6. Жидкостная хроматография
При увеличении молекулярной массы веществ, анализируемых газовой хроматографией, возрастает вероятность термической деструкции.
Этого легко избежать, если в качестве подвижной фазы использовать жидкость. Сегодня с помощью жидкостной хроматографии производится анализ более 97% от суммы всех веществ, осуществляемых хроматографией. Бурное развитие метода жидкостной хроматографии связано с развитием ее высокоэффективного варианта и с разработкой для него аппаратуры и сорбентов. Отличительной особенностью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) является использование сорбентов с диаметром частиц 3-10 мкм, что обеспечивает быстрый массоперенос при очень высокой эффективности.
Колонки длиной 250 мм, заполненные частицами размером 3, 5, 10 и 20 мкм, будут иметь эффективность, соответственно 40 000, 25 000, 12500 и 6250 т.т. Казалась бы очевидно, что преимущества имеет колонка с диаметром частиц 3 мкм. Однако, чтобы прокачать через такую колонку подвижную фазу с заданной линейной скоростью u придется создать очень высокое давление P
, (30)
где d – диаметр частицы; - фактор сопротивления колонки; - вязкость; L – длина колонки.
Так, для колонки 250х4 мм, заполненной сорбентом с диаметром частиц 10 мкм, и подвижной фазе метанол-вода (70:30) при расходе 1 мл/мин давление на входе в колонку составит 5 МПа. При тех же условиях, но с сорбентом с диаметром частиц 5 мкм, давление будет составлять 20 МПа., а для частиц с диметром 3 мкм - 55 МПа.
Схема современного жидкостного хроматографа (рис.20) включает насос высокого давления, кран-дозатор, хроматографическую колонку, термостат колонок, детектор, персональный компьютер. Использование колонок, работающих при таком давлении приводит к усложнению всей хроматографической системы. Во первых, необходимы насосы, способные подавать жидкость без пульсаций с таким давлением. При этом для создания градиента (изменения состава подвижной фазы) необходим отбор элюентов из 2-3 емкостей, смешивание этих растворителей, система удаления растворенных газов. Ввод пробы обычно осуществляют через петлевые дозаторы. Соединительные капилляры от насоса до колонки должны выдерживать давление до 60 МПа и иметь минимальный объем для предотвращения внеколоночного размывания. Объем зерна сорбента 3-5 мкм и диаметра капилляров 0,1 мм требует установки целого ряда фильтров.
Рисунок 20. Схема современного жидкостного хроматографа.
Такие фильтры используются при заборе элюента, перед петлевым дозатором, перед колонкой. Конструкция колонки разработана таким образом, чтобы свести к минимуму все пустоты. Детектирование в жидкостной хроматографии обычно осуществляют УФ- спектрофотометрами, дифференциальные рефрактометрами. В ионной хроматографии используется кондуктометрический детектор. Спектрофотометрические детекторы – одни из наиболее используемых.
УФ- спектрофотометр работает в диапазоне 190-650 нм. Он позволяет определять 10-9 г, диапазон линейности 5 порядков.
На сегодня все большее распространение получает детектор с диодной матрицей (ДМД). Он позволяет проводить сканирование каждого из пиков на хроматограмме, с получением его УФ и УВ спектров в области 190-900 нм, определять оптимальную длину волны. В случае неполного разделения подавлять мешающий пик, проводить идентификацию компонентов по библиотеке спектров.
Дифференциальный рефрактометр. С его помощью получают сигнал для всех компонентов, показатель преломления которых отличается от показателя преломления элюента. Его чувствительность ~10-6 г, диапазон линейности составляет 4 порядка. Этот детектор чувствителен к изменению температуры, требует хорошего термостатирования. Его недостаток – трудность или даже невозможность работать в градиентном режиме.
Принцип действия флуориметрического детектора основан на измерении поглощенного света в виде флуоресценции.
Флуоресцентные детекторы чувствительнее спектрофотометрических примерно в 100 раз. Его применяют при определении микропримесей.
Кондуктометрический детектор применяют в ионной хроматографии для измерения проводимости раствора, пропорциональной числу ионов в растворе, их подвижности. Сигнал детектора линейно зависит от концентрации ионов в широком интервале — от 0,01 мкг/мл до 100 мг/мл. Высокочувствительное кондуктометрическое детектирование дает предел обнаружения 10-9 г/мл.
Электрохимические детекторы используют для детектирования веществ, способных окисляться или восстанавливаться под действием электрического тока. Они обладают высокой чувствительностью и селективностью. Их особенно широко используют при анализе биологических объектов.
В последнее время для идентификации и чувствительного детектирования используют масс-спектрометрические детекторы, сочетание хроматографов с масс-спектрометрами с ионизацией связанной плазмой.
Жидкая фаза отличается от газовой большей плотностью и вязкостью. Сопротивление массообмену в жидкой фазе возрастает. Коэффициент диффузии в жидкости на три-четыре порядка меньше, чем в газе. Соответственно в уравнении Ван-Деемтера (12) константа В (куда входит коэффициент диффузии в подвижной фазе резко падает, константа А при равномерном заполнении колонки определяется диаметром зерна А.
Величина сопротивления массопередаче, определяемого константой С в уравнении Ван-Деемтера (12), будет зависеть от коэффициента диффузии Ds и толщины слоя неподвижной фазы. Поскольку частицы сорбента имеют большую поверхность и состоят из ряда более и менее глубоких пор, то величина этих пор будет влиять на скорость массопереноса и размывание хроматографического пика. Учитывая это обстоятельство, были предложены поверхностно-пористые сорбенты для жидкостной хроматографии (рис.21). Использование поверхностно-пористых сорбентов позволило значительно повысить эффективность колонок ВЭЖХ в начале семидесятых годов*. Однако, в последние годы эти сорбенты применяются редко. Колонки, заполненные поверхностно-пористыми сорбентами, уступают объемно- пористым сорбентам с малым размерам частиц по эффективности.
Рисунок 21. Типы сорбентов для ВЭЖХ*. а – поверхностно-пористый; б - объемно-пористый; в – объемно-пористый с частицами малого диаметра.
Из рис. 21 видно, что уменьшение диаметра частицы, сокращает длину диффузионного пути молекул анализируемого вещества в порах сорбентов обоих типов.