением пробы по сечению колонки, наличием мертвых объемов, плохим качеством обработки стенки колонки и др.
Ряд фирм в качестве параметра качества колонки использует стабильность колонки, т. е. воспроизводимость N и A S при проведении повторных анализов, которые, однако, существенно зависят от условий проведения эксперимента. Помимо ухудшения эффективности, проницаемости и симметрии пиков имеется еще и визуально контролируемый признак нестабильности — усадка слоя сорбента ниже верхнего обреза колонки. Основная причина проседания сорбента в колонке и потери эффективности — растворение самого силикагеля, даже привитого. Соответственно, предлагаются и разные способы предотвращения нестабильности и проседания, например особый метод заполнения («вязкостная консолидация»), который позволяет получать высокоэффективные колонки, не проседающие длительное время и сохраняющие при этом нормальную проницаемость.
Для потребителей наиболее очевидными характеристиками приобретаемой или приготовляемой хроматографической колонки являются значения приведенного числа теоретических тарелок N’ и величина H’ — отношение достигаемой высоты эквивалентной теоретической тарелки к среднему диаметру частицы сорбента. Что касается формы частиц, то и в случае частиц сорбента нерегулярной формы достижимы эффективности не меньшие, чем в случае частиц сферической формы. Это объясняется тем, что частицы нерегулярной формы могут быть упакованы более плотно, чем сферические. Однако при прочих равных условиях колонки, заполненные сферическими частицами, имеют лучшую проницаемость.
Источник